JP6143671B2 - モータ／変速装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に係る自転車用モータ／変速装置及び自転車用駆動装置に関する。

上記モータ／変速装置の固定方法としては様々な方法が知られている。

ドイツ実用新案出願公開第２０ ２００８ ００１ ８８１ Ｕ１号は、モータと変速装置がフレームの異なる位置に別々に固定された自転車用補助駆動装置を開示している。

ドイツ特許第６９７ ２９ ６１１ Ｔ２号は、ボトムブラケット軸受がモータ及び変速装置と共にケース内に配置された自転車用補助駆動装置を開示している。そのようなモータ／変速装置は自転車の既存のボトムブラケット軸受には固定することができず、ボトムブラケット軸受を製造又は組み立て、モータ／変速装置と共に自転車のフレームに固定しなければならない。特に、自転車にボトムブラケット軸受が既に取り付けられている場合には改造する必要が生じる。

上記状況に鑑み、本発明の目的は、自転車又は自転車の標準部品に特に簡単に取り付けることができるモータ／変速装置を提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載のモータ／変速装置及び請求項２５に記載の自転車用駆動装置によって達成される。

本発明に係るモータ／変速装置は、自転車のフレームに固定されたボトムブラケットハウジング、特に標準ボトムブラケットハウジングに（好ましくは直接）固定される。ボトムブラケットハウジングは、モータ／変速装置とチェーンリングとの間に配置される。従って、ボトムブラケットハウジング、特に標準ボトムブラケットハウジングを含む自転車に、ボトムブラケットハウジングを改造又は交換することなくモータ／変速装置を取り付けることができる。また、本発明に係るモータ／変速装置のためのさらなる固定部又は収容部をフレームに設ける必要はないという利点もある。

また、本発明に係るモータ／変速装置は、自転車のボトムブラケットハウジング、特に標準ボトムブラケットハウジングにおける自転車の少なくとも１つのチェーンリングとは反対側に固定することができる。

従って、本発明は、異なるボトムブラケットハウジングに対応しながら、標準ボトムブラケットハウジングに好適に対応することができる。

本発明のさらなる有利な態様は添付した特許請求の範囲に記載されている。

自転車の走行方向において、モータ／変速装置がボトムブラケットハウジングの左側に配置され、チェーンリングがボトムブラケットハウジングの右側に配置されることが好ましい。

好適な実施形態では、モータ／変速装置は、ケースを介してボトムブラケットハウジングに固定されるか、フランジを使用してケースを介してボトムブラケットハウジングに取り付けられる。

好適な実施形態では、モータ／変速装置は、国際標準チェーンガイドマウント（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｃｈａｉｎ Ｇｕｉｄｅ Ｍｏｕｎｔ（ＩＳＣＧ））に準拠した標準ボトムブラケットハウジングに固定される。

好適な実施形態では、本発明に係るモータ／変速装置のモータは、自転車からのいかなる排出も生じさせず、騒音レべルの低い電気モータである。

電気モータは、ロータがステータを取り囲むアウターロータモータであってもよい。この場合、比較的高いトルクを発生させることができる。あるいは、電気モータは、ステータがロータを取り囲むインナーロータモータであってもよい。この場合、比較的良好な放熱を実現することができる。

本発明に係るモータ／変速装置のモータは電子整流ブラシレス三相同期モータであってもよい。

本発明に係るモータ／変速装置のモータは、特にフラットなデザインを有するディスクモータ又は永久磁石同期モータ（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ））であってもよい。

好適な実施形態では、本発明に係るモータ／変速装置は、運転者及び／又は本発明に係るモータ／変速装置のモータによって駆動されるクランク軸のトルクを検出するためのトルクセンサを含む。

好適な実施形態では、トルクセンサによって測定されたトルクに応じて本発明に係るモータ／変速装置のモータによってモータトルクをクランク軸に伝達することができる。モータトルクは補助的であってもよく、単独でクランク軸に作用するものであってもよい。

