JP2009126427A - 電動アシスト自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】 効率を高められるとともに、構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる電動アシスト自転車を提供する。
【解決手段】 電動アシスト自転車１は、駆動輪２と、駆動輪２に連結されたクランク軸５とペダル４を有し、ペダル４に入力された力を回転動力に変換し、クランク軸５に出力するペダル機構３と、ステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４を有し、ステータ２３と第１ロータ２２と第２ロータ２４の間で、回転磁界の発生に伴って形成される磁気回路を介してエネルギを入出力するとともに、エネルギの入出力に伴って、回転磁界、第２および第１のロータ２４，２２が、互いの間に回転速度の所定の共線関係を保ちながら回転するように構成され、第１ロータ２２が駆動輪に連結された回転機２０と、第１ロータ２２と第２ロータ２４の間を接続・遮断する第１クラッチＣ１と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アシスト用の回転機を備える電動アシスト自転車に関する。

従来、この種のアシスト自転車として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この電動アシスト自転車では、運転者の踏み込み力（以下「踏力」という）を回転動力に変換するペダル機構と、アシスト用の回転機がいずれも、差動装置を介して駆動輪に連結されている。具体的には、この差動装置は、歯数が互いに等しい第１サイドギヤおよび第２サイドギヤと、これらの第１および第２のサイドギヤに噛み合うピニオンギヤを回転自在に支持する回転自在のデフケースを有している。第１および第２のサイドギヤは、ペダル機構および回転機にそれぞれ連結されており、デフケースは駆動輪に連結されている。以上の構成の従来の電動アシスト自転車では、回転機によるアシスト中、ペダル機構を介して第１サイドギヤに伝達された踏力と、第２サイドギヤに伝達された回転機の動力が合成された後、デフケースを介して駆動輪に伝達される。

上述したように、従来の電動アシスト自転車では、回転機によるアシスト中、ペダル機構からの踏力と回転機の動力が、差動装置を介して駆動輪に伝達されるため、差動装置における機械的な歯車の噛み合いやフリクションによる動力の伝達ロスによって、電動アシスト自転車の効率が低くなってしまう。また、複数の歯車や軸を組み合わせた複雑な機構を有する差動装置を用いなければならないため、電動アシスト自転車の構成が非常に複雑になることに加え、サイズや重量も大きくなってしまう。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、効率を高めることができるとともに、構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる電動アシスト自転車を提供することを目的とする。

特開平７−３０００９０号公報

上記の目的を達成するため、請求項１に係る電動アシスト自転車１、１Ａは、駆動輪（実施形態における（以下、本項において同じ）後輪２）と、駆動輪に連結されたクランク軸５とペダル４を有し、ペダル４に入力された力を回転動力に変換し、クランク軸５に出力するペダル機構３と、回転磁界を発生させるための不動のステータ２３と、磁石で構成され、ステータ２３に対向するように設けられた第１ロータ２２と、軟磁性体で構成され、ステータ２３と第１ロータ２２の間に設けられた第２ロータ２４とを有し、ステータ２３と第１ロータ２２と第２ロータ２４の間で、回転磁界の発生に伴って形成される磁気回路を介してエネルギを入出力するとともに、エネルギの入出力に伴って、回転磁界、第２および第１のロータ２４，２２が、互いの間に回転速度の所定の共線関係を保ちながら回転するように構成され、第１ロータ２２が駆動輪に連結された回転機２０と、クランク軸５、第１ロータ２２および駆動輪を含む第１動力伝達系と第２ロータ２４との間を接続・遮断する第１クラッチ（第１ワンウェイクラッチＣ１）と、を備えることを特徴とする。

この電動アシスト自転車によれば、回転機では、ステータ、第１および第２のロータの間で、ステータにおける回転磁界の発生に伴って形成される磁気回路を介して、エネルギが入出力されるとともに、このエネルギの入出力に伴い、回転磁界、第２および第１のロータは、互いの間に回転速度の所定の共線関係を保ちながら回転する。このような回転磁界、第１および第２のロータの三者間のリニアな速度関係は、遊星歯車装置のサンギヤおよびリングギヤの一方、他方、およびプラネタリギヤを支持するキャリアの回転速度の関係に相当する。このため、エネルギの入出力の関係において、ステータはサンギヤおよびリングギヤの一方に、第１ロータは他方に、第２ロータはキャリアに、それぞれ相当する。また、上述した構成によれば、第１ロータが駆動輪に連結されており、クランク軸、第１ロータおよび駆動輪を含む第１動力伝達系と第２ロータとの間が、第１クラッチによって接続・遮断される。

以上の構成の電動アシスト自転車では、ペダル走行時、すなわち、クランク軸に入力された力（以下「踏力」という）のみを動力源として電動アシスト自転車が走行しているときには、クランク軸において回転動力に変換された踏力が、駆動輪に伝達される。ペダル走行中、回転機では、その構成上、駆動輪とともに第１ロータが回転するのに伴い、ステータにおいて電力の供給および発電が行われていなくても、回転磁界が発生し、それにより、ステータ、第１および第２のロータの間に磁気回路が形成される。図１６は、第１動力伝達系と第２ロータの間を第１クラッチにより遮断した状態で、ペダル走行を行った場合における回転磁界、第１および第２のロータの回転速度の関係の一例を、各要素のトルクやフリクションの関係の一例とともに示す共線図である。同図において、値０を示す横線から白丸ａまでの縦方向の距離は第１ロータの回転速度を、白丸ｂまでの距離は第２ロータの回転速度を、白丸ｃまでの距離は回転磁界の回転速度を、それぞれ示している。また、矢印Ａは第１ロータに伝達された踏力によるトルク（以下「踏力トルク」という）を、矢印Ｂは第２ロータのフリクション（以下「第２ロータフリクション」という）を、矢印Ｃは回転磁界による回転抵抗（以下「磁界回転抵抗」という）を、それぞれ示している。

図１６に示すように、ペダル走行中、第２ロータフリクションＢは、踏力トルクＡを反力として、回転磁界を第１ロータの回転方向と逆方向に回転させるようにステータに作用するとともに、磁界回転抵抗Ｃを反力として、第１ロータに負荷として作用する。また、磁界回転抵抗Ｃは、第２ロータフリクションＢを反力として、第１ロータに負荷として作用するとともに、踏力トルクＡを反力として、第２ロータを第１ロータの回転方向に回転させるように第２ロータに作用する。さらに、踏力トルクＡの一部は、磁界回転抵抗Ｃを反力として、第２ロータを第１ロータの回転方向に回転させるように第２ロータに作用するとともに、第２ロータフリクションＢを反力として、回転磁界を第１ロータの回転方向と逆方向に回転させるようにステータに作用する。以上の結果、回転磁界は、第１ロータの回転方向と逆方向に回転し、第２ロータは、第１ロータの回転方向と同方向に回転する。

また、上述したトルクやフリクションの関係から明らかなように、第２ロータフリクションＢおよび磁界回転抵抗Ｃの双方が大きいほど、両者Ｂ，Ｃに起因する第１ロータの負荷は大きくなる。さらに、磁界回転抵抗Ｃは、回転磁界の回転速度が高いほど、より大きくなり、回転磁界の回転速度は、第２ロータフリクションＢが大きいほど、より大きくなる。これに対し、第２ロータフリクションＢは比較的小さいので、回転磁界の回転速度は非常に低く、このため、磁界回転抵抗Ｃも非常に小さい。したがって、第２ロータフリクションＢおよび磁界回転抵抗Ｃに起因する第１ロータの負荷は小さい。以上から、ペダル走行中、第１クラッチにより第１動力伝達系と第２ロータの間を遮断することによって、電動アシスト自転車の高い効率を得ることができる。

また、クランク軸に踏力を入力している状態で、第１クラッチにより第１動力伝達系と第２ロータの間を接続するとともに、ステータに電力を供給することによって、踏力を回転機によってアシストすることができる。具体的には、クランク軸に踏力を入力している状態で、ステータに電力を供給すると、前述したステータ、第１および第２のロータの間におけるエネルギの入出力関係から、ステータに供給された電力が、動力に変換され（以下、この動力を「電力変換動力」という）、磁気回路を介して第２ロータに伝達されるのに伴い、クランク軸から第１ロータに伝達された踏力の一部が、磁気回路を介して第２ロータに伝達される。このように、第２ロータには、踏力の一部および電力変換動力が、磁気回路を介して合成された状態で伝達される。この場合、上述したように、クランク軸、第１ロータおよび駆動輪を含む第１動力伝達系と第２ロータの間を、第１クラッチにより接続することによって、第２ロータに伝達された電力変換動力および踏力の一部を合成した動力は、第１クラッチを介して第１動力伝達系に伝達され、踏力の残りとともに、駆動輪に伝達される。以上により、駆動輪には、踏力と電力変換動力を合成した動力が伝達されるので、回転機によって踏力をアシストすることができる。

また、上述したように、アシスト中、駆動輪への電力変換動力の伝達は、磁気回路を介した非接触による、いわゆる磁気パスによって行われるので、その伝達効率は、前述した従来の電動アシスト自転車のように差動装置を介して行う場合よりも高い。さらに、回転機および第１クラッチのみによって踏力と電力変換動力を合成して駆動輪に伝達できるので、踏力および電力変換動力を合成するとともに、駆動輪に伝達するための遊星歯車装置すなわち差動装置が不要になる。以上により、差動装置を用いる前述した従来の場合と比較して、アシスト中における電動アシスト自転車の効率を高めることができるとともに、電動アシスト自転車の構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる。

また、前述した従来の電動アシスト自転車のように、踏力と回転機の動力を差動装置を用いて合成する場合には、踏力トルクと、回転機によるトルク（以下「アシストトルク」という）が、常に、１：１の合成比で合成された後、駆動輪に伝達される。すなわち、この場合には、駆動輪に伝達されるトルクに対するアシストトルクの割合は、常に１／２である。したがって、この場合の踏力トルクとアシストトルクの関係は、例えば図１７に太い破線で示すように表される。

本発明によれば、アシスト中、第１クラッチにより第１動力伝達系と第２ロータの間が接続され、ひいては、第１および第２のロータの間が接続される。これにより、ステータから第２ロータに伝達されるトルク、すなわちアシストトルクを、第１ロータから第２ロータに伝達される踏力トルクに対して任意の大きさに制御でき、したがって、踏力トルクとアシストトルクの関係を、例えば図１７に太い実線で示すような関係に設定することができる。具体的には、同図に示すように、踏力トルクとアシストトルクを常に１：１の関係ではなく、踏力トルクが比較的小さいときには、アシストトルクが踏力トルクよりも小さくなるように設定するとともに、踏力トルクが比較的大きいときには、アシストトルクが踏力トルクと等しくなるように設定することができる。これにより、アシストが無駄に行われるのを防止できるので、例えば、ステータに蓄電装置の電力を供給することによってアシストを行う場合には、この蓄電装置の電力を確保でき、アシストによる走行距離を延ばすことができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電動アシスト自転車１、１Ａにおいて、第１クラッチは、第１ロータの回転速度（第１ロータ回転速度ＶＲ１）が第２ロータの回転速度（第２ロータ回転速度ＶＲ２）よりも高いときに、第１ロータ２２と第２ロータ２４の間を遮断する第１ワンウェイクラッチＣ１であることを特徴とする。

この構成によれば、第１ワンウェイクラッチによって、第１ロータと第２ロータの間が、第１ロータの回転速度が第２ロータの回転速度よりも高いときには遮断され、それ以外のときには接続される。請求項１の作用において図１６を用いて説明したトルクやフリクションの関係から、ペダル走行中、第２ロータは、第１ロータの回転方向と同方向に、第１ロータよりも低い回転速度で回転するので、第１ワンウェイクラッチによって、第１および第２のロータの間が遮断状態に保持される。したがって、請求項１の電動アシスト自転車と同様、ペダル走行中、電動アシスト自転車の高い効率を得ることができる。

