《 開発レポート 》

20インチホイール組込形高効率インホイールモータシステムの開発
Development of High Efficiency In-wheel Motor System forusing 20inch Wheel Mounted Motor
This paper presents a high efficiency in-wheel motor drive system for using 20inch wheels, which system consists ofin-wheel motors, water-cooled PWM inverters. The in-wheel motor is a type of direct drive without reduction gear, mounted
inside wheel.

岡本吉弘

Yoshihiro Okamoto

１．まえがき桐谷知明

Tomoaki Kiriya

野田幸宏

Yukihiro Noda

既存のブレーキシステムがそのまま使用できる設計としてい筆者らはギアなどを一切使用しないダイレクトドライブ方式のインホイールモータの研究・開発を実施してきた。
乗用車用としては 19～20 インチホイール用の，１モータ当たり 518Nm，25.5kW のものを開発し，報告した(1)。

る。以上からハブ，ブレーキまわりの部品を大幅に改造することなく使用できるため，特に耐久試験を必要とする部品の変更を最小限に留めたことが特徴である。図３に車軸ハブにモータを取付けた状態の概観写真を示す。

今回さらなる高効率化と，最大出力時での運転時間を大幅に延ばした改良型のインホイールモータを開発したので，制御インバータと共にその概要を報告する。

2.2 インバータ
インバータは19～20インチ用として新たに開発した水冷式のものであり，前述のインホイールモータを2台駆動できる２．システム構成ように1ケース内に2ユニットのインバータを搭載したもので

図１はインホイールモータシステムの制御イメージを示したもので，インホイールモータ，インバータ，メインバッテ
リー，電気二重層コンデンサで構成された例である。
トルク指令は，アクセルペダルの踏込み量をポテンショメーある。
直流入力電圧は DC300V 級で，交流出力は AC200V 級である。容量は1ユニット当たり50kW で，永久磁石電動機を制御する PWM ベクトル制御インバータである。

タによりアナログ信号としてコントローラに入力しており，制御の基本は当社の永久磁石電動機である ED モータ駆動

4台のインバータに車両状況に応じたトルク指令を送ってい用ベクトル制御インバータ ED64をベースにしており，車載る。

用として改良し更に水冷化したものである。上位コンピュー
タやインバータ同士の通信は車載標準の CAN を採用し，最2.1 インホイールモータ

速で2ms 間隔での高速通信が可能である。図４にインバータ

インホイールモータは20インチ用として開発したものであの概観写真を示す。

り，永久磁石形同期電動機でアウターロータ構造，固定子巻線は集中巻を採用している。
図２にインホイールモータの構造を示す。モータ自身には軸受を持たないタイプで，既存の車軸ハブに取付ける構造となっている。ハブの回転側に設けられたブラケット①に回転子が，ハブ固定側に設けられたブラケット②に固定子が取付けられている。
モータはホイールとブレーキディスクの間に収容されており，
東洋電機技報第117号

2008-312駆動系
ｲﾝﾊﾞｰﾀ
IWM
燃料電池

PG
ﾍﾞｸﾄﾙ制御

駆動制御

車体制御

メインバッテリアクセル（ﾄﾙｸ指令）
同上

回生エネルギコントロール
同上（４駆時のみ）

チョッパ

DC
同上（４駆時のみ）
電気二重層コンデンサ

図１

充放電制御

インホイールモータシステムの制御イメージ

Fig.1 The control image of an in wheel motor system

回転子

ホイール

ブラケット①固定子

ブレーキディスク
ブラケット②車軸ハブ

図２インホイールモータの構造

Fig.2 Structure of in-wheel motor

東洋電機技報第117号

2008-313

表１インホイールモータの仕様

Table 1 Specification of in-wheel motor
従来型
モータ定格

改良型
18kW/186Nm

18kW/186Nm-1

図３921～1500min

921～1500min-1

モータ最大出力

50kW

50kW

モータ最大トルク

518Nm(20sec)

518Nm(150sec)

モータ冷却方式

空冷式

空冷式

質量30Kg36kg

3.2 電気設計

インホイールモータの概観

Fig.3 Outline view of in-wheel motor

このモータはダイレクトドライブであるため，低速大トルクモータであることが要求される。前述したように，固定子全長を短縮するため集中巻を採用している。モータを小型化するために，鉄心のティース部及びコアバック部の磁束密度は通常機よりも高めの設計となっているが，最大トルク時は短時間定格仕様であるため，鉄損よりも銅損がかなりの部分を占める。したがって連続運転時間を延ばすには銅損を低減させることが課題となる。
3.3 コギングトルクの低減
コギングトルクを低減させる方法としては，鉄心形状を工夫するかスロットスキューを行なうのが一般的である。前者

