JP2010534051A - 遊星歯車機構を備えた又は備えない外部回転子型電気モータ、外部回転子型電気モータを備えた車両及びこの車両の作動方法 - Google Patents

遊星歯車機構を備えた又は備えない外部回転子型電気モータ、外部回転子型電気モータを備えた車両及びこの車両の作動方法 Download PDF

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Abstract

車両のための本発明の電気モータ(25)は、車両フレームへの結合のための所定エリア(4)を備えた固定子(1)を有し、固定子(1)は、例えば溶接又はねじ締結により車両フレームに結合される。また、本発明の電気モータ(25)は回転子(13)を有し、回転子(13)は、固定子(1)に回転可能に取り付けられた駆動シャフト(17)に配置される。電気モータ(25)は、外部回転子型モータであり、遊星歯車機構(26)を有する。

Description

本発明は、車両、特に電気推進自転車用の選択的に遊星歯車機構を備える外部回転子型電気モータに関する。さらに、このような外部回転子型電気モータを備える車両及びこのような車両を作動させる方法に関する。
補助駆動装置として機能する電気モータを備える自転車は、通常、乗り手によりペダルを介して生み出されたトルクを前方スプロケットから後方スプロケットへ、そして車輪へ伝達するチェーンなどの第1駆動手段と、電気モータにより発生されたトルクを車両の車輪へ伝達する第2駆動手段とを有する。
特許文献1は、電気モータを有し、電気モータのトルクを伝達するための比較的複雑で精巧なトランスミッション構造を備えた自転車を開示している。
特許文献2により、ブラシレスディスクモータである電気モータを有し、その前方チェーンスプロケットが永久磁石であって電気モータの回転子を形成する自転車が知られている。固定子ディスクは、永久磁石に作用するペダルを支持する位置においてコイル(巻線)で固定されている。
このような構成の欠点は、車両の安定した動作のために車両フレームに対するトルクを支持する支持ピンが設けられなければならないことである。また、永久磁石の構成により、スプロケットは高価で重く、さらに電気効率が低い。
他の文献は、特許文献3〜13などである。これらの文献はすべて、本願の特許請求項の内容に関連していない。
米国特許第5570752号明細書 独国特許出願公開19522419号公報 独国特許出願公開19629788号公報 米国特許第3884317号明細書 英国特許出願公開2414452号公報 独国特許出願公開19621440号公報 欧州特許出願公開0258041号公報 欧州特許出願公開0590674号公報 独国特許出願公開19522419号公報 独国特許第4421428号明細書 米国特許第5570752号明細書 米国特許第6629574号明細書 独国特許出願公開10026528号公報
本発明の目的は、簡単で頑丈な構造と充分な効率とを同時に有する電気モータ駆動装置を備えた軽量かつ小型の車両を提供することである。
本発明によれば、独立特許請求項の発明によってこの目的が達成される。その発明をさらに好まく発展させた状態が、従属特許請求項の発明である。
本発明の車両用電気モータは、車両フレームに結合するための1つ以上の所定の場所を備えた固定子を有し、固定子と車両フレームとの結合は、例えば溶接又はねじ止めによって行われる。結合のために設けられる場所は、対応するようにして適切に構成される。また、本発明の電気モータは、回転子及び駆動手段を受けるための所定の場所を有する。電気モータは、外部回転子型であり、遊星歯車機構を有する。
この時、回転子は、遊星歯車機構の部品であるか、又は遊星歯車機構の部品と一体となり得る。
外部回転子型モータは、固定子のベアリング支持体で支持される中央シャフトを含む放射状の構造を示す。固定子の電磁石は、コイルを備えた強磁性のヨークを有し、ベアリング支持体に径方向で結合される。コイルは、縦軸が径方向を向くように配置され、それにより同様に径方向に向いた磁界を発生させる。リングの内側に配置された回転子のいくつかの永久磁石が、固定子を取り囲んでヨーク端部と対向し、径方向でヨーク端部と関連付けられる。
1つの実施形態において、回転子は、固定子に回転可能に支持された駆動シャフトに配置される。この実施形態は、自転車に設置するために電気モータが提供される場合に特に適している。この場合には、ペダルを備えるクランクが駆動シャフトに取り付けられる。本発明の電気モータは、フレームのペダルを支持する位置に確実かつコンパクトに一体化されて車両フレームの一体的部品となり得るため、頑丈で、特にしっかりしているという長所を持つ。
電気モータが、クランクに配置される乗り手のペダルを有しないオートバイ又はバイクへの設置を意図したものである場合には、一方で短い駆動シャフトを設けることが可能であり、必要であれば、例えばチェーンを受けるための小歯車、カルダンシャフトを受けるためのカルダン小歯車、又は歯付きベルトを受けるためのベルトプーリが取り付けられる。他方、駆動シャフトを設けるのではなく、駆動手段を受けるための所定の場所を設けて、小歯車又はベルトプーリなどを遊星歯車機構の要素へ直接結合することも可能である。この実施形態でも、本発明の電気モータはフレームの一体的部品であって、そのため特にしっかりしている。
例えば、車両のフレームチューブ、特に自転車又はオートバイのフレームチューブに、固定子がねじで締結されるか又は溶接される。このように、別のトルク支持体は不要である。
また、本発明の電気モータは、中実ディスクの代わりに複数の小型永久磁石を有するという好適な形状のため、比較的小型で省スペースに構成されるという長所を持つ。外部回転子型モータは、比較的大きな慣性モーメントを有し、本出願では車両のスムーズな走行につながって非常に効果的である。
遊星歯車機構によって、減速又は増速が達成される。切換可能な遊星歯車機構が設けられてもよい。すなわち、乗り手のペダル操作のリズムが電気モータの回転数と異なっていても、ペダル操作で乗り手により発生されるトルクと電気モータにより提供されるトルクの両方が車輪に同時に伝達されることが実現する。これにより、乗り手の通常のペダル操作リズムであるにもかかわらず、特に高い効率を示すか、さもなければ好ましい回転数範囲で電気モータを作動させることが可能である。このようにして、モータは一般的に、乗り手のペダル操作リズムよりも極めて高い回転数で作動する。
