JP4830485B2

JP4830485B2 - モーターユニットおよびそれを用いた電動自転車

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Publication number: JP4830485B2
Application number: JP2005374439A
Authority: JP
Inventors: 宏一郎鶴岡; 雄美上田; 正人谷田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JP2007176221A

Description

本発明は、樹脂製ギアを備えたモーターユニットおよびそれを用いた電動自転車に関する。

回転する駆動軸が貫通する駆動モーターと、その駆動モーターの回転数を減速させる減速機とを備えたモーターユニットでは、駆動モーターの駆動軸の回転を減速機で減速して出力している。ここで、減速機は歯車で構成され、駆動モーターの駆動軸に噛み合うことで動力が伝達されている。そして、減速機に用いられる歯車は強度、耐久性の点から鉄等の金属を材料とするのが一般的である。

また電動自転車等では、バッテリー１回当たりの充電で走行できる距離を大きくするためにも、車体の軽量化が要望されている。そこでモーターユニットの軽量化と、歯車の噛み合い時の騒音低減を目的として、樹脂製の歯車を用いた減速機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図９は、特許文献１の電動補助自転車用動力ユニットの断面図である。モーターユニットである動力ユニット１は、駆動モーターのモーター２５の駆動軸である回転軸３５と、減速機４１とが噛み合わせられていて、減速機４１を構成する中間歯車４４が合成樹脂で形成されている。ここで、減速機４１は図９に示すように、蓋体１４の中に収納されている。
特開２００２−２３５８３３号公報

この蓋体１４は、雨水等の浸入を防ぐため密閉型の構成となっている。また、駆動時のモーター２５の回転軸３５と中間歯車４４との歯車間の摩擦により、熱が発生する。その結果、密閉された蓋体１４内で、これらの発生した熱で、蓋体１４内の温度は上昇してゆく。

減速機４１を構成する中間歯車４４は、上述したように樹脂製であるが、樹脂は温度の上昇とともに材料強度が低下する。図１０は、減速機に用いられる歯車を構成するポリアミド樹脂の、温度に対する曲げ強さの関係を示す特性図である。ポリアミド樹脂は、温度の上昇とともに、曲げ強さの低下が見られる。また、モーター２５および減速機４１の駆動とともに、樹脂製の歯車を用いた減速機４１自体の温度も上がるため、減速機４１の曲げ強さ等の材料強度が低下をきたし、減速機４１自体が破壊される場合もある。

そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、減速機が収納されたユニットケース内の温度を高温にすることがなく、樹脂製の歯車を用いた減速機が破壊されることがない、信頼性の高いモーターユニットおよびそれを用いた電動自転車を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は回転する駆動軸が貫通する駆動モーターと、外気を遮断するユニットケースの中に、駆動モーターのトルクが駆動軸を介して伝達されるとともに駆動軸の回転数を減じて出力する出力軸が貫通する樹脂製ギアと、駆動モーターを制御する回路制御部とを備えたモーターユニットであって、樹脂製ギアは、樹脂製ギアの回転とともにユニットケースの中の空気を攪拌する風切りフィンを出力軸の延伸する方向に設ける構成である。

本発明のモーターユニットは、樹脂製ギアの風切りフィンが、その回転とともにユニットケースの中の空気を攪拌するため、樹脂製ギア近傍が局所的に高温になることはないので、樹脂製ギアからの放熱が促進されて高温になることはなく、減速機である樹脂製ギアが破壊されることがない、信頼性の高いものになるという効果を奏する。

本発明の実施の形態のモーターユニットは、回転する駆動軸が貫通する駆動モーターと、外気を遮断するユニットケースの中に、駆動モーターのトルクが駆動軸を介して伝達されるとともに駆動軸の回転数を減じて出力する出力軸が貫通する樹脂製ギアと、駆動モーターを制御する回路制御部とを備えたモーターユニットであって、樹脂製ギアは、樹脂製ギアの回転とともにユニットケースの中の空気を攪拌する風切りフィンを出力軸の延伸する方向に設ける構成である。

このようなモーターユニットの構成により、樹脂製ギアに設けた風切りフィンが、樹脂製ギアの回転とともにユニットケースの中の空気を攪拌する。そのため、樹脂製ギアで生じた熱は、ユニットケース内の空気へ放熱が促進され、樹脂製ギアが高温になることはないので、減速機である樹脂製ギアも破壊されることがない、信頼性の高いモーターユニットとすることができる。

