JP2021533725A - ２つの電動機を用いるギヤなし電力変換システム - Google Patents

Abstract

人力変換システムは、エネルギー変換を通して車両の電力供給を支援するために、複数の電動機を組み込む。第１電動機は人力入力と結合され、人力入力が電力を生成するために十分でない時に発電機として作用し、電力は第２電動機に提供され、第２電動機は車両を進める。車両は自転車であってもよく、第１電動機はクランクに結合されてもよい。共通のロータ又はステータを備えた第１及び第２電動機を含む２つが結合した電動機が用いられ、クランク及び／又は駆動車輪に結合されてもよい。第１電動機によって生成された電力は、第２電動機に直接提供されてもよく、又は電池内に保存され、車両を進めるため若しくは他の電気部品に電力供給するために使用されてもよい。【選択図】図３

Description

[0001] 本出願は、２０１９年７月３１日に出願し、２つの電動機を用いるギヤなし電力変換システムという名称の米国仮特許出願第６２／７１２，６６８号の利益を主張し、その全体が本明細書に参照として組み込まれる。

[0002] 本発明は、複数の電動機を用いるギヤなし電動自転車システムに関する。

[0003] プラネタリギヤ装置と一緒に結合された２つの電動機は、原動機及び電池又は他のエネルギー貯蔵装置などの２つの入力をハイブリッド化する連続した変動比率を提供するために一緒に使用することができることが、当技術分野で公知である。ハイブリッド車の駆動装置は周知であり、システム全体の効率が増加し、それによって燃料消費が低減し、排気量が下がり、及び／又は他の方法で性能を増加させるために、これらの２つの電動機及びプラネタリギヤ装置を電池及び内燃機関と組み合わせることで商業的に成功している。同じ理解でプラネタリギヤ装置を含む同様のシステムが、自転車の駆動装置のために提案されて特許を取られているが、システムは、重量、効率により敏感であり、恐らく価格にもより敏感であることに起因して、商業的に成功していない。

[0004] プラネタリギヤ又はギヤ装置は、本明細書ではエピサイクリックギヤ又はギヤ装置とも呼ばれ、一方のギヤの中心が他方の中心の周りを回転するように装着された２つのギヤを含む。キャリアは、２つのギヤの中心を連結し、プラネットギヤと呼ばれる一方のギヤをサンギヤと呼ばれる他方の周りを旋回させる。プラネットギヤ及びサンギヤは、それらのピッチ円がスリップすることなく回転するように噛み合ってもよい。プラネットギヤのピッチ円上の点は、エピサイクロイド曲線を追跡する。これを単純化した場合、サンギヤは固定され、プラネタリギヤはサンギヤの周りを回転する。

[0005] プラネタリギヤ装置を含む全てのギヤ装置は、実質的に寄生的でトルクが誘発した損失を有し、概してノイズも出す。商業的に成功した電動自転車では、チェーン及びスプロケットの標準セットは、典型的には自転車を駆動するために人力入力を連動させるために使用される。電気駆動装置が追加される場合、電気駆動装置は、既存の歯車列を交換するより、むしろ追加システムを生成する。ギヤ装置がトルクを増加させるために電気モータ用に使用される場合、電気モータとそのギヤは、ギヤ装置からの寄生損失、ノイズ、及びペダルを漕ぐ抗力を作成するモータ内のコアロスを回避するように、電力を出力しない時は係脱される。これは、概して制動エネルギーの再生が行われないことを意味する。

[0006] 別法として、ダイレクトドライブモータが使用される。これらのシステムは、概して制動エネルギーを再生させる。ダイレクトドライブの選択肢は、概してより重く、より高額であり、しかもモータ内の著しいコアロスに起因して、ペダルを漕ぐ作業に大きな抗力をもたらす。

[0007] 確認のため、利用可能な電動自転車には、標準自転車の既存の重量、費用、複雑性、及び維持管理に、モータ、駆動装置並びに電池の電気的及び機械的複雑性、重量、費用、及び維持管理が加わる。加えて電力及び人力を組み合わせると、典型的には自転車として及びアシスト自転車の両方として自転車の作動に複雑性が若干加わる。これらの欠点があっても、電動自転車は世界的に非常に人気のある選択肢になっている。

[0008] 本発明は、乗り手による所望の比率及び入力レベルを提供するために、並んで作用する第１及び第２電動機を含むギヤなし電動自転車システムを対象とする。本発明のギヤなし自転車／電動自転車システムは、機械的及び電気的の両方の複雑性を排除する。加えてギヤなし電動自転車システムは、運転中に標準自転車のギヤ装置の費用、重量及び維持管理を低減する一方で、継続的に電気的変動比率を提供し、再生し、必要な時に電池から電力を上昇させる。搭載の電気必需品のための内在的発生及び人力入力の正確な測定などの他の望ましい特徴は、追加費用なしに提供される。本発明は、これらの特徴にギヤなしの、軽く、有効な、経済的デバイスを提供する。

[0009] まずプラネタリギヤ、又はギヤはそもそも、電動機などの原動力と内燃機関若しくはペダルの力を組み合わせるために、複数の電動機を使用するためのものではないことが示されている。本発明は、いかなるギヤも用いる必要がない。自転車の用途では、チェーン又はベルトは、ペダル又はクランクから後輪などの駆動車輪に電力を伝達するために使用されてもよい。駆動車輪は、更に一部のリカンベント自転車のように前輪であってもよいことに留意されたい。

[0010] 次に本発明は、ギヤ装置を削減する必要がなく、それによってギヤ装置の損失、重量、ノイズ及び費用を排除する必要がないように、必要なトルクで十分なトルク密度及び有効性を備えるモータを開示する。本発明のギヤなし電動自転車システムは、高い会話効率を提供すること、且つ制動エネルギーを回復できることの両方により、標準の純機械的自転車の駆動の効率より高い可能性があるシステム効率を提供する。述べたように、この同じシステムは、より典型的には自転車ハブ又はリム発電機によって提供されたような電力を提供し、乗り手の出力についての完全な情報を提供し、追加の費用又は重量のどちらもなしに高額のトルク測定デバイスに取って代わる。

[0011] 本発明は、ギヤなし自転車及び又は電動自転車の駆動装置を対象とする。本発明は、有効な無段比率調整を提供するために並んで作用する、第１及び第２又はそれ以上の電動機を含む。

[0012] 本発明の第１例として、自転車の駆動装置の第１構成が図２に記載されている。後輪ハブ内に配置された第１電動機は、典型的にはチェーン又はベルトによりペダルクランクに結合されたステータを備えて構成される。ロータは後輪に結合される。第２電動機も後ハブに結合され、ロータが後輪と共に回転し、ステータが自転車フレームと共に静止するように、自転車フレームと後輪との間に構成される。乗り手のトルク及びケイデンスが十分である場合、第１電動機のロータ及びステータは、ロータ及びステータが単一部品であるかのように基本的に一緒に回転し、第２電動機は自由に回転する。

[0013] 丘を登るなど、より多くのトルクが必要な場合、制御装置は、乗り手の所望のケイデンス及びトルクを維持するために、第１電動機をそのロータとステータとの間でスリップさせることができる。このスリップにより電力が発生し、電力は第２電動機に供給され、第２電動機は必要な追加のトルクを加える。

[0014] 丘を下るなど、クランク又はペダルを漕ぐケイデンスの乗り手の入力の毎分回転数（ＲＰＭ）が不十分である場合、電力は第２電動機から吸収され、第１電動機に供給される。これによりＲＰＭが乗り手のＲＰＭに追加されるので、乗り手は同じ所望のケイデンスを維持し、所望の自転車の速度は維持される。このようにして、一定範囲又は連続した無段変速比が維持される。制動時に、第２電動機はエネルギーを吸収し、エネルギーを電池に保存し、自転車を進める支援をするため、及び／又は所望の時に照明などの他の使用のためにエネルギーを提供して戻してもよい。