遊星歯車機構について様々な実施形態が考えられる。1つの実施形態では、遊星歯車機構の遊星キャリヤが、電気モータの固定子にしっかりと結合される。この時、遊星歯車機構の内歯車が回転子にしっかりと結合されるか、又は遊星歯車機構の太陽歯車が回転子にしっかりと結合されるかのいずれかが可能である。
別の実施形態では、遊星歯車機構の太陽歯車が、固定子にしっかりと結合される。この実施形態では、遊星歯車機構の内歯車又は遊星キャリヤのいずれかが回転子にしっかりと結合される。この実施形態では、駆動シャフトが存在するとして、この駆動シャフトが中空シャフトに支持されることが好ましい。
別の実施形態では、遊星歯車機構の内歯車が、固定子にしっかりと結合される。この場合、遊星歯車機構の太陽歯車又は遊星キャリヤのいずれかが、回転子にしっかりと結合される。
好ましい実施形態では、電気モータは、電子整流式直流外部回転子型モータである。電気モータを作動させるための蓄電池などのエネルギー蓄積装置が、後輪のエリア又はライダーシートの裏に設けられる。この実施形態では、電気モータはブラシレスであり、回転子はいくつかの永久磁石を有する。ブラシレス電気モータは、ブラシ方式の物より寿命が長く効率が高いという長所を持つ。いわゆるブラシスパークを防止することにより、高回転数での電磁干渉の低下が達成される。
駆動手段を受ける所定の場所は、例えば鎖歯車又は歯付きベルトディスクである。好ましくは、駆動手段を受ける所定の場所は、駆動シャフト又は遊星歯車の領域にねじ締結で固定されることが好ましい。
1つの実施形態では、ペダルを備えるクランクが駆動シャフトの両端に取り付けられる。こうして電気モータが自転車のペダルを支持する位置で一体化されるか、あるいは電気モータの部品がペダルの支持を形成し、電気モータと乗り手の力によって作動するペダルとが、同じシャフトに関与する。これにより、本発明の電気モータの構造は、特に単純で小型となる。
好ましい実施形態では、駆動シャフトは回転子までの移行領域に自由転輪装置を有する。これは、駆動シャフトの同時回転を伴わずに車両の惰走が可能であるため、乗り手は常にペダルをこぐ必要がないという長所を持つ。従って、電気モータが自転車に使用される場合には、自由転輪が設けられると便利である。
1つの実施形態では、回転子は250mm≦D≦350mmの直径Dを有する。回転子の高さは、例えば30mm≦h≦60mmである。したがって、車両のペダルクランクの間のペダル支持の位置、従って車両のほぼ重心に配置されるのに充分な程度に、電気モータは小型である。
本発明の車両、例えば電気モータを備える自転車又はオートバイは、本発明の電気モータを備え、これにより電気モータの固定子はフレームチューブに結合され、駆動シャフトは駆動手段によって車両の車輪に連結される。固定子は、車両のフレームチューブに溶接されるか又はねじ締結される。各場合において、固定子は車両フレームにしっかりと結合されるので、自転車フレームに対するトルク支持を必要としない。
好ましくは、鎖歯車が駆動シャフトに、そして遊星歯車の遊星キャリヤ、太陽歯車、内歯車のいずれかに固定して結合される。
1つの実施形態では、ペダルを備えるクランクが駆動シャフトの両端に取り付けられる。そして、電気モータは、自転車のペダルを支持する位置に取り付けられることでペダル支持の代わりとなり、それによってモータと乗り手とが同じ駆動シャフトに関与する。
外部回転子として遊星歯車機構を備えた電気モータを用いて車両を作動させるための本発明の方法は、以下のステップを含む。電気モータの固定子は、径方向に磁界を発生させるためのコイルを備え、コイルは供給電圧のための結合部を有する。また、電気モータの回転子は永久磁石を備え、永久磁石は、回転子の回転軸に対して径方向でコイルに対向するようにして配置される。供給電圧は、コイルを流れる電流により発生する磁界が回転子の永久磁石に引力を与えることによって回転子にトルクを与えるようにして、切り換えられる。
電気モータがブラシレスとされ得るように、好ましくは供給電圧を切り換えるための電子整流子が使用される。供給電圧は、例えば、ホールセンサにより又はコイルにおける誘導電流の値を求めることにより印加される。この方式では、供給電圧の非常に正確な印加が保証されて、電気モータの高いモータ回転速度も可能となる。
本発明の基礎を形成するいくつかの概念の中の一つは、プレート又は格子プレートとして設けられた固定子における支持エリアが、例えば車両フレームの一体的又は自立部品であることを含む。この方式では、本発明の電気モータは、とりわけ良好かつ簡単に車両に一体化される。複雑な追加部品が用意されなければならない先行技術と対照的に、本発明の電気モータはフレーム設計に適合し、それによって好ましくは、特定の実施形態では、電気モータの出力シャフトが例えばクランク駆動車両のペダル支持軸とされ得る。
例えば、オートバイでよく見られるように、ロッカアームを用いて車両の後輪サスペンションが設けられる場合には、本発明の電気モータは、その回転軸、すなわち回転子又は駆動シャフトの回転軸が、ロッカアームの回転軸と一致するか、少なくともその場所に近接するようにして配置されることが好ましい。この時、ロッカアームのアームは、車両の両側において駆動シャフトに適宜、繋がっても良い。
この実施形態により、先行技術よりもかなり高い効率を持つ電気モータを提供することもまた可能である。
1つの実施形態では、永久磁石が回転子の円周において放射状に配置されて、同様に放射状に配置された固定子のコイルによる電磁力の作用を受ける。永久磁石としては、間隙の変化が最小限となって高い効率が得られるので、回転子の円周に放射状に配置されてヨークの電磁石と対応するものが特に適している。先行技術の周知の電気モータでは、固定子と回転子との間の間隙幅がかなり大きな変動を受ける。
発明の実施形態を、基本的に回転子の永久磁石と固定子の電磁コイルとを用いて説明する。回路がより複雑になるが、固定子に永久磁石を設け、回転子の電磁石を用いてこれらを作動させることも可能である。また、発明の基本的概念から逸脱することなく、固定子及び回転子の両方に電磁石を設けることも可能である。
以下において、添付の図を用いて発明の実施形態をより細かく説明する。
