JP4009638B2 - モータ及び電源が車輪に内蔵された電気式車両 - Google Patents

Description

関連出願
本願は、２００１年１１月２７日に出願されたピンチコフ等の同時係属米国特許出願第０９／９９３，５９６号（米国特許公開第２００３／０１９３２６４Ａ１、以下、「ピンチコフ等」という場合がある）及び２００１年１０月１日に出願されたマスロフ等の同時係属米国特許出願第０９／９９６，１０２号（米国特許公開第２００２／００８９２６７Ａ１、以下、「マスロフ等」という場合がある）に関係付けられた要旨を含んでいる。これら同時係属米国特許出願の開示内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する。

発明の分野
本発明は、電気式車両に関し、特に駆動モータ要素、制御回路及び電源が１以上の車輪に内蔵された車両に関する。

背景
上述のピンチコフ等及びマスロフ等の米国特許出願明細書は、有利には車両及び他の環境内で使用できる高効率のバッテリ式電気モータ駆動装置の開発を記載している。これら米国特許出願は、最小電力使用消費量で高トルク出力能力を維持しながら広い速度範囲にわたりスムーズな作動を達成するという課題に取り組んでいる。パルス幅、デューティーサイクルを正確に変化させることによりモータ巻線に適用されるパルス化通電及びバッテリ源の切換え利用の電子制御により、モータ特性の広範な機能的融通性及び柔軟性のある管理が可能になる。

電子要素の複雑さは大きく且つ多岐にわたる場合があるが、かかる動作を可能にする制御要素が自蔵されるモータの構造的形態の要望が認識されている。かかる形態は、モータの所与の構成要素内のモータの磁束発生構造の性能を犠牲にして作られてはならない。ピンチコフ等及びマスロフ等の米国特許出願は、ステータが複数の個々の電力モジュール及び関連のコアセグメントで形成される形態を計画しており、各モジュールは、ステータ内に組み込まれた電源により給電される電気制御及び駆動要素から成っている。かかる並列アーキテクチャは、各モジュールについて比較的別個独立に制御される機能性をもたらす。各モジュールの性能は通常の作動中又はソフトウエアで制御される大掛かりな診断ルーチンを実行することにより現場で個々に計測される。試験結果に基づいて、モジュールは自動的に再校正され、修理又は交換のために切り離され又はフラグ立てされる。独立モジュールの特性を組み合わせることにより定められる総合的なモータ性能を元のベンチマークと比較すると、最小限必要な行為を工夫するための種々の修理オプションを分析することができる。

携帯性及びサイズが重要な要因である環境、例えば、自転車、三輪車、オートバイ等では、車両モータ駆動装置は有利には、不都合を最小限に抑えた状態で部品の交換のために種々の構造的構成要素への素早い接近を可能にすべきである。小型の車両は、複雑精巧である場合のあるモータ制御装置、モータ構造体及び１以上の電源を限られた利用可能な空間内に組み込む上で別の難題を提供する。一例を挙げると、例えば上述した車両駆動装置の満足のいく作動を得るのに十分な容量を有し、他方、小型車両について空間及び重量面でのかなり厳しい要件を満足させる電源を設けなければならない。かかる電源を車両構造体の境界内に設け、しかもユーザに対し邪魔にならないようにする必要性がある。

発明の開示
本発明は、車輪コンパートメント内に収納されたモータ、コントローラ、電源及び充電器を有する電気式の車両、例えば自転車を提供することにより上述の要望を少なくとも或る程度満たす。円筒形ステータフレームが、車軸に固定され、円筒形ステータフレームの内面が電源を収容する空間を構成している。複数の電磁石ステータセグメントが、ステータフレームの外面に沿ってぐるりと分布した状態でこれに取り付けられている。円筒形ロータフレームが、軸受を介して車軸に結合されている。ロータフレームの内面は、複数の永久磁石を支持し、これら永久磁石は、ステータセグメントとの間に半径方向空隙を形成するようステータセグメントを包囲した状態でかかる内面の周りに分布して設けられている。ロータフレームの外面は、支持構造体、例えば自転車のスポークフレームを介して外面に取り付けられ又は外面に直接取り付けることができるタイヤを支持する。モータ、電源及びモータ制御回路は全て、容易に接近可能な自転車の前輪又は後輪のハブに内臓可能である。種々のロータ及びステータの構造的形態及び起電力を発生させるモータ制御方式の詳細については、上述の米国特許出願明細書を参照されたい。