運転者によって与えられるトルクに応じてモータトルクをクランク軸の一回転中に制御することができれば、運転者によって与えられるトルクを精密に制御されたモータトルクで補うことができる。これにより、運転者によって与えられるトルクの変動又は不規則性を一様にすることができる。

また、クランク軸の回転角度に応じてモータトルクを制御することができれば、運転者によって与えられるトルクを精密に制御されたモータトルクで補うことができる。これにより、ペダルクランクの効率の差による不規則性を一様にすることができる。

電気モータの回転速度は通常は自転車のクランク軸の回転速度よりも速いため、変速装置は減速装置であることが好ましい。

第１の好適な変形例では、減速装置はサイクロイド歯車機構である。

偏心質量を補償し、均一な走行とするために、サイクロイド歯車機構は、互いにオフセットされた２つのサイクロイドディスクと、互いにオフセットされた２つの偏心部と、を含むことが好ましい。

サイクロイド歯車機構の特に好適な実施形態では、サイクロイド歯車機構のピン歯車装置がリングギヤに形成され、リングギヤを介してケースに対して回転しないように固定され、サイクロイド歯車機構の複数のボルトを少なくとも１つのサイクロイドディスクを介して駆動することができる。

サイクロイド歯車機構の別の特に好適な実施形態では、サイクロイド歯車機構のボルトはケースに対して回転しないように固定され、リングギヤはピン歯車装置及び少なくとも１つのサイクロイドディスクを介して駆動される。

第２の好適な変形例では、減速装置は一段又は多段遊星歯車機構である。

第３の好適な変形例では、減速装置は波動歯車機構、特に楕円又は歪み波歯車機構である。

減速装置は少なくとも３／１の減速比を有することが好ましい。

好適な実施形態では、本発明に係るモータ／変速装置のモータに対するクランク軸のフリーホイールが設けられるか、クランク軸とモータとの間にクラッチ（好ましくは自動作動クラッチ）が設けられ、運転者はアシストなしで、本装置を同時に回転させることなく自転車を走行させることができる。

好適な実施形態では、ボトムブラケット軸受が本発明に係るモータ／変速装置に一体化されている。

別の好適な実施形態では、標準ボトムブラケットハウジングはボトムブラケットシェル国際標準（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄ ｆｏｒ Ｂｏｔｔｏｍ Ｂｒａｃｋｅｔ Ｓｈｅｌｌｓ）（ＢＢ３０）に対応していてもよい。この場合、軸受シェルを省略することができる。

本発明に係る駆動装置は自転車用の駆動装置であって、ボトムブラケットハウジング、特に標準ボトムブラケットハウジングを含む。ボトムブラケットハウジングの第１の面に上述したモータ／変速装置が固定され、ボトムブラケットハウジングの第１の面とは反対側の第２の面に１又は複数のチェーンリングが配置されている。従って、ボトムブラケットハウジング、特に標準ボトムブラケットハウジングを有する自転車に、ボトムブラケットハウジングを改造又は交換することなく、モータ／変速装置を取り付けることができる。また、本発明に係るモータ／変速装置のためのさらなる固定部又は収容部を自転車のフレームに設ける必要はないという利点もある。

本発明は、異なるボトムブラケットハウジングに対応しながら、標準ボトムブラケットハウジングに好適に対応することができる。

本発明の第１の実施形態に係るモータ／変速装置を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るモータ／変速装置を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るモータ／変速装置を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るモータ／変速装置の電気モータを示す概略斜視図である。 図４に示す電気モータのステータの詳細を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るモータ／変速装置を示す断面図である。ケース４は、国際標準チェーンガイドマウント（ＩＳＣＧ）に対応する連結部を介してボトムブラケットハウジング１に固定されている。両端部（図示せず）にペダルクランクが固定されたクランク軸３４がボトムブラケットハウジング１及びケース４内を延びている。