図1は、第1の実施形態における自転車用の本発明の電気モータの固定子を上から見た状態を概略的に示す。 図2は、本発明の電気モータの回転子を上から見た状態を概略的に示す。 図3は、本発明の電気モータの回転子の断面を概略的に示す。 図4は、第1の実施形態における本発明の電気モータの断面を概略的に示す。 図5は、本発明の電気モータの第2及び第3の実施形態における固定子を上から見た状態を概略的に示す。 図6は、本発明の電気モータの回転子の断面を概略的に示す。 図7は、本発明の電気モータの第3の実施形態の断面を概略的に示す。 図8は、本発明の電気モータの代替実施形態の断面を概略的に示す。 図9は、第1の実施例における車両についての本発明の電気モータの断面を概略的に表す。 図10は、第2の実施例における車両についての本発明の電気モータの断面を概略的に表す。 図11は、第3の実施例における車両についての本発明の電気モータの断面を概略的に表す。 図12は、第4の実施例における車両についての本発明の電気モータの断面を概略的に表す。 図13は、第5の実施例における車両についての本発明の電気モータの断面を概略的に表す。 図14は、第6の実施例における車両についての本発明の電気モータの断面を概略的に表す。 図15は、第7の実施例における車両についての本発明の電気モータの断面を概略的に表す。
図1から図4は、本発明の第1の実施形態による電気モータを概略的に示す。
本発明の外部回転子型電気モータの固定子1は、上面図である図1に概略的に示される。この実施形態において、固定子1は、詳細に示されない自転車のフレームの一体的部品であるプレート2を有する。図1には、自転車のフレームのうち、3本のフレームチューブ3の部分のみが示される。プレート2は、フレームチューブ3に固定するために設けられたエリア4を外縁部に有する。この実施形態では、各エリア4は、矩形のフランジ支持面として形成される。
固定子1のプレート2の内側には、ボールベアリング12を受けるベアリング支持体8が備えられる。ボールベアリング12は、外側リング9、内側リング11、及び外側リング9と内側リング11との間に配置されたボール10を含む。開口部24が、図1には示されない駆動シャフトとの嵌合のために設けられる。diは、例えば20mmである。
固定子1のベアリング支持体8は、固定子1のヨーク6を備えたベースリング5に囲まれる。ヨーク6はそれぞれ、ここでは概略的にのみ示された供給ライン23により電流が供給されるコイル7を備える。コイル7を備えたヨーク6は、ベースリング5から径方向外向きに延出し、径方向でコイル7に結合されたヨーク結合部34を有する。図1に示されない電気モータの回転子のための回転エリア35は、ヨーク端部に接する。
図には数個のヨークのみが示されている。しかし、自転車のスムーズな走行と高いトルクを発生させるために、コイル7を備えたより多くのヨーク6が設けられる。
図2は、本発明の電気モータの回転子13を上から見た状態を概略的に表す。回転子13は、底部14と縁部15とを備えるカップ形状を有する。回転子13は、250mm≦D≦350mmの直径Dを有する。
縁部15の内側26には、いくつかの永久磁石16が配置される。永久磁石16は、矢印36で示されるように回転子13の周方向においてその極性が変化するように配置される。
この実施形態での回転子13は、自転車の駆動シャフト17に固定して配置されるが、駆動シャフト17と一体であってもよい。そして、駆動シャフト17は、例えば20mmの直径daを有する。駆動シャフト17は、両端にペダル20用のクランク19を取り付けるための矩形結合部18を有する。この時、ねじなどの締結要素21を用いてペダルがクランク19に取り付けられる。
図3は、回転子13の断面を示す。この図において、回転子13は通常、30から60mmの高さhを有する。
この図ではまた、回転子13が、底部14において、図示されないチェーンと連結するための鎖歯車22を有することが分かる。この実施形態では、回転子13の底部14に小歯車22がねじ止めされる。このために、ねじ穴27が設けられる。
図4は、図1のA−A線における断面を概略的に示す。この図では、固定子1及び回転子13が示されている。駆動シャフト17が、ここでは象徴的にのみ示されたボールベアリング12の内側リング11の開口部24を貫通してボールベアリング12に嵌められるようにして、回転子13が配置される。この時、中央の穴24の直径diは、駆動シャフト17の直径daと概ね等しい。
永久磁石16が装着された回転子13の縁部15は、固定子1の回転エリア35に配置されて、固定子1のヨーク端部34と径方向で関連付けられる。回転子14の永久磁石16は、コイル7を備えるヨーク6のヨーク端部34と対向して置かれる。
本発明の電気モータを組み立てるには、次の手順が取られる。固定子1のプレート2は、例えばこの実施形態で示されるように、例えばフレームチューブ3にこのプレートを溶接することにより、そのために設けられたエリア4で自転車のフレームに取り付けられる。次にボールベアリング12がベアリング支持体8に取り付けられ、ヨーク6がヨーク端部34に結合され、コイル7がベアリング支持体8のベースリング5に結合される。
さらに、永久磁石16が回転子13に結合されて、その縁部15の内側に配置される。回転子13は、この実施形態ではカップ形状である固定子1に挿入され、ボールベアリング12の内側リング11の開口部24に駆動シャフト17を挿入することにより、固定子1に連結される。これにより、縁部15は、永久磁石16と共に固定子の回転エリア35に配列される。そして、クランク19がペダル20と共に駆動シャフト17に取り付けられる。
回転子13を固定子1へ挿入することにより最初に電気モータ25を組み立て、次にそれをフレームチューブ3に結合することも可能である。特にこれは、フレームチューブ3への固定子1のプレート2の結合が、溶接によってではなくねじ止めによって行われる場合に可能である。
動作時には、電流がコイル7を流れて磁界を発生させ、これが回転子13の永久磁石16との相互作用によりトルクを生じさせる。このために、永久磁石16がヨーク結合部34に引きつけられて回転子13の周方向の向きに進み、一方で通過直後のヨーク結合部34により反発を受けるように、コイルに電流を生じさせる電圧が瞬間的に切り換えられる。
コイル7への供給電圧を切り換えるのに、電子整流子を使用できる。この例では、電圧の印加は、例えばホールセンサ又はコイルにおける誘導電流の分析により、接触なしで行われる。
トルクは、図示されないチェーンを用いて、回転子13に固定して取り付けられた鎖歯車22を通じて自転車の車輪に伝達される。他の実施形態では、鎖歯車の代わりに歯付きベルトディスクが用いられ、チェーンの代わりに歯付きベルトが用いられる。