[0015] 第２例では、図３に示されるように、第１及び第２電動機の両方が底部ブラケット内に配置される。第１電動機は、直接結合されたロータを備えて構成され、又はペダルクランク・アセンブリに接続される。ステータは、典型的にはチェーン又はベルトにより後輪に結合される。第２電動機は、どちらの電動機のステータも一緒に回転し、後輪を駆動させるチェーン又はベルトに結合されるように、自転車フレームと第１電動機のステータとの間に構成される。乗り手のトルク入力及びケイデンスが十分である場合、第１電動機のロータ及びステータは、ロータ及びステータが単一部品であるかのように基本的に一緒に回転し、第２電動機は自由に回転する。丘を登るなど、より多くのトルクが必要な場合、制御装置は、乗り手の所望のケイデンス及びトルクを維持するために、第１電動機をそのロータとステータとの間でスリップさせることができる。このスリップにより電力が発生し、電力は第２電動機に供給され、第２電動機は必要な追加のトルクを加える。丘を下るなど、乗り手の入力のＲＰＭ又はペダルを漕ぐケイデンスが不十分である場合、電力は第２電動機から吸収され、第１電動機に供給される。これによりＲＰＭが乗り手のＲＰＭケイデンスに追加されるので、乗り手は同じ所望のケイデンスを維持し、所望の自転車の速度は維持される。このようにして、一定範囲又は連続した無段変速比は維持される。制動時に、第２電動機はエネルギーを吸収し、エネルギーを電池に保存し、自転車を進める支援をするため、又は所望の時に照明などの他の使用のためにエネルギーを提供して戻してもよい。

[0016] 第３例では、図４に示されるように、第１電動機は底部ブラケットに結合され、第２電動機は後輪ハブ内に配置される。第１電動機は、ペダルクランク・アセンブリに直接結合されたロータを備えて構成される。ステータは、典型的にはチェーン又はベルトにより後輪に結合される。第２電動機は、後ハブ内に少なくとも一部が構成されるように後ハブに結合され、ロータが後輪と共に回転し、ステータが自転車フレームと共に静止するように、自転車フレームと後輪との間に構成される。ベルト又はチェーンは、第１電動機のステータを後ハブ内の第２電動機のロータに結合させる。乗り手のトルク及びケイデンスが十分である場合、第１電動機のロータ及びステータは、チェーン又はベルトの比に応じて一緒に回転し、第２電動機は自由に回転する。丘を登るなど、より多くのトルクが必要な場合、制御装置は、乗り手の所望のケイデンス及びトルクを維持するために、第１電動機をそのロータとステータとの間でスリップさせることができる。このスリップにより電力が発生し、電力は第２電動機に供給され、第２電動機は必要な追加のトルクを加える。丘を下るなど、乗り手の入力のＲＰＭ又はペダルを漕ぐケイデンスが不十分である場合、電力は第２電動機から吸収され、第１電動機に供給される。これによりＲＰＭが乗り手のＲＰＭ（ケイデンス）に追加されるので、乗り手は同じ所望のケイデンスを維持し、所望の自転車の速度は維持される。このようにして、一定範囲又は連続した無段変速比は維持される。制動時に、第２電動機はエネルギーを吸収して消散し、又はエネルギーは電池に保存され、支援をするため、又は所望の時に照明などの他の使用のためにエネルギーを提供して戻してもよい。

[0017] 第４例として、図５に示されるように、第１電動機は底部ブラケットと結合される。第１電動機はペダルクランクに結合されたロータを備えて構成され、ステータは典型的にはチェーン又はベルトにより後輪に結合される。第２電動機は前輪、又はフロントフォークと前輪との間などの乗り手の入力でない車輪と結合される。第２電動機のステータはフォークに結合され、ロータは前輪に結合される。乗り手のトルク及びケイデンスが十分である場合、第１電動機のロータ及びステータは、ロータ及びステータが単一部品であるかのように基本的に一緒に回転し、第２電動機は自由に回転する。丘を登るなど、より多くのトルクが必要な場合、制御装置は、乗り手の所望のケイデンス及びトルクを維持するために、第１電動機をそのロータとステータとの間でスリップさせることができる。このスリップにより電力が発生し、電力は電力線を通して第２電動機に供給され、第２電動機は必要な追加のトルクを加える。丘を下るなど、乗り手の入力のＲＰＭ又はペダルを漕ぐケイデンスが不十分である場合、電力は第２電動機から吸収され、第１電動機に供給される。これによりＲＰＭが乗り手のペダルを漕ぐケイデンスに追加されるので、乗り手は同じ所望のケイデンスを維持し、所望の自転車の速度は維持される。このようにして、一定範囲又は連続した無段変速比は維持される。制動時に、第２電動機はエネルギーを吸収し、エネルギーを電池に保存し、支援をするため、又は所望の時に照明などの他の使用のためにエネルギーを提供して戻してもよい。

[0018] 第５例では、図６に示されるように、第１電動機は後輪又は駆動車輪に結合される。第１電動機は、典型的にはチェーン又はベルトによりペダルクランクに結合されたロータを備えて構成される。ステータは後輪に直接結合される。第２電動機は、フロントフォークと前輪との間に構成されるように、前輪に結合される。第２電動機のステータはフォークに結合され、ロータは前輪に結合される。乗り手のトルク及びケイデンスが十分である場合、第１電動機のロータ及びステータは、ロータ及びステータが単一部品であるかのように基本的に一緒に回転し、第２電動機は自由に回転する。丘を登るなど、より多くのトルクが必要な場合、制御装置は、乗り手の所望のケイデンス及びトルクを維持するために、第１電動機をそのロータとステータとの間でスリップさせることができる。このスリップにより電力が発生し、電力は第２電動機に供給され、第２電動機は必要な追加のトルクを加える。丘を下るなど、乗り手の入力のＲＰＭ又はペダルを漕ぐケイデンスが不十分である場合、電力は第２電動機から吸収され、第１電動機に供給される。これによりＲＰＭが乗り手のＲＰＭケイデンスに追加されるので、乗り手は同じ所望のケイデンスを維持し、所望の自転車の速度は維持される。このようにして、一定範囲又は連続した無段変速比は維持される。制動時に、第２電動機はエネルギーを吸収し、エネルギーを電池に保存し、支援をするため、又は所望の時に照明などの他の使用のためにエネルギーを提供して戻してもよい。

[0019] 第６例では、図７に示されるように、第１電動機は底部ブラケット内に配置され、ペダルクランクに直接結合されたロータを備えて構成される。第１電動機のステータは、典型的にはチェーン又はベルトにより後輪に結合される。第２電動機は、後ハブに結合され、ロータが後輪と共に回転し、ステータが自転車フレームと共に静止するように、自転車フレームと後輪との間に構成される。ベルト又はチェーンは、第１電動機のステータを後ハブ内の第２電動機のロータに結合させる。第３電動機は、フロントフォークと前輪との間で前輪に結合される。第３電動機のステータはフォークに結合され、ロータは前輪に結合される。乗り手のトルク及びケイデンスが十分である場合、第１電動機のロータ及びステータは、ロータ及びステータが単一部品であるかのように基本的に一緒に回転し、第２及び第３電動機は自由に回転する。丘を登るなど、より多くのトルクが必要な場合、制御装置は、乗り手の所望のケイデンス及びトルクを維持するために、第１電動機をそのロータとステータとの間でスリップさせることができる。このスリップにより電力が発生し、電力は第２及び／又は第３電動機に供給され、第２及び／又は第３電動機は必要な追加のトルクを加える。第２及び第３電動機は、最良の牽引を提供するように電力を共有してもよい。丘を下るなど、乗り手の入力のＲＰＭ又はペダルを漕ぐケイデンスが不十分である場合、電力は第２及び／又は第３電動機から吸収され、第１電動機に供給される。やはり電力は最良の牽引のためにも吸収されてもよい。これによりＲＰＭが乗り手のＲＰＭ／ケイデンスに追加されるので、乗り手は同じ所望のケイデンスを維持し、所望の自転車の速度は維持される。このようにして、一定範囲又は連続した無段変速比は維持される。制動時に、第２及び第３電動機は、どちらも牽引及び又は安全性に基づいてエネルギーを吸収してもよい。電力はエネルギーを電池に保存し、支援をするため、又は所望の時に照明などの他の使用のためにエネルギーを戻して提供する。