電源の要件は、車両変数、例えばサイズ及び重量、並びに特定のモータ構造的形態及び所望の動作特性で決まる。電源は、複数の標準型バッテリ又は電池、例えば単１電池から成るのがよく、これらは、必要な場合、容易に入手できる電池に容易に交換できる。かかる電池の利点は、これら電池が充電可能なバッテリの場合と同様、容易に入手できることにある。接近が容易な場合、バッテリを他の充電可能なバッテリに交換して後で再使用できるよう保管できる。バッテリを車輪の外側部分に適切に接続した状態では、車輪を分解する必要無くバッテリを現場で充電できる。

本発明の別の利点は、追加のバッテリを第２の車輪内の貯蔵空間内に収容でき、車両フレームにより支持された電気ケーブルを介してこれを第１の車輪内のモータ駆動装置に結合できるということにある。両方の車輪内に共通して利用できるバッテリを設けることにより、より頑丈な車両又はマルチパッセンジャー用車両を含むよう有用な動作環境の範囲が広がる。モータの特定の設計特性に応じて、バッテリを全て適当な並列及び（又は）直列／並列形態で接続できる。

追加の特徴として、第２の車輪内のバッテリをモータ及びそのコントローラに選択的に接続できるようスイッチをケーブル回路内に組み込むのがよい。小型車両では、バッテリを全て何時でも同時に接続する必要は無い場合がある。ちょっとした使用の期間中又は第１の車輪が新品の又は新たに充電されたバッテリを収容している場合、第２の車輪のバッテリの接続をスイッチにより開くのがよく、それにより電源が節約される。より高いトルク要件、例えば過酷な上り勾配での走行の際又は追加の乗客及び（又は）重量のある負荷を運搬している場合、これらバッテリを回路中へ切り換えることができる。かくして、第２の車輪内のバッテリは、第１の車輪内のバッテリが或る使用期間後に電力不足を指示している場合、回路中へ切り換えることができる予備電源となる。

予備電源を自転車の前輪に内蔵するのがよく、この前輪は、後輪を邪魔することなく車両から容易に取り外せる。後輪の取外しは、モータ構成部品の重量の追加及び自転車のチェーンとのその相互連結に起因して厄介である。前輪バッテリは、バッテリを充電し又は交換できる遠隔地に容易に持ち運ぶことができる。新しい又は充電済み電源を備えた前輪の交換により、車両を長時間にわたって使用できるようになり、したがって後輪に対する注意をより都合のよい時期まで遅らせることができるようになる。

本発明の更に別の特徴は、モータ、コントローラ、充電器及び電源を車両の複数の車輪の各々の中に設けたことにある。この「全輪駆動」機能により、良好な牽引及びトルク分布が得られるよう車両の制御範囲を広くすることができ、しかも或るレベルの冗長性を駆動システムに付加することができる。

本発明の追加の利点は、以下の詳細な説明から当業者には容易に明らかになり、以下の詳細な説明においては、本発明を実施する最適実施形態の例示により本発明の好ましい実施形態だけが記載されている。理解されるように、本発明は、他の種々の実施形態で実施でき、その幾つかの詳細は、全て本発明から逸脱することなく種々の自明な点において改造できる。したがって、図面及び明細書の記載内容は、性質上例示として解されるべきであり、本発明を限定するものとして解釈されてはならない。