さらに、本発明の電気モータ25を備えた自転車は、一方で駆動シャフト17に取り付けられたペダル20を用いて乗り手によって駆動されることも可能である。電気モータ25及びペダル20の両方が同じ駆動シャフト17に関与するため、トルクの伝達に単一の共通チェーン又は歯付きベルトのみを必要とする。
図5は、本発明の電気モータの固定子1の第2又は第3の実施形態における上方からの概略図を示す。この実施形態では、固定子1のプレート2はフレームチューブ3に直接溶接されていない。代わりに、図5に破線のみで示された取付プレート28が、フレームチューブ3に溶接されている。各フレームチューブ3のための別々の取付プレート28の代わりに、図5に同様に破線で示された共通の取付リング31、又は別のタイプの共通の取付プレートが設けられてもよい。その中でも、共通の取付リング31又は別の構成の共通の取付プレートは、電気モータ無しでも自転車のフレームが結合され自立するという長所を持つ。
固定子1のプレート2は、フレームの取付プレート28又は取付リング31への固定のためのエリア4を有する。そのために、この実施形態では、エリア4はプレートとして設けられ、ねじなどの締結要素を受け入れるための穴29を有する。
図6は、図5における電気モータ25をA−A線に沿った断面で示す。固定子1のプレート2がエリア4においてフレームチューブ3の独立取付プレート28に取り付けられた、第2の実施形態が示されている。
図7には、第3の実施形態である共通の取付リング31を備えた電気モータ25の断面が概略的に示されている。第2の実施形態の取付プレート28と類似した取付リング25が、固定子1のプレート2に取り付けられている。やはり、ねじなどの締結要素を受け入れるための穴29が設けられている。
図8は、電気モータ25の代替実施形態の断面を概略的に示す。この実施形態では、回転子は、ブロックブレード又はクランプローラを備える自由転輪装置33を有する。この実施形態は、乗り手による連続的なペダル操作が必要とされないという長所を持つ。この実施形態では、自由転輪装置33のために乗り手がペダルを連続的に操作する必要がなく、駆動シャフト17の回転もまた、乗り手の支援がなくても電気モータ25のみを介して自転車の駆動が行われるように、回転子13の動きから解離させることができる。
上述した実施形態では、以下の参照番号が使用される。
1 固定子
2 プレート
3 フレームチューブ
4 エリア
5 ベースリング
6 ヨーク
7 コイル
8 ベアリング支持体
9 外側リング
10 ボール
11 内側リング
12 ボールベアリング
13 回転子
14 底部
15 縁部
16 永久磁石
17 駆動シャフト
18 矩形結合部
19 クランク
20 ペダル
21 締結要素
22 鎖歯車
23 供給ライン
24 内側リングの開口部
25 電気モータ
26 縁部の内側
27 ねじ穴
28 取付プレート
29 穴
31 取付リング
33 自由転輪装置
34 ヨーク結合部(ヨーク端部)
35 回転エリア
a クランク10の外径
i 中央の穴の内径
D 回転子の直径
h 回転子の高さ
また、実施形態について、1から20の数字による以下の説明及び特徴を用いて説明するが、対応する従属関係から生じる特徴の組合せが重要である。
1.車両用の電気モータ(25)であって、
車両フレームへの結合のための所定エリア(4)を備える固定子(1)と、
駆動手段を受ける所定の場所を備え、固定子(1)に回転可能に取り付けられた駆動シャフト(17)に配置された回転子(13)とを有し、
電気モータ(25)が外部回転子型モータである。
2.数字1の電気モータ(25)であって、
電気モータ(25)が電子整流式直流外部回転子型モータである。
3.数字1又は2の電気モータ(25)であって、
電気モータ(25)がブラシレスであり、回転子(13)が複数の永久磁石(16)を有する。
4.数字1から3の中の1つの電気モータ(25)であって、
駆動手段を受ける所定の場所が鎖歯車(22)である。
5.数字1から3の中の1つの電気モータ(25)であって、
駆動手段を受ける所定の場所が歯付きベルトディスクである。
6.数字1から5の中の1つの電気モータ(25)であって、
ペダル(20)を備えたクランク(19)が駆動シャフト(17)の両端に取り付けられる。
7.数字1から6の中の1つの電気モータ(25)であって、
駆動手段を受ける所定の場所が回転子(13)にねじ止めされる。
8.数字1から7の中の1つの電気モータ(25)であって、
駆動シャフト(17)が、回転子(13)への移行領域に自由転輪装置(33)を有する。
9.数字1から8の中の1つの電気モータ(25)であって、
回転子(13)が250mm≦D≦350mmの直径Dを有する。
10.数字1から9の中の1つの電気モータ(25)であって、
回転子(13)が30mm≦h≦60mmの高さを有する。
11.数字1から10の中の1つの電気モータ(25)備えた車両であって、
電気モータ(25)の固定子(1)が車両のフレームチューブ(3)に結合され、駆動シャフトが駆動手段によって車両の車輪に連結される。
12.数字11の車両であって、
車両が自転車である。
13.数字11又は12の車両であって、
駆動手段がチェーンである。
14.数字11又は12の車両であって、
駆動手段が歯付きベルトである。
15.数字11から14の中の1つの車両であって、
電気モータ(25)が車両のフレームチューブ(3)に溶接される。
16.数字11から14の中の1つの車両であって、
電気モータ(25)が車両のフレームチューブ(3)にねじで結合される。
17.外部回転子型モータである電気モータ(25)を備えた車両の作動方法であって、作動方法が、
供給電圧用の結合部(23)を有した磁界を発生させるためのコイルを備えた電気モータ(25)の固定子(1)を配置するステップと、
永久磁石が駆動シャフト(17)に対して径方向でコイル(7)に対向して位置されるようにして、永久磁石を備えた電気モータ(25)の回転子(13)を配置するステップと、
コイル(7)を流れる電流により発生する磁界が、回転子(13)の永久磁石(16)に引力を与えることで回転子(13)にトルクを与えるようにして、供給電圧が切り換えられるステップとを含む。
18.数字17の方法であって、
供給電圧を切り換えるのに電子整流子が使用される。
19.数字18の方法であって、
ホールセンサにより供給電圧が印加される。