[0020] あらゆるこれらの記載された例は、乗り手を支援するために充電された電池から保存されたエネルギーを利用してもよい。追加として、システムが人力入力のエネルギーのみで使用される場合に電池は必要ない。別法として、乗り手が入力するエネルギーのみが使用されるように小型電池のみが構成されてもよいが、エネルギーは制動から保存されてもよい。小型電池は、これに限定されないが、照明、スピーカ、デバイス用の充電ポート、センサ、又は自転車乗車に関する測量を測定して表示する計測器を含む、補助電気部品用の典型的な自転車の電力需要に十分であり得る。

[0021] 上記のあらゆる構成において、多極電動機は１つのみが記載されているところに使用されてもよい。これは、例えば第１電動機について記載されているが、複数の乗り手が存在し、各乗り手が「第１」電動機を有するところでもよい。同様に、３つ以上の車輪、例えば３つ又は４つの車輪の車両が存在してもよい。各電動機は、製造、効率、又は包装／構成などの他の利点のために複数の電動機から構成されてもよい。

[0022] 本明細書に記載されたようなある型の車両の自転車は、位置合わせした２つの車輪を有する２輪自転車であってもよいが、タンデム自転車及び又は３つ以上の車輪を有する自転車、或いは３つ若しくは４つの車輪を有することがあるリカンベント自転車、又は複数の車輪を有し、人力入力における複数の人の自転車などのあらゆる人力自転車であってもよい。自転車は、本明細書で使用する場合、少なくとも１つの車輪を有し、自転車の乗り手がペダルを漕ぐクランクなどの人力入力により少なくとも一部が駆動される。

[0023] このギヤなしの複数の電動機システムは、内燃機関及び／又は電池駆動、並びにハイブリッド車両若しくはあらゆる他の電気入力に適合するような同種のものを有する車両に適合して共に使用されてもよい。

[0024] 本明細書に記載されたように、２つが結合した電動機は、第１電動機及び第２電動機を含む電動機であり、第１電動機及び第２電動機は電気的及び機械的にも一緒に結合され、第１及び第２電動機は、ロータ又はステータなどの電機子を共有し、それらの間にギヤ装置なしに少なくとも一部の作動の間に電力を共有する。例示的なギヤなし電動自転車システムは、少なくとも２つの電動機を含み、少なくとも２つの電動機はモータ又は発電機であることが可能であり、少なくとも一方は他方の電動機に直接又は電池などを通して間接的に電力を提供する発電機であることが可能である。例示的実施形態では、第１及び第２電動機は、２つが結合した電動機として共通のアセンブリ・ハウジング内に構成される。例示的な２つが結合した電動機の第１及び第２電動機は、ロータ又はステータなどの共通の電機子により一緒に結合される。例えば共通のロータは、第１及び第２電動機の両方の外部であってもよく、第１及び第２電動機の両方にわたって延在する単一のロータであってもよい。本明細書に記載されたように、２つが結合した電動機は、自転車の後輪などの車輪内に配置されても、又は底部ブラケット内部若しくは非駆動車輪内部の中で若しくは少なくとも部分的にクランクと結合されてもよい。

[0025] 例示的実施形態では、第１電動機アセンブリ・ハウジングは後輪に結合され、第１電動機は、クランクと共にチェーンを通して第１電動機の内部に結合される。第１及び第２電動機が後輪に結合される時、電動機の外部は、これにより後輪への取付がより容易になるので、好ましくはロータである。しかしロータは電動機の外部又は内部であってもよい。単一の固定したギヤ比は、チェーンリング及び入力部をチェーン又はベルトを通して第１電動機にリンクさせる。この単一の固定したギヤ比は、用途及び使用者の好みに基づいて選択されてもよい。クランクとクランク結合器との間の固定したギヤ比は、典型的にはフィクシすなわち固定したギヤの自転車の乗り手が選択するはずである比であるはずである。例えばロードサイクリングの乗り手は、トルクをあまり必要としないので、クランクからクランク結合器までのギヤ比を約３：１以上から選択することがある。別の例では、マウンテンバイクの乗り手は、後輪のトルクが必要であるため、クランクと後輪との間が２：１以下のより高いギヤ比を選択することがある。

[0026] 例示的実施形態では、自転車は、後輪に結合される２つが結合した電動機を含む。２つが結合した電動機は、単一のアセンブリ・ハウジングを有してもよく、第１及び第２電動機は、共通のアセンブリ・ハウジング内にあり、又は共通のアセンブリ・ハウジングを共有する。第１及び第２電動機の外部、又は一部の実施形態ではステータは、一緒に回転し、後輪に結合されてもよい。第１電動機のロータは、チェーンによりペダルクランクに結合されてもよい。第１電動機のロータは、乗り手の入力が所望のペダルのＲＰＭケイデンスを維持するのに十分でない時にスリップしてもよい。ロータは後輪又はステータに対してスリップして電力を発生し、電力は第２電動機に送達されて、自転車の速度を増すために後輪上にトルクを生成する。

[0027] 例示的実施形態では、２つが結合した電動機は、底部ブラケット内に構成され、又は直接クランクに結合され、それによって乗り手がペダルでクランクを漕ぐ時に、これは第１電動機のロータをその間にチェーンが構成されることなく回転させる。この実施形態では、第１及び／又は第２電動機の外部又はステータは、後輪などの自転車の少なくとも１つの車輪を駆動するためにチェーンに結合されてもよい。やはり第１電動機のロータも、乗り手の入力が所望のペダルのＲＰＭケイデンスを維持するために十分過ぎるほどある時にスリップしてもよい。ロータはステータに対してスリップして電力を発生し、電力は第２電動機に送達されて、自転車の速度を増すために後輪などの車輪上にトルクを生成するようにチェーン上にトルクを生成する。

[0028] 例示的なギヤなし電動自転車システムは、１つ又は複数の電動機に電力を提供するために電池を含んでもよい。電池は充電可能な電池であってもよく、１つ又は複数の電動機によって発生された電力から充電されてもよい。充電可能な電池は、第１及び／又は第２電動機に電力を保存及び／又は提供してもよい。丘を下る時、又は制動する時に、電動機は電気エネルギーを発生することがあり、電気エネルギーは充電可能な電池に保存され、この保存された電気エネルギーは、乗り手の入力が乗り手の所望の電力レベルより低い時に使用されてもよい。自転車の制動制御装置は制御システムに結合されてもよく、乗り手が制動装置を作動する時に、１つ又は複数の電動機は、車輪の回転速度を遅くするために車輪の１つの回転への抵抗を増加させてもよい。電動機は、車輪に制動力を加えるために発電機として作用するはずであり、電力を発生するはずであり、電力は後で使用するために電池に保存することができる。別法として、モータは、電池が完全に又はほぼ完全に充電されているので、電池が追加の電力を受容できない時に制動のために電力を消散するための抵抗器として使用してもよい。又はモータ／発電機が、電力が必要な時に受容できない場合、抵抗器は、必要な電力を消散するために用いてもよい。これらの電力消散の概念及び制御方法は、David Calleyらによる米国特許第６，７０３，７１８号、及びDavid Calleyによる国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０１０１９１６号に記載されており、どちらもその全体が本明細書に参照として組み込まれる。

[0029] 例示的なギヤなし電動自転車システムの例示的な電池は、照明などの補助構成要素又はデバイス、これに限定されないが、航法システム、ユーザインタフェース、ユーザ出力表示装置、速度及び距離表示装置、音響システム、コンピュータ、タブレット・コンピュータ、及び携帯電話、並びに同種のものなどのコンピューティング装置を含む、コンピューティング並びに表示システムに電力供給するために使用されてもよい。