また本発明の実施の形態のモーターユニットの樹脂製ギアは円筒形状であり、この円筒外周面と駆動軸の外周面とに斜歯を形成するとともに、風切りフィンはこの円筒底面に斜歯のねじれ角で傾斜した羽根車で構成されるようにしてもよい。

このように、斜歯歯車で構成すると、歯車の噛み合いがよいので運転性能がよい。また風切りフィンは、斜歯歯車のねじれ角で傾斜した羽根車で構成するため、斜歯歯車の作製時に金型構造が簡単になり、一体成型で形成することができる。なお、斜歯歯車のねじれ角とは、歯車の歯すじと歯車の円筒軸とがなす角度である。

さらに本発明の実施の形態のモーターユニットの樹脂製ギアは、樹脂製ギアの斜歯のねじれ角で貫通した通気孔が設けられるようにしてもよい。

このように、樹脂製ギアに歯車のねじれ角と同じ角度の通気孔を設けると、より樹脂製ギアからの放熱を促進できるとともに、通気孔は樹脂製ギアの歯車製作時に同時に製作でき、簡単に通気孔を設けることができる。

さらに本発明の実施の形態のモーターユニットは、回路制御部と樹脂製ギアとの間に開口部を有する仕切り壁を設けてもよい。

このような開口部を設けた仕切り壁とすることで、ユニットケース内の空気の攪拌はより促進される。

さらに本発明の実施の形態のモーターユニットは、回路制御部と樹脂製ギアとの間に開口部を有する駆動部カバーを設けてもよい。

このような開口部を設けた駆動部カバーとすることで、樹脂製ギアからの通風がスムーズに行なわれ、ユニットケース内の空気の攪拌が妨げられることはない。

さらに本発明の実施の形態のモーターユニットは、開口部には樹脂製ギアからの通風が回路制御部に直接当たらないように遮蔽板が設けられてもよい。

このような遮蔽板により、樹脂製ギアからの通風が遮蔽板に当たるので、その通風に潤滑材、粉塵が含まれていても、回路制御部を汚染することはない。

また本発明の実施の形態の電動自転車は、上述のモーターユニットとを備えた構成としてもよい。

このような構成の電動自転車とすることで、樹脂製の減速機が高温で破壊されることがない、信頼性の高いモーターユニットを用いた静音で小型、軽量な電動自転車となる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。

（実施例）
図１（ａ）は本発明の実施例の電動自転車の人力駆動機構を含むモーターユニットの側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図２は同電動自転車のモーターユニットのユニットケースの分解斜視図である。

図１に示すようにモーターユニット１００は、駆動モーター１０１、外気を遮断するユニットケース１０２内に減速機構である樹脂製ギア１０３、および回路制御部である制御回路板１０４等で構成されている。また、モーターユニット１００に隣り合って、人力駆動機構であるクランク軸１０５が貫通するクランクスプロケット１０６が配置されている。そして、クランク軸１０５にはトルクセンサー１０７が設置されていて、トルクセンサー１０７と制御回路板１０４とは、配線１０８により接続されている。

駆動モーター１０１は、その中心を回転する駆動軸１０９が貫通している。そして、駆動軸１０９はユニットケース１０２内に挿入され、駆動軸１０９の先端には、樹脂製ギア１０３の歯１１６と噛み合わせられる歯が形成されている。また、駆動モーター１０１と制御回路板１０４とは、配線１１０により接続されている。

樹脂製ギア１０３は、その中心を出力軸１１３が貫通している。そして、出力軸１１３の延伸する方向に風切りフィン１１１が設けられ、樹脂製ギア１０３と制御回路板１０４との対向する箇所には、駆動部カバー１１２が設けられている。

ここで人が、図示していないペダルを踏むことによる踏力で、クランクスプロケット１０６とともにクランク軸１０５が回転する。そして、クランク軸１０５に加わるトルクをトルクセンサー１０７で計測し、配線１０８を通じて制御回路板１０４に入力される。制御回路板１０４では、踏力に対する駆動モーター１０１の出力であるアシスト率に基づき、駆動モーター１０１を制御する。駆動モーター１０１の制御は、回転数あるいはトルクを制御することで快適な乗り心地を得ることができる。

