JP6842838B2 - モータ、インホイールモータ及び車輪装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ、インホイールモータ及び車輪装置に関する。

従来、各種機器や各種装置の駆動等に用いられるモータには、モータの動作を制御するための角度センサーが設けられるのが一般的である。角度センサーは、モータに含まれるステータとロータとの間の相対的な回転角度を検出する。例えば、角度センサーとしては、光学式エンコーダやレゾルバ等が用いられる。そして、近年では、モータを用いる機器が多様化していることから、角度センサーを内蔵しつつ、小型化されたモータが求められている。

特開２０１５−８９１８８号公報 特許第５６１５０３３号 特許第５５１７８６９号

しかしながら、上述した従来の角度センサーを小型のモータに内蔵させることは困難であった。例えば、光学式エンコーダは、耐熱性や形状の問題から、モータに内蔵させることが難しい。また、レゾルバは、コイル等を用いる構造のため小型化することが難しく、小型のモータに内蔵させることは難しい。このようなことから、従来の技術では、角度センサーをモータに内蔵しつつ、小型化されたモータを実現することは困難であった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、角度センサーを内蔵しつつ、小型化が可能なモータ、インホイールモータ及び車輪装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係るモータは、ステータと、回転軸を中心として前記ステータに対して相対的に回転するロータと、前記回転軸の軸方向に延在するように配置されたシャフトと、前記ステータに対する前記ロータの回転角度を検出する角度センサーとを備え、前記ロータは、前記ステータの外周を囲む周壁と、軸方向において前記シャフトの端部と対向し、センサー用磁石を有する底部とを備え、前記シャフトは、前記ステータに固定され、前記ロータと前記軸方向に所定の距離だけ離間して対向するように配置され、前記角度センサーは、前記シャフトにおける前記軸方向の端部における、前記ロータの前記底部に設けられた前記センサー用磁石と対向する部分に配置される。前記角度センサーの面の全体と前記センサー用磁石の面の全体とは、所定の間隔をあけて、他の部材を介さず直接対向する。

本発明の一態様によれば、角度センサーを内蔵しつつ、小型化が可能なモータ及びインホイールモータを実現することができる。

図１は、本実施形態に係るインホイールモータを内蔵した車輪装置の外観を示す斜視図である。 図２は、本実施形態に係るインホイールモータを内蔵した車輪装置の構成を示す分解斜視図である。 図３は、本実施形態に係るインホイールモータを内蔵した車輪装置の構成を示す分解断面斜視図である。 図４は、本実施形態に係るインホイールモータが備えるステータの構成を示す断面斜視図である。 図５は、本実施形態に係るインホイールモータが備えるロータの構成を示す分解斜視図である。 図６は、本実施形態に係る車輪装置を示す正面図である。 図７は、本実施形態に係る車輪装置を示す側面断面図である。

以下、図面を参照して、実施形態に係るモータ、インホイールモータ及び車輪装置について説明する。

（実施形態）
図１は、本実施形態に係るインホイールモータを内蔵した車輪装置の外観を示す斜視図である。本実施形態に係るインホイールモータは、例えば、図１に示す車輪装置１００に内蔵される。この車輪装置１００は、例えば、自走式のロボットや搬送台車等の駆動輪として用いられる。

例えば、図１に示すように、車輪装置１００は、ホイール１１０と、タイヤ１２０とを備える。ホイール１１０は、金属やプラスチック等を用いて略有底円筒状に形成された車輪である。タイヤ１２０は、ゴム等の弾力性を有する材料を用いて略円環状に形成され、ホイール１１０の周りを囲むように固定される。例えば、ホイール１１０及びタイヤ１２０は、タイヤ１２０が消耗品であることから、それぞれを基本構成として、一体化された状態で交換可能な構造とされる。

例えば、本実施形態に係るインホイールモータは、ホイール１１０に直結され、所定の回転軸Ｒを中心としてホイール１１０を回転させる。すなわち、本実施形態に係るインホイールモータは、例えばダイレクトドライブ方式のインホイールモータである。