[0030] 本発明の電動機は、ロータ及びステータを含み、電気モータ又は発電機のいずれかとして作用する。ロータは、電動機の外部であり、ステータの周りを回転してもよい。電動機の外部は、半径方向外側に、又は内部から離れて構成される。別の実施形態では、外部はステータであり、ロータはステータから半径方向内方に構成され、ステータ内で回転する。例示的実施形態では、電動機は、David Calleyらによる米国特許第６，９２４，５７９号、米国特許第６，６６６，７０４号、第７，８００，２７５号、米国特許第７，８６３，７９７号、第７，８６８，５１１号、米国特許第７，８７６，０１９号、米国特許第７，９７３，４４６号、米国特許第７，９８８，０８４号、米国特許第７，８５１，９６５号、米国特許第７，８６８，５０８号、米国特許第７，９２３，８８６号、米国特許第７，９９４，６７８号、米国特許第８，００８，８２１号、米国特許第８，０３０，８１９号、米国特許第８，１９３，６７９号、米国特許第８，２４２，６５８号、米国特許第８，２２２，７８６号、米国特許第８，７６０，０２３号、米国特許第８，０５３，９４４号、米国特許第８，４１５，８４８号、米国特許第８，４０５，２７５号、米国特許第８，７４９，１０８号、米国特許第８，８３６，１９６号、米国特許第８，８５４，１７１号、及び米国特許第８，９５２，５９０号に記載されたように、横方向磁束電動機であり、それぞれはその全体が本明細書に参照として組み込まれる。例示的実施形態では、電動機は、David Calleyによる米国特許第９，６８０，３３９号に記載されたように、横方向磁束であり、その全体が本明細書に参照として組み込まれる。

[0031] 例示的なギヤなし電動自転車システムはクラッチを含み、クラッチは、１方向のみに回転できるワンウェイクラッチであってもよい。

[0032] 例示的なギヤなし電動自転車システムは制御システムを含み、制御システムはユーザインタフェースを含む。乗り手は、ユーザインタフェースを通して入力レベルを制御システムに入力してもよい。制御システムは、毎分回転数、ケイデンス、トルク、電力及び同種のものなどの電動機の状態を監視してもよい。これらの測定基準は、ユーザに表示画面上に提供されてもよい。例えば乗り手は、所望の毎分回転数（ＲＰＭ）６０を入力してもよく、表示装置は、クランクの実際の毎分回転数、又はユーザがクランクに提供しているトルク入力若しくは電力入力を提供してもよい。例示的実施形態では、少なくとも１つの電動機は、底部ブラケットを備えて構成される、又はクランクとクランク結合器との間にチェーンを備えて車輪上に構成されるようにクランクと結合され、従ってユーザ入力についてのフィードバック測定基準を提供する。例示的なギヤなし電動自転車システムは、トルク、速度、及び電力などの乗り手の出力についての完全な情報を提供し、これらは運動に対する有益な情報であることがある。

[0033] 例示的なギヤなし電動自転車システムは、自転車などの車両を駆動するために独自の方法を提供する。本発明の一次タスクは、自転車用の有効な無段変速機であることである。例示的なギヤなし電動自転車システムの二次タスクは、保存装置を除いて何も追加することなく保存したエネルギーを追加することである。正味のシステム効率は、標準のチェーン、ディレイラ、及びスプロケット・トランスミッションとほぼ等しくあるべきであり、ペダルの力を後輪などの駆動車輪に結合する手段を除いた全てのギヤ装置は排除される。本発明の例示的なギヤなし電動自転車システムは、ギヤなどの部品をほとんど持たない。

[0034] ギヤ装置の排除により、いくつかの利点が可能になる。まず初めに、システム効率は、破壊エネルギーが有効に回復できるので、標準の自転車チェーン及びスプロケット駆動装置の一部の効率に一致し、又は超えることがある。システムは、あまり複雑ではなく、ギヤ装置の複合した損失がないと共に、ギヤ装置によって発生するノイズもなく、ギヤ装置の維持管理も不要である。

[0035] 本発明の例示的電力変換システムは、駆動車輪及び非駆動車輪を有する車両上に構成されてもよい。システムは、１つ又は複数の非駆動車輪上に速度センサを更に含んでもよく、測定した速度は、例示的なギヤなし電気モータシステムにより駆動した車輪の速度を制御するために使用されてもよい。駆動車輪は、破壊中、加速中、又は駆動車輪をスリップさせることがある緩んだ地形上の時などに、スリップを回避するために非駆動車輪と実質的に同じ速度で駆動されてもよい。舗装道路上では、駆動車輪及び非駆動車輪の速度は、互いに約３％〜約８％内に実質的に同期し、未舗装道路などの緩んだ地形上、及び土又は砂利上では、駆動車輪及び非駆動車輪の速度は、制御システムにより、及び一体型センサ及び／又は非駆動車輪上の速度センサからの入力で、約１２〜１８％内に実質的に同期してもよい。実質的に同期する速度は、互いに２０％以内である駆動及び非駆動車輪の速度を含み、速度は、駆動及び非駆動車輪が異なる直径を有することがあるので、接線速度とも呼ばれる接触表面又は地面に対する速度である。加えて、フィールド指向制御アルゴリズムを含むアルゴリズムなどの一体型センサ又は速度センサは、電動機と結合されてもよく、電動機のパラメータを測定又は検出してもよい。一体型センサは、トルク、速度、ｄ及びｑベクトルを決定するために、モータ内の電流及びフィールドの関係を追跡し続けるように、電流ｌベクトル及び電流ｑベクトルを利用してもよい。これらのパラメータは、電力変換システム１１の１つの電動機を制御するために使用されてもよい。

[0036] 例示的実施形態では、電力変換システムは、第１電動機と第２電動機との間に構成されたプラネタリギヤ装置を持つのではなく、電動自転車上のクランクに対する毎分回転数などのトルク入力の必要な速度を変えるために、クランクをペダルで漕ぐなどのトルク入力と第１電動機との間にギヤ装置を有する。例示的実施形態では、プラネタリギヤ装置は、底部ブラケットと、又は駆動車輪の車軸と結合されるなど、クランクと第１電動機との間に提供され、車輪は、本明細書に記載されたようにチェーン又はベルトなどにより、トルク入力によって駆動される。

[0037] 本発明の概要は、本発明の一部の実施形態への概略紹介として提供され、限定を意図するものではない。本発明の変形及び代替構成を含む追加の例示的実施形態は、本明細書に提供される。

[0038] 添付図面は、本発明の更なる理解を提供するために含まれ、本明細書の一部に組み込まれて一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、記載と共に本発明の原理を説明する役目を果たす。

２つの電動機を含む、例示的電動自転車システムの断面図を示す。 後輪に結合された２つの電動機及び電気エネルギーを保存するための充電可能な電池を含む、例示的電動自転車システムを示す。 クランクに結合された２つの電動機及び電気エネルギーを保存するための充電可能な電池を含む、例示的電動自転車システムを示す。 後輪に結合された第２電動機及びクランクに結合された第１電動機を備えた２つの電動機を含む、例示的電動自転車システムを示す。 クランクに結合された第１電動機及び前輪に結合された第２電動機を備えた２つの電動機を含む、例示的電動自転車システムを示す。 後輪に結合された第１電動機及び前輪に結合された第２電動機を備えた２つの電動機を含む、例示的電動自転車システムを示す。 底部ブラケットに結合された第１電動機、後輪に結合された第２電動機、及び前輪に結合された第３電動機を備えた３つの電動機を含む、例示的電動自転車システムを示す。 第１機械とトルク入力部、クランクとの間にプラネタリギヤ装置を有する、例示的第１機械の斜視図を示す。 第１機械とトルク入力部、クランクとの間にプラネタリギヤ装置を有する、例示的第１機械の斜視断面図を示す。

[0048] 対応する参照文字は、図面のいくつかの表示全体を通して対応する部分を示す。図面は本発明の一部の実施形態の例示を表し、いかなる方法でも本発明の範囲を限定すると解釈するべきではない。更に図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、一部の特徴は特定の構成要素の詳細を示すために誇張されていることがある。従って本明細書に開示された特定の構造及び機能の詳細は、限定として解釈されるべきではなく、本発明を様々に利用するために当業者に教示するための代表的根拠に過ぎないと解釈するべきである。

