WO2010122634A1

WO2010122634A1 - 変速機能のある電動機

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Publication number: WO2010122634A1
Application number: PCT/JP2009/057885
Authority: WO
Inventors: 小川　裕之; 大輔友松; 村上　新
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2010-10-28
Also published as: JPWO2010122634A1; CN102308459A; JP5263388B2; US20120025644A1; EP2424081A4; EP2424081A1

Abstract

　エネルギ効率のよい状態で駆動でき、しかも全体としてコンパクトな構成の電動機を提供する。　ロータ５の回転数とそのロータ５から伝達されたトルクを出力する出力軸１３の回転数とを異ならせることのできる変速機能のある電動機１において、筒状のアウターケース６の内周面に取り付けられたステータコイル４と、そのステータコイル４の内周側に配置されかつステータコイル４で生じる磁気を受けてトルクを発生する筒状のロータ５と、そのロータ５の内周側に配置されかつそのロータ５に連結された入力部材３２の回転数とその入力部材３２からトルクを受けて回転しかつ前記出力軸１３に連結された出力部材３３の回転数との比率を無段階に変化させる無段変速機構３とを備えている。

Description

変速機能のある電動機

　この発明は、ロータと出力軸との回転数の比率を変化させることのできる変速機能を備えた電動機に関するものである。

　電動機の出力特性は、電動機の体格や種類などによって異なっており、これに対して電動機に対するニーズは種々である。そのため、例えば出力特性に対する要求は満たすものの、体格に対する要求を満たさないなどの場合があり、そこで従来では、ステータとロータとを内蔵させてあるアウターケースの内部に変速機構を収納し、ロータのトルクを変速比に応じて増減して出力軸から出力するように構成された電動機が開発されている。

　例えば、特開２００７－２６９１２９号公報には、ハブに取り付けられるホイールの内側にステータが同心円上に配置され、そのステータの内周側に円筒状のロータが回転自在に配置され、さらにそのロータの内周側に遊星歯車機構が同心円上に配置されているホイール回転装置が記載されている。そのロータは、その遊星歯車機構におけるサンギヤに連結され、またリングギヤはステータと一体のケースに取り付けられて固定されている。そして、キャリヤがハブに連結されている。したがって、遊星歯車機構は減速機構として機能し、その減速比は、遊星歯車機構のギヤ比（リングギヤの歯数とサンギヤの歯数との比）に応じて一義的に決まる値になる。

　また、特開平６－３２８９５０号公報には、ハイブリッド車におけるモータの内周側に遊星歯車機構とその遊星歯車機構を一体化させるクラッチとを配置した構成が記載されている。そのモータのステータはミッションハウジングの内周面に固定され、ロータはリングギヤに連結されている。またキャリヤは出力軸に連結されているとともに、クラッチは、サンギヤとキャリヤとを選択的に連結するように構成されている。したがって、変速比を二段に切り替えるように構成されている。

　さらに、特開２００８－７５８７８号公報には、回転可能な支持部材の外周側に、複数の球状の転動体が配置され、その転動体は、支持部材の回転中心軸線を含む平面内で傾くことのできる軸によって回転自在に支持された構成が記載されている。それらの転動体の外周側には、転動体を挟んで対向する駆動部材と被駆動部材とが配置されており、これらの駆動部材と被駆動部材とは、その軸線方向での端面を転動体の外周面に加圧接触させた状態で転動体を挟み付けている。したがって、転動体の回転中心となる前記軸が傾斜すると、駆動部材が接触している箇所の回転半径（前記軸からの距離）と被駆動部材が接触している箇所の回転半径（前記軸からの距離）が変化するので、それぞれの接触箇所の周速すなわち、駆動部材と被駆動部材との回転速度が変化し、その結果、変速比が連続的に、すなわち無段階に変化する。その駆動部材に対する動力の伝達は、駆動部材と同一の軸線上に駆動部材と一体に設けられたプーリを介して行うようになっている。