20.数字18の方法であって、
コイル(7)における誘導電流の値を求めることにより供給電圧が印加される。
実施例として、図1及び図2の電気モータが歯車と共に使用される際には、以下の説明が特に有用である。図1及び図2は、本発明の電気モータの固定子及び回転子の原理を図示している。明瞭化のために、同じく本発明の電気モータの一部である遊星歯車は示されていない。
図1において、上面図で概略的に示された本発明の外部回転子型電気モータの固定子1は、この実施形態では自転車(詳細には示されていない)のフレームの一体的部品であるプレート2を有する。図1には、自転車のフレームのうち、3本のフレームチューブ3の部分のみが示される。プレート2は、フレームチューブ3に固定するために設けられたエリア4を外縁部に有する。この実施形態では、各エリア4は、矩形のフランジ支持面として形成される。
固定子1のプレート2の内側には、ボールベアリング12を受けるベアリング支持体8が備えられる。ボールベアリング12は、外側リング9、内側リング11、及び外側リング9と内側リング11との間に配置されたボール10を含む。開口部24が、駆動シャフト(図1には示されていない)との嵌合のために設けられる。diは、例えば20mmである。
固定子1のベアリング支持体8は、固定子1のヨーク6を支えるベースリング5に囲まれる。ヨーク6はそれぞれ、供給ライン23(ここでは概略的にのみ示される)により電流が供給されるコイル7を備える。コイル7を備えたヨーク6は、ベースリング5から径方向外向きに延出し、径方向でコイル7に結合されたヨーク結合部34を有する。電気モータの回転子(図1には示されていない)のための回転エリア35は、ヨーク端部に接する。
図1には数個のヨークのみが示されている。しかし、自転車のスムーズな走行と高いトルクを発生させるために、コイル7を備えたより多くのヨーク6が設けられる。
図2は、本発明の電気モータの回転子13を上から見た状態を概略的に表す。回転子13は、底部14と縁部15とを備えるカップ形状を有する。回転子13は、250mm≦D≦350mmの直径Dを有する。
縁部15の内側26には、いくつかの永久磁石16が配置される。永久磁石16は、矢印36で示されるように回転子13の周方向においてその極性が変化するように配置される。
この実施形態では、回転子13は、自転車の駆動シャフト17に支持される。ここで駆動シャフト17は、例えば20mmの直径を有する。駆動シャフト17は、両端にペダル20用のクランク19を取り付けるための矩形結合部18を有する。矩形結合部18の代わりに、六角形の結合部又は多角の結合部などを使用できることは明らかである。ここでは、ねじなどの締結要素21を用いてペダルがクランク19に取り付けられる。
図9から図15は、本発明の電気モータの異なる実施例を概略的に表す。
図9は、図1及び図2で説明した回転子13及び固定子1を有する電気モータ25の第1の実施例について断面を概略的に表す。
電気モータ25は、太陽歯車27、遊星キャリヤ31を介して連結される遊星歯車28、及びリング歯車(内歯車)29で構成される遊星歯車機構26を有する。図3では、1つの遊星歯車28のみが示されるが、数個存在する。
図9に示された実施例では、遊星キャリヤ31は電気モータ25の固定子1に固定して結合される。したがって、遊星歯車28の中心32は、固定子1に対して静止している。遊星歯車28の歯車リム33は中心32に支持され、駆動シャフト27に固定して取り付けられた太陽歯車27が、歯車リム33と噛み合う。やはり歯車リム33が噛み合う内歯車29は、回転子13の底部14に固定して結合される。
本発明の電気モータを組み立てるには、例えば次の手順が取られる。固定子1のプレート2は、例えばこの実施例で示されるように、例えばフレームチューブ3にこのプレートを溶接することにより、そのために設けられたエリア4で自転車のフレームに取り付けられる。次に、ボールベアリング12がベアリング支持体8に取り付けられ、ヨーク6がヨーク端部34に結合され、コイル7がベアリング支持体8のベースリング5に結合される。
さらに、回転子13は、縁部15の内側に取り付けられた永久磁石16を備え、底部に内歯車29が結合される。回転子13は、本実施例でのカップ形状の固定子1へ挿入され、駆動シャフト17に固定して結合された太陽歯車27を備えた駆動シャフト17を、内側リングの開口部からボールベアリング12及び回転子13のボールベアリング9へ挿入することにより、固定子1に結合される。これにより、縁部15は、永久磁石16と共に固定子の回転エリア35に位置する。最後に、内歯車29と太陽歯車27との間に遊星歯車28を置いた状態で遊星キャリヤ31が挿入され、遊星キャリヤ31が固定子1に固定して結合される。
そして、クランクが、ペダルと共に駆動シャフト17に取り付けられる。
回転子13を固定子1へ挿入することによって最初に電気モータ25を組み立て、次にそれをフレームチューブ3に結合することも可能である。これは、特にフレームチューブ3への固定子1のプレート2の結合が、溶接によってではなくねじを用いることによって行われる場合に可能である。
動作時には、電流がコイル7を流れて磁界を発生させ、これが回転子13の永久磁石16との相互作用によりトルクを生じさせる。このために、永久磁石16がヨーク結合部34に引きつけられて回転子13の周方向に進み、一方で通過直後のヨーク結合部34により反発を受けるように、コイルに電流を生じさせる電圧が瞬間的に切り換えられる。
コイル7への供給電圧を切り換えるのに、電子整流子を使用できる。この例では、電圧の印加は、例えばホールセンサ又はコイルにおける誘導電流の分析により、接触なしで行われる。
このようにして、回転子13が回転運動を発生させ、これが同時に回転するリング歯車29によって遊星歯車28及び太陽歯車27を介して駆動シャフト17へ伝達される。自転車の乗り手は、ペダルによって同じように駆動シャフトにトルクを伝達することができる。
次にトルクは、駆動シャフト17に固定して取り付けられた鎖歯車22を介して、チェーン(不図示)により、自転車の車輪へ伝達される。1つの実施例(不図示)では、鎖歯車の代わりに歯付きベルトホイールが用いられ、チェーンの代わりに歯付きベルトが用いられる。この実施例及び残りの実施例では、ばねキャッチ又はクランプローラを備えた自由転輪装置を設けることができる。これは、自由転輪15のために乗り手がペダルを絶えず操作する必要がないという長所を持ち、駆動シャフト17の回転もまた、乗り手の支援がなくても電気モータ25のみを介して自転車の駆動が行われるように、回転子13の動きから解離させることができる。
