JPH1056764A - 低速電動車用のダイレクトドライブ型電動車輪 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】モータの体格、重量の増大を抑止しつつトルク
の向上を実現するとともに、ケーブルの安全性を確保し
つつ配線作業の簡素化を実現した低速電動車用のダイレ
クトドライブ型電動車輪を提供する。 【解決手段】アウタロータ形式のモータ構造を有するダ
イレクトドライブ型電動車輪であって、ロータ１０３が
永久磁石型界磁コアを有する。本装置では特に、ステー
タコア２は、径方向中央部に軸方向へ開口した穴２４に
コントローラ５又はバッテリ７の少なくとも一方を収容
する。このようにすれば、モータの体格、重量の増大を
抑止しつつトルクの向上を実現するとともに、ケーブ
ル、すなわちステータコイル４とコントローラ５とを接
続する配線、及びコントローラ５とバッテリ７とを接続
する配線の安全性を確保しつつ配線作業の簡素化を実現
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電動自転車
や電動車椅子などの低速電動車（本明細書では最高時速
３０ｋｍ以下の電動車をいう）の車輪として用いられる
アウタロータ形式のダイレクトドライブ型電動車輪に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気自動車の車輪をアウタロータ
形式のモータで構成して電動車輪とすることにより車両
駆動機構の簡素化を図ることが提案されている。このよ
うなアウタロータ形式の電動車輪では要部が全てロータ
内部に密閉されてしまうために保守性に優れることが特
に重要であり、このためロータ内部に摺動部や減速機構
を持たないブラシレスＤＣモータ又は誘導モータ方式の
ダイレクトドライブ型電動車輪が好適である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したダイレクトド
ライブ型電動車輪では、保守性、安全性の向上のために
ケーブルを機体から露出させないようにすることが必要
であり、ケーブル配線経路に沿ってそれを収容するケー
ブル配管などを配設する必要があるとともに、このケー
ブル配管の手間やそれに配線を挿入する手間を要し、ケ
ーブル配管重量だけ車体が重くなってしまった。もちろ
ん、このケーブル配管として電動自転車などのパイプフ
レームを用いることも可能であるが、配線がより面倒に
なる他、ケーブル出入用に設けた穴によりパイプフレー
ムの強度が低下する可能性も生じた。

【０００４】また、電動自転車などでは、この電動車輪
に給電するバッテリや、この給電を制御するコントロー
ラなどの収容スペースを確保することが容易でないとい
う問題もあった。更に、電動自転車や電動車椅子などの
低速電動車に用いるダイレクトドライブ型電動車輪で
は、減速機構を持たず、モータのロータがホィールハウ
ジングに直接固定されるので、モータの体格、重量を増
大することなく起動トルクをできるだけ増大する必要が
あった。

【０００５】本発明は上記問題に鑑みなされたものであ
り、モータの体格、重量の増大を抑止しつつトルクの向
上を実現するとともに、ケーブルの安全性を確保しつつ
配線作業の簡素化を実現した低速電動車用のダイレクト
ドライブ型電動車輪を提供することを、その目的として
いる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の装置は、
いわゆるアウタロータ形式のモータ構造を有するダイレ
クトドライブ型電動車輪であって、ロータが永久磁石型
界磁コアを有するモータを有している。ただし、永久磁
石型界磁コアは、永久磁石だけで構成できる他、永久磁
石とヨークとを組み合わせても構成できる。

【０００７】本装置では特に、ステータコアは、径方向
中央部に軸方向へ開口した穴にコントローラ又はバッテ
リの少なくとも一方を収容する。このようにすれば、モ
ータの体格、重量の増大を抑止しつつトルクの向上を実
現するとともに、ケーブル、すなわちモータとコントロ
ーラとを接続する配線、及びコントローラとバッテリと
を接続する配線の安全性を確保しつつ配線作業の簡素化
を実現することができる。