また、ペダル走行中、ステータに電力を供給すると、請求項１の作用で述べたように、ステータからの電力変換動力と第１ロータに入力された踏力の一部が第２ロータに伝達され、それにより、第２ロータの回転速度が上昇する。そして、第２ロータの回転速度が第１ロータの回転速度と等しくなると、上述したように遮断されていた第１ロータと第２ロータの間が、第１ワンウェイクラッチにより接続されることによって、上述したようにして第２ロータに伝達された電力変換動力および踏力の一部が、第１ワンウェイクラッチを介して第１ロータに伝達され、さらに、駆動輪に伝達されるようになる。したがって、請求項１の電動アシスト自転車と同様、踏力および電力変換動力を合成した動力を駆動輪に伝達できるので、回転機によって踏力をアシストすることができる。

さらに、ペダル走行からアシストに移行する際、ステータに電力を供給しても、上述したように、第２ロータの回転速度が第１ロータの回転速度と等しくなるまでは、第１ワンウェイクラッチによって、第１および第２のロータの間が接続されないので、電力変換動力によって駆動輪が駆動されることはない。このため、例えば、第１ロータの回転速度を目標回転速度として、第２ロータの回転速度が目標回転速度になるように、回転磁界の回転速度を制御することによって、ペダル走行からアシストへの移行時、ステータからの電力変換動力が駆動輪に急激に作用するのを防止でき、良好なドライバビリティを得ることができる。

また、第１ワンウェイクラッチは、油圧式などのクラッチと異なり、その作動を制御するためのアクチェータなどを必要としないので、油圧式などのクラッチを用いた場合と比較して、電動アシスト自転車の構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができるとともに、電動アシスト自転車のコストを削減することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の電動アシスト自転車１において、クランク軸５および第１ロータ２２と駆動輪との間を接続・遮断する第２クラッチ（第２ワンウェイクラッチＣ２）をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、第２クラッチによって、クランク軸および第１ロータと駆動輪との間が、接続・遮断される。このため、電動アシスト自転車の空走時、すなわち、クランク軸に踏力が入力されておらず、電動アシスト自転車が惰性で走行しているときに、第２クラッチによって、クランク軸および第１ロータと駆動輪との間を遮断することによって、クランク軸を停止状態に保持できるとともに、ペダル機構のフリクションが駆動輪に作用するのを防止できる。また、空走中、上述した第２クラッチによる第１ロータと駆動輪の間の遮断に加え、第１クラッチにより、クランク軸、第１ロータおよび駆動輪を含む第１動力伝達系と第２ロータとの間を遮断することによって、回転機と駆動輪の間も遮断される。これにより、空走中、上述したペダル機構のフリクションの作用防止に加え、回転機のフリクションが駆動輪に作用するのを防止でき、したがって、空走による走行距離を延ばすことができる。

一方、第１クラッチが前述した第１ワンウェイクラッチである場合には、第１ワンウェイクラッチは第１および第２のロータの間を接続・遮断するように構成されているため、第２クラッチによって、クランク軸および第１ロータと駆動輪との間を遮断すれば、第２ロータと駆動輪の間も遮断され、ひいては、クランク軸および回転機と駆動輪との間が遮断される。したがって、この場合にも、空走による走行距離を延ばすことができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の電動アシスト自転車１において、クランク軸５および第１ロータ２２は互いに連結されており、第２クラッチは、駆動輪側（出力部Ｃ２ｂ）の回転速度が、第１ロータ２２およびクランク軸５を含む第２動力伝達系側（入力部Ｃ２ａ）の回転速度よりも高いときに、第２動力伝達系と駆動輪の間を遮断する第２ワンウェイクラッチＣ２であることを特徴とする。

この構成によれば、クランク軸および第１ロータは互いに連結されており、第２ワンウェイクラッチによって、第２ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度が、第１ロータおよびクランク軸を含む第２動力伝達系側の回転速度よりも高いときには、第２動力伝達系と駆動輪の間が遮断され、それ以外のときには接続される。上記のようにクランク軸および第１ロータが互いに連結されているため、ペダル走行中、駆動輪は、クランク軸および第１ロータを含む第２動力伝達系を介して踏力が伝達されることにより初めて駆動されるので、第２ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度は、第２動力伝達系側の回転速度よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中、第２ワンウェイクラッチによって、クランク軸および第１ロータと駆動輪との間が接続状態に保持されるので、踏力を駆動輪に伝達できる。

また、アシスト中、以下に述べる作用によって、踏力および電力変換動力を駆動輪に伝達できる。例えば、前述した第１クラッチが、クランク軸および第１ロータを含む第２動力伝達系と第２ロータとの間を接続・遮断するように構成されている場合には、この構成により、アシスト中、駆動輪は、第２動力伝達系を介して踏力および電力変換動力が伝達されることにより初めて駆動されるので、第２ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度は、第２動力伝達系側の回転速度よりも高くはならない。したがって、この場合にも、第２ワンウェイクラッチによって、クランク軸および第１ロータと駆動輪との間が接続状態に保持されるので、踏力および電力変換動力を駆動輪に伝達できる。

あるいは、第１クラッチが、前述した第１動力伝達系のうちの第２動力伝達系よりも駆動輪側の部分と第２ロータとの間を接続・遮断するように構成されている場合には、アシスト中、第２ロータの回転速度を制御することにより、第２ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度を、第２動力伝達系側の回転速度よりも高くならないように制御することによって、第２動力伝達系と駆動輪との間が、第２ワンウェイクラッチにより接続状態に保持される。したがって、この場合にも、踏力および電力変換動力を駆動輪に伝達できる。

あるいは、第１クラッチが前述した第１ワンウェイクラッチである場合には、第１ワンウェイクラッチは、第１および第２のロータの間を接続・遮断するように構成されており、それにより、アシスト中、駆動輪は、第２動力伝達系を介して踏力および電力変換動力が伝達されることにより初めて駆動されるので、第２ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度は、第２動力伝達系側の回転速度よりも高くはならない。したがって、この場合にも、第２ワンウェイクラッチによって、クランク軸および第１ロータと駆動輪との間が接続状態に保持されるので、踏力および電力変換動力を駆動輪に伝達できる。

さらに、空走中、駆動輪が慣性によって回転している状態で、クランク軸を停止状態に保持すれば、第２ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度は、クランク軸を含む第２動力伝達系側の回転速度よりも高くなるので、第２ワンウェイクラッチによって、第２動力伝達系と駆動輪の間、すなわち、クランク軸および第１ロータと駆動輪との間が遮断される。したがって、請求項３の電動アシスト自転車と同様、空走中、クランク軸を停止状態に保持できるとともに、ペダル機構および回転機のフリクションの双方が駆動輪に作用するのを防止できるので、空走による走行距離を延ばすことができる。

さらに、第２クラッチとして第２ワンウェイクラッチを用いるので、請求項２の電動アシスト自転車と同様、構成の単純化、小型化および軽量化を図れるとともに、電動アシスト自転車のコストを削減することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１または２に記載の電動アシスト自転車１Ａにおいて、クランク軸５と駆動輪の間を接続・遮断する第２クラッチ（第２ワンウェイクラッチＣ２）をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、第２クラッチによって、クランク軸と駆動輪の間が接続・遮断される。このため、空走中、第２クラッチにより、クランク軸と駆動輪の間を遮断することによって、クランク軸を停止状態に保持できるとともに、ペダル機構のフリクションが駆動輪に作用するのを防止できる。

また、空走中、第１クラッチにより、第１動力伝達系（クランク軸・第１ロータ・駆動輪）と第２ロータとの間を遮断状態に保持することによって、慣性により回転する駆動輪の動力を、第２ロータには作用させず、第１ロータに作用させると、この場合にも、回転磁界、第１および第２のロータの間に、前述した図１６に示すような回転速度の関係と、トルクおよびフリクションの関係が成立する。ただし、この場合、第１ロータには踏力トルクではなく、駆動輪からのトルクが作用する。したがって、空走中、回転磁界の回転速度は非常に低く、それにより、第２ロータフリクションＢおよび磁界回転抵抗Ｃに起因する第１ロータの負荷が小さいので、第１ロータを介して駆動輪に作用する負荷も小さい。したがって、上述した第２クラッチの遮断によるペダル機構のフリクション作用防止と相まって、空走による走行距離を延ばすことができる。

この効果は、第１クラッチが第１ワンウェイクラッチである場合にも同様に得ることができる。具体的には、上述したように、空走中、図１６に示すようなトルクおよびフリクションの関係が成立するため、第２ロータは、第１ロータの回転方向と同方向に、第１ロータよりも低い回転速度で回転し、その結果、第１ワンウェイクラッチによって、第１および第２のロータの間が遮断状態に保持される。したがって、上述した第１クラッチを備える場合と同様、空走中において、第２ロータフリクションＢおよび磁界回転抵抗Ｃに起因する第１ロータの負荷が小さいので、空走による走行距離を延ばすことができる。

さらに、第１クラッチが第１ワンウェイクラッチである場合には、第２クラッチにより、クランク軸と駆動輪の間を遮断するとともに、ステータに電力を供給することによって、クランク軸を停止した状態で、回転機のみを動力源として、電動アシスト自転車を走行させることができる。具体的には、サンギヤおよびリングギヤの一方に相当する第１ロータには、駆動輪のフリクションが作用しており、この駆動輪のフリクションは、キャリアに相当する第２ロータのフリクションよりも非常に大きい。このため、ステータに電力を供給すると、ステータからの電力変換動力は、第１ロータに作用する駆動輪のフリクションを反力として、第２ロータに伝達され、それにより、第２ロータが回転するようになる。これにより、第１ワンウェイクラッチによって、第１および第２のロータの間が接続されるので、電力変換動力が、第２ロータ、第１ワンウェイクラッチおよび第１ロータを介して、駆動輪に伝達される。

この場合、前述したステータ、第１および第２のロータの間のエネルギの入出力関係から、電力変換動力は、第２ロータを回転磁界の回転方向に回転させるように第２ロータに作用し、第１ロータを回転磁界の回転方向と逆方向に回転させるように第１ロータに作用する。これにより、上述した駆動輪への電力変換動力の伝達により第１ロータが駆動輪とともに回転しても、第１ワンウェイクラッチによって、第１および第２のロータの間は接続状態に保持され、その結果、第２ロータの回転速度は第１ロータの回転速度よりも高くはならない。以上により、クランク軸を停止した状態で、回転機のみを動力源として、電動アシスト自転車を走行させることができる。

また、第１クラッチが、第１動力伝達系のクランク軸以外の要素と第２ロータとの間を接続・遮断するように構成されている場合にも、第１クラッチにより、第１動力伝達系のクランク軸以外の要素と第２ロータとの間を接続し、第２クラッチにより、クランク軸と駆動輪の間を遮断するとともに、ステータに電力を供給することによって、クランク軸を停止状態に保持したまま、回転機のみを動力源として、電動アシスト自転車を走行させることができる。

請求項６に係る発明は、請求項５に記載の電動アシスト自転車１Ａにおいて、第２クラッチは、駆動輪側（出力部Ｃ２ｂ）の回転速度がクランク軸５側（入力部Ｃ２ａ）の回転速度よりも高いときに、クランク軸５と駆動輪の間を遮断する第２ワンウェイクラッチＣ２であることを特徴とする。