クランク軸３４は、複数のボトムブラケット軸受（図１では１つのボトムブラケット軸受３２のみを示す）を介してボトムブラケットハウジング１に取り付けられている。

ケース４の（図１における）下部領域には、アウターロータモータである電気モータが設けられている。電気モータのボトムブラケットハウジング１とは反対側（図１における上側）には、サイクロイド歯車機構である減速装置が設けられている。電気モータは、ケース４又はボトムブラケット軸受１に固定され、外周に配置された複数（例えば、２８個）の永久磁石を有するステータ２を支持するステータマウント３を含む。図１では、複数の永久磁石のうちの互いに対向する２つの永久磁石１４ａ，１４ｂのみを示している。永久磁石１４ａ，１４ｂは、電気モータの動作時に永久磁石１４ａ，１４ｂと共に回転するロータ１３に固定されている。

相対する偏心を有する２つの偏心ディスク（偏心部）１７ａ，１７ｂがロータ１３に固定されている。そのため、（図１において）上側の偏心部１７ａが（図１において）左に移動すると下側の偏心部１７ｂは右に移動する。各偏心部１７ａ，１７ｂの外周には偏心部１７ａ，１７ｂを取り囲むサイクロイドディスク１５ａ，１５ｂが設けられ、サイクロイドディスク１５ａ，１５ｂは各１つの軸受を介して偏心部１７ａ，１７ｂに取り付けられている。サイクロイドディスク１５ａ，１５ｂの外周には複数の凸部及び凹部が規則的に形成されることで、各サイクロイドディスク１５ａ，１５ｂの外周には規則的な波形状が形成されている。ケース４の内周には同様な凸部及び凹部が形成されている。サイクロイドディスク１５ａ，１５ｂに形成された凸部の数は、ケース４に形成された凹部の数よりも１つ少ない。

本発明の第１の実施形態に係るモータ／変速装置の動作時には、偏心部１７ａ，１７ｂは電気モータによって比較的高い回転速度で駆動され、サイクロイドディスク１５ａ，１５ｂの外周に形成された凸部はケース４の内周に形成された凹部に連続的に入り込む。その結果、サイクロイドディスク１５ａ，１５ｂは比較的低速で回転する。複数の駆動ピン（図１には駆動ピン１６ａ〜１６ｄのみを示す）がサイクロイドディスク１５ａ，１５ｂの対応する貫通開口部（図１には２つの貫通開口部のみを示す）に収容されている。駆動ピン１６ａ〜１６ｄ及び凹部は環状ラインに沿って配置され、駆動ピン１６ａ〜１６ｄの直径は凹部の直径よりも小さい。サイクロイドディスク１５ａ，１５ｂの回転は、サイクロイドディスク１５ａ，１５ｂの凹部及び駆動ピン１６ａ〜１６ｄを介して、クランク軸３４に対して回転しないように連結された駆動部材２８に伝達される。このようにして、図１に示すダブルサイクロイドディスク歯車機構は、ロータ１３の比較的高い回転速度をクランク軸３４の比較的低い回転速度に減少させる減速装置を実現する。

本発明に係るモータ／変速装置は、上述したようにクランク軸３４に対して概して回転対称的に配置され、ＩＳＣＧに準拠したボトムブラケットハウジング１に固定されている。

図２は、本発明の第２の実施形態に係るモータ／変速装置を備えた駆動装置を示す図である。モータ／変速装置のケース１０４は、国際標準チェーンガイドマウント（ＩＳＣＧ）に対応する連結部を介してボトムブラケットハウジング１０１に固定されている。ケース１０４及び出力カバー１２８内にモータ／変速装置が配置されている。両端部（図２における上端部及び下端部）にペダルクランク（図示せず）が固定されたクランク軸１３４がボトムブラケットハウジング１０１、ケース１０４及び出力カバー１２８内を延びている。

図３は、本発明の第２の実施形態に係るモータ／変速装置を備えた駆動装置を示す断面図である。クランク軸１３４は、２つのボトムブラケット軸受（図３では１つのボトムブラケット軸受１３２のみを示す）を介してボトムブラケットハウジング１０１に取り付けられている。