この実施例では、内歯車29、ゆえに回転子13の速度を駆動シャフト17の速度よりも早くなるように選択することが好ましい。乗り手による通常のペダル操作リズムでは、それによりペダル操作リズムよりも高い回転数で電気モータ25を作動させることが可能である。しかし多くの用途では、本実施例及び他の実施例において、ペダル操作リズムよりも低い回転数で電気モータが作動できるように、遊星歯車により逆の伝達を実施すると効果的である。このために、太陽歯車27、遊星歯車28、及び内歯車29の直径を適切に選択することで、所望の回転数関係を非常に柔軟に調整することができる。
また、本実施例の遊星歯車26は、特に単純な構造であるがゆえに軽量かつ頑丈であり、さらに高い効率を持つという長所がある。
図10は、本発明の電気モータ25の第2の実施例を示す。この実施例は、遊星歯車機構26を形成する要素の構成によって、第1の実施例と異なる。。この実施例では、太陽歯車27は、溶接線11によって中空シャフト10に結合され、同様に中空シャフトが固定子1のプレート2に溶接される。中空シャフト10には、ヨーク6のためのベースリング5も固定して結合される。これにより、この実施例では、太陽歯車27が固定子1の系に対して静止している。
回転子13は、中空シャフト上のボールベアリング9によって支持されるか、さもなければ第1の実施例のように構成される。回転子13の底部14は、内歯車29に固定して結合される。
遊星歯車28は、その中心32により遊星キャリヤ31に回転可能に支持されて、内歯車29及び太陽歯車27と噛み合う。遊星キャリヤ31は、駆動シャフト17に固定して結合される。こうして、遊星キャリヤ31は、その回転運動をペダルのクランク19が取り付けられた駆動シャフト17に直接伝達する。自転車についてこの実施例を作動させる場合、回転子13に固定して結合された内歯車29が、回転子13の回転数と同じ回転数で回転する。内歯車29と、固定された太陽歯車27との間で転動する遊星歯車28は、遊星キャリヤ31へトルクを伝達し、このトルクが駆動シャフト17との結合を介して取り出される。鎖歯車22が駆動シャフト17に取り付けられ、鎖歯車22が駆動手段(不図示)により自転車の車輪へトルクをさらに伝達する。
この実施例では、内歯車29、ゆえに回転子13の回転速度が、遊星キャリヤ31、従って駆動シャフト17の回転速度よりも高く、特に効果的である。乗り手の通常のペダル操作リズムでは、この実施例でもまた、それによりペダル操作リズムよりも高い回転数で電気モータ25を作動させることが可能である。これにより、太陽歯車27、遊星歯車28、及び内歯車29の直径を適切に選択することで、所望の回転数関係が非常に柔軟に調節される。ボールベアリング12が無くなることで固定子のための場所が広くなるので、より長くてコイル7の数が多いヨーク6を設計でき、さらに効果的である。
図11は、本発明の電気モータ25の第3の実施例を示す。この実施例は、遊星歯車機構26を形成する要素の構成によって、第1及び第2の実施例と異なる。。この実施例では、第1の実施例のように、内歯車29は固定子1に固定して結合され、それによって固定子1の系に対して静止している。
太陽歯車27は、中空シャフト10に固定して結合されるか、又はこれと一体にされる。そして、中空シャフト10は、回転子13の底部14に固定して結合される。これにより、太陽歯車27は回転子13の回転数で回転する。
駆動シャフト17は、中空シャフト10の中に回転可能に取り付けられ、鎖歯車22を介して遊星キャリヤ31に結合される。遊星キャリヤ31は、ボールベアリング24によって中空シャフト10で支持される。それによって、この実施例では、第2の実施例のように遊星キャリヤ31でトルクが取り出される。
この実施例では、太陽歯車27、ゆえに回転子13の回転速度が、遊星キャリヤ31、従って駆動シャフト17の回転速度よりも高く、効果的である。乗り手の通常のペダル操作リズムでは、この実施例でもまた、それによりペダル操作リズムよりも高い回転数で電気モータ25を作動させることが可能である。これにより、太陽歯車27、遊星歯車28、及び内歯車29の直径を適切に選択することで、所望の回転数関係が非常に柔軟に調節される。
図12は、本発明の電気モータ25の第4の実施例を示す。この実施例は、遊星歯車機構26を形成する要素の構成によって、前述の実施例と異なる。。この実施例では、電気モータ25の両側に遊星歯車機構26が対称的に配置されている。また、固定子1は、プレート2と反対側に位置するカバーを有する。
この実施例では、遊星キャリヤ31は、固定子のプレート2又はカバー36に固定して結合されており、それによって固定子1の系に対して静止している。太陽歯車27は、回転子13の底部14に固定して結合されて、回転子13と同じ回転数で回転する。駆動シャフト17は、この実施例では一体に形成されておらず、両側において遊星歯車機構26のために中断されている。太陽歯車27は、それぞれの遊星歯車28の歯車リム33と噛み合い、内歯車29の中で転動する。内歯車29は、鎖歯車22に固定して結合される。
この実施例では、太陽歯車27、ゆえに回転子13の回転速度が、遊星キャリヤ31、従って駆動シャフト17の回転速度よりも高く、効果的である。乗り手の通常のペダル操作リズムでは、この実施例でもまた、それによりペダル操作リズムよりも高い回転数で電気モータ25を作動させることが可能である。これにより、太陽歯車27、遊星歯車28、及び内歯車29の直径を適切に選択することで、所望の回転数関係が非常に柔軟に調節される。
なお、当然ながらこの実施例の電気モータ25、特に遊星歯車機構26は比較的複雑であるが、対照的な設計を持ち、したがってバランスが良い。
図13は、本発明の電気モータ25の第5の実施例を示す。この実施例は、遊星歯車機構26を形成する要素の構成によって、前述の実施例と異なる。。この実施例では、内歯車29が固定子1に固定して結合されており、それによって固定子1の系に対して静止している。
太陽歯車27は、駆動シャフト17に固定して結合されるか、又はこれと一体である。駆動シャフト17は、回転子13の底部14に固定して結合されて、回転子13と同じ回転数で回転する。
鎖歯車22は、遊星キャリヤ31又は遊星歯車28の中心32に取り付けられ、これによりトルクが駆動手段(不図示)によって自転車の車輪へ伝達される。