【０００８】詳しく説明すれば、後述するように、モー
タの起動トルクはステータコイルの抵抗値ｒに反比例す
るので、ステータコイル及びステータコイルとバッテリ
とを接続するケーブル）の合計抵抗値（正確に言えば１
ターン当たりのステータコイルの抵抗値ｒ）をできるだ
け低下させることが重要となる。抵抗値ｒを低減するに
は、ケーブル及びステータコイルの断面積を大きくすれ
ばよいが、この方策はスロットに収容できるステータコ
イルのターン数を低減するので効果がなく、また、ケー
ブルの断面積の増大はケーブル重量及び費用の顕著な増
大を招いてしまう。

【０００９】本構成によれば、コントローラ又はバッテ
リをアウタロータ形式のダイレクトドライブ型電動車輪
のステータコアの中央の穴に収容するので、それらとス
テータコイルとの配線が極小となってそれによる抵抗値
の増大を防止してトルクを向上することができる。ま
た、配線作業を簡素化し、配線保護用配管に関する費用
も回避することができる。更に、コントローラ又はバッ
テリがホィールハウジング内に収容されるので、コント
ローラやバッテリを保護するケースを省略することがで
きる。

【００１０】請求項２記載の構成によれば請求項１記載
の構成において更に、コントローラ及びバッテリの両方
をステータコアの穴に収容するので、上記作用効果を一
層向上することができる。請求項３記載の構成によれば
請求項１又は２記載の構成において更に、コントローラ
又はバッテリは金属基板を介してステータコアに固定さ
れるので、コントローラ又はバッテリのヒートシンクと
してステータコアを用いることができ、それらの冷却性
が向上する。

【００１１】請求項４記載の構成によれば請求項３記載
の構成において更に、ステータコアを金属基板を通じて
静止軸に支承するので、金属基板をコントローラ又はバ
ッテリの支持基板又は放熱板として用いるとともに、ス
テータコアの支持フレームとしても機能するので、構造
の簡素化及び部品点数の削減を果たすことができる。請
求項５記載の構成によれば請求項１乃至３記載の構成に
おいて更に、ステータコイルを極歯に集中巻きするの
で、起動トルクを増加できる上更に、分散巻きを採用す
る場合に比べてステータコアのヨークの任意部分を周方
向に通過する磁束量を減らすことができ、その結果とし
てステータコアのヨークの径方向寸法を減らすことがで
き、その分、ステータコアの穴を増大してコントローラ
又はバッテリの収容スペースを増大することができる。

【００１２】なお、本発明でいう集中巻きとは、任意の
一個の極歯（ティース）にステータコイルの１相分の相
コイルだけを巻き付ける巻線方式、つまり、相コイルの
往側のコイル導体と復側のコイル導体とが一個の極歯を
挟んで隣接する２つのスロットに収容される巻線方式を
いう。これに対して本明細書でいう分散巻きとは、ステ
ータコイルの任意の相コイルの往側のコイル導体と復側
のコイル導体とが複数の極歯を挟んで隣接する２つのス
ロットに収容されるものをいい、重ね巻き又は波巻きな
どのものをいう。

【００１３】（解析）以下、集中巻きを採用する場合に
おける利点について以下に詳しく説明する。いま、界磁
極数ｐｆが異なる他は、界磁極数ｐｆと極歯数ｐｔの比
率を含め、他の設計条件は一定とした２つの集中巻きブ
ラシレスＤＣモータが角速度ωで回転しているものとす
る。

【００１４】起動トルクをＴｏ、現在のトルクをＴ、印
加電圧をＶ、ステータコイルの電流をＩ、ステータコイ
ルの抵抗値をｒ、Ｋは比例定数とする。

【００１５】

【数１】Ｔ＝Ｔｏ−Ｔｚ＝Ｖ・Ｉ／ω＝Ｋ（Ｖ・（Ｖ／
ｒ）／ω−Ｖ・（Ｖｚ／ｒ）／ω） Ｖｚはステータコイルに電磁誘導される逆起電圧であ
り、界磁極数ｐｆに比例する。Ｔｚはこの逆起電圧Ｖｚ
による電流減少分をトルクに換算したものである。上記
式から、起動トルクがステータコイルの抵抗値ｒに反比
例することがわかる。また、比例定数Ｋには全界磁束量
Φが含まれており、モータのトルクＴは、全界磁束量Φ
×アンペアターンＡＴに比例し、磁束密度一定とすれば
結局、アンペアターンＡＴ×軸方向長×半径（又は）周
方向長の積に比例する。