ケース１０４の内部には、インナーロータモータである電気モータが配置されている。電気モータは、ケース１０４に固定されたステータ１０２を含む。電気モータは、外周に配置された複数の永久磁石を有するロータ１１３をさらに含む。図３では、複数の永久磁石のうちの互いに対向する２つの永久磁石１１４ａ，１１４ｂのみを示している。

電気モータのボトムブラケットハウジング１０１とは反対側（図３における上側）にはサイクロイド歯車機構が設けられている。クランク軸１３４には、低速で回転する出力カバー１２８を介して動力が出力される。出力カバー１２８とクランク軸１３４の放射状ステップとの間にはバッキングワッシャが挿入されている。出力カバー１２８は台形ねじを介してクラッチマスター１３６に連結され、電気モータが駆動方向に動作している場合にはクラッチマスター１３６はクラッチコーン１３０上に位置する。クラッチ１０３，１３６は電気モータが動作していない場合には解放され、電気モータが短時間の逆転を行う場合に開かれる。クラッチコーン１３０は、クランク軸１３４に対して回転しないように連結されている。クラッチマスター１３６とケース１０４の非回転部分との間には、２つのＯリング１４２ａ，１４２ｂを含む回転基準部１４２が設けられている。ロータ１１３は、ロータ軸受１４４を介してケース１０４の一部に取り付けられている。

相対する偏心を有するサイクロイド歯車機構の２つの偏心ディスク（偏心部）１１７ａ，１１７ｂがロータ１１３に固定されている。そのため、上側の偏心部１１７ａが（図３において）右に移動すると、下側の偏心部１１７ｂは（図３において）左に移動する。各偏心部１１７ａ，１１７ｂの外周には偏心部１１７ａ，１１７ｂを取り囲むサイクロイドディスク１１５ａ，１１５ｂが設けられ、サイクロイドディスク１１５ａ，１１５ｂは各１つのサイクロイドディスク軸受１１９ａ，１１９ｂを介して偏心部１１７ａ，１１７ｂに取り付けられている。各サイクロイドディスク１１５ａ，１１５ｂと出力カバー１２８との間にはピン歯車装置（ｐｉｎ ｗｈｅｅｌ ｇｅａｒｉｎｇ）が設けられている。サイクロイドディスク１１５ａ，１１５ｂの外周には複数の凸部及び凹部が規則的に形成されることで、各サイクロイドディスク１１５ａ，１１５ｂの外周には規則的な波形状が形成されている。ケース１０４の内周には同様な凸部及び凹部が形成されている。サイクロイドディスク１１５ａ，１１５ｂに形成された凸部の数は、ケース１０４に形成された凹部の数よりも１つ少ない。ハウジングと一体的かつステータ１０２の周囲に対して回転しないように保持された複数の駆動ピン（図３には２つの駆動ピン１１６ａ，１１６ｂのみを示す）がサイクロイドディスク１１５ａ，１１５ｂの対応する貫通開口部（図３には２つの貫通開口部のみを示す）に収容されている。駆動ピン１１６ａ，１１６ｂ及び凹部は環状ラインに沿って配置され、駆動ピン１１６ａ，１１６ｂの直径は凹部の直径よりも小さい。

本発明の第２の実施形態に係るモータ／変速装置の動作時には、偏心部１１７ａ，１１７ｂは電気モータによって比較的高い回転速度で駆動され、サイクロイドディスク１１５ａ，１１５ｂの外周に形成された凸部はケース１０４の内周に形成された凹部に連続的に入り込む。その結果、出力カバー１２８はサイクロイドディスク１１５ａ，１１５ｂによって比較的低い回転速度で駆動される。出力カバー１２８は、クラッチ１３０，１３６を介してクランク軸１３４に対して回転しないように連結することができる。従って、第２の実施形態においても、ダブルサイクロイドディスク歯車機構は、ロータ１１３の比較的高い回転速度をクランク軸１３４の比較的低い回転速度に減少させる減速装置を実現する。