　特開２００７－２６９１２９号公報に記載された装置は、ロータの回転数とホイールの回転数との比率が、遊星歯車機構によって決まってしまう。そのため、モータによってホイールを直接駆動して走行する場合、車速によってはモータの回転数が効率の低い回転数にならざるを得ない場合があり、エネルギ効率を向上させるためには未だ改良の余地があった。

　また、特開平６－３２８９５０号公報に記載された装置では、変速比を二段に変化させることができるが、モータの回転数はそれらの変速比に応じた高回転数もしくは低回転数のいずれかに固定され、それらの中間の回転数あるいはそれらの回転数を下回り、もしくは上回る回転数を設定できない。したがって、結局は、上記の特開２００７－２６９１２９号公報に記載された装置と同様に、車速によってはモータの回転数が効率の悪い回転数にならざるを得ない場合があり、エネルギ効率を向上させるためには未だ改良の余地があった。さらに、特開２００８－７５８７８号公報に記載された変速機においては、プーリを介して動力源に連結することになるので、動力源を含む駆動装置全体の構成が大型化し、例えば車両に搭載する場合には車載性が悪くなる可能性がある。

　この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、エネルギ効率を向上させることができ、しかもコンパクトな電動機を提供することを目的とするものである。

　この発明は、ロータの回転数とそのロータから伝達されたトルクを出力する出力軸の回転数とを異ならせることのできる変速機能のある電動機において、筒状のアウターケースの内周面に取り付けられたステータコイルと、そのステータコイルの内周側に配置されかつステータコイルで生じる磁気を受けてトルクを発生する筒状のロータと、そのロータの内周側に配置されかつそのロータに連結された入力部材の回転数とその入力部材からトルクを受けて回転しかつ前記出力軸に連結された出力部材の回転数との比率を無段階に変化させる無段変速機構とを備えていることを特徴とするものである。

　この発明における前記無段変速機構は、回転中心軸線を傾斜させることができかつ外周面が滑らかな曲面に形成された転動体と、その転動体が外周面に接触した状態で外周側に配置された回転軸と、前記転動体をその回転中心軸線に沿う方向の両側から前記転動体を挟み付けた状態にて前記転動体の外周面にトルク伝達可能に接触する二つの回転体とを備え、かつ前記回転軸および二つの回転体のうちのいずれか一つが前記ロータに連結され、かつ他のいずれか一つが出力部材とされた構成とすることができる。

　また、この発明は、前記ロータに永久磁石が取り付けられ、前記二つの回転体が前記転動体の外周面のうち前記ロータ側の位置で前記転動体に接触しており、かつ前記転動体が前記永久磁石によってロータ側に吸引される磁性体を備えている構成とすることができる。

　あるいはこの発明は、前記ロータに永久磁石が取り付けられ、前記二つの回転体が前記転動体の外周面のうち前記ロータ側の位置で前記転動体に接触しており、かつ前記転動体が非磁性材によって形成されている構成とすることができる。

　また一方、この発明における前記アウターケースは、前記ステータコイルが内周面に取り付けられた円筒部と、その円筒部の軸線方向での一方の端部側に一体に形成された端板部とを備え、前記二つの回転体のうち前記端板部に近い一方の回転体が前記ロータに連結され、かつ前記出力軸は前記軸線方向で前記端板部とは反対方向に向けて突出するとともに前記二つの回転体のうちの他方の回転体に前記出力軸が連結されている構成とすることができる。

　またさらに、この発明に係る電動機は、前記ロータと前記いずれか一つの回転体との間に作用するトルクを軸線方向に向けた推力に変換して前記いずれか一つの回転体を前記転動体に向けて押圧するカム機構が、前記ロータと前記いずれか一つの回転体との間に設けられている構成とすることができる。

　そして、この発明は、前記出力部材とされる前記他のいずれか一つの回転体と前記出力軸との間に作用するトルクを軸線方向に向けた推力に変換して前記他のいずれか一つの回転体を前記転動体に向けて押圧する他のカム機構が、前記出力軸と前記他のいずれか一つの回転体との間に設けられている構成としてもよい。