この実施例では、遊星歯車機構は非常に単純であるがゆえに軽量かつ頑丈な構造であるという長所を有する。回転子13は、乗り手のためのペダル(不図示)を備えた図示のクランクが、駆動シャフト17に固定して結合される。したがって、この実施例の乗り手のペダル操作リズムは、回転子13の回転数に一致する。
鎖歯車22を遊星歯車28の中心32、ゆえに遊星キャリヤ31と結合することで、太陽歯車27と鎖歯車22との間で減速が生じる。これは、太陽歯車27、遊星歯車28、及び内歯車29の直径を適当に選択することで調節が可能である。
図14は、本発明の電気モータ25の第6の実施例を示す。この実施例は、遊星歯車機構26を形成する要素の構成によって、前述の実施例と異なる。。この実施例では、太陽歯車27は中空シャフト10に固定して結合されるか、又はこれと一体である。中空シャフト10自体は、回転子1のプレート2に固定して結合される。それによって、太陽歯車27は、固定子1の系に対して静止している。
回転子13は、ボールベアリング9によって中空シャフト10で支持される。回転子13の底部14は、遊星キャリヤ31に固定して結合される。
遊星歯車28は、内歯車29及び太陽歯車27と噛み合い、回転可能にして中心32で遊星キャリヤ31に支持されている。リング歯車29は、駆動シャフト17に固定して結合される。それによって、回転子13は、遊星キャリヤ31を介して遊星歯車28へ回転運動を伝達し、静止した太陽歯車27及び内歯車29と噛み合った遊星歯車28は、それにより内歯車29を介して駆動シャフト17に作用する。
鎖歯車(この図では不図示)は、例えば内歯車29の外側に取り付けられるか、又は駆動シャフト17に直接取り付けられる。
この実施例では、回転子13の回転数は、内歯車29の回転数、ゆえに乗り手のペダル操作リズムと一致するか、又は鎖歯車が遊星歯車28に取り付けられる場合には、回転子の回転数は、乗り手のペダル操作のリズムより低い。後者の場合、電気モータは特殊な用途にのみ適している。
第6の実施例の長所は、第2の実施例のように、回転子13に関して広い場所が利用でき、これにより特にコイル7を備えるヨーク6を大きく設計できることである。
図15は、図5の第3の実施形態に概ね対応する、第6の実施例による車両用の発明である電気モータの断面を概略的に表す。その違いは、駆動シャフト17が若干短く、ペダル付きクランクを受けるようにされていないことにある。この実施例では、電気モータはオートバイを駆動するのに特に適している。もちろん、例えば図12から図14などの他の実施例もまた、ペダル付きクランクを有しないオートバイでの使用に適している。
また、歯車を備える実施例について、1から38の数字による以下の説明及び特徴を用いて説明するが、対応する従属関係から生じる特徴の組合せが重要である。
1.車両用の電気モータ(25)であって、
車両フレームへの結合のための所定エリア(4)を備える固定子(1)と、
回転子(13)と、
駆動手段を受ける所定の場所と、
遊星歯車機構(26)とを有し、
電気モータ(25)が外部回転子型モータである。
2.数字1の電気モータであって、
回転子(13)が駆動シャフト(17)に配置され、駆動シャフト(17)が固定子(1)に回転可能に取り付けられる。
3.数字2の電気モータであって、
駆動シャフト(17)が中空シャフト(10)に取り付けられる。
4.数字2又は3の電気モータ(25)であって、
ペダル(20)を備えたクランク(19)が駆動シャフト(17)の両端に取り付けられる。
5.数字1から4の中の1つの電気モータ(25)であって、
駆動シャフト(17)が、回転子(13)への移行領域に自由転輪装置(33)を有する。
6.数字1から5の中の1つの電気モータ(25)であって、
遊星歯車機構(26)の遊星キャリヤ(31)が固定子(1)に固定して結合される。
7.数字6の電気モータであって、
遊星歯車機構(26)の内歯車(29)が回転子(13)に固定して結合される。
8.数字6の電気モータであって、
遊星歯車機構(26)の太陽歯車(27)が回転子(13)に固定して結合される。
9.数字1から5の中の1つの電気モータであって、
遊星歯車機構(26)の太陽歯車(27)が固定子(1)に固定して結合される。
10.数字9の電気モータであって、
遊星歯車機構(26)の内歯車(29)が回転子(13)に固定して結合される。
11.数字9の電気モータであって、
遊星歯車機構(26)の遊星キャリヤ(31)が回転子(13)に固定して結合される。
12.数字1から5の中の1つの電気モータであって、

遊星歯車機構(26)の内歯車(29)が固定子(1)に固定して結合される。
13.数字12の電気モータであって、
遊星歯車機構(26)の太陽歯車(27)が回転子(13)に固定して結合される。
14.数字12の電気モータであって、
遊星歯車機構(26)の遊星キャリヤ(31)が回転子(13)に固定して結合される。
15.数字1から14、21の中の1つの電気モータ(25)であって、
電気モータ(25)が電子整流式直流外部回転子型モータである。
16.数字1から15の中の1つの電気モータ(25)であって、
電気モータ(25)がブラシレスであり、回転子(13)が複数の永久磁石(16)を有する。
17.数字1から16の中の1つの電気モータ(25)であって、
駆動手段を受ける所定の場所が鎖歯車(22)である。
18.数字1から16の中の1つの電気モータ(25)であって、
駆動手段を受ける所定の場所が歯付きベルトディスクである。
19.数字1から16の中の1つの電気モータ(25)であって、
駆動手段を受ける所定の場所がカルダン小歯車である。
20.数字17から19の中の1つの電気モータ(25)であって、
駆動手段を受ける所定の場所が、駆動シャフト(17)又は遊星歯車機構(26)の領域に固定して締結される。
21.数字1から20の中の1つの電気モータ(25)であって、
回転子(13)が250mm≦D≦350mmの直径Dを有する。
22.数字1から21の中の1つの電気モータ(25)であって、
回転子(13)が30mm≦h≦60mmの高さを有する。
23.数字1から22の中の1つの電気モータ(25)を有する車両であって、
電気モータ(25)の固定子(1)が車両のフレームチューブ(3)に結合され、電気モータ(25)の鎖歯車(22)が駆動手段によって車両の車輪に連結される。
24.数字23の車両であって、
