JPH1086885A - 電動車の電動車輪 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】モーターのロータ、ステータ間のギャップ拡大
によるモータ損失の増加を生じることなく、ホィールか
らモータへの衝撃や振動の伝達を抑止してローターとス
テータとの接触防止が可能な電動車の電動車輪を提供す
る。 【解決手段】ロータ７がステータの外周側に配置される
アウタロータ形式のモータが採用され、このロータ７が
スポーク２０１、２０２などの車輪部分に直結されるダ
イレクトドライブ型電動車輪構造が採用される。ロータ
７はローターベース５の外周部に固定され、ローターベ
ース５の内周部が筒体形状の第１ハブ４に固定され、更
にローターベース５から軸方向に所定距離離れてスポー
ク２０１、２０２がローターベース５に接することなく
第１ハブ４、第２ハブ６に固定される。すなわち、輪軸
１に軸受け２、３を介して回転自在に支持される径小筒
状の第１ハブ４はスポーク２０２の径方向内端部を支承
するとともに、ローターベース５の径方向内端部を支承
する。したがって、ロータが発生する駆動トルクはロー
ターベース及びハブを通じてホィールに伝達される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トルク補助式電動
自転車や電動車椅子などの電動車の電動車輪に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開昭５０ー１２５４３８号公報は、チ
ェインの張力から駆動トルクすなわち負荷トルクが所定
のしきい値を超えたことを検出した場合に、モータから
クラッチを介してトルクを発生してアシストするトルク
補助式電動自転車を提案している。

【０００３】特開平４ー１００７９０号公報は、人力に
よる駆動トルクに対してモータートルクが所定の関数関
係をもつように、モータからクラッチを介してトルクを
アシストするトルク補助式電動自転車を提案している。
特開平７ー１４９２８０号公報は、モータをクラッチを
介して車輪に結合し、、人力による駆動トルクの大きさ
に応じてモーターのトルクを制御してトルクアシストを
行うとともに、制動時にモータを回生発電させてバッテ
リを充電するトルク補助式電動自転車を提案している。

【０００４】特開平２ー２１８３７７号公報は、ブラシ
レスＤＣモータ構造を有するアウタロータ形式のダイレ
クトドライブ型電動車輪により自走する電動ホースカー
を提案している。このアウタロータ形式のダイレクトド
ライブ型電動車輪は、車体フレームに固定される輪軸
（以下、静止軸ともいう）と、ステータコイルが巻装さ
れたステータコアを有するステータと、周方向極性交互
に複数の永久磁石を有してステータの外周側に配設され
るロータとを備えるアウタロータ構造のダイレクトドラ
イブ式モータを備えている。輪軸にはステータを挟んで
フランジ状の一対のハブが回転自在に支承され、両ハブ
の円盤部には、タイヤを支持するホィールとロータとが
固定されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したアウタロータ
形式のダイレクトドライブ型電動車輪は、車輪内部にモ
ータやコントローラなどを配設することができ、しかも
減速機構をもたないのでそれによる摩擦損失低減のため
のクラッチ機構も必要がなく、部品点数の削減及び信頼
性向上の利点もあり、市販の人力自転車の車輪をこのア
ウタロータ形式のダイレクトドライブ型電動車輪に交換
するだけで市販の人力自転車を上述したようなトルク補
助式電動自転車に変換できて好都合である。

【０００６】しかしながら、上記した従来のアウタロー
タ形式のダイレクトドライブ型電動車輪では、タイヤを
通じて地面からホィールに伝達される衝撃や振動がフラ
ンジ状のハブの円盤部を通じてロータに作用するため
に、ロータの姿勢がホィールからの衝撃や振動を受けて
変化し易く、このため、ロータとステータとが接触する
という危惧や、ギャップ変動によるモータ出力の不安定
化という問題を生じた。

