JP5432408B1 - 互いに逆回転する複数の大口径薄型の回転電機を電気自動車の駆動用モーターとして使う場合に適する変速装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来、用いられてきた電気自動車の駆動用モーターは、直径の小さなものであるか、仮に、直径の大きな駆動用モーターを作って駆動に用いるとしても、出力は、その回転軸に接続した駆動軸によって引き出すのが、従来からの考え方であった。したがって、その変速装置も、複雑で高価となった。
【解決手段】互いに逆回転する複数の大口径薄型の回転電機を中央軸で連接して電気自動車の駆動用モーターとして使用し、上側の駆動用モーターの回転子の側板としての摩擦板と、下側の駆動用モーターの回転子の側板としての摩擦板とによって挟まれた空間に、駆動軸によって貫通された摩擦車を挿入してその当接位置によって変速できる装置とすると、構造が簡単で安価な無段変速装置を構成することができる。
【選択図】図１

Description

電機自動車の駆動用モーターで発生した動力を車輪の回転軸へ接続する際に摩擦車を用いる場合の無段変速装置の構造に関する。

摩擦車を用いた無段変速装置の入力軸と出力軸との関係位置に着目すると、特許文献２、特許文献５、特許文献７、特許文献９のように、入力軸と出力軸とが同一線上に並ぶ同軸型と、特許文献３のように、同一平面上にはあるが並置されている平行型と、特許文献８のように、入力軸と出力軸とが直交する直交型と、特許文献６のように、同一平面において入力軸と出力軸との成す角度を任意に選択できる選択型とに大別することができる。

特許文献９は、代表図面の左方向からの入力軸の回転をその近傍に配置した円錐形転子の回転する半径上で変速比率を変えて、代表図面の右方向に続く出力軸にトルクを伝達する同軸型である。円錐形転子というコンパクトな装置を使って、全体の小型化に成功しているが、円錐型転子による変速比は、さほど大きくないと推測できる。

特許文献７は、円錐状の入力円板と円錐状の出力円板とをハウジングの中で対向させ、対向した入力と出力の両円錐状円板に当接する摩擦車であるパワーローラの当接位置を変えることによって変速比を変える同軸型であって、コンパクトで伝達効率の高い仕組みを実現している。

特許文献５は、摩擦車となるタイヤのついた入力軸と同径のタイヤのついた出力軸が同一線上にある同軸型である。この際、入力軸や出力軸の位置移動や出し入れは行わず、入力軸のタイヤや出力軸のタイヤが当接する円板側が移動して変速比を決定する。また、タイヤや円板は、磁性体を用いて作ることも示されていて、摩擦車であるタイヤの摩擦力向上に寄与できる特徴を有する。

特許文献２は、代表図面を一見すると特許文献８と同様に見えるが、摩擦車となる円板を有する入力軸は左方向から入っていて直交する２つの動力伝達円板に当接し、同じく動力伝達円盤に当接する円板を有する出力軸が直交する動力伝達円板に当接してトルクを伝える同軸型である。変速比は、入力軸の円板と出力軸の円板が動力伝達円板のどこに当接するかによって変えているが、入力軸や出力軸の位置移動や出し入れを行わず、特許文献５と同様、動力伝達円盤の方を移動することで行う。また、負荷に感応して自動的に変速比を変更できる記載があって、参考になる。

特許文献３は、例えば、図５では、右方向からの入力軸が、変速ロッド上を移動する環状ゴム体を介して変速されて、左方向へ出力軸としてトルクを伝達する並行型である。この特許文献３に記載された環状ゴム体の材質には、ゴムや弾性樹脂やスポンジ材の他に、金属製のコイルスプリングがあって、参考となる。

特許文献６は、その代表図面のように円錐形の入力軸と円錐形の出力軸との間に、その双方の円錐形に当接する動力伝達輪を置いて変速する。動力伝達輪と円錐形の出力軸とを複数個組み合わせた、例えば、円錐形の回転する軸が４コある図１２では、入力軸が複数あっても良さそうであるが、入力軸は左方向の１コのみであって、他は全て出力軸である。要するに、入力軸は１コでも、出力軸を多方向に選択的に設定できる特徴を有する多方向選択型である。