本発明は、添付の図面を構成する図に限定ではなく例示として示されており、図中、同一の参照符号は、実質的に同一の要素を示している。

発明の詳細な説明
図１は、本発明の一例を示している。自転車１０は、前輪１２及び図示していない車軸を介してフレーム１６に結合された後輪１４を有している。また、ハンドルバー１８（これらのうち１つだけが図示されている）及び座席２０がフレームに結合されている。車両の推進は、後輪に結合された標準型ペダル及びチェーン伝動装置及び後輪及び後輪内のハブ領域２２内に収納された電気モータ駆動装置により得られる。以下により詳細に説明するように、ハブは、モータ、コントローラ要素及び電源を収容している。フレーム１６に取り付けられたケーブル２４が、ハンドルバーのところでハブとスイッチ及びスロットル（図示せず）との間に接続されている。オペレータは、スイッチをオンにしてケーブル２４を介するモータ、モータコントローラ及び電源の回路を閉じることによりモータ駆動装置を作動させることができる。

図２は、ハブ２２及びその内部の構造的構成要素の分解図である。括弧記号３０により指示された要素は組み立て状態では、自転車フレーム１６と一体であり、車軸３２は、フレームに直接取り付けられる。円筒形ステータフレーム３４は、プレート３６（これらのうち１つだけが示されている）と協働してバッテリ３８が収納されるべき空間を構成する。バッテリは、充電（再充電）可能な一般に入手できる商品、例えば単１電池であるのがよい。プレート４０も又、円筒形ステータフレーム構造体の一部をなし、種々のモータ位相巻線及びバッテリ充電のためのモータコントローラ動作を可能にする種々の回路要素及び回路接続部並びにバッテリ及びケーブル２４への接続部を示している。この場合も又、適当なモータコントローラ動作の詳細な説明については、本明細書に先に引用した技術文献である上述の同時係属米国特許出願を参照されたい。１以上の基板、集積回路構成要素、印刷回路等を設けることは、当業者の通常の創作能力の範囲内にあると考えられる。プレート４０を図示することにより、本発明の要素の構造的関係が示されている。

複数の電磁石ステータセグメント４２が、ステータフレーム３４の円筒形外面に沿ってぐるりと分布してこれに取り付けられるよう位置決めされている。電磁石セグメントは、互いに強磁性的に隔離されており、動作の際、各々別個独立に制御できる。ステータフレーム３４は、非磁性材料、例えばアルミニウムで作られている。ロータフレーム４４は、永久磁石ロータ４６が取り付けられるべき円筒形内面を有している。地鉄リングが、複数の分布して配置された永久磁石を支持し、これらの永久磁石は、互いに当接関係である必要は無い。プレート４８及び軸受５０は、ロータ組立体の一部である。

図３及び図４は、外側プレート４８内のハブ構造体の立体図である。組み立て状態では、ステータ構成部品は、比較的幅の狭い筒体を形成し、その外周は、電磁石によって境界付けられる。ロータは、ステータ電磁石とロータ永久磁石との間に半径方向空隙を形成するようステータを包囲している。外側プレート４８は、ハブ部分を包囲するよう円筒形フレーム４４に取り付けられ、軸受５０を介して車軸によって支持されている。図５に示すように、タイヤ５４を従来方法によりスポーク５６によってロータフレーム４４に取り付けるのがよい。かくして、モータのロータの回転により、推進力がタイヤ５４に与えられる。

図１の実施形態では、バッテリ、モータ及び制御要素は全て、後輪タイヤのハブ内に設けられている。図６に示す変形例では、ハブ構造は、前輪タイヤに設けられている。この構成により、長さの短いケーブルの使用が可能になる。ケーブルは、車両のフロント部分に制限されるので、ライダー又は自転車の歯車及びチェーン装置と絡み合う恐れが低い。加うるに、バッテリの交換、充電又はモータ及び（又は）コントローラに注意を払うことが必要な場合、前輪が車両から容易に取り外される（そして、これと再組み立てされる）ので利便性という利点が達成される。