【００１６】したがって、上記従来の技術の項で説明し
たように上述したように起動トルクの向上には界磁極及
び極歯の軸方向長の増大と周方向長の増大の二つの手法
がある。しかし、軸方向長を増加すると、ステータコイ
ルのコイル導体の長さが長くなってしまい、その抵抗値
ｒが増大してトルク低下を招く。ブラシレスＤＣモータ
の起動トルクは、電流、すなわち、低速電動車では搭載
するバッテリの端子電圧などにより規定される印加電圧
Ｖを、ステータコイルの抵抗値ｒで割った値となるの
で、起動トルクの向上にはステータコイルの抵抗値ｒの
低減が極めて重要であることがわかる。したがって、起
動トルクの向上のために軸方向長を増大することは一長
一短があることがわかる。

【００１７】これに対して、界磁極及び極歯の周方向長
の増大すなわちロータの外径の増大は、界磁束Φとアン
ペアターンＡＴの両方を増大することができ、このた
め、大起動トルクモータには軸方向長に比較して径が大
きい偏平形状のモータが好ましいことがわかる。ただ
し、このような偏平形状のモータでは、以下の問題が生
じる。

【００１８】まず、このような偏平形状のモータで極歯
の数が少ないと、極歯の周方向長がその軸方向長に比較
して長大となってしまい、その結果、ステータコイル１
ターン当たりの抵抗値が増大してしまう。これは、極歯
の周方向長の増大により往側のコイル導体と復側のコイ
ル導体とを接続するいわゆるコイルエンドの長さが長く
なってしまい、このコイルエンドの抵抗値が増大するた
めである。この問題は、ステータコイルの往側のコイル
導体と復側のコイル導体との間に複数の極歯及びスロッ
トが存在する分散巻きにおいて特に顕著となる。したが
って、スロット内のコイル導体の抵抗値に比べてコイル
エンドの抵抗値の比重が格段に増大する偏平形状のモー
タにおいては、コイルエンドが長い分散巻きはコイルエ
ンドが短い集中巻きに対してトルクが大幅に低下するこ
とが判明した。

【００１９】また、ステータコイルの抵抗値は、１ター
ン当たりの抵抗値×ターン数であり、界磁束量Φは極歯
の磁極面の面積の合計に比例するので、極歯の磁極面が
正方形に近い形状の場合にステータコイルの抵抗値の増
大を抑止しつつ極歯の磁極面の面積を最大として、ステ
ータコイルの抵抗値（集中巻きにおいては極歯の周長に
比例）当たりの極歯磁束量Φ’を最大とし、その結果、
ステータコイルの抵抗値当たりの界磁束量Φ（＝極歯磁
束量Φ’×極歯数ｐｔ／ｒ）を最大とすることができる
ことがわかる。すなわち、極歯の周方向長がその軸方向
長の０．７倍未満又は１．４倍超過では、起動トルクＴ
＝ｋ×Φ×ＡＴ／ｒが著しく小さくなることがわかる。
ｋは比例定数である。

【００２０】次に、界磁極数ｐｆについて以下に説明す
る。三相ブラシレスＤＣモータにおいて、極歯数ｐｔ当
たりの界磁極数ｐｆは所定の値となる。したがって、起
動トルクＴを増大するには、極歯の磁極面の形状を上記
正方形に近い範囲に保ちつつ、極歯数ｐｔ並びにそれに
より規定される界磁極数ｐｆを増大することが最も好ま
しいことがわかる。

【００２１】結局、上記解析により、トルク増大のため
に重要な第一のポイントは、極歯の磁極面を正方形に近
づけて、界磁束量Φ当たりのステータコイルの抵抗値ｒ
を低減することであることがわかる。第二に、磁路長及
びステータコイルの１ターン長を短縮することにより、
極歯及び界磁極を小型化し、トルクを減少させることな
くヨークを縮小してモータの小型軽量化を図ることがで
きることがわかる。