図４の場合，直軸インダクタンス Ld と横軸インダクタンス Lq

インバータの概観の差がなくなり，リラクタンストルクを有効に使えなくなる。

Fig.4 Outline view of inverter

後者では，集中巻で適用することが難しい。また回転子側のスキューは磁石を3次元形状にする必要があるため，現段階では採用困難である。

３．インホイールモータの設計
今回開発した改良型のインホイールモータは，従来型に対今回の改良では，固定子鉄心の構成を工夫することにより，し電気設計を含め大幅な変更を行い，次に示す3項目を重視3次元的に積層しながらスキューすることに成功した。図５

して設計を行った。に固定子の概観写真を示す。
したがって，集中巻でありながら固定子スロットスキュー①

最大トルク，最大出力における運転時間の向上②

モータ効率の改善を実現することができたので，理論上と同じくコギングトル③

コギングトルクの低減

クを大幅に低減させることができた。図６にコギングトルクの解析結果を示す。

以下にその改善内容について記述する。
3.1 インホイールモータの仕様
表１に従来型と改良型のインホイールモータ仕様を示す。
最大出力，最大トルクは従来型と変更していないが，最大トルク時の運転可能時間を大幅に向上させた設計としている。

図５

モータ固定子の概観

Fig.5 Outline view of skewed stator東洋電機技報第117号

2008-31410.0

ＲＴ4分割ｽｷｭｰ
従来型ＩＷＭ
高効率型ＩＷＭ
ＳＴ半スロットスキュー

8.06.0
コギングトルク [N・m]4.0
2.00.00306090120150180210240

270300-2.0330360

電気角[度]-4.0-6.0-8.0-10.0
図６

コギングトルク解析結果

Fig.6 Analysis of cogging torque４．評価試験結果
改良型のインホイールモータを前述のインバータと組合せて評価試験を実施した。以下にその結果を示す。
4.1 モータ効率
従来型と改良型のモータ効率マップを図７，図８に示す。
従来型では85%以上の領域が高速側の一部であるのに対し，改良型では500min-1/120Nm 以上の領域でほぼ90%以上を達成している。
4.2 総合効率
従来型と改良型のモータ，インバータ総合効率マップを
図９，図１０に示す。改良型では500min-1/120Nm 以上の領域でほぼ85%以上を達成している。

図７

図８改良型のモータ効率

Fig.8 Efficiency of the motor (improved type)

図９

従来型のモータ効率

従来型の総合効率

Fig.9 Total efficiency (original type)Fig.7 Efficiency of the motor (original type)
東洋電機技報第117号

2008-315図９ 速度 100km/h、3％勾配運転相当
こう配運転相当（7.2kW / 980min-1 / 70Nm）

図１０

図１２

改良型の総合効率

固定子コイル温度上昇試験結果

Fig.12 Temperature rise test data of stator coilFig.10 Total efficiency (improved type)

4.3 温度上昇
Ｎ－Ｔ特性

最大出力，最大トルク時（50kW/518Nm）における固定子100％指令値
75％指令値

600

50％指令値

コイル温度上昇試験結果を図１１に示す。
コイル温度が100℃25％指令値型は221sec となり大幅に向上した。

400

図１２は実車を想定した温度上昇試験結果で，速度100km/hで3％上りこう配での走行を仮定したものである。コイル温トルク＜Nm＞

上昇するまでの時間は，従来型が20sec であるのに対し改良

500

10％指令値

300

200

度の上昇値は約35℃である。
1004.3 トルク特性

00200

400

図１３に改良型の回転速度－トルク特性を示す。

600

800

1000

1200

1400

1600

回転数＜min-1＞

図１３

改良型の回転速度－トルク特性

Fig.13 Rotation speed-torque curve (improved type)

５．まとめ
以上，改良型のインホイールモータの開発の概要を記述したが，評価試験結果は設計目標を達成できたと考える。今後は実車での評価試験を行う予定である。
（従来型）
（改良型）

参考文献

図１１

固定子コイル温度上昇試験結果

Fig.11 Temperature rise test data of stator coil

（1） 桐谷知明，野田幸宏，今柳田明夫，中村雅憲，永井秀憲：「電気自動車用ダイレクトドライブインホイールモータシステムの開発」電気学会自動車研究会
VT-04-20 2004

東洋電機技報第117号

2008-316

執筆者略歴岡本吉弘

1985年入社。横浜製作
所産業設計部を経て現在 IWV 開発グループ所属。車載用回転機開発に従事。

桐谷

野田知明

1993年入社。技術研究所を経て現在 IWV 開発グループ所属。車載用制御装置開発に従事。
電気学会会員

東洋電機技報第117号

2008-3幸宏

1996年入社。技術研究所を経て現在 IWV 開発グループ所属。車載用回転機開発に従事。
電気学会会員17