この構成によれば、第２ワンウェイクラッチによって、第２ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高いときには、クランク軸と駆動輪の間が遮断され、それ以外のときには接続される。ペダル走行中、駆動輪は、クランク軸から踏力が伝達されることによって初めて駆動されるので、第２ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度は、クランク軸側の回転速度よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中、第２ワンウェイクラッチによって、クランク軸と駆動輪の間が接続状態に保持されるので、踏力を駆動輪に伝達できる。また、アシスト中、例えば、ステータから駆動輪に伝達されるトルクを制御することにより、第２ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度をクランク軸側の回転速度よりも高くならないように制御することによって、第２ワンウェイクラッチにより、クランク軸と駆動輪の間が接続状態に保持されるので、踏力および電力変換動力を駆動輪に伝達できる。

さらに、空走中、駆動輪が慣性により回転している状態で、クランク軸を停止状態に保持すれば、第２ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高くなるので、第２ワンウェイクラッチによって、クランク軸と駆動輪の間が遮断される。したがって、請求項５の電動アシスト自転車と同様、空走中、クランク軸を停止状態に保持できるとともに、ペダル機構のフリクションが駆動輪に作用するのを防止できることと、第２ロータフリクションＢおよび磁界回転抵抗Ｃに起因する駆動輪の負荷が小さいことから、空走による走行距離を延ばすことができる。

また、クランク軸を停止状態に保持するとともに、請求項５の作用で述べたように、ステータへの電力の供給により、電力変換動力を、第１および第２のロータを介して駆動輪に伝達し、駆動輪を駆動すれば、第２ワンウェイクラッチの駆動輪側の回転速度がクランク軸側の回転速度よりも高くなるので、第２ワンウェイクラッチによって、クランク軸と駆動輪の間が遮断される。したがって、請求項５の電動アシスト自転車と同様、クランク軸を停止状態に保持したまま、回転機のみを動力源として、電動アシスト自転車を走行させることができる。

さらに、第２クラッチとして第２ワンウェイクラッチを用いるので、請求項２の電動アシスト自転車と同様、構成の単純化、小型化および軽量化を図れるとともに、コストを削減することができる。

請求項７に係る発明は、請求項１ないし６のいずれかに記載の電動アシスト自転車１、１Ａにおいて、第１ロータ２２は、動力を増速して伝達する増速機構６を用いることなく、駆動輪に連結されていることを特徴とする。

第１ロータを、増速機構を介して駆動輪に連結した場合には、この増速機構による増速によって、増速機構から駆動輪に伝達されるトルクが小さくなり、その分、第１ロータから増速機構に伝達されるトルクが大きくなるので、回転機に必要とされるトルクは大きくなる。本発明によれば、第１ロータが増速機構を用いることなく、駆動輪に連結されているので、上述した場合と比較して、回転機に必要とされるトルクが小さくなるので、回転機の小型化を図ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態による電動アシスト自転車１を概略的に示している。この電動アシスト自転車１は、二輪式のものであり、図１に示すように、後輪２（駆動輪）、ペダル機構３、増速機構６、変速装置１０、第１ワンウェイクラッチＣ１、第２ワンウェイクラッチＣ２、および回転機２０を備えている。なお、図１は、主として本発明の特徴部分を示しており、電動アシスト自転車１が、前輪、ハンドル、サドルおよびブレーキと、これらの前輪などが設けられたフレーム（いずれも図示せず）をさらに備えることは、もちろんである。これらの要素は、従来のものと同様であり、その詳細な説明については省略する。

後輪２は、フレームの後端部に、車軸１ａや軸受け（図示せず）を介して取り付けられており、それにより、水平方向に延びる軸線を中心として回転自在である。

ペダル機構３は、運転者の足の踏み込み力（以下「踏力」という）を回転動力に変換するものであり、ペダル４およびクランク軸５を有している。クランク軸５は、水平方向に延びる軸状のクランクジャーナル５ａと、このクランクジャーナル５ａの両端部に固定され、クランクジャーナル５ａに直交するクランクアーム５ｂ，５ｂによって構成されている。クランクジャーナル５ａは、フレームの中央の下端部に取り付けられた軸受け（図示せず）に支持されており、それにより、クランク軸５は、水平方向に延びる軸線を中心として回転自在である。各クランクアーム５ｂには、クランクジャーナル５ａと逆側の端部に、ペダル４が取り付けられている。ペダル４は、クランクアーム５ｂに直交しており、クランクアーム５ｂに対して、水平方向に延びる軸線を中心として回転自在である。以上の構成により、ペダル機構３では、ペダル４に運転者の踏力が入力されると、この踏力は、クランク軸５に伝達されるとともに、回転動力に変換された状態で、クランクジャーナル５ａに出力される。

回転機２０は、運転者の踏力をアシストするためのものであり、フレームの中央の下端部に、ペダル機構３と一体に設けられている。図１および図２に示すように、回転機２０は、フレームと一体のケースＣＡと、このケースＣＡに回転自在に支持された回転軸２１と、第１ロータ２２と、第１ロータ２２に対向するように配置されたステータ２３と、両者２２，２３の間に所定の間隔を存した状態で設けられ、回転軸２１に連結された第２ロータ２４とを備えている。第１ロータ２２、第２ロータ２４およびステータ２３は、径方向に、内側からこの順で並んでいる。以下、図２の左側を「左」、右側を「右」として説明する。

第１ロータ２２は、２ｎ個の永久磁石２２ａを有しており、これらの永久磁石２２ａは、上述したペダル機構３のクランクジャーナル５ａの周方向（以下、単に「周方向」という）に等間隔で並んだ状態で、リング状の固定部２２ｂの外周面に取り付けられている。また、各永久磁石２２ａは、クランクジャーナル５ａの軸線方向（以下、単に「軸線方向」という）に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に若干延びている。上記の固定部２２ｂは、軟磁性体、例えば鉄で構成されており、その内周面が、円板状のフランジ２２ｃの外周面に取り付けられている。このフランジ２２ｃは、クランクジャーナル５ａに一体に同心状に設けられている。以上の構成により、永久磁石２２ａは、クランクジャーナル５ａと一体に回転自在であり、換言すれば、第１ロータ２２は、クランク軸５と一体に回転自在である。

また、図３に示すように、クランクジャーナル５ａを中心として、周方向に隣り合う各２つの永久磁石２２ａがなす中心角は、所定角度θである。また、永久磁石２２ａの極性は、周方向に隣り合う各２つについては互いに異なっている。以下、永久磁石２２ａの左側および右側の磁極をそれぞれ、「第１磁極」および「第２磁極」という。

ステータ２３は、回転磁界を発生させるものであり、周方向に等間隔で並んだ３ｎ個の電機子２３ａを有している。各電機子２３ａは、鉄芯２３ｂと、鉄芯２３ｂに巻回されたコイル２３ｃなどで構成されている。鉄芯２３ｂは、軸線方向に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に永久磁石２２ａとほぼ同じ長さを有している。鉄芯２３ｂの内周面の軸線方向の中央部には、周方向に延びる溝２３ｄが形成されている。３ｎ個のコイル２３ｃは、ｎ組のＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相コイルを構成している（図３参照）。また、電機子２３ａは、ケースＣＡに、リング状の固定部２３ｅを介して取り付けられており、移動不能になっている。以上のような電機子２３ａおよび永久磁石２２ａの数と配置から、ある１つの電機子２３ａの中心が、永久磁石２２ａの中心と周方向に一致したときには、その電機子２３ａに対して２つおきの電機子２３ａの中心と、その永久磁石２２ａに対して１つおきの永久磁石２２ａの中心とが、周方向に一致する。

さらに、電機子２３ａは、パワードライブユニット（以下「ＰＤＵ」という）３２を介してＥＣＵ３１とバッテリ３３に接続されている。このＥＣＵ３１は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されており、このＰＤＵ３２は、インバータなどの電気回路で構成されている。また、バッテリ３３は、充電および放電可能に構成されている。さらに、電機子２３ａは、バッテリ３３から電力が供給されたとき、または、後述するように発電したときに、鉄芯２３ｂの左右の端部に、互いに異なる極性の磁極がそれぞれ発生するように構成されている。さらに、これらの磁極の発生に伴って、第１ロータ２２の左側（第１磁極側）の部分との間および右側（第２磁極側）の部分との間に、第１および第２の回転磁界が周方向に回転するようにそれぞれ発生する。以下、鉄芯２３ｂの左右の端部に発生する磁極をそれぞれ、「第１電機子磁極」および「第２電機子磁極」という。また、これらの第１および第２の電機子磁極の数はそれぞれ、永久磁石２２ａの磁極の数と同じ、すなわち２ｎである。

第２ロータ２４は、複数の第１コア２４ａおよび第２コア２４ｂを有している。第１および第２のコア２４ａ，２４ｂはそれぞれ、周方向に等間隔で並んでおり、両者２４ａ，２４ｂの数はいずれも、永久磁石２２ａと同じ、すなわち２ｎに設定されている。各第１コア２４ａは、軟磁性体、例えば複数の鋼板を積層したもので、軸線方向に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に永久磁石２２ａのほぼ半分の長さで延びている。各第２コア２４ｂは、第１コア２４ａと同様、複数の鋼板を積層したもので、軸線方向に直交する断面がほぼ扇形状になっており、軸線方向に永久磁石２２ａのほぼ半分の長さで延びている。

また、軸線方向において、第１コア２４ａは、第１ロータ２２の左側（第１磁極側）の部分とステータ２３の左側（第１電機子磁極側）の部分との間に配置され、第２コア２４ｂは、第１ロータ２２の右側（第２磁極側）の部分とステータ２３の右側（第２電機子磁極側）の部分との間に配置されている。さらに、第２コア２４ｂは、第１コア２４ａに対して周方向に互い違いに並んでおり、その中心が、第１コア２４ａの中心に対して、前述した所定角度θの１／２、ずれている。

また、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂは、ドーナツ板状のフランジの外端部に、軸線方向に若干延びる棒状の連結部（いずれも図示せず）をそれぞれ介して取り付けられている。このフランジは、前述した回転軸２１に一体に同心状に設けられている。この構成により、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂは、回転軸２１と一体に回転自在である。また、回転軸２１は、筒状に形成されており、その内側には、クランクジャーナル５ａが同心状に回転自在に嵌合している。

以上の構成の回転機２０では、図３に示すように、第１および第２の回転磁界の発生中、各第１電機子磁極の極性が、それに対向する（最も近い）各第１磁極の極性と異なるときには、各第２電機子磁極の極性は、それに対向する（最も近い）各第２磁極の極性と同じになる。また、各第１磁極と各第１電機子磁極の間に、各第１コア２４ａが位置しているときには、各第２コア２４ｂが、周方向に隣り合う各２組の第２電機子磁極および第２磁極の間に位置する。さらに、図示しないが、第１および第２の回転磁界の発生中、各第２電機子磁極の極性が、それに対向する（最も近い）各第２磁極の極性と異なるときには、各第１電機子磁極の極性は、それに対向する（最も近い）各第１磁極の極性と同じになる。また、各第２磁極と各第２電機子磁極の間に、各第２コア２４ｂが位置しているときには、各第１コア２４ａが、周方向に隣り合う各２組の第１電機子磁極および第１磁極の間に位置する。

また、回転機２０は、２部材で回転動力を入出力するとともに、１部材で電力を入出力する遊星歯車装置とみなすことができる。以下、この点に関し、回転機２０の動作に基づいて説明する。上述した図３では、展開図として示したために、電機子２３ａおよび固定部２３ｅが２つに分かれているように示されているものの、これらは実際には１つのものであるので、図３の構成を、それと等価のものとして図４のように示すことができる。このため、以下、回転機２０の動作を、永久磁石２２ａ、電機子２３ａ、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂが、図４に示すように配置されているものとして説明する。