図２は、本実施形態に係るインホイールモータを内蔵した車輪装置１００の構成を示す分解斜視図である。例えば、図２に示すように、本実施形態に係るインホイールモータ２００は、車輪装置１００のホイール１１０の内部に搭載され、ナット１１１によってホイール１１０の底部に固定される。

例えば、インホイールモータ２００は、ステータ２１０と、ロータ２２０と、カバー２３０とを備える。ステータ２１０は、回転軸Ｒの軸方向に延在するように配置されたシャフト２１１を介して、車輪装置１００が実装される装置に固定される。

ロータ２２０は、回転軸Ｒを中心としてステータ２１０に対して相対的に回転する。ここで、ロータ２２０は、ステータ２１０を収容する筐体２２１を有し、ステータ２１０の外周を囲むように配置され、当該外周に沿って回転する。すなわち、本実施形態に係るインホイールモータ２００は、アウターロータ形のモータである。

カバー２３０は、貫通孔２３１が形成され、当該貫通孔２３１にシャフト２１１を貫通させた状態で、ロータ２２０の筐体２２１内の空間を密閉する。例えば、カバー２３０は、略円板状に形成され、略中央に貫通孔２３１が設けられる。そして、カバー２３０は、筐体２２１内にステータ２１０が収容され、かつ、貫通孔２３１にシャフト２１１を貫通させた状態で、例えばねじ２３２によってホイール１１０に固定される。

ここで、ステータ２１０、ロータ２２０及びインホイールモータ２００は、ロータ２２０の筐体２２１内への水の浸入を防ぐ防水構造とされている。例えば、カバー２３０は、Ｏリング２３３と、ゴムシールベアリング２３４とを備える。Ｏリング２３３は、カバー２３０と、ロータ２２０の筐体２２１との間に配置され、両者の間を密閉する。ゴムシールベアリング２３４は、カバー２３０の貫通孔２３１の内側でシャフト２１１を回転可能に支持するとともに、貫通孔２３１とシャフト２１１との間を密閉する。また、カバー２３０をホイール１１０に固定するねじ２３２は、締め付け後に防水加工が施される。

図３は、本実施形態に係るインホイールモータ２００を内蔵した車輪装置１００の構成を示す分解断面斜視図である。例えば、図３に示すように、インホイールモータ２００は、ステータ２１０に対するロータ２２０の回転角度を検出する角度センサー２１２を備える。ここで、角度センサー２１２は、シャフト２１１における軸方向の端部と、ロータ２２０における当該端部と対向する部分との間に配置される。

本実施形態では、角度センサー２１２は、磁気センサーであり、ステータ２１０に設けられ、ロータ２２０に設けられたセンサー用磁石２２２の角度位置を検出することで、ステータ２１０に対するロータ２２０の回転角度を検出する。例えば、この角度センサー２１２としては、ＩＣ（Integrated Circuit）を備え、当該ＩＣと対向する位置に置かれた磁石の角度位置を絶対角又は相対角で検出し、ＵＶＷ相の３相の制御信号を出力可能な高速回転角度センサーが用いられる。

図４は、本実施形態に係るインホイールモータ２００が備えるステータ２１０の構成を示す断面斜視図である。例えば、図４に示すように、ステータ２１０は、シャフト２１１と、角度センサー２１２と、ステータベース２１３と、ベアリング２１４と、ステータコア２１５と、基板２１６とを備える。

ステータベース２１３は、ステータ２１０の略中央に配置される支持部材であり、略有底円筒状に形成される。ここで、ステータベース２１３は、当該ステータベース２１３の中心軸が回転軸Ｒと一致するように配置される。

シャフト２１１は、中空の略円筒状に形成され、一方の端部がステータベース２１３の内周側に挿入された状態で固定される。ここで、シャフト２１１は、当該シャフト２１１の中心軸がステータベース２１３の中心軸と一致するように、ステータベース２１３に固定される。

ベアリング２１４は、ステータベース２１３の外底面から所定の距離だけ離間した位置に固定される。ここで、ベアリング２１４は、当該ベアリング２１４の中心軸がステータベース２１３及びシャフト２１１それぞれの中心軸と一致するように、ステータベース２１３に固定される。