特許文献８は、代表図面（第１図）と特許請求の範囲とを比較参照しながら理解すると、代表図面の上方から入力軸が下方に延びていて、その末端部が円盤状のメインディスクとなっており、入力側のメインディスクにはＳフリーローラーの円周の一端が当接している。そのＳフリーローラーの円周の他端には、入力軸側のメインディスクに対向するサブディスクがあって、そちらにも当接している。このため、Ｓローラーによって対向するメインとサブの２つのディスクは、シンクロされて逆方向に回転する。この逆方向に回転する２つのディスクの間に、ドライブシャフトでその中心部を貫通したローラー（ゴム製）を入れると、ローラーの回転を介してドライブシャフトに出力が得られる。変速比は、回転するディスクの直径上をローラーを移動することによって、変更することができる、との理解が成り立つ。よって、代表図面の上方から下方に向けて入力軸があるとすると、出力軸は向こう側から手前方向へ延びているので、直交型と言える。

これまで見てきた特許文献９、特許文献７、特許文献５、特許文献２、特許文献３、特許文献６のいずれの場合も、入力装置や出力先の容積に比して、変速装置の部分をいかにコンパクトにまとめるかを腐心してきたところであるので、特許文献８のように、入力装置や出力先の容積に比してディスクが大きくなって容積の空間占有比率が高くなる仕組みは、他の文献で見ることは困難であって推奨されるべきものではない。

しかしながら、特許文献８のディスクが、大きな面積を有するだけで存在するのでなくて、それ自身が動力の発生源、すなわち、例えば、回転電機そのものの構造の一部を構成していたとすれば、特許文献８のような出力軸に直交する大口径のディスクを有する構造であったとしても、本来の装置に無段変速装置が一体化されることになるにで、全体の装置に占める無段変速装置の空間占有比率が、問題となることはない。

これまでの回転電機の構造は、収まりやすい形状とコンパクトで高トルクを追求することから、一般的には、直径は小さめで回転軸方向に長く、内部に空間を作らずにギュッと密度を高めて作られてきた。このような形状は、特許文献８のディスクを回転電機の構造の一部として構成しようとする際の大口径薄型の回転電機の形状とは真逆となる。よって、従来の一般的な回転電機からは、特許文献８のディスクを回転電機の構造の一部として構成する発想は出て来ない。

小さめの直径の内部に隙間無く構造物を詰め込んで構成する従来からの回転電機に対して、特許文献４や特許文献１には、回転する中央部付近はガランドウの空間であって、円周部付近のみに電機子と界磁磁石とから成る駆動部を構成するシュラウド付回転翼やリニア送風機やリニア風力発電機の仕組みとしての回転電機が記載されている。しかしながら、これらの仕組みは、原則、回転する中央部付近の空間には、何らかの羽根を構成する前提で記述されている。よって、公開された特許文献４や特許文献８を承知してながめていても、特許文献４のシュラウド付回転翼の羽根の部分を取り外して、特許文献８のディスクに換装することは、通常の知識を有する当業者が容易に想起できた、とはいえない。

特許第５２９２６５６号 ：「左ネジ巻−間隙−右ネジ巻」トロイダルコア； 特開２０１１−１２２６２５号公報：同軸摩擦車「自動」無段変速装置； 特開２００６−３００２２０号公報：平行摩擦車無段変速容易構造； 特許第３５９５９８８号公報：回転ダクト方式シュラウド付回転翼； 特開２００２−３２７８１６号公報：同軸磁気利用タイヤ摩擦車無段変速装置； 特開２００１−３５５６９９号公報：同一平面多方向摩擦車無段変速装置； 特開平０７−３１７８６６号公報 ：同軸トロイダル摩擦車無段変速装置； 特開平０５−２６３８８８号公報 ：直交ディスク板摩擦車無段変速装置； 特開平０５−０３３８４２号公報 ：同軸摩擦車無段変速装置の小型化；