モータ／変速装置を介して駆動クランク軸１３４が駆動されていない場合には、軸封止リング１３８が静止した出力カバー１２８と回転するクランク軸１３４の回転速度の差を調整し、モータ／変速装置を介してクランク軸１３４が駆動されている場合には、ケース１０４と出力カバー１２８に回転速度の差があっても、軸封止リング１４０が静止したケース１０４と回転する出力カバー１２８を封止する。

本発明の第２の実施形態に係るモータ／変速装置は、上述したようにクランク軸１３４に対して概して回転対称的に配置され、ＩＳＣＧに準拠したボトムブラケットハウジング１０１に固定されている。

図４は、本発明の第３の実施形態に係るモータ／変速装置の電気モータを示す概略斜視図である。図４に示す電気モータは特に軸方向において省スペース型であり、図１又は図２に示す電気モータの代わりに使用することができる。

ディスク型のロータ２１３上には、複数の永久磁石２４６（図４ではロータ２１３の外周における端面のみを示す）が星形に設けられている。永久磁石から間隔を空けて（図４では永久磁石２４６の上方に）、複数のコイル２４８（図４ではハウジングに一体的に固定されたステータ２０２の外周における端面のみを示す）が星形に設けられている。

図５は、複数のコイル２４８を有する、図４に示す電気モータのステータ２０２の詳細を示す概略図である。

図示する実施形態とは異なり、本発明に係るモータ／変速装置は運転者の腕の力によって走行するハンドバイクにも設けることができ、この場合にはクランクハンドルがクランク軸３４の両端部に固定される。

本願は、ボトムブラケットハウジング、特に標準ボトムブラケットハウジングに直接又はフランジを介して固定される自転車用モータ／変速装置を開示する。標準ボトムブラケットハウジングは、モータ／変速装置とチェーンリングとの間に配置される。

モータ／変速装置の一部（特にフレームに一体的に連結されるケース）は、国際標準チェーンガイドマウント（ＩＳＣＧ）に準拠した標準ボトムブラケットハウジングに直接又はフランジを介して固定することができる。

１，１０１：ボトムブラケットハウジング
２，１０２，２０２：ステータ
３：ステータマウント
４，１０４：ケース
１３，１１３，２１３：ロータ
１４ａ，１４ｂ，１１４ａ，１１４ｂ：永久磁石
１５ａ，１５ｂ，１１５ａ，１１５ｂ：サイクロイドディスク
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１１６ａ，１１６ｂ：駆動ピン
１７ａ，１７ｂ，１１７：偏心部
２８：駆動部材
３２，１３２：ボトムブラケット軸受
３３：戻り止め歯止め
３４，１３４：クランク軸
１１８ａ，１１８ｂ：ピン歯車装置
１１９ａ，１１９ｂ：サイクロイドディスク軸受
１２８：出力カバー
１３０：クラッチコーン
１３６：クラッチマスター
１３８：軸封止リング
１４０：軸封止リング
１４２：回転基準部
１４２ａ，１４２ｂ：Ｏリング
１４４：ロータ軸受
２４６：永久磁石
２４８：コイル

Claims (22)