【０００７】この問題を解消するためには、ロータとス
テータとの間のギャップを予め大きく設定することが必
要となるが、このようなギャップ拡大はモータ損失の大
幅な増大屋モータ出力の大幅な低下を招くという不具合
を生じた。本発明は上記問題点に鑑みなされたものであ
り、モーターのロータ、ステータ間のギャップ拡大によ
るモータ損失の増加を生じることなく、ホィールからモ
ータへの衝撃や振動の伝達を抑止してロータとステータ
との接触防止が可能な電動車の電動車輪を提供すること
を、その目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の電動車輪
によれば、ロータがステータの外周側に配置されるアウ
タロータ形式のモータが採用され、このロータがスポー
クなどの車輪部分に直結されるダイレクトドライブ型電
動車輪構造が採用される。本発明では特に、ロータは略
円盤状のローターベースの外周部に固定され、ローター
ベースの内周部が筒体形状のハブに固定され、更にロー
ターベースから軸方向に所定距離離れてスポークがロー
ターベースに接することなくハブに固定される。

【０００９】すなわち、輪軸に軸受けを介して回転自在
に支持される径小筒状のハブはスポークの径方向内端部
を支承するとともに、径大円盤形状又は径大底付円筒形
状のローターベースの径方向内端部を支承する。したが
って、ロータが発生する駆動トルクはローターベース及
びハブを通じてホィールに伝達される。このようにすれ
ば以下の作用効果を奏することができる。

【００１０】ホィールのスポークは、タイヤやそれを支
承するリムを通じて地面の凹凸などの原因により輪軸の
軸心に対して直角方向（すなわち径方向）への力を受け
る。この径方向に向かう外力は、スポークから、ハブの
軸方向外端部に伝達されるが、ハブは軸受けを通じて輪
軸に支承されているので、輪軸により良好に担持され
る。したがって、ハブの軸方向外端部に加えられる上記
径方向外力により、ハブの軸方向内端部が径方向に変形
することは殆どなく、このハブの軸方向内端部の径方向
の変形によりローターベースが径方向に変形することは
ほとんどなく、このため、ロータの径方向変形はほとん
ど生じない。

【００１１】また、地面の凹凸その他の原因によりタイ
ヤに軸方向へ外力が掛かることにより、スポークはタイ
ヤの軸心が輪軸の軸心に対して偏角する方向の力を受け
る。この力はスポークを通じてハブの軸方向外端部に伝
達されるが、ハブが軸受けを通じて輪軸に支承されてい
るので、輪軸により良好に担持される。したがって、ハ
ブの軸方向外端部に加えられる上記外力により、ハブの
軸心が輪軸の軸心に対して偏角することは殆どなく、こ
のハブの軸方向内端部の偏角によりローターベースが偏
角することはほとんどなく、このため、ロータの偏角は
ほとんど生じない。

【００１２】更に説明すると、ロータとステータとの間
のギャップの縮小は、ロータが径方向に変位すること
（径方向変位）又はローターベースが径方向に対して偏
角（角度偏向）することによって生じる。本発明では、
スポークに加えられるこれら方向への外力を軸受けを介
して輪軸に保持される筒状のハブにより支承する。更
に、アウタロータ形式のモータの径大なロータを支承す
るローターベースをスポークに接することなく、スポー
クから軸方向に充分離れて固定する。

【００１３】一方、ハブの外周部にローターとスポーク
とを近接して固定する従来のアウタロータ形式のダイレ
クトドライブ型電動車輪では、スポークがハブの外周部
を各部の弾性変形などによりハブの内周端を支点として
径方向変位又は偏角させるので、ロータがハブの変位又
は偏角とほぼ等量だけ変位又は偏角するのに比べて、本
発明のアウタロータ形式のダイレクトドライブ型電動車
輪では、ロータの径方向変位又は偏角は格段に減少し、
これによりロータ／ステータ間のギャップの縮小又は拡
大を低減することができ、その結果として、ハブの大型
大重量化を回避し、モータ損失の低減を回避しつつ、ロ
ータとステータとの接触防止を実現することができる。