従来、用いられてきた電気自動車の駆動用モーターは、車体の前部のボンネット部か後部のトランク部付近かの比較的狭い空間か、あるいは直接車輪を回すためのインホイールモーターとして組み込まれた直径の小さなものであった。仮に、特許文献４や特許文献１のような直径の大きな駆動用モーターを作って電気自動車の駆動に用いるとしても、出力は、その回転軸に接続した駆動軸によって引き出すのが、従来からの考え方であった。したがって、その変速装置も、従来型を使わざるを得ず、複雑で高価となって、ランニングコストも増大した。よって、電気自動車の床に設置するような直径が大きな駆動用モーターであるからこそ可能な、構造が簡単で堅牢で安価な変速装置の仕組みが求められる。

もし、特許文献４や特許文献１に記載された直径が大きく薄い形状の駆動用モーターを、そのジャイロ歳差をキャンセルできるように時計回りと反時計回りに回転する中心部分を共通化させて複数個作製すると、時計回りに回転する駆動モーターと反時計回りに回転する駆動モーターとの間に、空間ができる。この空間に、駆動軸によって貫かれた摩擦車を挿入すると、摩擦車は偶力を受けて回転し、そのトルクを駆動軸に与えることができる。摩擦車の位置は、時計回りと反時計回りの駆動モーターが作る空間を直径方向に移動可能だから、構造の簡単な変速装置を構成することができる。

互いに逆回転し、発生するジャイロ歳差をキャンセルする仕組みは、最小限、同じ直径、同じ回転数で時計方向に回転する駆動モーターと、同じ直径、同じ回転数の反時計回りの駆動用モーターとを準備すれば良い。すると、時計回りに回転する駆動モーターと反時計回りに回転する駆動モーターとの間に空間ができるので、この空間に摩擦車と駆動軸とを入れて変速装置を構成できる。このような構造は、部品点数が少なく、簡単で堅牢な構造であるので、電気自動車の製造コストやランニングコストを引き下げる効果がある。