駆動モーター１０１は、その制御された回転数で駆動軸１０９を回転させ、減速機構である樹脂製ギア１０３でその回転数を減じる。そして、駆動モーター１０１のトルクは、樹脂製ギア１０３を貫通する出力軸１１３、出力軸１１３に取り付けられた駆動スプロケット１１４、チェーンガイド装置１１５、および図示していないチェーンを介して、自転車等の車軸に伝達される。

ここで駆動軸１０９と、樹脂製ギア１０３とは歯１１６で噛み合わせられることで、動力が伝達される。また、樹脂製ギア１０３が、駆動モーター１０１の駆動軸１０９の回転数を、減速させるのは、駆動モーター１０１のトルクを大きく維持したままで、回転数を下げるためである。このようにするのは、減速機である樹脂製ギア１０３を用いずに、駆動モーター１０１の回転数を低下させると、駆動モーター１０１で発生するトルクも小さくなってしまい、車軸に必要とされるトルクを供給できなくなるからである。

樹脂製ギア１０３は、例えばガラス繊維入りナイロン６６を材料に製造され、外気を遮断する密閉された、例えばアルミニウム製のユニットケース１０２の中に配置されている。このようにユニットケース１０２が密閉構造であるのは、ユニットケース１０２内には半導体部品を用いた制御回路板１０４も設けられているため、雨水等の浸入を防止する必要があるからである。

このような構成のユニットケース１０２は、駆動モーター１０１から発生する熱、駆動モーター１０１の駆動軸１０９と樹脂製ギア１０３とが歯１１６で噛み合うことで生じる摩擦により発生する熱、あるいは制御回路板１０４上の電子部品から発生する熱で、その内部の空気温度は上昇する。そして、ユニットケース１０２内の空気温度の上昇に伴って、樹脂製ギア１０３の温度も上昇する。

しかし、上述したような風切りフィン１１１を設けた樹脂製ギア１０３であると、樹脂製ギア１０３は、駆動モーター１０１の駆動軸１０９と噛み合って２００〜３００ｒｐｍで回転するとともに風切りフィン１１１が、ユニットケース１０２内の空気を攪拌する。

その結果、摩擦熱のある樹脂製ギア１０３近傍が局所的に高温になることもないため、樹脂製ギア１０３からの放熱も促進される。また、ユニットケース１０２内の空気が攪拌されることで、ユニットケース１０２内の空気からユニットケース１０２本体への熱伝達率が大きくなり、ユニットケース１０２本体から外気への熱放散が促進される。このように、風切りフィン１１１がユニットケース１０２内の空気を攪拌することで、樹脂製ギア１０３からの放熱およびユニットケース１０２内の熱伝達率が大きくなる。そのため樹脂製ギア１０３が高温になることはなく、減速機である樹脂製ギア１０３が破壊されることがない、信頼性の高いモーターユニットになる。

図３は、本発明の実施例の電動自転車のモーターユニットに用いられる風切りフィンを設けた樹脂製ギアの斜視図、図４（ａ）はその樹脂製ギアの平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。樹脂製ギア１０３は、円筒形状であり、その円筒外周面には、駆動モーター１０１の駆動軸１０９と噛み合わせられる斜歯形状の歯１１６が形成されている。このように、斜歯形状の歯１１６で駆動軸１０９と樹脂製ギア１０３とを噛み合わせると、歯車の噛み合いがよく、駆動力の伝達が向上するため運転性能がよくなる。そして、円筒底面の両方に設けられた風切りフィン１１１は、斜歯のねじれ角で傾斜した羽根車である。

また、樹脂製ギア１０３には、出力軸１１３の貫通する方向に通気孔１１７を設けている。図４に示すように、通気孔１１７は、斜歯のねじれ角で形成されている。このような通気孔１１７を設けた樹脂製ギア１０３は、通気孔１１７を空気が通り、樹脂製ギア１０３から通気孔１１７の空気へ放熱されるため、さらに樹脂製ギア１０３自体が高温になるのを防止できる。