本発明の別の変形例が、図７に示されている。図７の車両は、追加のハブコンパートメントが前輪にも設けられている点において図１の車両とは異なっている。前輪ハブ内の構成部品は、図３を参照して上述した後輪ハブの構成部品と実質的に同じものであるのがよい。車両フレームにより支持されたケーブル２４は、ハンドルバー１８のところでの両方のハブと１以上のスイッチ間の電気的接続部を構成する。スイッチ６０は、両方のハブ相互間のライン内に設けられている。オペレータは、スイッチ位置を選択することにより、前輪と後輪の両方（全輪駆動）に関するモータ推進又は後輪駆動又は前輪駆動のいずれか一方のモータ推進を作動させることができる。この機能性は、スイッチ６０とハンドルバーのところのスイッチ及びスロットルとの協調により得ることができる。適当なスイッチ及び配線相互接続を設けることは、当業者の通常の創作能力の範囲内にある。単なる例示として、ハンドルバースイッチは、多極スイッチであり、スイッチ６０は、単極スイッチである。手動によるペダル推進は、バックアップとして利用できる。チェーンをモータ作動中、後輪ハブから離脱させることができる。

図７の上述の構成の変形例として、前輪又は後輪ハブのうち一方は、上述したものの代わりとして、モータ及びモータコントローラ要素が設けられない予備としてのバッテリ及び充電回路を収容する。予備としてのバッテリ相互間の電気的接続は、スイッチ６０を閉成することによりモータハブ内のバッテリとの並列接続を行うことができるよう配置されている。かくして、モータハブ内のバッテリが充電量を減少させた場合又は高負荷条件が課せられた場合に大きな電源容量が使える。追加のエネルギ源は、電池交換又は充電相互の間隔で高効率モータ作動と組み合わせて用いると長距離の走行が可能になる。

本発明の追加の特徴として、バッテリ充電器への接続のためにハブの外部に設けられた端子にバッテリを接続するために適当な配線を車輪ハブ内に設けることができる。かかる特徴は、バッテリを交換するために車輪を取り外し、ハブを分解する必要性を避ける上で有利である。図８は、後輪及び前輪にそれぞれ隣接して自転車フレームに固定された外部端子箱６２ａ，６２ｂを概略的に示している。端子箱は、一般に入手できるバッテリ充電装置と合致する関係をなす適当な形態の端子を有している。配線は、ハブ内のバッテリと外部端子箱との間で行われる。図８は、バッテリが両方の車輪内に収納される実施形態を示しているが、或る用途では、バッテリが単一の車輪にのみ必要であることが考えられ、この場合、バッテリ充電端子は１つしか必要ではない。

本明細書では、本発明の好ましい実施形態及びその用途のほんの数例が記載されているに過ぎない。本発明は、種々の他の組み合わせ及び環境で使用でき、本明細書に記載した本発明の思想の範囲内で変更又は改造を行うことができる。例えば、軸受によりモータのロータフレームを車軸ではなくステータフレームの外面に結合することは、本発明の範囲に含まれる。別の変形例として、タイヤをロータフレームに直接取り付けてもよい。この場合、ハブ直径がタイヤの内寸まで大きくなっているのでスポークは省かれる。かかる改造により、より強力なモータ及び追加のバッテリを収容できる広い空間が形成される。

本発明の自転車の略図である。 図１に示す自転車の車輪のハブ部分内に設けられた構造的構成要素の分解図である。 本発明の車輪ハブ内のモータ構造体及び電源としてのバッテリの立体斜視図である。 本発明の車輪ハブ内のモータ構造体及びコントローラ要素の立体斜視図である。 図１及び図２の自転車のハブ部分と他の車輪要素との構造的関係を示す図である。 図１に示す自転車の変形例を示す図である。 図１に示す自転車の別の変形例を示す図である。 本発明の追加の特徴を備えた例えば図７に示す自転車の略図である。

Claims (18)