[0049] 本明細書で使用する場合、用語「comprises（含む）」、「comprising（含む）」、「includes（含む）」、「including（含む）」、「has（有する）」、「having（有する）」又はそれらのあらゆる他の変形は、非排他的包含を網羅することを意図する。例えば要素の一覧を含む工程、方法、製品、又は装置は、必ずしもそれらの要素のみに限定されるのではなく、明確に一覧にされていない、又はこのようなプロセス、方法、製品、若しくは装置に固有の他の要素を含んでもよい。「a」又は「an」の使用も、本明細書に記載された要素及び構成要素を記載するために用いられる。これは、便宜上、及び本発明の範囲の一般的な意味を与えるために行うに過ぎない。この記載は、１つ又は少なくとも１つを含むと読むべきであり、単数は、そうではないことを意味することが明らかでない限り複数も含む。

[0050] 本発明のある特定の例示的実施形態が本明細書に記載されており、添付図面に例示されている。記載された実施形態は、本発明を例示するために過ぎず、本発明の範囲を限定すると解釈するべきではない。本発明の他の実施形態、並びに記載された実施形態のある特定の修正、組合せ、及び改善が当業者に明らかになり、全てのこのような代替実施形態、組合せ、修正、改善は本発明の範囲内である。

[0051] 定義
[0052] 自転車は、本明細書で使用する場合、一輪車若しくは二輪車などの１つ又は複数の車輪、回転するクランク若しくは往復運動する機構に取り付けたペダルなどの人力入力を有するあらゆる人力車両を指し、少なくとも１つの車輪は、人力入力によって、典型的にはベルト又はチェーンによって駆動される。自転車は、本明細書に記載の場合、位置合わせした２つの車輪を有する二輪自転車であってもよいが、３つ以上の車輪を有するタンデム自転車、又は３つ若しくは４つの車輪を有してもよいリカンベント自転車などのあらゆる人力自転車、又は複数の車輪を有し人力入力による複数の人の自転車であってもよい。自転車は、本明細書で使用する場合、自転車の乗り手がペダルを漕ぐクランクなどの人力入力によって駆動される、少なくとも１つの車輪を有する。

[0053] チェーンは、本明細書で使用する場合、クランク結合器を回転させ、第１、場合によっては第２電動機のロータを回転させるペダルとクランクとの間の結合器を指し、結合されたチェーンリンク、ベルト又は他の適切な結合器を有する伝統的なチェーンであってもよい。

[0054] クランク結合器は、本明細書で使用する場合、クランクと駆動車輪との間の結合構成要素であり、駆動車輪に結合されたチェーン、ベルト及び／又はギヤを含んでもよい。

[0055] ２つが結合した電動機は、本明細書で定義されたように、電気的及び機械的にも一緒に結合される第１電動機及び第２電動機を含む電動機であり、第１及び第２電動機は、ロータ又はステータなどの電機子を共有し、それらの間にギヤ装置なしに作動中の少なくとも一部で電力を共有する。

[0056] ギヤなし電動機アセンブリは、２つ以上の電動機のアセンブリであり、電動機又はどちらかの電動機の出力の間にプラネタリギヤ装置なしに、電動機の間に電力が伝達される。２つの電動機は、一緒に機械的に結合された２つが結合した電動機であってもよく、又は電気的に接続されるが、１つは底部ブラケット上に配置され、１つは駆動車輪上に配置されるなど、同じ場所に配置されなくてもよい。

[0057] ギヤなし電動自転車は、本明細書で使用する場合、２つの電動機の間にギヤ装置なしに１つ又は複数の電動機によって駆動される自転車である。

[0058] 人力入力は、本明細書で使用する場合、車両を進めるために人力入力を受けるように構成されたあらゆる機械デバイスを指し、回転するが、往復運動するペダル又は手で電力供給するように構成されたペダルも含む、クランクに取り付けられたペダルを含む。人力入力は、車椅子の場合など、車輪に直接力を加えてもよい。

[0059] 乗り手の入力ではない車輪は、本明細書で使用する場合、車輪又はクランクに結合されたチェーンと結合されたペダルなどを通して、乗り手から直接いかなる機械的電気入力も受けない車輪である。従来の自転車では、乗り手はペダルを漕ぎ、これは後輪と機械的に結合されたチェーンを回転させ、後輪にトルクを提供する。従来の自転車の前輪は、乗り手の入力ではない車輪及びフリーホイールだが、制動装置を有することがある。

[0060] 車輪又はクランクに結合された電動機を記載するための用語「結合された」は、本明細書で使用する場合、電動機が車輪又はクランクに物理的に結合されることを意味し、電動機の一部は車輪又はクランクと共に回転する。電動機が車輪に結合されている時に、電動機の一部は車輪のハブ内に構成されてもよく、電動機がクランクに結合されている時に、電動機の一部は底部ブラケット内に構成されてもよい。

[0061] 自転車の補助電気部品は、照明、スピーカ、制御システム、表示装置、センサ、携帯電話用の充電ポート、又は他のデバイス及び同種のものを含む。補助電気部品は、２００ワット以下、又はサイクリング用途で１００ワット以下の電力需要を有してもよい。

[0062] 車両は、本明細書で使用する場合、自動車、トラック、カート、自転車、及び同種のものなどの、特に陸上で人々及び／又は品物を輸送するために使用する移動体であり、有人であっても無人であってもよい。

[0063] 図１に示されるように、例示的電動自転車システム１０は、２つが結合した電動機１８の例である、共通の外部５１により物理的に一緒に結合された２つの電動機を含む。共通の外部５１は、第１電動機４０用のロータ４２及び第２電動機６０用のロータ６２であり、共通のロータ５２は第１及び第２電動機にわたって延在する。第１電動機４０は、ギヤ歯を有するギヤ３１などのクランク結合器３０によりクランクと結合される。第１電動機は、クランクに直接結合されてもよく、又はクランク（図示せず）から車輪３４上のクランク結合器３０に延在する、チェーン３８によりクランク結合器に結合されてもよい。第２電動機６０は、ハブ３２により自転車に結合される。乗り手のトルク及びケイデンスが十分である場合、第１電動機のロータ及びステータは、ロータ及びステータが単一部品であるかのように基本的に一緒に回転し、第２電動機は自由に回転する。丘を登るなど、より多くのトルクが必要な場合、制御装置は、乗り手の所望のケイデンス及びトルクを維持するために、第１電動機をそのロータとステータとの間でスリップさせることができ、電力は第２電動機を通って車輪に供給される。丘を下るなど、乗り手の入力のＲＰＭ又はペダルを漕ぐケイデンスが不十分である場合、電力は第２電動機から吸収され、第１電動機に供給される。これによりＲＰＭが乗り手のＲＰＭケイデンスに追加されるので、乗り手は同じ所望のケイデンスを維持し、所望の自転車の速度は維持される。このようにして、一定範囲又は連続した無段変速比は維持される。制動時に、第２電動機はエネルギーを吸収し、エネルギーを電池に保存し、自転車を進める支援をするため、又は補助電気部品などの他の使用のためにエネルギーを提供して戻してもよい。第１電動機４０は、示されるようにロータ４２などの外部４１、及び示されるようにステータ４４などの内部４３を有する。第１コイル４９は、第１ステータと第１ロータとの間に構成される。第２電動機６０は、示されるようにロータ６２などの外部６１、及び示されるようにステータ６４などの内部電機子部６３を有する。第２コイル６９は、第２ステータと第２ロータとの間に構成される。第１アセンブリ・ハウジング４５及び第２アセンブリ・ハウジング６５は共通のハウジング５５であり、両方の第１及び第２内部及び外部だけでなく電機子も、単一の共通のハウジング内にある。この例示的実施形態では、第１及び第２電動機は、共通の外部５１を共有し、又は共通のロータ５２を有するが、第１及び第２電動機は、共通の内部５３を共有してもよく、内部及び外部は自転車上の電動機の用途及び場所に依存して、共通のステータ又は共通のロータであってもよいことを理解されたい。共通の外部ロータを備えた、図１に示される２つが結合した電動機１８は、好ましくは本明細書に記載されたように、車輪を備えた、又はクランクへの結合器を備えたクランクを備えて構成される。図１に示される電動機は、プラネタリギヤ装置を含まない電力変換システム１１を形成する。２つが結合した電動機１８は、本明細書に記載されたように、速度、トルク及び他の特性を決定するために、電流などの電動機のパラメータを検出する一体型センサ８８を含む。