　そしてまた、この発明の電動機は、前記回転軸を回転自在に支持しかつ前記出力軸の軸線方向に前後動可能な軸受部材と、前記転動体をその回転中心軸線に沿って貫通しかつ前記転動体を回転自在に支持している支持軸と、その支持軸の両端部に設けられるとともに前記軸受部材の軸線方向での両端部に向けて延びているアーム部と、前記軸受部材と前記アーム部とが点接触もしくは線接触するように前記軸受部材と前記アーム部との少なくともいずれか一方に形成された凸曲面とを備え、前記軸受部材が前記軸線方向に移動することにより前記軸受部材が前記アーム部を押圧して前記支持軸および前記転動体を傾けるように構成されていてもよい。

　この発明においては、ステータコイルに電流を流すことによりロータにトルクが発生し、ロータが回転する。そのロータと出力軸との間に無段変速機構が配置されており、その無段変速機構による変速比を適宜に変化させることにより、ロータの回転数がエネルギ効率の良好な回転数に設定される。また、その無段変速機構はロータの内周側に収容されており、したがってステータコイルおよびロータならびに無段変速機構が同心円上に配置された構成となる。したがって、この発明によれば、全体としての構成がコンパクトで、かつエネルギ効率の良好な電動機を得ることができる。

　また、転動体の回転中心軸線を傾転させることにより変速比を連続的に変化させるように構成した場合には、ロータの回転数をエネルギ効率の良好な回転数に調整する制御が容易になる。

　さらに、ロータに永久磁石を設け、かつ転動体が磁性材料を備えている場合には、ロータが転動体を磁気吸引することにより転動体と二つの回転体との接触圧力を増大させることができる。

　これとは反対に、ロータに永久磁石を設け、かつ転動体を非磁性材料で構成した場合には、転動体に対して磁気吸引力が作用しないので、いわゆるコギングトルクが発生することを防止できる。

　そして、この発明では、アウターケースを円筒状のケースとして構成することができ、その場合、軸線方向での一方の端部側に設けられた端板部を固定し、その端板部とは反対側に出力軸を突き出させることができる。したがって、電動機を固定して支持するための箇所として前記端板部を利用できるので、固定強度を確保できる。

　また一方、この発明では、ロータと出力部材との間でトルクを伝達する場合、ロータと前記いずれか一つの回転体との間、もしくは他のいずれか一つの回転体と出力部材との間にトルクが作用し、そのトルクがカム機構によって軸線方向に向けた推力に変換され、その推力によって転動体に対して少なくともいずれか一方の回転体が押し付けられる。その結果、転動体と回転体との間の接触圧力およびそれに伴う伝達トルク容量を確保することができる。

　そしてまた、この発明によれば、回転軸を回転自在に支持している軸受部材を軸線方向に移動させることにより転動体を傾転させて、ロータと出力部材との回転数の比率すなわち変速比を連続的に変化させることができる。

この発明に係る電動機の一例を示す縦断側面図である。その電動機の縦断正面図である。そのシフト軸およびシフトキーを示す正面図である。キャリヤの構造を説明するための縦断斜視図である。カム機構の一例を説明するための部分的な機構図である。傾転角度と変速比（速度比）との関係を示す線図である。インホイールモータとして用いた例を示す縦断斜視図である。ステータ軸の構造の他の例を示す部分図である。

　つぎにこの発明をより具体的に説明する。図１および図２はその発明に係る電動機１の一例を示しており、ここに示す電動機１は、モータ部２の内周部に無段変速機構３を配置して構成されている。そのモータ部２の構成について説明すると、モータ部２はステータコイル４とそのステータコイル４の内周側に配置されたロータ５とを備えている。ステータコイル４は鉄心に巻いた複数のコイルを円筒状に配置して構成され、アウターケース６における円筒部７の内周面に固定されている。アウターケース６は、底部のある筒状の部材であり、その底部に相当する板状の部分が端板部８であり、その円板状の端板部８の外周部に円筒部７が一体化されている。