図は、本発明を用いた電気自動車の一例である。大口径薄型の駆動用モーターは上下に２コあって、互いに逆回転する駆動用モーターの回転の中央部分を中央軸にて連接して電気自動車のキャビン床下に設置している。 図は、互いに逆回転する上下２つの大口径薄型の駆動用モーターが、中央軸にて連接して構成されているところに、駆動軸で貫通した摩擦車を挿入して構成した変速装置である。摩擦車は駆動軸に固定されているので、摩擦板への摩擦車の当接位置は、駆動軸を駆動用モーター直径方向で移動させることによって行う。駆動軸のトルクを前進から後退に変えたいときには、駆動用モーターの回転方向を反対方向に切り換えて行う。（Ａ）は、その断面図を表し、（Ｂ）は、２つある大口径薄型の駆動用モーターの上の方を取り除いた場合の平面図である。 図は、互いに逆回転する上下に２つの大口径薄型の駆動用モーターが、中央軸にて連接されているところに、駆動軸に貫通された摩擦車を挿入して構成した変速装置である。駆動軸の長手方向には、全体で歯車状になるような溝が掘られていて、その外径の溝の凸凹が、摩擦車の内径に掘られた凸凹と桿合している。このため、駆動軸によって貫かれた摩擦車は、駆動軸へのトルクの伝達を行いつつ、駆動軸の長手方向への移動を自在に行うことができる。駆動軸のトルクを前進から後退に変えたいときには、駆動用モーターの回転方向を反対方向に切り換えて行う。（Ａ）は、その断面図を表し、（Ｂ）は、２つある大口径薄型の駆動用モーターの上の方を取り除いた場合の平面図である。 図は、互いに逆回転する上下に２つの大口径薄型の駆動用モーターが、中央軸にて連接されているところに、駆動軸に貫通された摩擦車を挿入して構成した変速装置である。駆動軸の長手方向には、全体で歯車状になるような溝が掘られていて、その外径の溝の凸凹が、摩擦車の内径に掘られた凸凹と桿合している。このため、駆動軸によって貫かれた摩擦車は、駆動軸へのトルクの伝達を行いつつ、駆動軸の長手方向への移動を自在に行うことができる。駆動軸は１本であって、装着した２コの摩擦車は、ゴムやシリコン等から成り直径を変更できるので、前進の際は図の右側の摩擦車が摩擦板に当接し、後進の際は図の左側の摩擦車が摩擦板に当接するので、駆動用モーターの回転方向は、常に一定方向で良い。（Ａ）は、その断面図を表し、（Ｂ）は、２つある大口径薄型の駆動用モーターの上の方を取り除いた場合の平面図である。 図は、互いに逆回転する上下に２つの大口径薄型の駆動用モーターが、中央軸にて連接されているところに、駆動軸に貫通された摩擦車を挿入して構成した変速装置である。駆動軸の長手方向には、全体で歯車状になるような溝が掘られていて、その外径の溝の凸凹が、摩擦車の内径に掘られた凸凹と桿合している。このため、駆動軸によって貫かれた摩擦車は、駆動軸へのトルクの伝達を行いつつ、駆動軸の長手方向への移動を自在に行うことができる。駆動軸は１本であって、装着した２コの摩擦車は、自動車用のディスクパッドとヒンジとから成っていて直径を変更でき、前進の際は図の右側の摩擦車が摩擦板に当接し、後進の際は図の左側の摩擦車が摩擦板に当接するので、駆動用モーターの回転方向は、常に一定方向で良い。（Ａ）は、その断面図を表し、（Ｂ）は、２つある大口径薄型の駆動用モーターの上の方を取り除いた場合の平面図である。 図は、互いに逆回転する上下に２つの大口径薄型の駆動用モーターが、中央軸にて連接されているところに、駆動軸に貫通された摩擦車を挿入して構成した変速装置である。駆動軸の長手方向には、全体で歯車状になるような溝が掘られていて、その外径の溝の凸凹が、摩擦車の内径に掘られた凸凹と桿合している。このため、駆動軸によって貫かれた摩擦車は、駆動軸へのトルクの伝達を行いつつ、駆動軸の長手方向への移動を自在に行うことができる。駆動軸は、図の左右に１本ずつの計２本であって、そのそれぞれに摩擦車が装着してある。このため一方の駆動軸が前輪へ向かうとすれば、他方は、どこかで回転方向を逆転させる必要があるものの、後輪に向けることが可能である。よって、前後輪駆動の電気自動車を構成できる。（Ａ）は、その断面図を表し、（Ｂ）は、２つある大口径薄型の駆動用モーターの上の方を取り除いた場合の平面図である。 図は、互いに逆回転する上下に２つのアウターロータータイプの大口径薄 型の駆動用モーターが、中央軸にて連接されているところに、駆動軸に貫通された摩擦車を挿入して構成した変速装置である。駆動軸の長手方向には、全体で歯車状になるような溝が掘られていて、その外径の溝の凸凹が、摩擦車の内径に掘られた凸凹と桿合している。このため、駆動軸によって貫かれた摩擦車は、駆動軸へのトルクの伝達を行いつつ、駆動軸の長手方向への移動を自在に行うことができる。駆動軸は、図の左右に１本ずつの計２本であって、そのそれぞれに摩擦車が装着してある。このため一方の駆動軸が前輪へ向かうとすれば、他方は、どこかで回転方向を逆転させる必要があるものの、後輪に向けることが可能である。よって、前後輪駆動の電気自動車を構成できる。（Ａ）は、その断面図を表し、（Ｂ）は、２つあるアウターロータータイプの大口径薄型の駆動用モーターの上の方を取り除いた場合の平面図である。

互いに逆回転する複数の大口径薄型の駆動用モーター（１０）と、大口径薄型の駆動用モーターの回転子（１２）の側面である摩擦板（２１）に当接した摩擦車（２２）による変速装置（２０）は、図１に記載したように電気自動車のキャビンの床下に設置することが多い。互いに逆回転する大口径薄型の駆動用モーター（１０）を複数設置する目的は、回転時に発生するジャイロ歳差を相互に相殺することによって、電気自動車の操縦や運行に支障を生じさせないことにある。このため、それぞれの駆動用モーター（１０）の直径が異なる場合の組合せである場合には、例えば、時計方向に回転する駆動用モーター（１０）の数量と反時計方向に回転する駆動用モーター（１０）の数量が異なる組合せも可能である。けれども、時計方向に回転する駆動用モーター（１０）が１コと、それと同じ直径の反時計方向に回転する駆動用モーター（１０）が１コでジャイロ歳差を相殺するのが、最も単純であるので、本発明では、大口径薄型の駆動用モーター（１０）を上下に１コずつ計２コを中央軸（１３）で連接し、互いに逆回転させてジャイロ歳差を相殺する例で説明する。