また、この動作説明を、説明の便宜上、第１および第２の回転磁界の動きを、それと等価の、永久磁石２２ａと同数の２ｎ個の仮想の永久磁石（以下「仮想磁石」という）ＶＭの物理的な動きに置き換えて説明するものとする。また、仮想磁石ＶＭの左側（第１磁極側）および右側（第２磁極側）の磁極をそれぞれ、第１および第２の電機子磁極として、第１ロータ２２の左側（第１磁極側）の部分との間および右側（第２磁極側）の部分との間にそれぞれ発生する回転磁界を、第１および第２の回転磁界として、説明するものとする。さらに、以下、永久磁石２２ａの左側の部分および右側の部分をそれぞれ、「第１磁石部」および「第２磁石部」という。

まず、回転機２０の動作として、第１ロータ２２を回転不能にした状態で、電機子２３ａへの電力供給により第１および第２の回転磁界を発生させた場合の動作について説明する。

図５（ａ）に示すように、各第１コア２４ａが各第１磁石部に対向するとともに、各第２コア２４ｂが隣り合う各２つの第２磁石部の間に位置した状態から、第１および第２の回転磁界を、同図の下方に回転させるように発生させる。その発生の開始時においては、各第１電機子磁極の極性を、それに対向する各第１磁極の極性と異ならせるとともに、各第２電機子磁極の極性をそれに対向する各第２磁極の極性と同じにする。

第１コア２４ａは、前述したように配置されているので、第１磁極および第１電機子磁極によって磁化されるとともに、第１磁極、第１コア２４ａおよび第１電機子磁極の間に、磁力線（以下「第１磁力線」という）Ｇ１が発生する。同様に、第２コア２４ｂは、前述したように配置されているので、第２電機子磁極および第２磁極によって磁化されるとともに、第２電機子磁極、第２コア２４ｂおよび第２磁極の間に、磁力線（以下「第２磁力線」という）Ｇ２が発生する。

図５（ａ）に示す状態では、第１磁力線Ｇ１は、第１磁極、第１コア２４ａおよび第１電機子磁極を結ぶように発生し、第２磁力線Ｇ２は、周方向に隣り合う各２つの第２電機子磁極と両者の間に位置する第２コア２４ｂを結ぶように、また、周方向に隣り合う各２つの第２磁極と両者の間に位置する第２コア２４ｂを結ぶように発生する。その結果、この状態では、図７（ａ）に示すような磁気回路が構成される。この状態では、第１磁力線Ｇ１が直線状であることにより、第１コア２４ａには、周方向に回転させるような磁力は作用しない。また、周方向に隣り合う各２つの第２電機子磁極と第２コア２４ｂの間の２つの第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いおよび総磁束量が互いに等しく、同様に、周方向に隣り合う各２つの第２磁極と第２コア２４ｂの間の２つの第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いおよび総磁束量も、互いに等しく、バランスしている。このため、第２コア２４ｂにも、周方向に回転させるような磁力は作用しない。

そして、仮想磁石ＶＭが図５（ａ）に示す位置から図５（ｂ）に示す位置に回転すると、第２電機子磁極、第２コア２４ｂおよび第２磁極を結ぶような第２磁力線Ｇ２が発生するとともに、第１コア２４ａと第１電機子磁極の間の第１磁力線Ｇ１が、曲がった状態になる。また、これに伴い、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２によって、図７（ｂ）に示すような磁気回路が構成される。

この状態では、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いは小さいものの、その総磁束量が多いため、比較的強い磁力が第１コア２４ａに作用する。これにより、第１コア２４ａは、仮想磁石ＶＭの回転方向、すなわち第１および第２の回転磁界の回転方向（以下、「磁界回転方向」という）に、比較的大きな駆動力で駆動され、その結果、第２ロータ２４が磁界回転方向に回転する。また、第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いは大きいものの、その総磁束量が少ないため、比較的弱い磁力が第２コア２４ｂに作用し、それにより、第２コア２４ｂは、磁界回転方向に比較的小さな駆動力で駆動され、その結果、第２ロータ２４が磁界回転方向に回転する。

次いで、仮想磁石ＶＭが、図５（ｂ）に示す位置から、図５（ｃ），（ｄ）および図６（ａ），（ｂ）に示す位置に順に回転すると、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂはそれぞれ、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力によって磁界回転方向に駆動され、その結果、第２ロータ２４が磁界回転方向に回転する。その間、第１コア２４ａに作用する磁力は、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いが大きくなるものの、その総磁束量が少なくなることによって、徐々に弱くなり、第１コア２４ａを磁界回転方向に駆動する駆動力が、徐々に小さくなる。また、第２コア２４ｂに作用する磁力は、第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いが小さくなるものの、その総磁束量が多くなることによって、徐々に強くなり、第２コア２４ｂを磁界回転方向に駆動する駆動力が、徐々に大きくなる。

そして、仮想磁石ＶＭが図６（ｂ）に示す位置から図６（ｃ）に示す位置に回転する間、第２磁力線Ｇ２が曲がった状態になるとともに、その総磁束量が最多に近い状態になり、その結果、最強の磁力が第２コア２４ｂに作用し、第２コア２４ｂに作用する駆動力が最大になる。その後、図６（ｃ）に示すように、仮想磁石ＶＭが第１および第２の磁石部に対向する位置に移動すると、互いに対向する第１電機子磁極および第１磁極が互いに同一極性になり、第１コア２４ａが、周方向に隣り合う２組の同一極性の第１電機子磁極および第１磁極の間に位置するようになる。この状態では、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いが大きいものの、その総磁束量が少ないことによって、第１コア２４ａには、磁界回転方向に回転させるような磁力が作用しない。また、互いに対向する第２電機子磁極および第２磁極が互いに異なる極性になる。

この状態から、仮想磁石ＶＭがさらに回転すると、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力によって、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂが磁界回転方向に駆動され、第２ロータ２４が磁界回転方向に回転する。その際、仮想磁石ＶＭが図５（ａ）に示す位置まで回転する間、以上とは逆に、第１コア２４ａに作用する磁力は、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合が小さくなるものの、その総磁束量が多くなることによって強くなり、第１コア２４ａに作用する駆動力が大きくなる。逆に、第２コア２４ｂに作用する磁力は、第２磁力線Ｇ２の曲がり度合が大きくなるものの、その総磁束量が少なくなることによって弱くなり、第２コア２４ｂに作用する駆動力が小さくなる。

以上のように、仮想磁石ＶＭの回転、すなわち第１および第２の回転磁界の回転に伴い、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂにそれぞれ作用する駆動力が、交互に大きくなったり、小さくなったりする状態を繰り返しながら、第２ロータ２４が磁界回転方向に回転する。この場合、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂを介して伝達されるトルクをＴ２４ａ，Ｔ２４ｂとすると、第２ロータ２４に伝達されるトルク（以下「第２ロータ伝達トルク」という）ＴＲ２と、これら２つのトルクＴ２４ａ，Ｔ２４ｂとの関係は、概ね図８に示すものになる。同図に示すように、２つのトルクＴ２４ａ，Ｔ２４ｂは、同じ周期でほぼ正弦波状に変化するとともに、位相が半周期分、互いにずれている。また、第２ロータ２４には第１および第２のコア２４ａ，２４ｂが連結されているため、第２ロータ伝達トルクＴＲ２は、上記のように変化する２つのトルクＴ２４ａ，Ｔ２４ｂを足し合わせたものとなり、ほぼ一定になる。

また、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力の作用によって、第１コア２４ａが、第１磁力線Ｇ１で結ばれた第１磁極と第１電機子磁極の中間に位置し、かつ、第２コア２４ｂが、第２磁力線Ｇ２で結ばれた第２磁極と第２電機子磁極の中間に位置した状態を保ちながら、第２ロータ２４が回転する。このため、第１および第２の回転磁界の回転速度（以下「磁界回転速度」という）Ｖ０と、第１ロータ２２の回転速度（以下「第１ロータ回転速度」という）ＶＲ１と、第２ロータ２４の回転速度（以下「第２ロータ回転速度」という）ＶＲ２との間には一般に、次式（１）が成立する。
ＶＲ２＝（Ｖ０＋ＶＲ１）／２ ……（１）
また、この式（１）を変形すると、次式（２）が得られる。
Ｖ０−ＶＲ２＝ＶＲ２−ＶＲ１ ……（２）
これらの式（１）および（２）から明らかなように、第２ロータ回転速度ＶＲ２は、磁界回転速度Ｖ０と第１ロータ回転速度ＶＲ１との平均速度に等しく、換言すれば、磁界回転速度Ｖ０と第２ロータ回転速度ＶＲ２との差は、第２ロータ回転速度ＶＲ２と第１ロータ回転速度ＶＲ１との差に等しい。このように、磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２は、共線関係にある。

したがって、上述した第１ロータ回転速度ＶＲ１が値０のときには、ＶＲ２＝Ｖ０／２が成立し、このときの磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２の関係は、例えば図９（ａ）のように示される。

また、この場合、第２ロータ回転速度ＶＲ２が、磁界回転速度Ｖ０の１／２に減速されるので、第２ロータ伝達トルクＴＲ２は、ステータ２３への供給電力および磁界回転速度Ｖ０と等価のトルクを駆動用等価トルクＴＳＥとすると、この駆動用等価トルクＴＳＥの２倍になる。すなわち、次式（３）が成立する。
ＴＲ２＝ＴＳＥ・２ ……（３）
以上のように、第１ロータ２２を回転不能にした状態でステータ２３に電力を供給した場合には、この電力はすべて、第２ロータ２４に動力として伝達される。

次に、第２ロータ２４を回転不能にした状態で、電機子２３ａへの電力供給により第１および第２の回転磁界を発生させた場合の動作について説明する。

この場合にも、図１１（ａ）に示すように、各第１コア２４ａが各第１磁石部に対向するとともに、各第２コア２４ｂが隣り合う各２つの第２磁石部の間に位置した状態から、第１および第２の回転磁界を同図の下方に回転させるように発生させる。その発生の開始時においては、各第１電機子磁極の極性を、それに対向する各第１磁極の極性と異ならせるとともに、各第２電機子磁極の極性をそれに対向する各第２磁極の極性と同じにする。この状態では、前述した図７（ａ）に示すような磁気回路が構成される。

そして、仮想磁石ＶＭが、図１１（ａ）に示す位置から図１１（ｂ）に示す位置に回転すると、第１コア２４ａと第１電機子磁極の間の第１磁力線Ｇ１が曲がった状態になるのに伴い、第２電機子磁極が第２コア２４ｂに近づくことによって、第２電機子磁極、第２コア２４ｂおよび第２磁極を結ぶような第２磁力線Ｇ２が発生する。その結果、前述した図７（ｂ）に示すような磁気回路が構成される。

この状態では、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１の総磁束量は多いものの、この第１磁力線Ｇ１がまっすぐであるため、第１コア２４ａに対して第１磁石部を回転させるような磁力が発生しない。また、第２磁極およびこれと異なる極性の第２電機子磁極の間の距離が比較的長いことにより、第２コア２４ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２の総磁束量は比較的少ないものの、その曲がり度合いが大きいことによって、第２磁石部に、これを第２コア２４ｂに近づけるような磁力が作用する。これにより、永久磁石２２ａは、仮想磁石ＶＭの回転方向、すなわち磁界回転方向と逆方向（図１１の上方）に駆動され、図１１（ｃ）に示す位置に向かって回転する。これに伴い、第１ロータ２２が磁界回転方向と逆方向に回転する。