【００２２】第三に、界磁束量Φだけが増大するもの
の、ステータコイルの１ターン当たりの抵抗値が増大す
る不利がある極歯及び界磁極の軸方向長の増加よりも、
ロータの径方向長（周方向長に比例）を増大して極歯及
び界磁極の全軸方向長の合計を増加することにより、界
磁束量Φ（極歯の周方向長×極歯の軸方向長×極歯数ｐ
ｔに比例）とアンペアターンＡＴ（スロットの周方向長
×径方向長に比例し、径方向長は周方向長に比例、従っ
て大略スロットの周方向長の二乗に比例））との両方を
同時に増大すれば、大幅なトルク増大が可能であること
がわかる。

【００２３】また、このロータの径方向長（周方向長に
比例）の増大を、極歯形状を一定とした状態で極歯数の
増大により実施すれば、極歯形状を正方形に近い形状に
保持できるので、ステータコイルの抵抗値ｒを減らすこ
ともできる。更に、この極歯外径の増大によりトルクア
ップを図る場合、従来の分散巻きのようにコイルエンド
がスロット内のコイルエンドに比較して著しく大きい
と、いたずらにコイルエンドの抵抗値が増大してトルク
増大効果が減殺されてしまう。したがって、この極歯外
径の増大によりトルクアップを図る場合、集中巻きを採
用することにより相乗的にトルクを向上させることがで
きる。

【００２４】上記解析により、極歯の軸方向長及びその
外径を決定すれば、最もトルクが増大する極歯数ｐｔが
決定でき、界磁極数ｐｆは極歯数ｐｔに対して一定比率
となるので、界磁極数ｐｆも決定できることがわかる。
すなわち、軸方向長をＬ、極歯の外径をＲとし、スロッ
トの実質的な周方向長と極歯の実質的な周方向長の合計
に対する極歯の実質的な周方向長の比（周方向極歯専有
率）をγとする場合、極歯数ｐｔを２πＲγ／Ｌ（好ま
しくは、その０．８〜１．２）に近い値とすることによ
り、各極歯の磁極面（部分外周面）の形状を略正方形に
近い部分円筒面）とすることができ、トルク向上を図れ
ことができることがわかる。

【００２５】結局、集中巻きで偏平なモータを採用すれ
ば、トルクを向上できるとともに磁路長が分散巻きより
も短いので、ヨークの任意の部分に集まる磁束量が減
り、このためヨークの径方向長を短縮でき、これらの結
果、大きなバッテリ又はコントローラ収容用の穴がステ
ータコアに有する大トルクのダイレクトドライブ型電動
車輪を構成できることがわかる。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明のブラシレスＤＣモータを
有するダイレクトドライブ型電動車輪の好適な態様を以
下の実施例を参照して説明する。 （実施例１）本実施例のダイレクトドライブ型電動車輪
を電動自転車に適用した実施例を図１を参照して説明す
る。

【００２７】静止軸１０１は支軸１０１に固定されてお
り、軸受け１０２を介してアルミ合金からなる円筒ドラ
ム形状のホィールハウジング１０３を回転自在に支持し
ている。ホィールハウジング１０３の左端部は径小円筒
部１０４となっており、径小円筒部１０４の外周面には
チェイン１０５に噛合するギヤ板１０６が固定されてい
る。また、ホィールハウジング１０３の外周面にはタイ
ヤが嵌められたリム（リング）を支持するスポーク１０
７の基端部が固定されている。

【００２８】ホィールハウジング１０３の筒部内周面に
は永久磁石型界磁コア１が固定されている。この永久磁
石型界磁コア１は図２に示すように、円筒形状のヨーク
１１とこのヨーク１１の内周面に接着された円筒形状の
永久磁石筒１２とからなる。永久磁石筒１２には周方向
に互いに極性が異なる界磁極１０が形成されており、界
磁極１０の磁極面は永久磁石筒１２の内周面に形成され
ている。