ステータコア２１５は、複数の板状の軟磁性材料をステータベース２１３の軸方向に積層した積層構造を有し、ステータベース２１３の外周及びベアリング２１４の外周側に固定される。ここで、ステータコア２１５の外周部分には、周方向に沿って略均等な間隔で複数の突極(図示せず)が設けられている。そして、各突極には、コイルが巻回されている。

基板２１６は、略円板状に形成され、ステータベース２１３の中心軸と直交するように固定される。ここで、基板２１６は、ステータコア２１５におけるシャフト２１１が突出した側の端面に沿って、軸方向に所定の間隔を空けて配置される。

そして、本実施形態では、ステータベース２１３の外底面に、ステータベース２１３の中心軸と交差するように角度センサー２１２が固定される。これにより、角度センサー２１２は、ベアリング２１４の軸受孔と対向する位置に配置されることになる。

また、本実施形態では、ステータ２１０は、上述した角度センサー２１２とは別に、ステータ２１０に対するロータ２２０の回転角度を検出する他の角度センサー２１７をさらに備える。例えば、この角度センサー２１７としては、ホール素子又はホールＩＣを用いた角度センサーが用いられる。

例えば、基板２１６のステータコア２１５と対向する側の面上に、周方向に１２０°ずつ位置をずらして３つの角度センサー２１７が設けられる。なお、図４では、３つの角度センサー２１７のうちの２つについては図示を省略している。

このように、角度センサーを複数設けた冗長構成とすることが可能になる。

図５は、本実施形態に係るインホイールモータ２００が備えるロータ２２０の構成を示す分解斜視図である。例えば、図５に示すように、ロータ２２０は、筐体２２１と、複数の磁石２２３とを備える。

筐体２２１は、略有底円筒状に形成され、周壁となるロータフレーム２２１ａと、底部となるロータケース２２１ｂとを備える。ロータフレーム２２１ａは、非磁性材料を用いて略円筒状に形成される。ロータケース２２１ｂは、非磁性材料を用いて略円板状に形成される。ロータケース２２１ｂには、端部に沿って周方向に櫛歯状に並び、かつ、それぞれロータフレーム２２１ａと対向する側に向けて突出する複数の突起部２２１ｃが設けられる。

複数の磁石２２３は、それぞれ短冊状の形状を有し、着磁済みの状態で、ロータフレーム２２１ａの内周に沿って周方向に略均等な間隔で設けられる。これらの磁石２２３は、ロータフレーム２２１ａにロータケース２２１ｂが取り付けられた際に、ロータケース２２１ｂの各突起部２２１ｃが各磁石２２３の間隙に嵌合することによって、ロータフレーム２２１ａにおける周方向の位置が固定される。

また、これらの磁石２２３は、ロータ２２０の内側にステータ２１０が組み込まれた際に、ステータコア２１５と対向するように配置される。これにより、ステータコア２１５のコイルに駆動電流が流された際に、コイルに発生する電磁力によって、ロータ２２０が回転軸Ｒを中心としてステータ２１０の外周に沿って回転する。

そして、本実施形態では、ロータケース２２１ｂに、回転軸Ｒに沿ってロータフレーム２２１ａと対向する側に向けて突出する棒状のロータ軸２２１ｄが設けられる。ここで、ロータ軸２２１ｄの先端部分には、前述したセンサー用磁石２２２が固定される。このロータ軸２２１ｄは、ロータ２２０の内側にステータ２１０が組み込まれた際に、ステータ２１０に設けられたベアリング２１４の軸受孔を貫通するように配置される。これにより、ロータ軸２２１ｄの先端部分に固定されたセンサー用磁石２２２が、角度センサー２１２と対向して配置されることになる。

図６は、本実施形態に係る車輪装置１００を示す正面図であり、図７は、本実施形態に係る車輪装置１００を示す側面断面図である。なお、図７は、図６に示す車輪装置１００の位置Ａ−Ａにおける断面を示している。

例えば、図７に示すように、本実施形態では、シャフト２１１が、ステータ２１０に固定され、軸方向に所定の距離Ｄだけ離間してロータ２２０と対向するように配置される。そして、角度センサー２１２が、シャフト２１１における軸方向の端部と、ステータ２１０における当該端部と対向する部分との間に配置される。