車両が自転車である。
25.数字23の車両であって、
車両がオートバイである。
26.数字23から25の中の1つの車両であって、
駆動手段がチェーンである。
27.数字23から25の中の1つの車両であって、
駆動手段が歯付きベルトである。
28.数字23から27の中の1つの車両であって、
鎖歯車(22)が駆動シャフト(17)に固定して結合される。
29.数字23から28の中の1つの車両であって、
鎖歯車(22)が遊星歯車機構(26)の遊星キャリヤ(31)に固定して結合される。
30.数字23から28の中の1つの車両であって、
鎖歯車(22)が遊星歯車機構(26)の内歯車(29)に固定して結合される。
31.数字23から28の中の1つの車両であって、
鎖歯車(22)が遊星歯車機構(26)の太陽歯車(27)に固定して結合される。
32.数字23から31の中の1つの車両であって、
電気モータ(25)が車両のフレームチューブ(3)に溶接される。
33.数字23から32の中の1つの車両であって、
電気モータ(25)が車両のフレームチューブ(3)にねじで結合される。
34.数字23から33の中の1つの車両であって、
車両が回転軸を中心として回転可能に車両に取り付けられたロッカアームを備えるホイールサスペンションを有し、ロッカアームの回転軸が回転子(13)の回転軸と概ね一致する。
35.遊星歯車機構(26)を有する外部回転子型モータである電気モータ(25)を備えた車両の作動方法であって、作動方法が、
供給電圧用の結合部(23)を有した磁界を発生させるためのコイルを備えた電気モータ(25)の固定子(1)を配置するステップと、
永久磁石が回転子(13)の回転軸に対して径方向でコイル(7)に対向して位置されるようにして、永久磁石を備えた電気モータ(25)の回転子(13)を配置するステップと、
コイル(7)を流れる電流により発生する磁界が、回転子(13)の永久磁石(16)に引力を与えることによって回転子(13)にトルクを与えるようにして、供給電圧が切り換えられるステップとを含む。
36.数字35の方法であって、
供給電圧を切り換えるのに電子整流子が使用される。
37.数字36の方法であって、
ホールセンサにより供給電圧が印加される。
38.数字36の方法であって、
コイル(7)における誘導電流の値を求めることにより供給電圧が印加される。
上述した歯車を備える実施例では、以下の参照番号が使用される。
1 固定子
2 プレート
3 フレームチューブ
4 エリア
5 ベースリング
6 ヨーク
7 コイル
8 ベアリング支持体
9 ボールベアリング
10 中空シャフト
11 溶接線
12 ボールベアリング
13 回転子
14 底部
15 縁部
16 永久磁石
17 駆動シャフト
18 矩形結合部
19 クランク
20 ペダル
21 締結要素
22 鎖歯車
23 供給源
24 ボールベアリング
25 電気モータ
26 遊星歯車
27 太陽歯車
28 遊星歯車
29 リング歯車(内歯車)
31 遊星キャリヤ
32 中心
33 歯車リム
34 ヨーク結合部(ヨーク端部)
35 回転エリア
36 カバー

Claims (15)

  1. 車両のための電気モータ(25)であって、
    車両フレームへの結合のための所定エリア(4)を備えた固定子(1)と、
    回転子(13)と、
    駆動手段を受ける所定の場所と、
    遊星歯車機構(26)とを有し、
    前記電気モータ(25)が外部回転子型モータであり、前記回転子(13)が前記固定子(1)に対して回転可能に取り付けられ、
    駆動シャフト(17)が中空シャフト(10)に取り付けられ、
    前記遊星歯車機構(26)のリング歯車(29)が前記回転子(13)に結合され、
    前記遊星歯車機構(26)の太陽歯車(27)が前記中空シャフト(10)に結合され、
    前記遊星歯車機構(26)の遊星キャリヤ(31)が前記駆動シャフト(17)に結合される、車両のための電気モータ(25)。
  2. ペダル(2)を備えるクランク(19)が前記駆動シャフト(17)の両端に取り付けられる、請求項1に記載の電気モータ(25)。
  3. 前記駆動シャフト(17)が前記回転子(13)への移行領域に自由転輪装置(33)を有する、請求項1又は2に記載の電気モータ(25)。
  4. 前記電気モータ(25)が電子整流式直流外部回転子型モータである、請求項1から3の一つに記載の電気モータ(25)。
  5. 前記電気モータ(25)がブラシレスであり、前記回転子(13)が複数の永久磁石(16)を有する、請求項1から4の一つに記載の電気モータ(25)。
  6. 前記駆動手段を受ける所定の場所が鎖歯車(22)である、請求項1から5の一つに記載の電気モータ(25)。
  7. 前記駆動手段を受ける所定の場所が歯付きベルトディスクである、請求項1から6の一つに記載の電気モータ(25)。
  8. 前記駆動手段を受ける所定の場所がカルダン小歯車である、請求項1から7の一つに記載の電気モータ(25)。
  9. 前記駆動手段を受ける所定の場所が、前記駆動シャフト(17)又は前記遊星歯車機構(26)の領域に固定して結合される、請求項1から8の一つに記載の電気モータ(25)。
  10. 請求項1から9の一つに記載の電気モータ(25)を有する車両であって、
    前記電気モータ(25)の前記固定子(1)が前記車両のフレームチューブ(3)に結合され、前記電気モータ(25)の鎖歯車(22)が前記駆動手段により前記車両の車輪に連結される車両。
  11. 前記回転子(13)が250mm≦D≦350mmの直径Dを有し、前記回転子(13)が30mm≦h≦60mmの高さを有する、請求項11に記載の車両。
  12. 前記駆動手段がチェーンである、請求項10又は11に記載の車両。
  13. 前記駆動手段が歯付きベルトである、請求項10から12の一つに記載の車両。
  14. 前記電気モータ(25)が、前記車両のフレームチューブ(3)にねじで締結されるか又は溶接される、請求項10から13の一つに記載の車両。
  15. 前記車両が、回転軸を中心として回転可能に車両に取り付けられたロッカアームを備えるホイールサスペンションを有し、前記ロッカアームの前記回転軸が前記回転子(13)の回転軸と概ね一致する、請求項10から14の一つに記載の車両。
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