本発明の変速装置（２０）は、図２〜図６の各（Ａ）図に示したように互いに逆回転する上下２つの大口径薄型の駆動用モーター（１０）を中央軸（１３）で連接して、駆動用モーターの回転子（１２）の側板であるところの上下の摩擦板（２１）で挟まれた空間に構成される。この場合、上側の摩擦板（２１）が時計回りに回転していたとすると、下側の摩擦板（２１）が反時計回りに回転しているので、この空間に駆動軸（２３）によって貫かれた摩擦車（２２）を、摩擦板（２１）に当接するように挿入すると、摩擦車（２２）は摩擦板（２１）による偶力で回転する。摩擦車（２２）の中心には駆動軸（２３）が貫通しているので、摩擦車（２２）の回転が駆動軸（２３）に伝達されて、電気自動車を駆動するトルクとなる。

本発明の変速装置（２０）の変速の要領は、摩擦車（２２）の摩擦板（２１）への当接位置を変化させることによって行う。図２は、摩擦車（２２）が駆動軸（２３）に固定されていて一体化されている例である。そのため、摩擦車（２２）の当接位置を変えるためには、例えば、駆動軸の移動用モーター回転軸（２４）で駆動軸（２３）を移動することによって行う。

図３〜図７は、摩擦車（２２）を貫通する駆動軸（２３）の外周に長手方向に延びる溝が掘ってあり、その溝が摩擦車（２２）の内周部の溝と桿合している。このため、摩擦車（２２）は、駆動軸（２３）上を摩擦板（２１）の直径方向で自在に位置を変えることができ、かつ、摩擦板（２１）から受けた偶力からの回転を駆動軸（２３）に伝えることができる。

図３〜図７に記載した摩擦車（２２）は、駆動軸（２３）を動かすことなく、例えば、摩擦車の移動用遠隔ハンド（２５）を用いて、単独で摩擦板（２１）との当接位置を変更できる。摩擦板（２１）が回転している間の摩擦車（２２）の移動は容易であるが、摩擦板（２１）が停止している間に摩擦車（２２）の当接位置を変更することは、極めて困難である。このため、電気自動車において停止時は、通常、電気自動車の速度が徐々に低下してから停止するので、速度の低下を感知して、停止時には自動的に摩擦車（２２）の当接位置を中央軸（１３）に近いところに寄せる仕組みを組み込んである。しかしながら、事故等によって、突然停止したような場合には、摩擦車（２２）の摩擦板（２１）への当接位置が、中央軸（１３）から遠いこともあり得る。このような場合には、摩擦車（２２）は摩擦板（２１）に当接したままで移動できない。しかし、摩擦車（２２）の直径を変えることが可能な仕組みを組み込めば、停止間であっても摩擦車（２２）の移動を容易にすることができる。

図４と図５には、１本の駆動軸（２３）に、２コの摩擦車（２２）が装着されている例を示している。図４の場合は、摩擦車（２２）の材質をゴムやシリコン等の弾力性のある材質で作られていて、外側から引っ張ったり、中の構造に気体や液体、あるいは磁石や機械を使った装置を内蔵することによって、摩擦車（２２）の直径を変更できるようにしている。また、図５の場合は、摩擦車（２２）の外周部は、自動車のディスクパッドのような堅い物質を用いているが、ヒンジとの組合せで摩擦車（２２）の直径の変更を可能にしている。このように摩擦車（２２）の直径の変更が容易な場合には、１本の駆動軸（２３）に前進用と後退用の別々の摩擦車（２２）を装着して、当接する摩擦車（２２）を選択することによって、駆動用モーター（１０）の回転方向を変えることなく、前進後退を行うことができる。なお、摩擦車（２２）の直径の変更は、停止時の摩擦車（２２）の当接位置の変更にも便利であるので、停止間の摩擦車（２２）の移動を目的に図３や図６や図７においても、摩擦車（２２）の直径の変更を適用することができる。