具体的には、シャフト２１１における軸方向のステータ２１０側の端部と、ロータ軸２２１ｄの先端部分とが距離Ｄだけ離間して配置されるように、ステータ２１０及びロータ２２０が配置される。そして、シャフト２１１における軸方向のステータ２１０側の端部に角度センサー２１２が設けられ、ロータ軸２２１ｄの先端部分にセンサー用磁石２２２が設けられる。

ここで、距離Ｄは、角度センサー２１２の仕様に応じた距離とされる。例えば、本実施形態のように角度センサー２１２として磁気センサーが用いられる場合には、角度センサー２１２によって回転角度の検出が可能な範囲内にセンサー用磁石２２２が配置されるように、距離Ｄが設定される。

このように、シャフト２１１の軸方向の端部とロータ２２０とを所定の距離Ｄだけ離間して配置することによって、インホイールモータ２００の内部に、角度センサー２１２を配置するための空間を確保することができる。これにより、インホイールモータ２００の軸方向（ステータコア２１５の積層方向）の幅を拡げることなく、インホイールモータ２００に角度センサー２１２を内蔵させることが可能になる。本実施形態では、このような磁気センサーの配置に関する構成によって、角度センサーを内蔵しつつ、小型化が可能なインホイールモータを実現することが可能になる。

また、本実施形態では、インホイールモータ２００は、筐体２２１内の空間に配置されたステータ２１０に接続される導線２４１と、角度センサー２１２に接続される導線２４２と、角度センサー２１７に接続される導線２４３とを備える。

ここで、導線２４１は、ステータ２１０のコイルに外部の電源装置から駆動電流を供給する給電線である。また、導線２４２は、角度センサー２１２から出力される制御信号を外部の制御装置に伝送する信号線である。また、導線２４３は、角度センサー２１７から出力される制御信号を外部の制御装置に伝送する信号線である。

そして、導線２４１〜２４３は、筐体２２１内の空間からシャフト２１１の内部を通ってカバー２３０の外へ配線される。例えば、各導線は、シャフト２１１における周壁部分の一部に設けられた貫通孔２１１ａを通して配線される。ここで、貫通孔２１１ａは、シャフト２１１において、筐体２２１内にステータ２１０が組み込まれ、かつ、筐体２２１にカバー２３０が取り付けられた際に、ステータコア２１５とカバー２３０との間に配置される位置に設けられる。

このように、シャフト２１１の内部を通って各導線を配線することによって、カバー２３０によって筐体２２１内の空間が密閉された状態を保ったまま、インホイールモータ２００の内部から外部へ各導線を配線することが可能になる。

上述したように、本実施形態によれば、角度センサーを内蔵しつつ、小型化が可能なインホイールモータを実現することができる。

なお、上述した実施形態では、インホイールモータ２００が、角度センサー２１２の他に３つの角度センサー２１７を備える場合の例を説明したが、実施形態はこれに限られない。例えば、角度検出用のセンサーが角度センサー２１２だけで足りる場合には、インホイールモータ２００の構成要素から、基板２１６及び３つの角度センサー２１７を除いてもよい。この場合には、基板２１６及び３つの角度センサー２１７を除いた分だけ、ステータ２１０の軸方向の幅をより短くすることができるので、インホイールモータ２００をさらに小型化することができる。

また、上述した実施形態では、インホイールモータについて説明したが、実施形態はこれに限られない。ステータ及びロータを有する他の種類のモータについても、上述した角度センサーの配置に関する構成が適用可能である。

また、上述した実施形態では、アウターロータ形のモータについて説明したが、実施形態はこれに限られない。例えば、インナーロータ形のモータやアキシャルギャップ形のモータについても、上述した角度センサーの配置に関する構成が適用可能である。

例えば、インナーロータ形のモータは、ステータと、ステータの内周側に配置され、ステータの内周に沿って回転するロータとを備える。この場合に、例えば、シャフトは、ロータに固定され、ステータと軸方向所定の距離だけ離間して対向するように配置される。そして、角度センサーは、シャフトにおける軸方向の端部と、ステータにおける当該端部と対向する部分との間に配置される。