そして、永久磁石２２ａが図１１（ｂ）に示す位置から図１１（ｃ）に示す位置に向かって回転する間、仮想磁石ＶＭは、図１１（ｄ）に示す位置に向かって回転する。以上のように、第２磁石部が第２コア２４ｂに近づくことにより、第２コア２４ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２の曲がり度合いは小さくなるものの、仮想磁石ＶＭが第２コア２４ｂにさらに近づくのに伴い、第２磁力線Ｇ２の総磁束量は多くなる。その結果、この場合にも、第２磁石部に、これを第２コア２４ｂ側に近づけるような磁力が作用し、それにより、永久磁石２２ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動される。

また、永久磁石２２ａが磁界回転方向と逆方向に回転するのに伴い、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１が曲がることによって、第１磁石部に、これを第１コア２４ａに近づけるような磁力が作用する。しかし、この状態では、第１磁力線Ｇ１による磁力は、第１磁力線Ｇ１の曲がり度合いが第２磁力線Ｇ２よりも小さいことによって、上述した第２磁力線Ｇ２による磁力よりも弱い。その結果、両磁力の差分に相当する磁力によって、永久磁石２２ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動される。

そして、図１１（ｄ）に示すように、第１磁極と第１コア２４ａの間の距離と、第２コア２４ｂと第２磁極の間の距離が互いにほぼ等しくなったときには、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１の総磁束量および曲がり度合いが、第２コア２４ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２の総磁束量および曲がり度合いとそれぞれほぼ等しくなる。その結果、これらの第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力が互いにほぼ釣り合うことによって、永久磁石２２ａが一時的に駆動されない状態になる。

この状態から、仮想磁石ＶＭが図１２（ａ）に示す位置まで回転すると、第１磁力線Ｇ１の発生状態が変化し、図１２（ｂ）に示すような磁気回路が構成される。それにより、第１磁力線Ｇ１による磁力が、第１磁石部を第１コア２４ａに近づけるようにほとんど作用しなくなるので、永久磁石２２ａは、第２磁力線Ｇ２による磁力によって、図１２（ｃ）に示す位置まで、磁界回転方向と逆方向に駆動される。

そして、図１２（ｃ）に示す位置から、仮想磁石ＶＭが若干、回転すると、以上とは逆に、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１による磁力が、第１磁石部に、これを第１コア２４ａに近づけるように作用し、それにより、永久磁石２２ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動され、第１ロータ２２が磁界回転方向と逆方向に回転する。そして、仮想磁石ＶＭがさらに回転すると、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１による磁力と第２コア２４ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２による磁力との差分に相当する磁力によって、永久磁石２２ａが、磁界回転方向と逆方向に駆動される。その後、第２磁力線Ｇ２による磁力が、第２磁石部を第２コア２４ｂに近づけるようにほとんど作用しなくなると、第１磁力線Ｇ１による磁力によって、永久磁石２２ａが磁界回転方向と逆方向に駆動される。

以上のように、第１および第２の回転磁界の回転に伴い、第１磁極と第１コア２４ａの間の第１磁力線Ｇ１による磁力と、第２コア２４ｂと第２磁極の間の第２磁力線Ｇ２による磁力と、これらの磁力の差分に相当する磁力とが、永久磁石２２ａに、すなわち第１ロータ２２に交互に作用し、それにより、第１ロータ２２が磁界回転方向と逆方向に回転する。また、そのように磁力すなわち駆動力が第１ロータ２２に交互に作用することによって、第１ロータ２２に伝達されるトルク（以下「第１ロータ伝達トルク」という）ＴＲ１は、ほぼ一定になる。

また、このときの磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２の関係は、式（１）において、ＶＲ２＝０とすることにより、ＶＲ１＝−Ｖ０で表され、例えば図９（ｂ）のように示される。このように、第１ロータ２２は、第１および第２の回転磁界と同じ速度で逆方向に回転する。さらに、この場合、第１ロータ伝達トルクＴＲ１は、駆動用等価トルクＴＳＥと等しくなり、次式（４）が成立する。
ＴＲ１＝ＴＳＥ ……（４）

また、磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２がいずれも値０でない場合、例えば、第１ロータ２２を動力により回転させた状態で、第１および第２の回転磁界を発生させた場合には、磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２の間に、前述した一般式（１）がそのまま成立し、三者間の速度関係は、例えば図１０（ａ）のように示される。この場合、第１ロータ伝達トルクＴＲ１と駆動用等価トルクＴＳＥが、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力すなわち磁気回路を介して、合成され、第２ロータ２４に伝達される。すなわち、次式（５）が成立する。
ＴＲ２＝ＴＳＥ＋ＴＲ１ ……（５）
ただし、この場合、前記式（２）に示すように、磁界回転速度Ｖ０と第２ロータ回転速度ＶＲ２との差、および第２ロータ回転速度ＶＲ２と第１ロータ回転速度ＶＲ１との差が、互いに等しいため、駆動用等価トルクＴＳＥと第１ロータ伝達トルクＴＲ１のトルク合成比は、１：１である。したがって、ステータ２３への電力の供給に伴い、ステータ２３から第２ロータ２４に伝達される動力（以下「電力変換動力」という）と、第１ロータ２２から第２ロータ２４に伝達される動力との合成比は、磁界回転速度Ｖ０と第１ロータ回転速度ＶＲ１との比に等しい。

さらに、第２ロータ２４を動力により回転させるとともに、ステータ２３の三相コイル２３ｃを、相間短絡により互いに接続した場合には、第２ロータ２４の回転に伴って発生する第１および第２の回転磁界の磁界回転速度Ｖ０がほぼ値０になり、その結果、第２ロータ２４に入力された動力（エネルギ）は、ステータ２３には伝達されず、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力すなわち磁気回路を介して、第１ロータ２２にすべて伝達される。同様に、第１ロータ２２を動力により回転させるとともに、磁界回転速度Ｖ０を値０に制御した場合には、第１ロータ２２に入力された動力（エネルギ）は、ステータ２３には伝達されず、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力を介して第２ロータ２４にすべて伝達される。

また、このときの磁界回転速度Ｖ０、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２の関係は、式（１）において、Ｖ０＝０とすることによって、ＶＲ１＝２・ＶＲ２で表され、例えば図１０（ｂ）のように示される。また、第１および第２のロータ伝達トルクＴＲ１，ＴＲ２の間に、次式（６）が成立する。
ＴＲ１＝ＴＲ２／２ ……（６）

さらに、回転機２０では、ステータ２３への電力供給が行われていない場合でも、電機子２３ａに対して、第１ロータ２２への動力の入力により永久磁石２２ａが回転したり、第２ロータ２４への動力の入力により第１および第２のコア２４ａ，２４ｂが回転したときには、電機子２３ａにおいて、誘導起電力が発生し、発電が行われる。この発電に伴って、第１および第２の回転磁界が発生した場合にも、前記式（１）および（２）が成立するとともに、前記式（３）〜（５）で表されるようなトルクの関係が成立する。

このため、例えば、第２ロータ２４に動力を入力するとともに、この動力の一部を用いてステータ２３で発電を行った場合において、第１ロータ２２、第２ロータ２４、第１および第２の回転磁界の回転方向が互いに同じであるときには、ステータ２３で発電される電力および磁界回転速度Ｖ０と等価のトルクを発電用等価トルクＴＧＥとすると、この発電用等価トルクＴＧＥと、第１および第２のロータ伝達トルクＴＲ１，ＴＲ２との間に、次式（７）が成立する。
ＴＲ２＝ＴＧＥ＋ＴＲ１ ……（７）
この場合、この式（７）から明らかなように、第２ロータ伝達トルクＴＲ２が分割され、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力を介して、発電用等価トルクＴＧＥおよび第１ロータ伝達トルクＴＲ１として出力される。また、前記式（２）に示すように、磁界回転速度Ｖ０と第２ロータ回転速度ＶＲ２との差、および第２ロータ回転速度ＶＲ２と第１ロータ回転速度ＶＲ１との差が、互いに等しいため、この場合のトルク分配比は１：１である。したがって、エネルギ（電力・動力）の分配比は、磁界回転速度Ｖ０と第１ロータ回転速度ＶＲ１との比に等しい。

上述したステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間における式（１）や図９などで表されるような回転速度の関係、および、式（３）〜（７）で表されるようなトルクの関係は、遊星歯車装置のサンギヤおよびリングギヤの一方、他方、およびプラネタリギヤを支持するキャリアの回転速度の関係およびトルクの関係に、それぞれ相当する。さらに、そのような回転速度およびトルクの関係が、ステータ２３への電力供給時だけでなく、発電時にも同様に得られることから、回転機２０は、２部材で回転動力を入出力するとともに、１部材で電力を入出力する遊星歯車装置とみなすことができる。また、上述したように、この場合のステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間でのエネルギの入出力は、遊星歯車装置と異なり、歯車ではなく、第１および第２の磁力線Ｇ１，Ｇ２による磁力、すなわち、磁気回路を介した磁気パスによって行われる。

また、ステータ２３に対する第１および第２のロータ２２，２４の回転角度位置はそれぞれ、第１角度位置センサ４１および第２角度位置センサ４２によって検出され、それらの検出信号は、ＥＣＵ３１に出力される。ＥＣＵ３１は、これらの検出信号に基づき、ＰＤＵ３２を制御することによって、ステータ２３に供給される電力と、ステータ２３で発電される電力と、これらの電力供給および発電に伴って発生した第１および第２の回転磁界の磁界回転速度Ｖ０などを制御する。また、ＥＣＵ３１は、検出された第１および第２のロータ２２，２４の回転角度位置に基づき、第１および第２のロータ回転速度ＶＲ１，ＶＲ２をそれぞれ算出する。

前述した第１ワンウェイクラッチＣ１は、第１ロータ２２と第２ロータ２４の間に設けられており、回転軸２１に直結された入力部Ｃ１ａと、第１ロータ２２に直結された出力部Ｃ１ｂを有している。第１ワンウェイクラッチＣ１は、出力部Ｃ１ｂの回転速度すなわち第１ロータ回転速度ＶＲ１が、入力部Ｃ１ａの回転速度すなわち第２ロータ回転速度ＶＲ２よりも高いときには、第１ロータ２２と第２ロータ２４の間を遮断し、それ以外のときには接続する。

増速機構６は、第１スプロケット７および第２スプロケット８と、これらの第１および第２のスプロケット７，８に巻きかけられたチェーン９を有している。第１スプロケット７の歯数は、第２スプロケット８よりも大きく、それにより、第１スプロケット７に入力された動力は、増速された状態で第２スプロケット８に伝達される。また、第１スプロケット７は、中空の回転軸７ａを介して、第１ロータ２２に同心状に固定されており、それにより、第１ロータ２２と一体に回転自在である。この回転軸７ａの内側には、クランクジャーナル５ａが同心状に回転自在に嵌合している。

変速装置１０は、遊星歯車装置などで構成された、いわゆる内装式のものであり、入力軸１０ａおよび出力軸１０ｂを有するとともに、３つの変速段を有している。入力軸１０ａに入力された動力は、これらの３つの変速段の１つの変速比で変速された後、出力軸１０ｂに出力される。この入力軸１０ａは、第２スプロケット８に同心状に固定されており、それにより、第２スプロケット８と一体に回転自在である。また、変速装置１０の変速段は、運転者によるレバー（図示せず）の操作に応じて切り換えられるとともに、ギヤ位置センサ４３によって検出され、その検出信号はＥＣＵ３１に出力される。

第２ワンウェイクラッチＣ２は、変速装置１０と後輪２の間に設けられており、変速装置１０の出力軸１０ｂに直結された入力部Ｃ２ａと、後輪２に直結された出力部Ｃ２ｂを有している。第２ワンウェイクラッチＣ２は、出力部Ｃ２ｂの回転速度が、入力部Ｃ２ａの回転速度よりも高いときには、出力軸１０ｂと後輪２の間を遮断し、それ以外のときには接続する。