1. 標準ボトムブラケットハウジング（１；１０１）に固定されるモータを有する変速装置であって、
   前記モータを有する変速装置は、ケース（４；１０４）を介して前記標準ボトムブラケットハウジング（１；１０１）に固定され、または、フランジを使用して前記ケース（４；１０４）を介して前記標準ボトムブラケットハウジング（１；１０１）に取り付けられ、
   前記標準ボトムブラケットハウジング（１；１０１）は前記モータを有する変速装置とチェーンリングとの間に配置され、
   クランク軸（３４；１３４）が前記標準ボトムブラケットハウジング（１；１０１）及び前記ケース（４；１０４）内を延びており、
   前記クランク軸（３４；１３４）は、複数のボトムブラケット軸受（３２；１３２）を介して標準ボトムブラケットハウジング（１；１０１）に取り付けられることを特徴とするモータを有する変速装置。
2. 請求項１において、
   国際標準チェーンガイドマウント（ＩＳＣＧ）に準拠した前記標準ボトムブラケットハウジング（１；１０１）に固定されるモータを有する変速装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記モータを有する変速装置のモータは電気モータ（２，１３；１０２，１１３）であるモータを有する変速装置。
4. 請求項３において、
   前記電気モータ（２，１３）は、ロータ（１３）がステータ（２）を取り囲むアウターロータモータ又はステータ（１０２）がロータ（１１３）を取り囲むインナーロータモータであるモータを有する変速装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、
   前記モータを有する変速装置のモータは電子整流ブラシレス三相同期モータであるモータを有する変速装置。
6. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   前記モータを有する変速装置のモータは、ロータ（２１３）が軸方向においてステータ（２０２）に隣接して配置されたディスクモータであるモータを有する変速装置。
7. 請求項１〜３のいずれか１項において、
   前記モータを有する変速装置のモータは永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）であるモータを有する変速装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項において、
   運転者及び／又は前記モータによって駆動される前記クランク軸（３４；１３４）のトルクを検出するためのトルクセンサを含むモータを有する変速装置。
9. 請求項８において、
   前記トルクに応じて前記モータによってモータトルクを前記クランク軸（３４；１３４）に伝達することができるモータを有する変速装置。
10. 請求項９において、
    前記クランク軸（３４；１３４）の回転時に前記モータトルクを制御することができるモータを有する変速装置。
11. 請求項９において、
    前記クランク軸（３４；１３４）の回転角度に応じて前記モータトルクを制御することができるモータを有する変速装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項において、
    前記モータを有する変速装置の変速装置は減速装置であるモータを有する変速装置。
13. 請求項１２において、
    前記減速装置はサイクロイド歯車機構（１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１７ａ，１７ｂ，２８；１１５ａ，１１５ｂ，１１６ａ，１１６ｂ，１１７，１２８）であるモータを有する変速装置。
14. 請求項１３において、
    前記サイクロイド歯車機構（１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１７ａ，１７ｂ，２８；１１５ａ，１１５ｂ，１１６ａ，１１６ｂ，１１７，１２８）は、互いにオフセットされた２つのサイクロイドディスク（１５ａ，１５ｂ；１１５ａ，１１５ｂ）と、互いにオフセットされた２つの偏心部（１７ａ，１７ｂ；１１７）と、を含むモータを有する変速装置。
15. 請求項１３又は１４において、
    前記サイクロイド歯車機構のピン歯車装置がリングギヤに設けられると共に前記ハウジングに一体的に連結され、前記サイクロイド歯車機構のボルト（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ）を駆動することができるモータを有する変速装置。
16. 請求項１３又は１４において、
    前記サイクロイド歯車機構のボルト（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ）が前記ハウジングに一体的に連結され、前記サイクロイド歯車機構のピン歯車装置（１１８ａ，１１８ｂ）を介してリングギヤを駆動するモータを有する変速装置。
17. 請求項１２において、
    前記減速装置は一段又は多段遊星歯車機構であるモータを有する変速装置。
18. 請求項１２において、
    前記減速装置は波動歯車機構であるモータを有する変速装置。
19. 請求項１２において、
    前記減速装置は少なくとも３／１の減速比を有するモータを有する変速装置。
20. 請求項１〜１９のいずれか１項において、
    前記モータに対する前記クランク軸のフリーホイールを含むモータを有する変速装置。
21. 請求項１〜２０のいずれか１項において、
    前記標準ボトムブラケットハウジング（１；１０１）はボトムブラケットシェル国際標準（ＢＢ３０）に対応するモータを有する変速装置。
22. 標準ボトムブラケットハウジング（１；１０１）を含み、前記標準ボトムブラケットハウジング（１；１０１）の第１の面に請求項１〜２１のいずれか１項に記載のモータを有する変速装置が固定され、前記標準ボトムブラケットハウジング（１；１０１）の第２の面にチェーンリングが配置されている自転車用駆動装置。

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