また、例えば、アキシャルギャップ形のモータは、回転軸の軸方向に対向して配置されたステータ及びロータを備える。この場合には、例えば、シャフトは、ステータ及びロータの一方に固定され、ステータ及びロータの他方と軸方向に所定の距離だけ離間して対向するように配置される。そして、角度センサーは、シャフトにおける軸方向の端部と、ステータ及びロータの他方における当該端部と対向する部分との間に配置される。

いずれの種類のモータでも、シャフトの軸方向における端部と、ステータ又はロータにおける当該端部と対向する部分とを所定の距離だけ離間して配置することによって、モータの内部に、角度センサーを配置するための空間を確保することができる。これにより、いずれの種類のモータでも、モータの軸方向の幅を拡げることなく、モータに角度センサーを内蔵させることが可能になる。すなわち、角度センサーを内蔵しつつ、小型化が可能なモータを実現することができる。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１１０ ホイール
２００ インホイールモータ
２１０ ステータ
２１１ シャフト
２１２ 角度センサー
２１７ 角度センサー
２２０ ロータ
２２１ 筐体
２２２ センサー用磁石
２３０ カバー
２４１〜２４３ 導線

Claims (7)

1. ステータと、
   回転軸を中心として前記ステータに対して相対的に回転するロータと、
   前記回転軸の軸方向に延在するように配置されたシャフトと、
   前記ステータに対する前記ロータの回転角度を検出する角度センサーと
   を備え、
   前記ロータは、前記ステータの外周を囲む周壁と、軸方向において前記シャフトの端部と対向し、センサー用磁石を有する底部とを備え、
   前記シャフトは、前記ステータに固定され、前記ロータと前記軸方向に所定の距離だけ離間して対向するように配置され、
   前記角度センサーは、前記シャフトにおける前記軸方向の端部における、前記ロータの前記底部に設けられた前記センサー用磁石と対向する部分に配置され、
   前記角度センサーの面の全体と前記センサー用磁石の面の全体とが、所定の間隔をあけて、他の部材を介さず直接対向する、
   モータ。
2. 前記角度センサーとは別に、前記ステータに対する前記ロータの回転角度を検出する他の角度センサーをさらに備える、
   請求項１に記載のモータ。
3. 前記ステータを収容する筐体と、
   貫通孔が形成され、当該貫通孔に前記シャフトを貫通させた状態で、前記筐体内の空間を密閉するカバーと、
   前記ステータ、又は、前記角度センサーに接続される導線と
   をさらに備え、
   前記導線は、前記筐体内の空間から前記シャフトの内部を通って前記カバーの外へ配線される、
   請求項１又は２に記載のモータ。
4. 前記角度センサーは、前記ロータに設けられた前記センサー用磁石の角度位置を検出することで、前記回転角度を検出する磁気センサーである、
   請求項１、２又は３に記載のモータ。
5. 前記ロータは、前記ステータの外周を囲むように配置され、当該外周に沿って回転する、
   請求項１〜４のいずれか一つに記載のモータ。
6. ホイールの内部に搭載されるインホイールモータであって、
   ステータと、
   回転軸を中心として前記ステータに対して相対的に回転するロータと、
   前記回転軸の軸方向に延在するように配置されたシャフトと、
   前記ステータに対する前記ロータの回転角度を検出する角度センサーと
   を備え、
   前記ロータは、前記ステータの外周を囲む周壁と、軸方向において前記シャフトの端部と対向し、センサー用磁石を有する底部とを備え、
   前記シャフトは、前記ステータに固定され、前記軸方向に所定の距離だけ離間して前記ロータと対向するように配置され、
   前記角度センサーは、前記シャフトにおける前記軸方向の端部における、前記ロータの前記底部に設けられた前記センサー用磁石と対向する部分との間に配置され、
   前記角度センサーの面の全体と前記センサー用磁石の面の全体とが、所定の間隔をあけて、他の部材を介さず直接対向する、
   インホイールモータ。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のモータ又は請求項６に記載のインホイールモータを内蔵した車輪装置。