以上のように、回転機２０の第１ロータ２２は、増速機構６、変速装置１０および第２ワンウェイクラッチＣ２を介して、後輪２に連結されている。また、クランク軸５は、第１ロータ２２に直結されており、第１ロータ２２などを介して後輪２に連結されている。さらに、第１および第２のロータ２２，２４は、第１ワンウェイクラッチＣ１を介して、互いに連結されている。なお、本実施形態では、第２ワンウェイクラッチＣ２が、請求項３の発明における第２クラッチおよび請求項４の発明における第２ワンウェイクラッチに相当する。

また、クランク軸５には、トルクセンサ４４が設けられており、トルクセンサ４４は、クランク軸５に作用する運転者の踏力によるトルク（以下「踏力トルク」という）ＴＦを検出し、その検出信号をＥＣＵ３１に出力する。

次に、電動アシスト自転車１の動作について説明する。まず、回転機２０によるアシストを行わずに、ペダル４に入力された運転者の踏力のみを動力源として、電動アシスト自転車１を走行させる場合の動作について説明する。以下、このような電動アシスト自転車１の走行を「ペダル走行」という。

ペダル走行中、運転者の踏力は、クランク軸５において回転動力に変換された後、第１ロータ２２、増速機構６を介して、変速装置１０の出力軸１０ｂに伝達される。ペダル走行中、後輪２は、出力軸１０ｂから踏力が伝達されることによって初めて駆動されるので、後輪２が連結された第２ワンウェイクラッチＣ２の出力部Ｃ２ｂの回転速度は、出力軸１０ｂが連結された入力部Ｃ２ａの回転速度よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、出力軸１０ｂと後輪２の間が接続状態に保持されるので、出力軸１０ｂに伝達された踏力は、後輪２に伝達され、その結果、電動アシスト自転車１が走行する。

また、ペダル走行中、回転機２０では、その構成上、第１ロータ２２が回転するのに伴い、ステータ２３において電力の供給および発電が行われていなくても、第１および第２の回転磁界が発生し、それにより、ステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間に磁気回路が形成される。図１３は、ペダル走行中における第１および第２の回転磁界、第１ロータ２２ならびに第２ロータ２４の回転速度の関係の一例を、各要素のトルクやフリクションの関係の一例とともに示す共線図である。

同図に示すように、ペダル走行中、第２ロータ２２のフリクション（以下「第２ロータフリクション」という）ＦＲ２は、第１ロータ２２に伝達された踏力トルクＴＦを反力として、第１および第２の回転磁界を第１ロータ２２の回転方向と逆方向に回転させるようにステータ２３に作用するとともに、第１および第２の回転磁界による回転抵抗（以下「磁界回転抵抗」という）ＤＭＦを反力として、第１ロータ２２に負荷として作用する。磁界回転抵抗ＤＭＦは、第２ロータフリクションＦＲ２を反力として、第１ロータ２２に負荷として作用するとともに、第１ロータ２２に伝達された踏力トルクＴＦを反力として、第２ロータ２４を第１ロータ２２の回転方向に回転させるように第２ロータ２４に作用する。第１ロータ２２に伝達された踏力トルクＴＦの一部は、磁界回転抵抗ＤＭＦを反力として、第２ロータ２４を第１ロータ２２の回転方向に回転させるように第２ロータ２４に作用するとともに、第２ロータフリクションＦＲ２を反力として、第１および第２の回転磁界を第１ロータ２２の回転方向と逆方向に回転させるようにステータ２３に作用する。

以上の結果、第１および第２の回転磁界は、第１ロータ２２の回転方向と逆方向に回転し、第２ロータ２４は、第１ロータ２２の回転方向と同方向に回転する。また、上述したフリクションの関係から明らかなように、磁界回転抵抗ＤＭＦが大きいほど、かつ、第２ロータフリクションＦＲ２が大きいほど、両者ＤＭＦ，ＦＲ２に起因する第１ロータ２２の負荷は大きくなる。さらに、磁界回転抵抗ＤＭＦは、磁界回転速度Ｖ０が高いほど、より大きくなり、磁界回転速度Ｖ０は、第２ロータフリクションＦＲ２が大きいほど、より大きくなる。これに対し、第２ロータフリクションＦＲ２は比較的小さいので、磁界回転速度Ｖ０は非常に低く、このため、磁界回転抵抗ＤＭＦも非常に小さい。したがって、第２ロータフリクションＦＲ２および磁界回転抵抗ＤＭＦに起因する第１ロータの負荷は小さい。

また、ペダル走行中、上記のように磁界回転抵抗ＤＭＦが非常に小さいので、上述した第２ロータ２４を第１ロータ２２の回転方向に回転させるように第２ロータに作用するトルクも小さく、それにより、第２ロータ回転速度ＶＲ２は、第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも低くなる。したがって、第１ワンウェイクラッチＣ１によって、第１および第２のロータ２２，２４の間は遮断状態に保持される。

次に、ペダル走行中から、回転機２０によるアシストを行った場合の動作について説明する。ペダル走行中、アシストを開始し、ステータ２３に電力を供給すると、式（５）を用いて説明したように、電力変換動力と、第１ロータ２２に入力された踏力の一部が、磁気回路を介して、合成された状態で第２ロータ２４に伝達され、それにより、第２ロータ回転速度ＶＲ２が上昇する。そして、第２ロータ回転速度ＶＲ２が第１ロータ回転速度ＶＲ１と等しくなると、上述したようにペダル走行中に遮断されていた第１ロータ２２と第２ロータ２４の間が、第１ワンウェイクラッチＣ１により接続される。その結果、上述したようにして第２ロータ２４に伝達された電力変換動力および踏力の一部を合成した動力は、第１ワンウェイクラッチＣ１および第１ロータ２２などを介して、残りの踏力とともに、変速装置１０の出力軸１０ｂに伝達される。アシスト中、ペダル走行中と同様、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、出力軸１０ｂと後輪２の間は接続状態に保持されるので、上記のように出力軸１０ｂに伝達された動力は、後輪２に伝達される。以上の結果、アシスト中、後輪２には、クランク軸５に入力された踏力と電力変換動力を合成した動力が伝達される。

また、ペダル走行からアシストに移行する際、第１ロータ回転速度ＶＲ１を目標回転速度として、第２ロータ回転速度ＶＲ２が目標回転速度になるように、磁界回転速度Ｖ０は制御される。さらに、アシスト中、ステータ２３に供給される電力は、次のようにして制御される。すなわち、まず、検出された踏力トルクＴＦに応じ、図１４に示すＴＳＥＣＭＤテーブルを検索することによって、駆動用等価トルクＴＳＥの目標値ＴＳＥＣＭＤを算出する。次いで、算出した目標値ＴＳＥＣＭＤと等しい駆動用等価トルクが得られるように、ステータ２３に供給される電力が制御される。

上記のＴＳＥＣＭＤテーブルでは、踏力トルクＴＦが第１所定値ＴＦＲＥＦ１以下のときには、目標値ＴＳＥＣＭＤは値０に設定されており、それにより、アシストは行われない。また、踏力トルクＴＦが第１所定値ＴＦＲＥＦ１よりも大きいときには、目標値ＴＳＥＣＭＤは、踏力トルクＴＦが大きいほど、より大きな値にリニアに設定されており、第１所定値ＴＦＲＥＦ１よりも大きい第２所定値ＴＦＲＥＦ２のときには、所定値ＴＳＥＲＥＦに設定されている。この所定値ＴＳＥＲＥＦは、第２所定値ＴＦＲＥＦ２に等しく、したがって、目標値ＴＳＥＣＭＤは、踏力トルクＴＦが第２所定値ＴＦＲＥ２よりも小さいときには、そのときの踏力トルクＴＦよりも小さく設定される。

次に、電動アシスト自転車１の空走時、すなわち、クランク軸５に踏力が入力されておらず、電動アシスト自転車１が惰性で走行しているときの動作について説明する。空走中、後輪２が慣性によって回転している状態で、クランク軸５を停止状態に保持すると、クランク軸５に連結された出力軸１０ｂも停止状態に保持され、それに伴い、第２ワンウェイクラッチＣ２の出力部Ｃ２ｂの回転速度は、入力部Ｃ２ａの回転速度よりも高くなる。その結果、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、出力軸１０ｂと後輪２の間が遮断され、ひいては、変速装置１０、増速機構６、ペダル機構３および回転機２０と後輪２との間が遮断される。

以上のように、本実施形態によれば、第１ロータ２２がクランク軸５に直結され、後輪２に連結されるとともに、第１および第２のロータ２２，２４の間に第１ワンウェイクラッチＣ１が設けられており、ペダル走行中、第１ワンウェイクラッチＣ１によって、第１および第２のロータ２２，２４の間が遮断状態に保持される。これにより、ペダル走行中、第２ロータフリクションＦＲ２および磁界回転抵抗ＤＭＦに起因する第１ロータ２２の負荷が小さいので、電動アシスト自転車１の高い効率を得ることができる。また、クランク軸５からの運転者の踏力とステータ２３からの電力変換動力を合成した状態で後輪２に伝達でき、回転機２０によって踏力をアシストすることができる。

さらに、ペダル機構３、回転機２０および後輪２の間が、踏力および電力変換動力を合成した状態で後輪２に伝達するための遊星歯車装置すなわち差動装置を用いることなく、連結されているとともに、アシスト中、後輪２への電力変換動力の伝達が、磁気回路を介した非接触による、いわゆる磁気パスによって行われる。したがって、差動装置を用いる前述した従来の場合と比較して、アシスト中における電動アシスト自転車１の効率を高めることができるとともに、その構成の単純化、小型化および軽量化を図ることができる。また、駆動用等価トルクＴＳＥの目標値ＴＳＥＣＭＤは、踏力トルクＴＦに対して常に１：１の関係ではなく、踏力トルクＴＦが非常に小さいとき（ＴＦ≦ＴＦＲＥＦ１）には値０に設定され、比較的小さいとき（ＴＦＲＥＦ１＜ＴＦ＜ＴＦＲＥＦ２）には、踏力トルクＴＦよりも小さな値に設定されるとともに、踏力トルクＴＦが比較的大きい第２所定値ＴＦＲＥＦ２であるときには、踏力トルクＴＦと同じ値に設定される。これにより、アシストが無駄に行われるのを防止できるので、バッテリ３３の電力を確保でき、アシストによる走行距離を延ばすことができる。

さらに、ペダル走行からアシストに移行する際、第１ロータ回転速度ＶＲ１を目標回転速度として、第２ロータ回転速度ＶＲ２が目標回転速度になるように、磁界回転速度Ｖ０を制御するので、ステータ２３からの電力変換動力が後輪２に急激に作用するのを防止でき、良好なドライバビリティを得ることができる。

また、空走中、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、ペダル機構３、回転機２０、増速機構６および変速装置１０と後輪２との間が遮断されるので、クランク軸５を停止状態に保持できるとともに、ペダル機構３や回転機２０などのフリクションが後輪２に作用するのを防止できるので、空走による走行距離を延ばすことができる。さらに、油圧式などのクラッチではなく、第１および第２のワンウェイクラッチＣ１、Ｃ２を用いるので、油圧式などのクラッチを用いた場合と比較して、電動アシスト自転車１の構成の単純化、小型化および軽量化を図れるとともに、そのコストを削減することができる。