【００２９】静止軸１０１にはアルミ合金からなる厚板
円板形状の金属基板１０８のブス部が嵌着、固定されて
おり、金属基板１０８の外周部一端面にはボルト１０９
によりステータコア２が固定されている。ステータコア
２は、周知のように打ち抜き電磁鋼板を積層してなり、
図２に示すように極歯２０が円筒形状のヨーク２１の外
周から径外方向へ突出する形状となっている。隣接する
極歯２０間のスロット３には三相のステータコイル４が
収容されている。この実施例では、後述するように、各
極歯２０に互いに異なる相のステータコイルが巻装さ
れ、互いに異なる極歯２０に巻装された同一相のステー
タコイルは互いに直列接続されている。２３はボルト１
０９が貫通する穴である。

【００３０】ステータコア２のヨーク２１は永久磁石型
界磁コア１のヨーク１１よりやや厚い程度に形成されて
いる。この実施例では、界磁極１０が３６対形成されて
おり、このため、ヨーク１１、２１は比較的薄く形成す
ることができ、ステータコア２のヨーク２１の内側には
大円筒形状の穴２４を形成することができる。金属基板
１０８の穴２４に向く端面にはセラミックからなる回路
基板１０９が接着されており、回路基板１０９には、コ
ントローラ５、トルクセンサ（図２参照）６が装着され
ている。また、金属基板１０８にはバッテリ７が固定さ
れている。

【００３１】このダイレクトドライブ型電動車輪の回路
図を図３を参照して説明する。バッテリ７の一端は静止
軸１００を通じて接地されており、その他端は静止軸１
００及び支軸１０１の内部を通じて外部に引き出された
ケーブル２００、外部スイッチ２０１を通じてコントロ
ーラ５の電源ライン２０１に給電している。コントロー
ラ５は、制御回路５０、磁極センサ５１、ゲート制御回
路５２、三相インバータ５３からなり、三相インバータ
５３は三相ブラシレスＤＣモータＭのステータコイル４
に給電している。この種のブラシレスＤＣモータを駆動
制御するコントローラ５の構成及び動作は周知である。

【００３２】６はトルクセンサであり、この実施例で
は、ホィールハウジング１０３の表面に接着された磁歪
膜（図示せず）と、この磁歪膜に近接配置された検出コ
イルとからなり、検出コイルに交流電流を通電してその
電流特性によりホィールハウジングにかかるトルクを検
出している。制御回路５０はマイコン構成を有し、ステ
ータコイル４への通電を休止する期間にトルクセンサ６
からトルク（人間の踏み力）を検出し、検出したトルク
の半分のトルクをモータＭから発生するようにゲートコ
ントローラ５２を通じて三相インバータ５３のスイッチ
ングトランジスタを断続制御する。この種のブラシレス
ＤＣモータの駆動制御自体は周知であり、かつ、本実施
例の要旨ではないのでこれ以上の説明は省略する。磁極
センサ５１はステータコイル４に印加する三相矩形波電
圧のスイッチングのために界磁極１０の位置を検出する
ものであり、本実施例ではステータコア２の所定位置に
配置されている。なお、磁極センサ５１を用いない三相
ブラシレスＤＣモータ制御を採用することもできる。

【００３３】以下、上記モータＭの作用効果について説
明する。まずこの実施例では、アウタロータ形式のステ
ータコア２の径方向中央部にバッテリ７及びコントロー
ラ５を内蔵しているので、全体としての装置構成が極め
てコンパクトとなる他、バッテリ７とコントローラ５と
ステータコイル４とを接続するパワーケーブル（ケーブ
ル２００、電源ライン２０１）の延長距離を大幅に短縮
でき、静止軸１００や支軸１０１にこのような太いケー
ブルを配設する面倒も回避でき、これらケーブルの機械
的な保護構造（通常はパイプ）も省略することができ
る。