　ロータ５は円筒状の部材であり、その外周部に複数の永久磁石（図示せず）が取り付けられている。したがって、モータ部２は永久磁石式同期電動機として構成されている。そのロータ５は前記円筒部７とほぼ同じ長さに設定されており、したがってロータ５はアウターケース６の内部に収納されている。ロータ５の軸線方向での両端部には内周側（中心側）に延びているフランジ部９，１０が設けられている。前記端板部８側のフランジ部９が相対的に短く、これに対してこれとは反対側すなわちアウターケース６の開口端側のフランジ部１０が相対的に長く形成されており、それぞれのフランジ部９，１０の内周部に軸受１１，１２が嵌合されている。すなわち、ロータ５はこれらの軸受１１，１２によって回転できるように支持されている。なお、一方の軸受１１は、前記端板部８の内面に形成された凸部の外周面に嵌合され、また他方の軸受１２は後述する出力軸１３の外周面に嵌合されている。

　つぎに無段変速機構３について説明する。前記端板部８の中心部には、アウターケース６を貫通して端板部８とは反対側に延びた固定軸であるステータ軸１４が設けられている。このステータ軸１４は前記円筒部７の中心軸線に一致して配置されており、その一端部は端板部８に一体化されている。ステータ軸１４を端板部８に一体化するための手段は適宜に選択することができ、焼嵌め、溶接、ネジ止めなどのいずれであってもよい。ステータ軸１４における端板部８側の端部から軸線方向での中間部を越えた程度の位置までの部分は中空に形成されている。またステータ軸１４の軸線方向での中間部には、所定長さの二本のスリット１５が形成されている。これらのスリット１５は、ステータ軸１４の中心軸線について対称となる位置に形成され、ステータ軸１４の外面から中空部にまで貫通している。

　さらに、ステータ軸１４の中心部に形成されている中空部には、シフト軸１６が挿入され、回転自在に支持されている。そのシフト軸１６の一端部は、ステータ軸１４における前記端板部８側の端部から突出しており、またシフト軸１６の中間部、より正確には前記スリット１５に対応する箇所には雄ネジ部１７が形成されており、その雄ネジ部１７にシフトキー１８が螺合している。図３にはシフト軸１６とシフトキー１８とを模式的に示してある。そのシフトキー１８は、前記雄ネジ部１７に螺合している円筒状の雌ネジ部１９と、その雌ネジ部１９から直径方向に突出した二つのキー部２０とを有する部材であり、そのキー部２０が前記スリット１５を貫通してステータ軸１４の外周側に突出している。すなわち、シフトキー１８を回転させることにより、シフトキー１８のキー部２０がステータ軸１４の軸線方向に沿って前後動するように構成されている。

　さらに、ステータ軸１４の外周部には、軸受部材２１が軸線方向に前後動できるように緩く嵌合させられている。この軸受部材２１は、その軸線方向での中間部が全周に亘って窪んだ形状を成し、かつ全体として環状の部材であり、直径方向で対称となる二箇所に前記キー部２０の先端部が嵌合している。したがって、軸受部材２１はキー部２０によって軸線方向に移動させられるように構成されている。

　軸受部材２１の窪み部における底部に近い箇所は断面が円弧状となる滑らかな凹曲面に形成されており、その凹曲面が軸受ボール２２を配置する軸受面となっている。そして、その軸受ボール２２によって回転自在に支持されたアイドルローラ２３が、軸受部材２１における中央部に配置されている。このアイドルローラ２３は円筒状の部材であって、内周面の左右両側の部分を前記軸受ボール２２に接触させることにより、軸受ボール２２および軸受部材２１によって回転自在に支持されている。したがって、そのアイドルローラ２３は軸受部材２１と共に軸線方向に前後動するように構成されている。