また、クランク軸５に第１ロータ２２が直結されていることから、第１ロータ回転速度ＶＲ１はクランク軸５の回転速度と等しいので、クランク軸５の回転速度を検出するためのセンサが不要になる。さらに、第１ロータ２２が、増速機構６および変速装置１０を介して後輪２に連結されていることから、第１ロータ回転速度ＶＲ１と、増速機構６の所定の増速比と、検出された変速装置１０の変速段に応じて、後輪２の回転速度を算出できるので、後輪２の回転速度を検出するためのセンサが不要になる。また、回転機２０が電動アシスト自転車１の中央の下端部に設けられ、ペダル機構３と一体に設けられているので、電動アシスト自転車１の良好な重量バランスを得ることができる。

なお、本実施形態では、第１ロータ２２を増速機構６などを介して後輪２に連結するとともに、クランク軸５を第１ロータ２２に直結しているが、クランク軸５および第１ロータ２２と後輪２との間の連結関係は、次の条件を満たす限り、任意に設定することができる。すなわち、クランク軸５および第１ロータ２２が互いに連結されるとともに、両者５，２２の連結によって構成された第２動力伝達系が後輪２に連結されているという条件である。例えば、第１ロータ２２を第１スプロケット７に直結せずに、クランク軸５に直結するとともに、クランク軸５を第１スプロケット７に直結してもよい。すなわち、クランク軸５を、増速機構６を介して後輪２に連結するとともに、第１ロータ２２を、クランク軸５を介して後輪２に連結してもよい。

また、本実施形態では、第１ワンウェイクラッチＣ１の入力部Ｃ１ａおよび出力部Ｃ１ｂを、回転軸２１および第１ロータ２２にそれぞれ直結しているが、第１ロータ回転速度ＶＲ１が第２ロータ回転速度ＶＲ２よりも高いときに、第１および第２のロータ２２，２４の間を遮断できるのであれば、他の適当な要素に連結してもよい。例えば、入力部Ｃ１ａを第２ロータ２４に直結するとともに、出力部Ｃ１ｂを、クランク軸５、回転軸７ａおよび第１スプロケット７の１つに直結してもよい。さらに、本実施形態では、第２ワンウェイクラッチＣ２の入力部Ｃ２ａおよび出力部Ｃ２ｂを、変速装置１０の出力軸１０ｂおよび後輪２にそれぞれ直結しているが、クランク軸５および第１ロータ２２と、後輪２との間をペダル走行中およびアシスト中に接続できるとともに、空走中に遮断できるのであれば、他の適当な要素に連結してもよい。例えば、入力部Ｃ２ａおよび出力部Ｃ２ｂを、回転軸７ａおよび第１スプロケット７に、または、第２スプロケット８および変速装置１０の入力軸１０ａに、それぞれ直結してもよい。

また、第１ワンウェイクラッチＣ１の入力部Ｃ１ａおよび出力部Ｃ１ｂは、本発明における第１動力伝達系と第２ロータ２４の間を接続・遮断できるのであれば、任意の要素に連結してもよい。例えば、第１ワンウェイクラッチＣ１の入力部Ｃ１ａを回転軸２１または第２ロータ２４に直結するとともに、出力部Ｃ１ｂを、複数の歯車やチェーンなどを介して、第２スプロケット８、変速装置１０の入力軸１０ａ、出力軸１０ｂおよび後輪２の１つに連結してもよい。出力部Ｃ１ｂを後輪２に連結した場合には、アシスト中、踏力の一部および電力変換動力を合成した動力が、第２ワンウェイクラッチＣ２を介さずに後輪２に伝達されるため、出力部Ｃ２ｂの回転速度が入力部Ｃ２ａの回転速度よりも高くならないように、すなわち、第２ワンウェイクラッチＣ２によりクランク軸５と後輪２の間が遮断されないように、第２ロータ回転速度ＶＲ２や駆動用等価トルクＴＳＥを制御するのが好ましい。

さらに、本実施形態において、第２ワンウェイクラッチＣ２を省略してもよい。また、本実施形態では、第１ロータ２２と後輪２の間を、増速機構６を用いて連結しているが、増速機構６を用いずに連結してもよい。その場合、例えば、第１スプロケット７をクランク軸５に直結するとともに、第１ロータ２２を、クランク軸５ではなく、第２スプロケット８、変速装置１０の入力軸１０ａおよび出力軸１０ｂの１つに直結してもよい。この場合には、ペダル走行中およびアシスト中、上述した実施形態と比較して、第１ロータ２２から後輪２に伝達されるトルクが小さくなるので、回転機２０に必要とされるトルクが小さくなり、したがって、回転機２０の小型化を図ることができる。

次に、図１５を参照しながら、本発明の第２実施形態による電動アシスト自転車１Ａについて説明する。この電動アシスト自転車１Ａは、第１実施形態と比較して、ペダル機構３と、第１および第２のロータ２２，２４と、後輪２との間の連結関係が主に異なっている。なお、同図では、第１実施形態と同じ要素については、同じ符号を用いて示している。以下、第１実施形態と異なる点を説明する。

具体的には、ペダル機構３のクランク軸５には、第１実施形態と異なり、第１ロータ２２が直結されておらず、増速機構６の第１スプロケット７が直結されている。また、回転機２０は、第１実施形態と異なり、電動アシスト自転車１Ａのフレームの中央の下端部には設けられておらず、フレームの後端部に設けられて、おり、第１ロータ２２は、中空の回転軸を介して後輪２に連結されている。このように、第１ロータ２２は、第１実施形態と異なり、増速機構６、変速装置１０および第２ワンウェイクラッチＣ２を介さずに、後輪２に連結されている。また、クランク軸５は、第１ロータ２２を介さずに、後輪２に連結されている。その他の連結関係については、第１実施形態と同様である。

なお、本実施形態では、第２ワンウェイクラッチＣ２が、請求項５の発明における第２クラッチおよび請求項６の発明における第２ワンウェイクラッチに相当する。

以上の構成の電動アシスト自転車１Ａでは、ペダル走行中およびアシスト中の動作が第１実施形態と同様にして行われる。ペダル走行中、第１実施形態と同様、後輪２は、変速装置１０の出力軸１０ｂから踏力が伝達されることによって初めて駆動されるので、後輪２が連結された第２ワンウェイクラッチＣ２の出力部Ｃ２ｂの回転速度は、出力軸１０ｂが連結された入力部Ｃ２ａの回転速度よりも高くはならない。したがって、ペダル走行中、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、クランク軸５が連結された出力軸１０ｂと後輪２との間が接続状態に保持されるので、クランク軸５から出力軸１０ｂに伝達された踏力は、後輪２に伝達される。

また、本実施形態においても、第１実施形態と同様、ペダル走行中、第１および第２の回転磁界と第１ロータ２２と第２ロータ２４との間に、前述した図１３に示すような回転速度の関係と、トルクおよびフリクションの関係が成立する。したがって、ペダル走行中、第２ロータ回転速度ＶＲ２が第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも低くなり、その結果、第１ワンウェイクラッチＣ１によって、第１および第２のロータ２２，２４の間が遮断状態に保持されるので、第２ロータフリクションＦＲ２と磁界回転抵抗ＤＭＦに起因する第１ロータ２２の負荷は小さい。

また、第１実施形態と同様、アシスト中、ステータ２３からの駆動用等価トルクＴＳＥは、踏力トルクＴＦ以下に制御されるとともに、第２ワンウェイクラッチＣ２の出力部Ｃ２ｂの回転速度が、入力部Ｃ２ａの回転速度よりも高くならないように制御される。これにより、第１実施形態と同様、アシスト中、第２ワンウェイクラッチによって、クランク軸５と後輪２の間が接続状態に保持されるので、後輪２には、踏力と電力変換動力を合成した動力が伝達される。

一方、空走中の動作は、第１実施形態の場合と異なっている。具体的には、空走中、慣性により後輪２が回転している状態で、クランク軸５を停止状態に保持すると、クランク軸５に連結された変速装置１０の出力軸１０ｂも停止状態に保持され、それに伴い、第２ワンウェイクラッチＣ２の出力部Ｃ２ｂの回転速度は、入力部Ｃ２ａの回転速度よりも高くなる。その結果、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、出力軸１０ｂと後輪２の間が遮断され、ひいては、変速装置１０、増速機構６およびペダル機構３と後輪２との間が遮断される。

また、空走中、第１および第２の回転磁界と第１ロータ２２と第２ロータ２４との間に、前述した図１３に示すような回転速度の関係と、トルクおよびフリクションの関係が成立する。ただし、この場合、第１ロータ２２には、運転者の踏力トルクＴＦではなく、慣性により回転する後輪２からのトルクが作用する。このため、空走中、第２ロータ回転速度ＶＲ２は第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも低くなり、その結果、第１ワンウェイクラッチＣ１によって、第１および第２のロータ２２，２４の間が遮断状態に保持される。したがって、空走中、ペダル走行中と同様、第２ロータフリクションＦＲ２および磁界回転抵抗ＤＭＦに起因する第１ロータ２２の負荷は小さい。

さらに、電動アシスト自転車１Ａでは、回転機２０のみを動力源とするモータ走行が行われる。具体的には、クランク軸５を停止状態に保持するとともに、ステータ２３に電力を供給すると、ステータ２３からの電力変換動力は、第１ロータ２２に作用する後輪２のフリクションを反力として、第２ロータ２４に伝達され、それにより、第２ロータ２４が回転するようになる。これにより、第１ワンウェイクラッチＣ１によって、第１および第２のロータ２２，２４の間が接続されるので、電力変換動力が、第２ロータ２４、第１ワンウェイクラッチＣ１および第１ロータ２２を介して、後輪２に伝達される。

また、モータ走行中、前述したステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間のエネルギの入出力関係から、電力変換動力は、第２ロータ２４を第１および第２の回転磁界の磁界回転方向に回転させるように第２ロータ２４に作用し、第１ロータ２２を磁界回転方向と逆方向に回転させるように第１ロータ２２に作用する。これにより、後輪２への電力変換動力の伝達により第１ロータ２２が後輪２とともに回転しても、第１ワンウェイクラッチＣ１によって、第１および第２のロータ２２，２４の間は接続状態に保持され、その結果、第２ロータ回転速度ＶＲ２は第１ロータ回転速度ＶＲ１よりも高くはならない。さらに、モータ走行中、上述したようにクランク軸５を停止状態に保持することによって、後輪２に連結された第２ワンウェイクラッチＣ２の出力部Ｃ２ｂの回転速度が、クランク軸５に連結された入力部Ｃ２ａの回転速度よりも高くなるので、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、クランク軸５と後輪２の間が遮断される。

以上により、本実施形態によれば、ペダル走行中およびアシスト中、第１実施形態の効果、すなわち、電動アシスト自転車１Ａの高効率化などの効果を同様に得ることができる。また、空走中、第２ワンウェイクラッチＣ２によって、変速装置１０、増速機構６およびペダル機構３と後輪２との間が遮断されるので、クランク軸５を停止状態に保持できるとともに、変速装置１０、増速機構６およびペダル機構３のフリクションが後輪２に作用するのを防止することができる。さらに、空走中、第２ロータフリクションＦＲ２および磁界回転抵抗ＤＭＦに起因する第１ロータ２２の負荷が小さく、第１ロータ２２を介して後輪２に作用する負荷も小さいので、上述した後輪２へのペダル機構３などのフリクションの作用防止と相まって、空走による走行距離を延ばすことができる。また、クランク軸５を停止した状態で、回転機２０のみを動力源として、電動アシスト自転車１Ａを走行させることができる。

さらに、第１ロータ２２と後輪２の間が、増速機構６を用いることなく連結されているので、増速機構６を用いて連結した場合と比較して、アシスト中、第２ロータ２４、第１ワンウェイクラッチＣ１および第１ロータ２２を介して後輪２に伝達されるトルクが小さくなるので、回転機２０に必要とされるトルクが小さくなり、したがって、回転機２０の小型化を図ることができる。