【００１４】更に、本実施例では、ギャップ変動を抑止
することができるので、それに起因するモータ出力の不
安定化を防止することもできる。なお、本構成におい
て、ローターベース及びハブは一体に形成されることが
でき、ローターベースも軸受けを通じて静止軸に回転自
在に支持されることができる。すなわち、ローターベー
ス及びそれに固定されるハブは、ロータを輪軸に回転自
在に保持するための部材であるが、本構成は、この部材
のロータ固定位置から径内方向かつ軸方向に離れる軸方
向外端部にスポークの径方向内端部を固定することによ
り、上記効果を奏するものである。

【００１５】請求項２記載の電動車輪では、アウタロー
タ形式のモータ構造を有するダイレクトドライブ型電動
車輪のロータ及びステータをローターベース及びステー
タベースを介して静止軸により片持ち支持しているの
で、電動車輪を軽量化することができる。また、両持ち
形式に比べて電動車輪の軸方向幅を縮小することができ
るので、車輪の両側のスポーク間に、これらスポークに
接触することなく収容することが容易となるという優れ
た効果を奏する。

【００１６】請求項３記載の電動車輪では、ステータベ
ースは車体フレームに固定され、第２ハブは、ステータ
ベースの外周面に回転自在に支承される構造を採用して
いるので、ステータに作用する電磁トルク、重量、振動
などの諸力の大部分を輪軸を経由することなく車体フレ
ームで直接負担させて輪軸の負担を軽減することができ
る。その結果、信頼性を損なうことなし大径の輪軸の採
用回避を実現し、それによる軽量化及びコスト低減を実
現することができ、更に、従来の人力自転車や人力車椅
子の車輪との交換を容易とすることができる。

【００１７】請求項４記載の電動車輪では、ロータの軸
方向両側に位置して輪軸に軸受けを介して支承される第
１ハブにローターベースの円盤部を固定するので、電動
車輪の総軸方向幅を増大することなくローターベースが
輪軸に対して傾くのを抑制することができる。請求項５
記載の電動車輪では、ステータベースが上記両軸受けの
軸方向中間において第１ハブを軸受けを通じて支承する
ので、第１ハブの軸方向中間部すなわちモータの内径部
において第１ハブを変位を抑止することができ、この結
果として輪軸が細くても第１ハブの変形、変位を良好に
抑止して、それによるローターベースを通じてのロータ
の変位を抑止することができる。更に、ローターベース
の変形、変位により第１ハブが変形、変位し、それによ
り第１ハブを軸受けを介して支承するステータベースが
変形、変位しても、このステータベースの変形、変位は
ローターベース及びそれに固定されるロータの変形、変
位と同方向となるので、上記ギャップの縮小を抑止する
ことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明のブラシレスＤＣモータを
有するダイレクトドライブ型電動車輪の好適な態様を以
下の実施例を参照して説明する。本実施例のダイレクト
ドライブ型電動車輪を電動自転車に適用した実施例を図
１を参照して説明する。

【００１９】車体フレーム１００の孔に嵌入されている
静止軸（輪軸）１は、軸受け２、３を介してアルミ合金
からなる円筒ドラム形状の第１ハブ４を回転自在に支持
している。第１ハブ４の軸方向略中央部にはアルミ合金
からなる浅底円筒形状のローターベース５が嵌着され、
ローターベース５は締結孔４０、５０に嵌められた図示
しないボルト（又はねじ）により第１ハブ４に固定され
ている。

【００２０】ローターベース５は、円盤部５１及びその
外周から軸方向左側へ延在する円筒部５２とからなり、
円筒部５２の内周面にはロータ７が圧入、固定されてお
り、ロータ７は、軟鋼からなる薄肉円筒形状のロータコ
ア７１と、ロータコア７１の内周面にその全周にわたっ
て貼着された稀土類元素を含む永久磁石シート７２とか
らなる。永久磁石シート７２の内周面は周方向に互いに
所定間隔を隔てて極性交互に磁化されている。