図６と図７とは、前輪方向に延伸する駆動軸（２３）が１本と後輪方向に延伸する駆動軸（２３）が１本の計２本の駆動軸（２３）を有し、それぞれに摩擦車（２２）を有する。このように複数の駆動軸（２３）は、スペースがある限り４本にも６本にも増やすことができるので、いずれかの駆動軸（２３）の先では回転方向を逆転させる必要があるけれども、それぞれの車輪に独立したトルクを伝達することもできる。この方式では、４輪駆動車や６輪駆動車やそれ以上の駆動車の製作も容易となる。

図２〜図７は、互いに逆回転する複数の大口径薄型の回転電機を中央軸で連接して電気自動車の駆動用モーターとして使用する場合に、上側の駆動用モーターの回転子の側板としての摩擦板と、下側の駆動用モーターの回転子の側板としての摩擦板とによって挟まれた空間に、上下の摩擦板に当接するように駆動軸によって貫通された摩擦車を挿入することによって、摩擦車を回転させて駆動軸へトルクを出力する装置において、摩擦車と駆動軸とが固定され一体化されている場合には駆動軸を、摩擦車が駆動軸上を移動しながら回転を駆動軸に与えることができる場合には摩擦車を、摩擦板の直径方向で移動させて、摩擦板と摩擦車との当接位置を変更することによって駆動軸に出力するトルクや回転数を制御することを特徴とする無段変速装置の実施例である。

図４と図５は、実施例１の摩擦板と摩擦車との当接位置を変更することによって駆動軸に出力するトルクや回転数を制御することを特徴とする無段変速装置の摩擦車において、素材がゴムやシリコン等の柔軟性がある場合には、摩擦車の両側から引っ張ったり、摩擦車の内部に気体や液体や電磁石や機械装置を内蔵して作動させ、素材がディスクパッドのように堅い場合にはヒンジ等の機械装置と組み合わせて作動させ、少なくともいずれか一つの方法によって直径を変更させることを特徴とする摩擦車の実施例である。

互いに逆回転する複数の大口径薄型の回転電機を電気自動車の駆動用モーターとして使う場合に適する本発明の変速装置は、部品点数が少なく簡単で堅牢な構造から、容易に製造できるので、電気自動車の製造コストやランニングコストを引き下げる効果がある。

１０ 駆動用モーター
１１ 駆動用モーターの固定子
１２ 駆動用モーターの回転子
１３ 中央軸
２０ 変速装置
２１ 摩擦板
２２ 摩擦車
２３ 駆動軸
２４ 駆動軸の移動用モーター回転軸
２５ 摩擦車の移動用遠隔ハンド

Claims (2)

1. 互いに逆回転する複数の大口径薄型の回転電機を中央軸で連接して電気自動車の駆動用モーターとして使用する場合に、上側の駆動用モーターの回転子の側板としての摩擦板と、下側の駆動用モーターの回転子の側板としての摩擦板とによって挟まれた空間に、上下の摩擦板に当接するように駆動軸によって貫通された摩擦車を挿入することによって、摩擦車を回転させて駆動軸へトルクを出力する装置において、摩擦車と駆動軸とが固定され一体化されている場合には駆動軸を、摩擦車が駆動軸上を移動しながら回転を駆動軸に与えることができる場合には摩擦車を、摩擦板の直径方向で移動させて、摩擦板と摩擦車との当接位置を変更することによって駆動軸に出力するトルクや回転数を制御することを特徴とする無段変速装置。
2. 請求項１の摩擦板と摩擦車との当接位置を変更することによって駆動軸に出力するトルクや回転数を制御することを特徴とする無段変速装置の摩擦車において、素材がゴムやシリコン等の柔軟性がある場合には、摩擦車の両側から引っ張ったり、摩擦車の内部に気体や液体や電磁石や機械装置を内蔵して作動させ、素材がディスクパッドのように堅い場合にはヒンジ等の機械装置と組み合わせて作動させ、少なくともいずれか一つの方法によって直径を変更させることを特徴とする摩擦車。
   
   

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