また、第１実施形態と同様、第１および第２のワンウェイクラッチＣ１，Ｃ２を用いるので、油圧式などのクラッチを用いた場合と比較して、電動アシスト自転車１Ａの構成の単純化、小型化および軽量化を図れるとともに、そのコストを削減することができる。

さらに、第１ロータ２２が、変速装置１０および増速機構６を介してクランク軸５に連結されていることから、第１ロータ回転速度ＶＲ１と、検出された変速装置１０の変速段と、増速機構６の所定の増速比に応じて、クランク軸５の回転速度を算出できるので、クランク軸５の回転速度を検出するためのセンサが不要になる。また、第１ロータ２２が後輪２に直結されていることから、第１ロータ回転速度ＶＲ１は後輪２の回転速度と等しいので、後輪２の回転速度を検出するためのセンサが不要になる。

なお、本実施形態では、空走中、第１実施形態と異なり、第１ロータ２２と後輪２の間が遮断されないことから、第２ロータフリクションＦＲ２および磁界回転抵抗ＤＭＦに起因する負荷が後輪２に作用するので、その分、空走による走行距離が第１実施形態の場合よりも短くなってしまう。この場合、ステータ２３に電力を供給し、第１および第２の回転磁界を第１ロータ２２の回転方向に回転させ、磁界回転速度Ｖ０を第１ロータ回転速度ＶＲ１と同じに制御するとともに、駆動用等価トルクＴＳＥが第２ロータフリクションＦＲ２と同じになるように制御する。これにより、前述したステータ２３、第１および第２のロータ２２，２４の間のエネルギの入出力関係から明らかなように、空走中、第２ロータフリクションＦＲ２および磁界回転抵抗ＤＭＦに起因する負荷が、第１ロータ２２に作用することがなくなり、したがって、空走による走行距離をさらに延ばすことができる。

また、本実施形態では、第１ワンウェイクラッチＣ１の入力部Ｃ１ａおよび出力部Ｃ１ｂを、回転軸２１および第１ロータ２２にそれぞれ直結しているが、第１および第２のロータ２２，２４の間を、第１ロータ回転速度ＶＲ１が第２ロータ回転速度ＶＲ２よりも高いときに遮断できるのであれば、他の適当な要素に連結してもよい。例えば、入力部Ｃ１ａおよび出力部Ｃ１ｂを、第２ロータ２４および後輪２にそれぞれ直結してもよい。さらに、本実施形態では、第２ワンウェイクラッチＣ２の入力部Ｃ２ａおよび出力部Ｃ２ｂを、変速装置１０の出力軸１０ｂおよび後輪２にそれぞれ直結しているが、クランク軸５と後輪２の間をペダル走行中およびアシスト中に接続できるとともに、空走中に遮断できるのであれば、他の適当な要素に連結してもよい。例えば、入力部Ｃ２ａおよび出力部Ｃ２ｂを、第２スプロケット８および入力軸１０ａに、クランク軸５および第１スプロケット７に、それぞれ直結してもよい。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、本実施形態は、ペダル機構３に踏力が入力される例であるが、この踏力は他の力、例えば運転者の腕の力でもよい。また、本実施形態では、第１および第２のコア２４ａ，２４ｂを、鋼板で構成しているが、他の軟磁性体で構成してもよい。さらに、本実施形態は、第２ロータ回転速度ＶＲ２と第１ロータ回転速度ＶＲ１との差（以下「第２・第１ロータ速度差」という）と、磁界回転速度Ｖ０と第２ロータ回転速度ＶＲ２との差（以下「磁界・第２ロータ速度差」という）が等しい回転機２０に本発明を適用した例であるが、本発明は、これに限らず、第２・第１ロータ速度差と磁界・第２ロータ速度差が１：ｎである回転機に適用してもよい。

また、本発明における第１および第２のクラッチとして、第１および第２のワンウェイクラッチＣ１，Ｃ２に代えて、互いに接続・遮断可能に構成された入力部および出力部を有する油圧式や電磁式のクラッチを用いてもよい。このように、第２実施形態において、第１クラッチとして、第１ワンウェイクラッチＣ１に代えて、油圧式などのクラッチを用いる場合には、本発明における第１動力伝達系と第２ロータ２４の間を接続・遮断できるのであれば、クラッチの入力部および出力部を任意の要素に連結してもよい。例えば、入力部を第２ロータ２４または回転軸２１に直結するとともに、出力部を、第１ロータ２２、後輪２、クランク軸５、第１および第２のスプロケット７，８、ならびに、変速装置１０の入力軸１０ａおよび出力軸１０ｂの１つに連結してもよい。この場合、クラッチの出力部をクランク軸５、第１および第２のスプロケット７，８、ならびに、変速装置１０の入力軸１０ａに連結する場合には、この連結は、複数の歯車やチェーンなどを用いて行われる。

また、第２実施形態において、第２クラッチとして、第２ワンウェイクラッチＣ２に代えて、油圧式などのクラッチを用いる場合には、第２クラッチを２つのクラッチで構成し、一方のクラッチの入力部および出力部を第１ロータ２２および後輪２にそれぞれ直結し、もう一方のクラッチの入力部および出力部を変速装置１０の出力軸１０ｂおよび後輪２にそれぞれ直結してもよい。この場合、空走中、これらの２つのクラッチを遮断することによって、第１ロータ２２と後輪２の間およびクランク軸５と後輪２の間が遮断される。また、これらの２つのクラッチは、請求項５の発明ではなく、請求項３の発明における第２クラッチに相当する。

さらに、増速機構６は、本実施形態に例示したチェーン式に代えて、ベルト式やシャフト式のものでもよい。また、本実施形態では、本発明における駆動輪は後輪２であるが、前輪でもよい。さらに、本実施形態は、変速装置１０付の電動アシスト自転車１，１Ａに本発明を適用した例であるが、本発明はこれに限らず、変速装置が設けられていない電動アシスト自転車に適用可能である。その場合には、電動アシスト自転車の効率をさらに高めることができる。また、本発明を、本実施形態の二輪式の電動アシスト自転車１，１Ａではなく、１つ、または、３つ以上の車輪を有する電動アシスト自転車に適用してもよいことは、もちろんである。さらに、本実施形態では、回転機２０を制御する制御装置を、ＥＣＵ３１およびＰＤＵ３２で構成しているが、マイクロコンピュータと電気回路の組み合わせで構成してもよい。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

第１実施形態による電動アシスト自転車を概略的に示す図である。 回転機などの拡大断面図である。 図２のＸ−Ｘ線の位置で周方向に沿って破断した断面の一部を、第１および第２の回転磁界の発生時について示す展開図である。 図３の展開図の構成と機能的に同じ構成を示す図である。 第１ロータを回転不能にした状態で第１および第２の回転磁界を発生させた場合の回転機の動作を説明するための図である。 図５の続きの動作を説明するための図である。 回転機の動作中に構成される磁気回路を示す図である。 第１ロータを回転不能にした状態で第１および第２の回転磁界を発生させた場合に第２ロータに伝達されるトルクの一例を模式的に示す図である。 磁界回転速度、第１および第２のロータ回転速度の関係の一例を、（ａ）第１ロータを回転不能にした場合について、（ｂ）第２ロータを回転不能にした場合について、それぞれ示す共線図である。 磁界回転速度、第１および第２のロータ回転速度の関係の一例を、（ａ）第１および第２のロータがいずれも回転している場合、（ｂ）磁界回転速度が値０の場合について、それぞれ示す共線図である。 第２ロータを回転不能にした状態で第１および第２の回転磁界を発生させた場合の回転機の動作を説明するための図である。 図１１の続きの動作を説明するための図である。 図１および図１５の電動アシスト自転車における第１および第２の回転磁界、第１ロータならびに第２ロータの回転速度の関係の一例を、各要素のトルクやフリクションの関係の一例とともに、ペダル走行中について示す共線図である。 ＴＳＥＣＭＤテーブルの一例を示す図である。 第２実施形態による電動アシスト自転車を概略的に示す図である。 本発明の電動アシスト自転車における回転磁界、第１および第２のロータの回転速度の関係の一例を、各要素のトルクやフリクションの関係の一例とともに、ペダル走行中について示す共線図である。 本発明の電動アシスト自転車における踏力トルクとアシストトルクの関係の設定例を従来例とともに示す図である。

符号の説明

１ 電動アシスト自転車
１Ａ 電動アシスト自転車
２ 後輪（駆動輪）
３ ペダル機構
４ ペダル
５ クランク軸
６ 増速機構
Ｃ１ 第１ワンウェイクラッチ（第１クラッチ）
Ｃ１ａ 入力部
Ｃ１ｂ 出力部
Ｃ２ 第２ワンウェイクラッチ（第２クラッチ）
Ｃ２ａ 入力部（第２ワンウェイクラッチの第２動力伝達系側、第２ワンウェイクラッチ
のクランク軸側）
Ｃ２ｂ 出力部（第２ワンウェイクラッチの駆動輪側）
２０ 回転機
２２ 第１ロータ
２３ ステータ
２４ 第２ロータ
ＶＲ１ 第１ロータ回転速度
ＶＲ２ 第２ロータ回転速度

Claims (7)

1. 駆動輪と、
   当該駆動輪に連結されたクランク軸とペダルを有し、当該ペダルに入力された力を回転動力に変換し、前記クランク軸に出力するペダル機構と、
   回転磁界を発生させるための不動のステータと、磁石で構成され、前記ステータに対向するように設けられた第１ロータと、軟磁性体で構成され、前記ステータと前記第１ロータの間に設けられた第２ロータとを有し、前記ステータと前記第１ロータと前記第２ロータの間で、前記回転磁界の発生に伴って形成される磁気回路を介してエネルギを入出力するとともに、当該エネルギの入出力に伴って、前記回転磁界、前記第２および第１のロータが、互いの間に回転速度の所定の共線関係を保ちながら回転するように構成され、前記第１ロータが前記駆動輪に連結された回転機と、
   前記クランク軸、前記第１ロータおよび前記駆動輪を含む第１動力伝達系と前記第２ロータとの間を接続・遮断する第１クラッチと、
   を備えることを特徴とする電動アシスト自転車。
2. 前記第１クラッチは、前記第１ロータの回転速度が前記第２ロータの回転速度よりも高いときに、前記第１ロータと前記第２ロータの間を遮断する第１ワンウェイクラッチであることを特徴とする、請求項１に記載の電動アシスト自転車。
3. 前記クランク軸および前記第１ロータと前記駆動輪との間を接続・遮断する第２クラッチをさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の電動アシスト自転車。
4. 前記クランク軸および前記第１ロータは互いに連結されており、
   前記第２クラッチは、前記駆動輪側の回転速度が、前記第１ロータおよび前記クランク軸を含む第２動力伝達系側の回転速度よりも高いときに、当該第２動力伝達系と前記駆動輪の間を遮断する第２ワンウェイクラッチであることを特徴とする、請求項３に記載の電動アシスト自転車。
5. 前記クランク軸と前記駆動輪の間を接続・遮断する第２クラッチをさらに備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の電動アシスト自転車。
6. 前記第２クラッチは、前記駆動輪側の回転速度が前記クランク軸側の回転速度よりも高いときに、前記クランク軸と前記駆動輪の間を遮断する第２ワンウェイクラッチであることを特徴とする、請求項５に記載の電動アシスト自転車。
7. 前記第１ロータは、動力を増速して伝達する増速機構を用いることなく、前記駆動輪に連結されていることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の電動アシスト自転車。

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