ここで樹脂製ギア１０３は、例えばガラス繊維入りナイロン６６を材料とした円筒の外周面に斜歯形状の歯１１６が形成する歯すじ、円筒底面に風切りフィン１１１となる羽根車、および通気孔１１７を一括成型して作製する。なお、風切りフィン１１１は、別途作製し、斜歯歯車本体に取り付けるようにしてもよい。この場合、風切りフィン１１１の形状は、斜歯のねじれ角で傾斜した羽根車とすることなく、他の角度の羽根車であってもよい。

図５は、本発明の実施例の電動自転車のモーターユニットに用いられる他の例の風切りフィンを設けた樹脂製ギアの平面図である。樹脂製ギア１１８の外周面には、やまば形状の歯が形成されている。そして樹脂製ギア１１８の風切りフィン１１９は、山型の形状の羽根車である。このような山型形状の風切りフィン１１９は、山型の「くの字」部でユニットケース１０２内の空気を押す力が強く、ユニットケース１０２内の空気を攪拌する効果が大きい。また、通気孔１２０をやまばのねじれ角と同じ角度で形成されていて、通気孔１２０を空気が流通することで、樹脂製ギア１１８自体が高温になることを防止できる。

また図２に示すように、樹脂製ギア１０３の周囲のユニットケース１０２の内側に、仕切り壁１２１が設けられている。樹脂製ギア１０３は、駆動モーター１０１の駆動軸１０９と噛み合いながら、出力軸１１３を中心に回転している。そのため、歯車の噛み合い箇所および回転箇所には、潤滑材が使用されているが、仕切り壁１２１は、樹脂製ギア１０３から、その摺動部に用いられる潤滑材、粉塵が放散して、制御回路板に直接当たらないようにする隔壁である。

しかしながら、仕切り壁１２１を設けると、樹脂製ギア１０３の風切りフィン１１１からの通風が妨げられる。そこで、図２に示すように仕切り壁１２１に開口部であるスリット１２２を設けることで、ユニットケース１０２内の空気を攪拌する効果が大となる。特に仕切り壁１２１が、制御回路板が配置された領域と、樹脂製ギア１０３が配置された領域とを完全に仕切っている場合は、仕切り壁１２１にスリット１２２を設けると、通風による樹脂製ギア１０３の温度低下の効果が大きい。

また図２に示すように、樹脂製ギア１０３と制御回路板との対向する箇所には、駆動部カバー１１２が設けられている。駆動部カバー１１２は、仕切り壁１２１と同じく樹脂製ギア１０３から、潤滑材、粉塵が、特に制御回路板に吹き付けられないようにするカバーである。従って駆動部カバー１１２も仕切り壁１２１と同様に、樹脂製ギア１０３の風切りフィン１１１からの通風を妨げる。そこで、図２に示すように駆動部カバー１１２に開口部であるスリット１２４を設けてもよい。

なお図２に示すように、仕切り壁１２１と駆動部カバー１１２とに、それぞれスリット１２２、１２４を設けてもよい。

また図６、図７は、本発明の実施例の電動自転車のモーターユニットに用いられる駆動部カバーの他の開口部を示す斜視図である。図６は、駆動部カバー１２５に、開口部から通風方向にＬ字形状の遮蔽板１２６を設けた例である。この遮蔽板１２６を設けることで、潤滑材、粉塵が制御回路板に直接当たらなくなる。さらに、図７に示す形状の遮蔽板１２８を、駆動部カバー１２７に設けても、同様に潤滑材、粉塵が制御回路板に直接当たらなくなる。

次に、上述のモーターユニットを備えた電動自転車について説明する。図８は、本発明の実施例の電動自転車の側面図である。電動自転車１３０は、前輪１３１、後輪１３２、フレーム１３３、ハンドル１３４、サドル１３５等と駆動要素とで構成されている。ここで電動自転車１３０の駆動要素は、人力駆動機構とモーターユニット１００である。人力駆動機構は、ペダル１３６、クランク軸１０５、クランクスプロケット１０６等により構成されている。

ここで運転者からの踏力によりペダル１３６、クランクスプロケット１０６、クランク軸１０５を回転させる。そして、クランク軸１０５のトルクをモーターユニット１００のトルクセンサー１０７で計測し、制御回路板１０４で決められたアシスト率に基づき、駆動モーター１０１を制御する。その後、駆動モーター１０１は、樹脂製ギア１０３でその回転数を減じられる。踏力および駆動モーター１０１の動力は、チェーン１３７を介して駆動スプロケット１１４、チェーンガイド装置１１５から後輪１３２に伝達される。またモーターユニット１００には、例えばニッケル水素電池、リチウムイオン電池を電源とするバッテリーユニット１３８から給電される。