【００２１】輪軸１の図１中、左側には略フランジ状の
ステータベース８が嵌着されている。ステータベース８
は、円盤部８１と、円盤部８１の内周部から軸方向右側
へ延在する径小な第１基筒部８２と、円盤部８１の内周
部から軸方向左側へ延在する径小な第２基筒部８３とを
有している。第１基筒部８２の先端部は軸受け９を通じ
て第１ハブ４の軸方向中央部を回転自在に支承してお
り、円盤部８１の外周部の右端面には、穴８４に嵌入さ
れる図示しないボルト又はピンによりステータコア１０
が固定されている。ステータベース８の第２基筒部８３
の左端面には軸方向に孔８５が形成されており、車体フ
レーム１００の孔１０１及び孔８５に図示しないピンを
圧入することにより、ステータベース８が車体フレーム
１００に固定されている。

【００２２】ステータコア１０は電磁鋼板を積層してな
るリング形状を有しており、その外周側に形成されて永
久磁石シート７２に対面する多数の極歯（ティース）１
１にはそれぞれステータコイル１２が巻装されている。
周知のように、これらステータコア１０及びステータコ
イル１２により構成されるステータは上記ロータ７とと
もにブラシレスＤＣモータを構成している。また、この
ブラシレスＤＣモータは、ステータベース８に固定され
てロータ７の永久磁石シート７２の極性変化を検出する
磁極センサ（図示せず）を有している。

【００２３】更に、ステータベース８の第１基筒部８３
の外周にはリング状の第２ハブ６が軸受け１６を介して
回転自在に支承されており、第２ハブ６には小円盤形状
のスポーク取り付け部６１が径方向に突設されている。
同様に、第１ハブ４の軸方向右端部にも小円盤形状のス
ポーク取り付け部４１が径方向に突設されている。これ
ら両スポーク取り付け部４１、６１には、図示しないタ
イヤが装着された図示しないリムを支持するスポーク２
０１、２０２が取り付けられており、これらスポーク２
０１、２０２はローターベース５の筒部５２に接触しな
いように、斜めかつ直線的に狭幅のリム（図示せず）に
向かって延在している。

【００２４】その他、３００、３０１はそれぞれ静止軸
１に螺着される止めリングであり、３０２は第１ハブ４
に螺着される軸受け３のストッパリングであり、３０３
は軸受け２のストッパリングであり、８６はステータベ
ースに設けた軽量化のための孔部である。このブラシレ
スＤＣモータ自体の動作原理自体は周知でありその説明
を省略する。ステータコイルへの通電を所定タイミング
切り換えることにより、ロータ７に駆動トルクが生じ
て、ローターベース５が第１ハブ４、第２ハブ６ととも
に回転し、この回転トルクは第１ハブ４、スポーク２０
２を通じてリム（図示せず）に伝達され、タイヤが回転
する。

【００２５】以下、電動自転車用の電動車輪の特徴を説
明する。このアウタロータ形式のダイレクトドライブ型
電動車輪は、車輪の径内側にモータをもち、減速機構や
クラッチなどを介することなくタイヤを直接駆動するの
で、部品点数が少なく、摩擦損失も小さく、車輪交換に
より従来の人力自転車をトルク補助式電動自転車に変換
することが簡単となる。

【００２６】また、ロータ７及びステータをローターベ
ース５及びステータベース８を介して静止軸（輪軸）１
によりそれぞれ片持ち支持しているので軽量化、構造の
簡素化が実現し、更にステータベース８を車体フレーム
１００に固定しているので、ステータに作用する電磁ト
ルク、重量、振動などの諸力の大部分を輪軸１を経由す
ることなく車体フレーム１００で直接負担させることが
できるので、信頼性を損なうことなし静止軸１を径小、
軽量化することができ、従来の人力自転車や人力車椅子
の車輪との交換を容易とすることができる。

【００２７】また、スポーク２０１、２０２をローター
ベース５に接触しないように斜設するとともに、トルク
伝達用のスポーク２０２の内端部をローターベース５の
径方向内端部から軸方向に離れて径小な第１ハブ４に結
合しているので、タイヤやリムからスポーク２０２を通
じて第１ハブ４に伝達される振動や衝撃がローターベー
ス５に直接、掛かることがなく、それによるローターベ
ース５の変形を抑止することができる。また、第２ハブ
６がステータベース８の径小な第２基筒部８３に回転自
在に保持されるので、上記と同様、スポーク２０１がス
テータベース８に有害な変形モーメントを加えるのを抑
止することができる。これらの結果、ロータ７とステー
タコア１０とが接触することを抑止できる。