[0064] 図２に示されるように、例示的電動自転車システム１０は、車両１５上に構成され、自転車１２は、自転車フレーム１３、前輪１４、後輪１６及びクランク２０と結合されたペダル２２を有する。例示的電動自転車システム１０は、後輪１６と結合された第１電動機４０及び第２電動機６０を含む、電力変換システム１１を含む。第１及び第２電動機は、２つが結合した電動機１８として構成されてもよい。第１電動機は、クランク結合器３０と結合されてもよく、それによって、乗り手がクランク２０を回転させるためにペダル２２を漕ぐと、チェーン３８はクランク結合器及び第１電動機の外部又は内部のどちらかを回転させる。ロータ若しくはステータなどの第１電動機の内部又は外部は、乗り手が所望の入力レベルを維持するのに十分な電力を提供しない時に、所望のケイデンスを維持するようにスリップしてもよく、第１電動機は発電機として作用してもよい。別法として、丘を下るなど、乗り手のケイデンスが必要な自転車速度に十分でない時に、第２電動機は電力を吸収し、追加された電力を第１電動機に提供してもよく、車輪のＲＰＭに一致するためにＲＰＭを追加し、クランク結合器３０から車輪にトルクを通す。このようにして、乗り手の所望のケイデンスは維持される。本明細書に記載されたように、第１電動機は発電機として作用し、第２電動機に電力を提供してもよく、第２電動機は後輪を進めるためにモータとして作用してもよい。第２電動機は、ハブ３２と結合されてもよい。使用者は、ペダルを漕ぐケイデンスなどの所望の入力レベルをユーザ入力機構８２及び制御システム８０に入力してもよい。制御システムは、設定入力レベルを維持する命令を第１及び第２電動機に提供する、マイクロプロセッサ又は他の制御装置を含んでもよい。自転車の速度、電力入力レベル、距離及び同種のものなどの実際の入力レベル並びに他の測定基準は、表示装置８４上に表示されてもよい。充電可能な電池７０は、電力線７２により第１及び／又は第２電動機と結合される。充電可能な電池は、１つ若しくは複数の第１又は第２電動機から電力を保存し、追加のトルクが自転車を進めるために必要な時に、２つが結合した電動機にこの電力を提供して戻してもよい。電池は、制御システム並びに照明及び同種のものなどの電力が必要な他のシステムにも電力を提供してもよい。例示的なギヤなし電動自転車システムはクラッチ１９を含み、このクラッチは１方向のみに回転できるワンウェイクラッチであってもよい。速度センサ８６は非駆動車輪の速度を測定してもよく、車輪上に構成されてもよい。非駆動車輪の速度は、駆動車輪、又はこの例では後輪１６の速度を制御するために制御システム８０によって使用されてもよい。駆動車輪の速度は、加速中又は制動中などにスリップ条件を回避するために、本明細書に記載されたように非駆動車輪の速度と実質的に同期されてもよい。

[0065] 図３に示されるように、例示的電動自転車システム１０は、自転車フレーム１３、前輪１４、後輪１６及びクランク２０と結合されたペダル２２を有する、自転車１２上に構成される。例示的電動自転車システム１０は、クランク２０と結合された第１電動機４０及び第２電動機６０を含む。第１及び第２電動機は、２つが結合した電動機１８として構成されてもよい。第１電動機はクランク２０と結合されてもよく、それによって乗り手がクランク２０を回転させるためにペダル２２を漕ぐと、第１電動機の外部又は内部のいずれかが回転する。ロータ若しくはステータなどの第１電動機の内部又は外部は、乗り手が所望の入力レベルを維持するために十分な電力を提供しない時に、所望のケイデンスを維持するようにスリップしてもよく、第１電動機は発電機として作用してもよい。本明細書に記載されたように、第１電動機は、発電機として作用してもよく、第２電動機に電力を提供し、第２電動機は、チェーン３８にトルクを追加するためにモータとして作用してもよい。別法として丘を下るなど、乗り手のケイデンスが必要な自転車の速度に十分でない時に、第２電動機は、電力を吸収し、追加された電力を第１電動機に提供してもよく、乗り手の所望のケイデンスを維持するようにＲＰＭを追加する。使用者は、ペダルを漕ぐケイデンス又はＲＰＭなどの所望の入力レベルをユーザ入力機構８２及び制御システム８０に入力してもよい。制御システムは、設定入力レベルを維持する命令を第１及び第２電動機に提供する、マイクロプロセッサ又は他の制御装置を含んでもよい。自転車の速度、電力入力レベル、距離、及び同種のものなどの実際の入力レベル並びに他の測定基準は、表示装置８４上に表示されてもよい。充電可能な電池７０は、電力線７２により第１及び／又は第２電動機と結合される。充電可能な電池は、１つ又は複数の２つが結合した電動機から電力を保存し、追加のトルクが自転車を進めるために必要な時に、２つが結合した電動機にこの電力を提供して戻してもよい。電池は、制御システム並びに照明及び同種のものなどの電力が必要な他のシステムにも電力を提供してもよい。速度センサ８６は非駆動車輪の速度を測定してもよく、車輪上に構成されてもよい。非駆動車輪の速度は、駆動車輪、又はこの例では後輪１６の速度を制御するために制御システム８０によって使用されてもよい。駆動車輪の速度は、加速中又は制動中などにスリップ条件を回避するために、本明細書に記載されたように非駆動車輪の速度と実質的に同期されてもよい。

[0066] 図４に示されるように、例示的電動自転車システム１０は、自転車フレーム１３、前輪１４、後輪１６及びクランク２０と結合されたペダル２２を有する、自転車１２上に構成される。例示的電動自転車システム１０は、クランクに結合された第１電動機４０及び後輪に結合された第２電動機６０を備えた、２つの電動機を含む。第２電動機６０は後輪１６に結合され、第１電動機４０はクランク２０と結合され、一部が底部ブラケット内に構成されてもよい。第１電動機は、ペダルクランクに直接結合されたロータ４２、及び典型的にチェーン又はベルトにより後輪に結合されたステータ４４を備えて構成されてもよい。チェーン３８はクランク２０から後輪１６に延在し、クランク結合器３０により第２電動機６０と結合される。第２電動機は別個のステータ６４及びロータ６２を有する。ロータ若しくはステータなどの第１電動機の内部又は外部は、乗り手が所望のケイデンスを維持するために十分なトルクを提供しない時に、所望のケイデンスを維持するようにスリップしてもよく、第１電動機は発電機として作用してもよい。第１電動機からの電力は、必要なトルクを追加するために第２電動機に通ってもよい。別法として丘を下るなど、乗り手のケイデンスが必要な自転車速度に十分でない時に、第２電動機は電力を吸収し、追加された電力を第１電動機に提供し、乗り手の所望のケイデンスが維持されるようにＲＰＭを追加してもよい。乗り手は、ペダルを漕ぐケイデンス又はＲＰＭなどの所望の入力レベルをユーザ入力機構８２及び制御システム８０に入力してもよい。制御システムは、設定入力レベルを維持する命令を第１及び第２電動機に提供する、マイクロプロセッサ又は他の制御装置を含んでもよい。自転車の速度、電力入力レベル、距離、及び同種のものなどの実際の入力レベル並びに他の測定基準は、表示装置８４上に表示されてもよい。充電可能な電池７０は、電力線７２、７２’のそれぞれにより第１及び第２電動機と結合される。充電可能な電池は、１つ又は複数の電動機から電力を保存し、追加の電力が自転車を進めるために必要な時に、電動機にこの電力を提供して戻してもよい。電池は、制御システム並びに照明及び同種のものなどの電力が必要な他のシステムにも電力を提供してもよい。第１及び／又は第２電動機は、本明細書に記載されたように、２つが結合した電動機であってもよいことに留意されたい。