　上記のアイドルローラ２３の外周側には、この発明における転動体に相当する複数の遊星ボール２４が配置されている。この遊星ボール２４は、磁性体あるいは非磁性体のいずれによっても構成することができ、その形状は完全な球形が好ましいが、これ以外にラグビーボールのような断面が楕円形状をなすなど外周面が滑らかな曲面をなすものであってもよい。図２には八個の遊星ボール２４が示されているが、これらの各遊星ボール２４は互いに実質上、非接触となっている。好ましくは、各遊星ボール２４が回転した場合にそれぞれの遊星ボール２４の間で引き摺りトルクが生じないように所定の隙間が空いている。

　各遊星ボール２４はその中心を通って貫通する支持軸２５によって回転自在に支持されている。例えば、支持軸２５の外周面と遊星ボール２４との間に軸受が配置され、その軸受によって遊星ボール２４が回転できるようになっている。それらの支持軸２５は、図１に示すように前記ステータ軸１４と平行な方向に向けて配置され、より具体的には、ステータ軸１４の中心軸線を含む平面内に位置し、かつその平面内で、ステータ軸１４と平行な状態およびその平行状態から傾斜する状態に揺動（傾転）するように構成されている。

　支持軸２５の両端部は遊星ボール２４から突出しており、その突出した端部に傾転用アーム部２６が取り付けられている。その傾転用アーム部２６は、支持軸２５およびこれによって支持されている遊星ボール２４に傾転力を作用させるためのものであり、図に示す例では、各傾転用アーム部２６は、支持軸２５からステータ軸１４に向けて、すなわち半径方向で中心側に向けて延びており、それぞれの先端部（すなわち回転中心側の端部）は先細りになっている。そして、各支持軸２５に取り付けられている左右の傾転用アーム部２６は、前述した軸受部材２１を挟み付けるように軸受部材２１の左右の側面（外面）に接触している。すなわち、各傾転用アーム部２６の先端部における内側の側面は、ステータ軸１４側が外開きとなる傾斜面となっており、これに対して軸受部材２１の外側面は凸曲面２７に形成されている。したがって、各傾転用アーム部２６と軸受部材２１とが点接触もしくは線接触するように構成されている。このように傾転用アーム部２６の傾斜面と軸受部材２１の凸曲面２７との接触箇所においては、軸受部材２１が軸線方向に移動することによる荷重が、ステータ軸１４の斜め外側を向いた力として作用する。そのため、軸受部材２１が軸線方向に前後動することにより、支持軸２５およびこれによって支持された遊星ボール２４の回転中心軸線が、ステータ軸１４の回転中心軸線を通る平面内で傾斜するようになっている。

　上記の遊星ボール２４およびその中心部を貫通している支持軸２５ならびに各傾転用アーム部２６は、ステータ軸１４の軸線方向に移動しないように保持されている。その保持のためのキャリヤ２８が設けられている。このキャリヤ２８は、図１および図４に示すように、左右一対の円板部２９を複数本の連結軸３０によって連結して構成された籠状の部材であり、それぞれの円板部２９の互いに対向する面には、前述した傾転用アーム部２６とほぼ同じ幅で、かつ傾転用アーム部２６の数と同数の放射溝３１が、中心部から外周縁まで形成されている。そして、これらの放射溝３１の内部に各傾転用アーム部２６が、前述した傾転動作を行うことができるように配置されている。したがって、傾転用アーム部２６およびこれが取り付けられている支持軸２５ならびに支持軸２５によって支持された遊星ボール２４は、ステータ軸１４の回りには回転（公転）しないようになっている。

　キャリヤ２８は上記のように籠状に構成されていることにより、その外周側には開いており、したがって各遊星ボール２４はキャリヤ２８の外周側に幾分突出している。このようにキャリヤ２８の外周側に突出してる各遊星ボール２４の外周面にトルク伝達可能に接触した二つの回転体であるインプットディスク３２とアウトプットディスク３３とが設けられている。これらインプットディスク３２とアウトプットディスク３３とは、全体として環状を成す部材であって、遊星ボール２４を挟んで図１の左右両側に配置されている。そして、これらインプットディスク３２とアウトプットディスク３３とは、遊星ボール２４の外周面と同じ曲率の凹円弧面によって遊星ボール２４の外周面に接触している。