1. 電気式車両であって、
   前輪及び後輪の２つの車輪と、
   これら２つの車輪のうち第１の車輪は、回転電気モータが収容されているハブ部分を備え、
   上記２つの車輪のうち第２の車輪は、電源が収納されているハブ部分を備え、
   第１及び第２の車輪のハブ部分を構造的に連結するフレームとを有し、
   電源は、複数のバッテリから成ることを特徴とする車両。
2. 第１の車輪のハブ部分は、車軸を有し、回転電気モータは、
   車軸に固着されたステータと、
   ステータを包囲していて、ステータから空隙だけ離されたロータとから成り、ロータは、軸受を介して車軸に結合されていることを特徴とする請求項１記載の車両。
3. ステータは、互いに空間的に離されている複数の電磁石コアセグメントから成ることを特徴とする請求項２記載の車両。
4. ロータは、互いに空間的に離されている複数の永久磁石から成ることを特徴とする請求項３記載の車両。
5. フレームによって支持されていて、モータと電源を接続する電気ケーブルを更に有し、電気ケーブルは、フレームに固定されていることを特徴とする請求項１記載の車両。
6. 前記第１の車輪は、
   車軸と、
   車軸に固定されていて、内面が電源を収容する空間を構成している円筒形ステータフレームと、
   ステータフレームの外面に沿ってぐるりと分布した状態でこれに取り付けられた複数の電磁石ステータセグメントと、
   軸受を介して車軸に結合された円筒形ロータフレームとを有し、ロータフレームの内面は、複数の永久磁石を支持し、前記永久磁石は、ステータセグメントとの間に半径方向空隙を形成するためにステータセグメントを包囲するよう分布して設けられており、前記車輪は、ロータフレームの外面に装着されたタイヤを更に有していることを特徴とする請求項５記載の車両。
7. 円筒形ステータフレームの空間は、更に、電磁石ステータセグメントを駆動する制御要素を収容していることを特徴とする請求項６記載の車両。
8. 円筒形ステータフレームの空間は、バッテリ充電回路を更に収容していることを特徴とする請求項６記載の車両。
9. 車両は、自転車であり、前記第１の車輪は、後輪であることを特徴とする請求項６記載の車両。
10. 車両は、自転車であり、前記第１の車輪は、前輪であることを特徴とする請求項６記載の車両。
11. 電気ケーブルに結合されていて、第２の車輪内の追加のバッテリを選択的に接続するスイッチを更に有していることを特徴とする請求項６記載の車両。
12. ハンドルバーを更に有し、前記スイッチは、前記ハンドルバーのところのスロットルを有することを特徴とする請求項１１記載の車両。
13. 前記第１及び第２の車輪は、共通して利用できる電源を含み、前記第１の車輪の電源は、第１の電源であり、前記第２の車輪の電源は追加の電源であることを特徴とする請求項６記載の車両。
14. 前記第１の車輪及び第２の車輪の電源は、夫々、前記第１及び第２の車輪のハブの中にあることを特徴とする請求項１３記載の車両。
15. 前記第２の車輪は、全輪駆動を行うために、更に、
    車軸と、
    車軸に固定されていて、円筒形ステータフレームと、
    ステータフレームの外面に沿ってぐるりと分布した状態でこれに取り付けられた複数の電磁石ステータセグメントと、
    軸受を介して車軸に結合された円筒形ロータフレームとを有し、ロータフレームの内面は、複数の永久磁石を支持し、前記永久磁石は、ステータセグメントとの間に半径方向空隙を形成するためにステータセグメントを包囲するよう分布して設けられており、
    更に、ロータフレームの外面に装着されたタイヤを有することを特徴とする請求項１４記載の車両。
16. 前記第２の車輪の前記ステーターフレームの内壁面は、前記第２の電源を収容する空間を構成し、前記第２の電源を収容する円筒形のステーターフレーム内の空間は、車軸及びステーターフレームの内壁面によって半径方向に境界付けられ、車軸とステーターフレームの間に延びる分割プレートによって軸線方向に境界付けられていることを特徴とする請求項１５記載の車両。
17. 前記ステーターフレームは非磁性であり、前記電磁石ステータセグメントは、強磁性的に互いに隔離されていることを特徴とする請求項１６記載の車両。
18. 車両は、自転車であることを特徴とする請求項１７記載の車両。

Images