[0067] 図５に示されるように、例示的電動自転車システム１０は、自転車フレーム１３、前輪１４、後輪１６及びクランク２０と結合されたペダル２２を有する、自転車１２上に構成される。例示的電動自転車システム１０は、２つの電動機４０及び６０を含む。第１電動機４０はクランク２０に結合され、第２電動機６０は前輪１４と結合される。ロータ４２若しくはステータ４４などの第１電動機４０の内部又は外部は、乗り手が所望の入力レベルを維持するために十分なトルクを提供しない時に、所望のケイデンスを維持するようにスリップしてもよく、第１電動機は発電機として作用してもよい。発電機によって発生された電力は、次いで第２電動機に伝送されて第２電動機に電力供給してもよく、第２電動機は前輪にトルクを提供するためにモータとして作用する。別法として丘を下るなど、乗り手のケイデンスが必要な自転車速度に十分でない時に、第２電動機は電力を吸収し、追加された電力を第１電動機に提供し、乗り手の所望のケイデンスが維持されるようにＲＰＭを追加してもよい。使用者は、ペダルを漕ぐケイデンス又はＲＰＭなどの所望の入力レベルをユーザ入力機構８２及び制御システム８０に入力してもよい。制御システムは、設定入力レベルを維持する命令を第１及び第２電動機に提供する、マイクロプロセッサ又は他の制御装置を含んでもよい。自転車の速度、電力入力レベル、距離及び同種のものなどの実際の入力レベル並びに他の測定基準は、表示装置８４上に表示されてもよい。充電可能な電池７０は、電力線７２、７２’のそれぞれにより第１及び第２電動機と結合される。充電可能な電池は、１つ又は複数の電動機から電力を保存し、追加のトルクが自転車を進めるために必要な時に、電動機にこの電力を提供して戻してもよい。電池は、制御システム並びに照明及び同種のものなどの電力が必要な他のシステムにも電力を提供してもよい。第１及び第２電動機は、本明細書に記載されたように２つが結合した電動機であってもよい。

[0068] 図６に示されるように、例示的電動自転車システム１０は、自転車フレーム１３、前輪１４、後輪１６及びクランク２０と結合されたペダル２２を有する、自転車１２上に構成される。例示的電動自転車システム１０は、２つの電動機４０及び６０を含む。第１電動機４０は、クランク結合器３０とハブ３２との間で後輪１６に結合され、第２電動機６０は、フレーム１３のフォークとハブ３２’との間で前輪１４と結合される。ロータ４２若しくはステータ４４などの第１電動機４０の内部又は外部は、チェーン３８及びクランク結合器３０によりクランク２０と結合されてもよく、乗り手が所望の入力レベルを維持するために十分な電力を提供しない時に、所望のケイデンスを維持するようにスリップしてもよく、第１電動機は発電機として作用してもよい。第１電動機の発電機によって発生された電力は、次いで電力線７２及び７２’により第２電動機に伝送されてもよく、第２電動機は前輪にトルクを提供するためにモータとして作用する。第１電動機４０は２つが結合した電動機１８であってもよく、２つが結合した電動機の二次電動機６０’、及び／又は前輪上の第２電動機６０に電力を提供してもよいことに留意されたい。発電機として作用する時に第１電動機によって発生された電力は、１つ又は複数の第２電動機６０及び／又は６０’に送達されてもよい。別法として丘を下るなど、乗り手のケイデンスが必要な自転車速度に十分でない時に、第２電動機６０及び又は６０’は電力を吸収し、追加された電力を第１電動機に提供してもよく、乗り手の所望のケイデンスが維持されるようにＲＰＭを追加する。使用者は、ペダルを漕ぐケイデンス又はＲＰＭなどの所望の入力レベルをユーザ入力機構８２及び制御システム８０に入力してもよい。制御システムは、設定入力レベルを維持する命令を第１及び第２電動機に提供する、マイクロプロセッサ又は他の制御装置を含んでもよい。自転車の速度、電力入力レベル、距離及び同種のものなどの実際の入力レベル並びに他の測定基準は、表示装置８４上に表示されてもよい。充電可能な電池７０は、電力線７２、７２’のそれぞれにより第１電動機４０及び第２電動機６０と結合される。充電可能な電池は、１つ又は複数の電動機から電力を保存し、追加のトルクが自転車を進めるために必要な時に、電動機にこの電力を提供して戻してもよい。電池は、制御システム並びに照明及び同種のものなどの電力が必要な他のシステムにも電力を提供してもよい。第１及び第２電動機は、第１電動機４０及び第２電動機６０を含む。１対の充電可能な電池７０、７０’は、電力線７２、７２’のそれぞれにより第１及び第２電動機と結合される。充電可能な電池は、１つ又は複数の電動機から電力を保存し、追加のトルクが自転車を進めるために必要な時に、その他の電動機の１つにこの電力を提供して戻してもよい。電池は、制御システム並びに照明及び同種のものなどの電力が必要な他のシステムにも電力を提供してもよい。第１機械４０及び／又は第２機械６０は、本明細書に記載されたように２つが結合した電動機であってもよいことに留意されたい。

[0069] 図７に示されるように、例示的電動自転車システム１０は、自転車フレーム１３、前輪１４、後輪１６及びクランク２０と結合されたペダル２２を有する、自転車１２上に構成される。例示的電動自転車システム１０は、クランク又は底部ブラケットに結合された第１電動機４０、後輪に結合された第２電動機６０、及び前輪に結合された第３電動機９０を含む。第１電動機４０はクランクと結合され、底部ブラケット内に少なくとも一部が構成され、ペダルクランク及びステータに直接結合されたロータを備えて構成されてもよく、ステータは典型的にはチェーン又はベルトにより後輪１６に結合される。第２電動機６０は後輪ハブ３２と結合され、ロータ６２が後輪１６と共に回転し、ステータ６４が自転車フレーム１３と共に静止するように、自転車フレームと後輪との間に構成される。ベルト又はチェーン３８は、第１電動機４０のステータ４４を後ハブ内の第２電動機のロータ６２に結合させる。第３電動機９０は前輪に結合され、フロントフォーク２６と前輪１４との間に構成されてもよい。第３電動機のステータ９４はフォークに結合され、ロータ９２は前輪に結合される。乗り手のトルク及びケイデンスが十分である場合、第１電動機のロータ及びステータは、ロータ及びステータが単一部品であるかのように基本的に一緒に回転し、第２及び第３電動機は自由に回転する。丘を登るなど、より多くのトルクが必要な場合、制御装置は、乗り手の所望のケイデンス及びトルクを維持するために、第１電動機をそのロータ４２とステータ４４との間でスリップさせることができる。このスリップにより電力が発生し、電力は第２及び第３電動機に供給され、第２及び第３電動機は必要な追加のトルクを加える。第２及び第３電動機は、最良の牽引を提供するように電力を共有してもよい。丘を下るなど、乗り手のＲＰＭ（ケイデンス）が不十分である場合、電力は第２及び又は第３電動機から吸収され、第１電動機に供給される。やはり電力は最良のトルクのためにも吸収されてもよい。第１電動機に供給された電力は、乗り手が同じ所望のケイデンスを維持するように乗り手のＲＰＭ（ケイデンス）にＲＰＭを追加し、所望の自転車の速度は維持される。このようにして、一定範囲又は連続した無段変速比は維持される。制動時に、第２及び第３電動機は、どちらも牽引及び又は安全性に基づいてエネルギーを吸収してもよい。電力はエネルギーを電池に保存し、支援をするため、又は所望の時に照明などの他の使用のためにエネルギーを提供して戻す。クランク若しくは底部ブラケットに結合された電動機、及び／又は後輪に結合された電動機は、第１及び第２電動機を有する２つが結合した電動機１８であってもよい。使用者は、ペダルを漕ぐケイデンス又はＲＰＭなどの所望の入力レベルをユーザ入力機構８２及び制御システム８０に入力してもよい。制御システムは、設定入力レベルを維持する命令を第１及び第２２つが結合した電動機に提供する、マイクロプロセッサ又は他の制御装置を含んでもよい。自転車の速度、電力入力レベル、距離及び同種のものなどの実際の入力レベル並びに他の測定基準は、表示装置８４上に表示されてもよい。１対の充電可能な電池７０、７０’は、電力線７２、７２’のそれぞれにより第１電動機４０、６０及び第３電動機９０と電気的に結合される。充電可能な電池は、１つ又は複数の電動機から電力を保存し、追加のトルクが自転車を進めるために必要な時に、電動機にこの電力を提供して戻してもよい。電池は、制御システム並びに照明及び同種のものなどの電力が必要な他のシステムにも電力を提供してもよい。第１、第２及び／又は第３電動機は、本明細書に記載されたように２つが結合した電動機であってもよいことに留意されたい。