　インプットディスク３２は、前記ロータ５の内径より僅かに小さい外径であって、ロータ５と一体の相対的に短いフランジ部９に対向して配置されている。そして、そのフランジ部９とインプットディスク３２の背面との間にカム機構３４が設けられている。また、アウトプットディスク３３はこの発明における出力部材に相当し、遊星ボール２４を挟んでインプットディスク３２とは反対側に配置されている。そして、アウトプットディスク３３の背面側にカム機構３５が配置され、そのカム機構３５を介して出力軸１３に連結されている。

　すなわち、出力軸１３は中空軸であって二つの軸受３６を介して前記ステータ軸１４の外周側に嵌合され、かつ回転自在に支持されている。その出力軸１３の一方の端部はアウターケース６の外側に突出しており、これに対してアウターケース６の内部にある他方の端部には半径方向で外側に延びたフランジ部３７が一体に形成されている。そのフランジ部３７の外径はロータ５の内径より僅かに小さく、前述したインプットディスク３２やアウトプットディスク３３とほぼ同じ外径である。そのフランジ部３７の外周部には前述したキャリヤ２８の外周側を通ってアウトプットディスク３３に向けて延びた筒状部が設けられており、その筒状部の先端面とアウトプットディスク３３の背面との間にカム機構３５が配置されている。

　ここでカム機構３４，３５について説明すると、これらのカム機構３４，３５は、トルクに基づいて軸線方向の推力を生じさせるためのものであり、その原理的な構成を示せば図５のとおりである。すなわち、相互にトルク伝達するべき第１回転部材３８と第２回転部材３９とが同一軸線上に対向して配置されており、それらの回転部材３８，３９の互いに対向する面の少なくとも一方には、これらの回転部材３８，３９の間隔が次第に狭くなるように円周方向に向けて傾斜したカム面４０が形成されている。言い換えれば、少なくともいずれか一方の回転部材の厚さが円周方向で次第に厚くなっている。そして、これら相互の間隔が円周方向で次第に変化する各回転部材３８，３９の間に、カムローラ４１が挟み込まれている。

　したがって、カムローラ４１を挟み込んでいる箇所の間隔が狭くなる方向のトルクが各回転部材３８，３９の間に作用すると、各回転部材３８，３９がカムローラ４１を挟み付けて相互に一体化させるとともに、トルクおよびカム面４０の傾斜角度に応じて軸線方向の推力が生じる。これを簡単に説明すると、入力トルクをＴin、カムローラ４１の個数をｎ、カムローラ４１が設けられている箇所の各回転部材３８，３９での半径をｒとすると、カムローラ４１を挟み付けている箇所における円周方向（接線方向）の荷重Ｆtは、
　　Ｆt＝Ｔin／（ｎ・ｒ）
である。そして、カム面４０の傾斜角度（図５参照）をαとすると、軸線方向に作用する推力Ｆaは、
　　Ｆa＝Ｆt／ｔａｎ（α／２）
となる。

　したがって、ロータ５に所定のトルクが作用すると、そのトルクがカム機構３４を介してインプットディスク３２に伝達されると同時に、そのトルクに応じた軸線方向の推力が生じ、その推力によってインプットディスク３２が遊星ボール２４に押し付けられる。また、遊星ボール２４に接触しているアウトプットディスク３３にトルクが作用すると、そのトルクがカム機構３５を介して出力軸１３に伝達され、これと同時にそのトルクに応じた軸線方向の推力が生じ、その推力によってアウトプットディスク３３が遊星ボール２４に押し付けられる。このように、伝達するトルクに応じて各ディスク３２，３３が遊星ボール２４に押し付けられ、その推力と摩擦係数とに応じて伝達トルク容量が設定される。なお、出力軸１３におけるフランジ部３７とロータ５におけるフランジ部１０との間に、スラスト軸受４２が配置されている。