このような、モーターユニットを用いた電動自転車とすると、モーターユニット内に樹脂製ギアを用いても、風切りフィンで高温とならないため、樹脂製ギアが破壊されることもなく、信頼性の高い静音で小型、軽量の電動自転車となる。

なお、本発明の実施例では、電動自転車のモーターユニットで説明したが、駆動モーターの動力を使って車軸を回転させる自走式の二輪車、電動式カート、電動式車いすのモーターユニットでも、樹脂製ギアに風切りフィンを設けることで、同様の効果を得ることができる。

本発明のモーターユニットは、ユニットケースの中が高温になることがなく、減速機である樹脂製ギアが破壊されることもないので、信頼性が高く、電動自転車、自走式の二輪車、電動式カート、電動式車いす等に利用することが可能である。

（ａ）は本発明の実施例の電動自転車の人力駆動機構を含むモーターユニットの側面図、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図同電動自転車のユニットケースの斜視図同電動自転車のモーターユニットに用いられる風切りフィンを設けた樹脂製ギアの斜視図（ａ）は同電動自転車のモーターユニットに用いられる風切りフィンを設けた樹脂製ギアの平面図、（ｂ）は図４（ａ）のＥ−Ｅ線断面図同電動自転車のモーターユニットに用いられる他の例の風切りフィンを設けた樹脂製ギアの平面図同電動自転車のモーターユニットに用いられる駆動部カバーの他の開口部を示す斜視図同電動自転車のモーターユニットに用いられる駆動部カバーの他の開口部を示す斜視図同電動自転車の側面図従来の電動補助自転車用動力ユニットの断面図減速機を構成するポリアミド樹脂の温度に対する曲げ強さの関係を示す特性図

符号の説明

１動力ユニット
１４蓋体
２５モーター
３５回転軸
４１減速機
４４中間歯車
１００モーターユニット
１０１駆動モーター
１０２ユニットケース
１０３，１１８樹脂製ギア
１０４制御回路板
１０５クランク軸
１０６クランクスプロケット
１０７トルクセンサー
１０８，１１０配線
１０９駆動軸
１１１，１１９風切りフィン
１１２，１２５，１２７駆動部カバー
１１３出力軸
１１４駆動スプロケット
１１５チェーンガイド装置
１１６歯
１１７，１２０通気孔
１２１仕切り壁
１２２，１２４スリット
１２６，１２８遮蔽板
１３０電動自転車
１３１前輪
１３２後輪
１３３フレーム
１３４ハンドル
１３５サドル
１３６ペダル
１３７チェーン
１３８バッテリーユニット

Claims

回転する駆動軸が貫通する駆動モーターと、外気を遮断するユニットケースの中に、前記駆動モーターのトルクが前記駆動軸を介して伝達されるとともに前記駆動軸の回転数を減じて出力する出力軸が貫通する樹脂製ギアと、前記駆動モーターを制御する回路制御部とを備えたモーターユニットであって、前記樹脂製ギアは、前記樹脂製ギアの回転とともに前記ユニットケースの中の空気を攪拌する風切りフィンを前記出力軸の延伸する方向に設けることを特徴とするモーターユニット。
前記樹脂製ギアは円筒形状であり、この円筒外周面と前記駆動軸の外周面とに斜歯を形成するとともに、前記風切りフィンはこの円筒底面に前記斜歯のねじれ角で傾斜した羽根車で構成されたことを特徴とする請求項１に記載のモーターユニット。
前記樹脂製ギアは、前記樹脂製ギアの前記斜歯のねじれ角で貫通した通気孔が設けられたことを特徴とする請求項２に記載のモーターユニット。
前記回路制御部と前記樹脂製ギアとの間に開口部を有する仕切り壁を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のモーターユニット。
前記回路制御部と前記樹脂製ギアとの間に開口部を有する駆動部カバーを設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモーターユニット。
前記開口部には前記樹脂製ギアからの通風が前記回路制御部に直接当たらないように遮蔽板が設けられたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のモーターユニット。
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のモーターユニットを備えたことを特徴とする電動自転車。