【００３４】第２に、金属基板１０８が電気部品すなわ
ちコントローラ５やバッテリ７の支持基板を兼ねるとと
もに、ステータコア２の支持フレームを兼ねるので、構
造が簡素となり部品点数を減らすことができる。第３
に、コントローラ５が金属基板１０８に搭載されるの
で、金属基板１０８がコントローラ５のヒートシンクを
兼ねることができ、コントローラ５の温度上昇を抑止す
ることができる。また、コントローラ５の熱を金属基板
１０８を通じてステータコア２に放熱することができ、
一層の温度上昇抑止を実現することができる。更に、バ
ッテリ７やコントローラ５がホィールハウジング１０３
に密閉されるので特別のケースを採用することなくそれ
らの防水性や機械保護性を向上させることができ、その
上、ホィールハウジング１０３が回転することによりそ
の内部に形成される循環空気流によりこれらバッテリ７
やコントローラ５を良好に冷却することができる。

【００３５】第４に、トルクセンサもホィールハウジン
グ１０３の内部に収容したので、一層のコンパクト化及
び安全確保が達成できた。 （ブラシレスＤＣモータＭの磁極配置についての説明）
次に、上記三相ブラシレスＤＣモータＭの永久磁石型界
磁コア１の界磁極１０と、ステータコア２の極歯（ティ
ース）２０との配置関係を図４に示す。Ｎ極である界磁
極１０とＳ極である界磁極１０とが交互に配置され、こ
れに所定の微小ギャップを隔ててステータコア２の極歯
２０が配置されている。極歯２０のピッチは、界磁極１
０のピッチの４／３倍に設定されている。

【００３６】各界磁極１０には個別かつ順番にｕ相ステ
ータコイル、ｖ相ステータコイル、ｗ相ステータコイル
が上述した集中巻きにて巻装されている。図４では、理
解を容易とするために、ｕ相ステータコイルが巻装され
た極歯２０の左側のスロット３にインサートされたコイ
ル導体をｕ＋として示し、ｕ相ステータコイルが巻装さ
れた極歯２０の右側のスロット３にインサートされたコ
イル導体をｕ−として示す。同様に、ｖ相ステータコイ
ルが巻装された極歯２０の左側のスロット３にインサー
トされたコイル導体をｖ＋として示し、ｖ相ステータコ
イルが巻装された極歯２０の右側のスロット３にインサ
ートされたコイル導体をｖ−として示し、ｗ相ステータ
コイルが巻装された極歯２０の左側のスロット３にイン
サートされたコイル導体をｗ＋として示し、ｗ相ステー
タコイルが巻装された極歯２０の右側のスロット３にイ
ンサートされたコイル導体をｗ−として示す。

【００３７】各相のステータコイル４に印加する電圧は
矩形波交流電圧であって、各界磁極１０の周方向中央点
で正逆すなわち通電方向を切り換えることにより図４の
右方向に進行するトルクが発生するように各極歯２０を
Ｎ極又はＳ極に磁化する。２１はステータコアのヨーク
である。比較例として上記した図４のステータコア２に
三相ステータコイルを分散巻きした例を図５に示す。各
スロット３には、各コイル導体ｕ＋、ｖ−、ｗ＋、ｕ
−、ｖ＋、ｗ−がこの順番にインサートされている。極
歯２０のピッチは、界磁極１０のピッチの１／３倍に設
定されている。

【００３８】図４の集中巻きのステータコイルに三相正
弦波電圧を印加した場合のステータコイル４の電流ベク
トルと界磁極１０との空間位相関係を図６に示し、図５
の分散巻きのステータコイルに三相正弦波電圧を印加し
た場合のステータコイルの電流ベクトルと界磁極１０と
の空間位相関係を図７に示す。これら図４〜図７から以
下のことがわかる。図４と図５とでステータコア２を同
形とすれば、図５の分散巻きは図４の集中巻きに比べて
界磁極１０の数が４倍となる。したがって、ステータコ
イルに印加する電圧の大きさ、ターン数、スロット導体
数及び機械回転数が上記両者で等しいとすれば、集中巻
きではコイル導体と鎖交する界磁束の変化率が大きく、
その分、逆起電力が大きくなり、その分、低い機械回転
数でトルクが０となる。