[0070] 次に図８及び９を参照すると、例示的なギヤなし電動自転車システム１０は、トルク入力部、すなわちペダルで漕ぐクランク２０と第１電動機４０との間にプラネタリギヤ装置を含む。図８に示されるように、４つのプラネタリギヤ１０４は、プラネタリギヤ装置１００アセンブリ内のサンギヤ１０２の周囲に構成される。図９は、トルク入力部、すなわちクランク２０と第１電動機４０との間にギヤ装置を提供するための例示的プラネタリギヤ装置１００アセンブリの内部構成を示す。第２電動機６０はプラネタリギヤ装置を含まず、第１電動機と第２電動機との間にプラネタリギヤ装置がないことに留意されたい。

[0071] 様々な修正、組合せ及び変形が、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく本発明に行うことができることが当業者には明らかになろう。本明細書に記載された特定の実施形態、特徴及び要素は、あらゆる適切な手法で修正、及び／又は組み合わされてもよい。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物の範囲内に含まれる限り、本発明の修正、組合せ及び変形を網羅することを意図する。

Claims (32)

1. 電力変換システムであって、
   第１電動機と、
   第２電動機と、を備え、
   前記第１電動機と第２電動機との間に構成されたプラネタリギヤ装置がない、ギヤなし電動機アセンブリと、
   制御装置と、を備え、
   前記電力変換システムは、入力と出力との間に変動比率を提供するように構成され、
   前記第１電動機へのトルク入力は前記出力に機械的に通り、
   比率変化に必要な電力のあらゆる差は、前記第１電動機と第２電動機との間で電気的に交換される、電力変換システム。
2. 前記第１電動機又は第２電動機のいずれかの上にプラネタリギヤ装置がない、請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記電力変換システムからエネルギーを保存する電池を更に備える、請求項１に記載の電力変換システム。
4. 前記第２電動機はステータ及びロータを有し、前記第２電動機は電力を吸収し、前記電力は前記電池に伝送される、請求項３に記載の電力変換システム。
5. 前記電池は外部源から充電を受ける、請求項３に記載の電力変換システム。
6. ワンウェイクラッチは、前記第１電動機の前記入力と出力との間に構成される、請求項１に記載の電力変換システム。
7. 前記電力変換システムは、駆動車輪及び非駆動車輪を有する車両に結合され、前記電力変換システムは、前記非駆動車輪上に構成される速度センサを更に備え、前記制御装置は、前記駆動車輪の前記速度を前記非駆動車輪の前記速度に実質的に同期させる、請求項１に記載の電力変換システム。
8. 前記電力変換システムは、第１駆動車輪及び第２駆動車輪を有する車両に結合され、前記制御装置は、前記第１駆動車輪の前記速度を前記第２駆動車輪の前記速度に実質的に同期させる、請求項１に記載の電力変換システム。
9. 前記第１電動機は、前記第１電動機へのトルク入力、電力及び前記第１電動機の速度を測定する、一体型センサを備える、請求項１に記載の電力変換システム。
10. 前記第２電動機は、前記第２電動機の電力、速度及び前記第２電動機のトルクを測定する、一体型センサを備える、請求項９に記載の電力変換システム。
11. 前記第１電動機はステータ及びロータを有し、それによって前記ステータ又はロータの一方は前記他方に対してスリップして電力を発生し、前記電力は前記第２電動機に伝送されて出力トルクを生成する、請求項１に記載の電力変換システム。
12. 前記第２電動機はステータ及びロータを有し、前記第２電動機は電力を吸収し、前記電力は前記第１電動機に伝送されて前記第１電動機にＲＰＭを追加する、請求項１に記載の電力変換システム。
13. 前記トルク入力は人力入力である、請求項１に記載の電力変換システム。
14. 自転車を更に備え、前記電力変換システムは前記自転車と結合され、前記電力変換システムは、前記自転車を進めるために前記出力を生成する、請求項１に記載の電力変換システム。
15. 前記自転車は底部ブラケットを備え、前記第１及び第２電動機は少なくとも一部が前記底部ブラケット内に構成される、請求項１４に記載の電力変換システム。
16. 前記自転車は、底部ブラケット及び駆動車輪を備え、前記第１電動機は前記底部ブラケット内に構成され、前記第２電動機は前記駆動車輪に結合される、請求項１４に記載の電力変換システム。
17. 前記自転車は駆動車輪を備え、前記第１及び第２電動機は前記駆動車輪に結合される、請求項１４に記載の電力変換システム。
18. 前記自転車は第１駆動車輪及び第２駆動車輪を備え、前記第１電動機は前記第１駆動車輪に結合され、前記第２電動機は前記第２駆動車輪に結合される、請求項１４に記載の電力変換システム。
19. 前記自転車は第１駆動車輪及び第２駆動車輪を備え、前記第１電動機は前記第１駆動車輪に結合され、前記第２電動機は前記第１駆動車輪に結合され、前記第２駆動車輪に結合される第３電動機を更に含む、請求項１４に記載の電力変換システム。
20. 前記第１及び第２電動機は横方向磁束電動機である、請求項１に記載の電力変換システム。
21. 前記第１及び第２電動機は２つが結合した電動機である、請求項２０に記載の電力変換システム。
22. 前記第１電動機への前記トルク入力は、より好ましいトルクと速度の範囲に移行するためにギヤ装置を含む、請求項１に記載の電力変換システム。
23. 前記トルク入力と前記第１電動機との間の前記ギヤ装置は、プラネタリギヤ装置を含む、請求項２２に記載の電力変換システム。
24. 電力変換システムを含む電動自転車であって、
    第１機械と、
    第２電動機と、を備え、
    前記第１電動機と第２電動機との間に構成されたプラネタリギヤ装置がない、ギヤなし電動機アセンブリと、
    制御装置と、を備え、
    前記電力変換システムは、入力と出力との間に変動比率を提供するように構成され、
    前記第１電動機へのトルク入力は前記出力に機械的に通り、比率変化に必要な電力のあらゆる差は、前記第１電動機と第２電動機との間で電気的に交換され、
    前記電力変換システムは前記自転車と結合され、前記電力変換システムは、前記自転車を進めるために前記出力を生成し、
    前記第１電動機はステータ及びロータを有し、それによって前記ステータ又はロータの一方は前記他方に対してスリップして電力を発生し、前記電力は前記第２電動機に伝送されて出力トルクを生成し、前記出力トルクは前記自転車を進める、電動自転車。
25. 前記電力変換システムからエネルギーを保存する電池を更に備える、請求項２４に記載の電動自転車。
26. 全ての車輪は、加速及び又は制動及び又はステアリング制御のための効率及び又は牽引を最大にするために、双方向のトルクで駆動される、請求項２４に記載の電動自転車。
27. 前記第１電動機及び第２電動機は、横方向磁束電動機である、請求項２４に記載の電動自転車。
28. 前記第１電動機及び第２電動機は、２つが結合した電動機である、請求項２７に記載の電動自転車。
29. 前記第１電動機及び第２電動機は、どちらも乗り手が入力する駆動車輪に結合される、請求項２８に記載の電動自転車。
30. 前記トルク入力を提供するためにクランクを更に備え、前記第１電動機又は第２電動機の少なくとも一方は、クランクと結合される、請求項２９に記載の電動自転車。
31. 前記クランクから前記第１電動機への前記トルク入力は、トルクと速度の範囲に移行するためにギヤ装置を備え、請求項３０に記載の電動自転車。
32. 前記クランクから前記第１電動機への前記トルク入力の間の前記ギヤ装置は、プラネタリギヤ装置を備え、請求項３１に記載の電動自転車。
    

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