【００２８】また、スポーク取り付け部４１が軸方向変
形力に対して高弾性をもつので（弾性変形容易となって
いるので）、スポーク取り付け部４１に掛かる軸方向外
力成分はスポーク取り付け部４１の弾性変形により吸収
されてローターベース５の変形が抑止されることにな
り、ローターベース５に固定されるロータ７がステータ
に対して変形して上記ギャップが縮小するのを抑止する
ことができる。

【００２９】また、ロータ７の軸方向両側に位置して輪
軸１に軸受け２、３を介して両端支承される第１ハブ４
にローターベース５の円盤部５１を固定するので、電動
車輪の総軸方向幅を増大することなくローターベース５
が輪軸１に対して傾くのを良好に抑制することができ
る。更に、ステータベース８が両軸受け２、３の軸方向
中間において第１ハブ４を軸受け９を通じて支承するの
で、第１ハブ４の軸方向中間部すなわちモータの内径部
において第１ハブ４の変位を抑止することができ、この
結果として輪軸１が細くても第１ハブ４の変形、変位を
良好に抑止して、それによるローターベース５を通じて
のロータ７の変位を抑止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の電動車輪の軸方向断面図である。

【符号の説明】

１は静止軸（輪軸）、２、３は軸受け、４は第１ハブ、
５はローターベース、６は第２ハブ、７はロータ、８は
ステータベース、９は軸受け、１００は車体フレーム、
２０１、２０２はスポーク。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】車体フレームに固定される輪軸と、 ステータコイルが巻装されたステータコアを有するステ
   ータと、周方向極性交互に複数の永久磁石を有して前記
   ステータの外周側に配設されるロータとを備えるアウタ
   ロータ構造のダイレクトドライブ式モータと、 前記輪軸に回転可能に嵌着される円盤部と、前記円盤部
   から前記ロータを囲包する向きに延設されて前記ロータ
   が固定される筒部とを有するローターベースと、 前記輪軸に嵌着、支承される筒部と、内周部が前記筒部
   に固定されるとともに外周部が前記ステータコアに固定
   される円盤部とを有するステータベースと、 前記輪軸に回転自在に嵌着されて前記ローターベースの
   径方向内端部に固定される筒状の第１ハブと、 前記モータを挟んで前記第１ハブの軸方向反対側に位置
   して前記輪軸に回転自在に嵌着される第２ハブと、 タイヤが嵌着されるリムと前記両ハブを結合するスポー
   クとを備え、 前記スポークの内端部は、前記ローターベースに接する
   ことなくかつ、前記ローターベースの径方向内端部から
   軸方向外側へ所定距離離れて前記第１ハブに係止される
   ことを特徴とする電動車の電動車輪。
2. 【請求項２】請求項１記載の電動車の電動車輪におい
   て、 前記ローターベースの前記円盤部は、前記ローターベー
   スの前記筒部の軸方向一端側にのみ固定され、 前記ステータベースの円盤部は、内周部が前記筒部に固
   定されるとともに外周部が前記ステータコアの軸方向反
   ローターベース側の端部に固定されることを特徴とする
   電動車の電動車輪。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の電動車の電動車輪に
   おいて、 前記ステータベースは車体フレームに固定され、前記第
   ２ハブは、前記ステータベースの外周面に回転自在に支
   承されることを特徴とする電動車の電動車輪。
4. 【請求項４】請求項１乃至３記載の電動車の電動車輪に
   おいて、 前記第１ハブは、前記モータの軸方向両側に位置する一
   対の軸受けを介して前記輪軸に回転自在に支承されるこ
   とを特徴とする電動車の電動車輪。
5. 【請求項５】請求項４記載の電動車の電動車輪におい
   て、 前記ステータベースは、前記両軸受けの軸方向中間にお
   いて前記第１ハブを軸受けを通じて回転自在に支承する
   基筒部を有することを特徴とする電動車の電動車輪。