【００３９】一方、起動トルク（及び低速トルク）につ
いて考えると、起動トルクはステータコイル４のコイル
導体近傍の有効界磁束密度Ｂｅとステータコイルの電流
Ｉとターン数Ｎとの積に比例する。図４に示す集中巻き
でも図５に示す分散巻きでも、図４及び図５で任意の一
相のステータコイルについて考えればわかるようにスロ
ット導体断面積、ターン数、印加電圧、コア形状が同じ
であれば両者において起動トルクに差は生じないように
思われるが、実際に各種条件（後述）を同じとし、巻線
方式だけを図４と図５に示すように変更した場合、図８
に示すように大幅に異なることが判明した。

【００４０】この理由、つまり集中巻きが分散巻きより
起動トルク（低速トルク）が格段に向上する理由の一つ
として以下のことが挙げられる。起動トルクは、上述の
ように有効界磁束密度Ｂｅ（すなわち界磁束量Φ）とス
テータコイル４の電流Ｉ（すなわちアンペアターンＡ
Ｔ）とに比例し、電流Ｉは静止時には印加電圧Ｖをステ
ータコイル４の抵抗値ｒで割った値となる。ターン数を
同じとした場合、電流ＩはＶ／ｒとなる。ここで、ステ
ータコイル４の抵抗ｒはスロット内のコイル導体（以
下、スロット導体ともいう）の抵抗ｒｓと、それらを接
続するコイルエンドのコイル導体（以下、コイルエンド
導体ともいう）ｒｃとの合計となる。例えば、極歯２０
の周方向長と軸方向長とを１：１とし、極歯２０の実質
周方向長とスロット３の実質周方向長との比を１：１．
５となるようにした場合について考える。

【００４１】この場合、図５に示す分散巻きでは、ｒｃ
はｒｓの少なくとも７．５倍以上、実際には膨らみがあ
るので１０倍以上となる。これに対して、図４に示す集
中巻きでは、ｒｃはｒｓの少なくとも１倍以上、実際に
は膨らみががあるので２倍以上となる。この説明から、
集中巻きとすれば分散巻きに比較して起動トルクを大幅
に向上できることがわかる。更に、両巻線方式における
この起動トルクの差は、例えば極歯２０の周方向長がそ
の軸方向長（有効導体長）より大きい偏平モータにおい
て、特に顕著となることがわかる。

【００４２】上記説明に基づいて作製した集中巻き及び
分散巻きの理論的なトルク−回転数特性を図９に示す。
巻線方式以外の設計仕様は両者で全て同じとする。Ｒ
０，Ｒ１，Ｒ２はそれぞれステータコイル４の抵抗値で
あり、Ｖは印加電圧、Ｂｅは有効磁束密度、Ｋ１、Ｋ
２、Ｋ３は定数である。すなわち、集中巻きによれば分
散巻きよりも格段に大きな低速大トルク特性が得られる
ことがわかる。なお、点線は磁気飽和を考慮したトルク
減少を考慮したものである。特性２１０は分散巻き（図
５参照）においてコイルエンド抵抗が大きい場合であ
り、特性２２０は分散巻き（図５参照）においてコイル
エンド抵抗が小さい場合であり、特性２３０は集中巻き
（図４参照）の場合である。図９の特性が図８の実験結
果によく近似することから上記説明が妥当であることが
わかる。

【００４３】以下に、図８の性能をもつブラシレスＤＣ
モータの主要諸元を以下に記載する。 （集中巻きモータの主要諸元）ロータ内径２３０ｍｍ、
磁石幅３０ｍｍ、磁石厚２ｍｍ、磁石の残留磁界強度
（ＢＨｍａｘ）８ＭＯｅ、磁石極数７２、ステータ外径
２２９ｍｍ、ステータ厚さ２０ｍｍ、ステータ磁極（テ
ィース）数５４、エアギャップ０．５ｍｍ、コイル線径
０．７ｍｍ、ステータ１磁極当たりのコイルターン数６
０、スター結線、印加電圧３相２４Ｖ、コイル巻数／磁
極１２０、コイル抵抗／磁極０．２５オーム （分散巻きのモータの主要諸元）ロータ内径２３０ｍ
ｍ、磁石幅３０ｍｍ、磁石厚２ｍｍ、磁石の残留磁界強
度（ＢＨｍａｘ）８ＭＯｅ、磁石極数１８、ステータ外
径２２９ｍｍ、ステータ厚さ２０ｍｍ、ステータ磁極
（ティース）数５４、エアギャップ０．５ｍｍ、コイル
線径０．７ｍｍ、ステータ１磁極当たりのコイルターン
数１２０、スター結線、印加電圧３相２４Ｖ、コイル巻
数／磁極６０、コイル抵抗／磁極１．０オーム次に、上
記モータにおいて、極歯数ｐｔ（すなわち極歯の周方向
長及びそれに比例するスロットの周方向長）以外の仕様
を全て同じとして、起動トルクをシミュレーションし
た。その結果を図１０に示す。

【００４４】図１０から、集中巻きにおいてはステータ
コイルの抵抗値ｒが小さくなるために、極歯の磁極面形
状が正方形に近い場合に最もトルクが大きくなることが
わかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の電動車輪の軸方向断面図である。

【図２】図１のステータコイルの巻線方式を示す模式図
である。

【図３】図１の電動車輪の電気回路図である。

【図４】図１の三相ブラシレスＤＣモータ（集中巻き）
における界磁極と極歯との空間関係を示す模式図であ
る。

【図５】従来の三相ブラシレスＤＣモータ（分散巻き）
における界磁極と極歯との空間関係を示す模式図であ
る。

【図６】図４の三相ブラシレスＤＣモータ（集中巻き）
における電流ベクトルと界磁極磁界との空間関係を示す
模式図である。

【図７】図５の三相ブラシレスＤＣモータ（分散巻き）
における電流ベクトルと界磁極磁界との空間関係を示す
模式図である。

【図８】図１の電動車輪（集中巻き）及び、それを分散
巻きに代えた場合のトルク速度関係を示す実験特性図で
ある。

【図９】集中巻きのブラシレスＤＣモータと、それを分
散巻きに代えたブラシレスＤＣモータのトルク速度関係
を示す理論特性図である。

【図１０】図１の電動車輪（集中巻き）において極歯数
ｐｔだけを代えた場合の起動トルク変化のシミュレーシ
ョン結果を示す特性図である。

【符号の説明】

１００は静止軸、１０３はホィールハウジング、１は永
久磁石型界磁コア、１０は永久磁石（界磁極）、３はス
ロット、２０は極歯、２はステータコア、４はステータ
コイル、５はコントローラ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】静止軸に回転自在に支承されるホィールハ
   ウジングと、界磁極であるＮ極及びＳ極を周方向交互に
   有して前記ホィールハウジングに固定される永久磁石型
   界磁コアと、前記永久磁石型界磁コアの内周面に対面す
   るスロット及び極歯を周方向交互に有して前記ホィール
   ハウジングの内部にて前記静止軸に固定されるステータ
   コアと、前記ステータコアに巻装されたステータコイル
   と、バッテリから前記ステータコイルへの給電を制御す
   るコントローラとを有する低速電動車用のダイレクトド
   ライブ型電動車輪において、 前記ステータコアは、径方向中央部に軸方向へ開口して
   形成されるとともに、前記コントローラ又は前記バッテ
   リの少なくとも一方を収容する穴を有することを特徴と
   する低速電動車用のダイレクトドライブ型電動車輪。
2. 【請求項２】前記コントローラ及びバッテリの両方が前
   記穴に収容されることを特徴とする請求項１記載の低速
   電動車用のダイレクトドライブ型電動車輪。
3. 【請求項３】前記コントローラ又はバッテリが装着され
   るとともに外周部が前記ステータコアに固定される金属
   基板を有することを特徴とする請求項１又は２記載の低
   速電動車用のダイレクトドライブ型電動車輪。
4. 【請求項４】前記ステータコアは、前記金属基板を通じ
   て前記静止軸に支承されていることを特徴とする請求項
   ３記載の低速電動車用のダイレクトドライブ型電動車
   輪。
5. 【請求項５】前記ステータコイルは、前記極歯に集中巻
   きされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
   か記載の低速電動車用のダイレクトドライブ型電動車
   輪。