　上述した構成の電動機１は、制御された交流電流をステータコイル４に流すことにより、ロータ５にトルクが生じる。ロータ５は軸受１１，１２によって回転自在に支持されているから、トルクが作用することにより回転する。その場合、相対的に短いフランジ部（図１での右側のフランジ部）９とインプットディスク３２との間にカム機構３４が設けられているので、ロータ５とインプットディスク３２とがカム機構３４によって共に一体回転するように連結され、またロータ５のトルクに応じた軸線方向の推力が発生してインプットディスク３２が遊星ボール２４に対して押し付けられる。

　その結果、インプットディスク３２と遊星ボール２４との間の摩擦力によってインプットディスク３２から遊星ボール２４に対してトルクが伝達される。遊星ボール２４は、その中心を貫通する支持軸２５およびアイドルローラ２３によって回転自在に支持されているから、インプットディスク３２から伝達されるトルクによって自転する。なおその場合、アイドルローラ２３も回転する。遊星ボール２４にはアウトプットディスク３３も接触させられているので、遊星ボール２４とアウトプットディスク３３との間の摩擦力によって遊星ボール２４からアウトプットディスク３３にトルクが伝達される。

　このアウトプットディスク３３と出力軸１３におけるフランジ部３７との間に前述したカム機構３５が設けられているので、アウトプットディスク３３と出力軸１３とがカム機構３５によって共に一体回転するように連結され、またアウトプットディスク３３のトルクに応じた軸線方向の推力が発生してアウトプットディスク３３が遊星ボール２４に対して押し付けられ、その接触圧力に応じた伝達トルク容量が確保される。こうして、ロータ５のトルクは無段変速機構３を介して出力軸１３に伝達され、外部の所定の機器に対してその出力軸１３からトルクが出力される。

　上記のようにしてロータ５から出力軸１３に伝達されるトルクは、無段変速機構３における伝達トルク容量に応じたトルクとなり、その伝達トルク容量は主として、遊星ボール２４とインプットディスク３２およびアウトプットディスク３３との間の接触圧力によって決まる。したがって、前記遊星ボール２４を磁性体によって構成した場合には、ロータ５に設けられている永久磁石による吸引力が遊星ボール２４に作用し、その磁気吸引力によって遊星ボール２４がインプットディスク３２およびアウトプットディスク３３に押し付けられるので、その接触圧が増大し、無段変速機構３の伝達トルク容量を増大させることができる。これとは反対に遊星ボール２４を非磁性体によって構成した場合、遊星ボール２４に対して磁気吸引力が作用しないものの、遊星ボール２４や永久磁石が一定間隔で配置されていることにより両者の間隔が間欠的に変化することに起因するコギングトルクを回避することができる。

　出力軸１３に現れるトルクは、ロータ５のトルクを無段変速機構３による変速比に応じて増減したトルクとなる。その無段変速機構３における変速比は、支持軸２５と共に遊星ボール２４が傾転する傾転角度に応じたものとなる。すなわち、インプットディスク３２とアウトプットディスク３３との半径が同じである場合、支持軸２５がステータ軸１４と平行になっていれば、インプットディスク３２が接触している箇所の遊星ボール２４の回転半径（遊星ボール２４の回転中心からの半径）とアウトプットディスク３３が接触している箇所の遊星ボール２４の回転半径（遊星ボール２４の回転中心からの半径）とが同じになり、したがって変速比は「１」になる。

　これに対して支持軸２５が傾転すると、インプットディスク３２が接触している箇所の遊星ボール２４の回転半径とアウトプットディスク３３が接触している箇所の遊星ボール２４の回転半径とのいずれか一方が傾転角度に応じて増大し、かつ他方が傾転角度に応じて減少する。その結果、インプットディスク３２の回転数に対するアウトプットディスク３３の回転数が、上記の回転半径の変化に応じて変化し、結局、これらの回転数の比率である変速比が、傾転角度に応じて変化する。その状態を図６に線図で示してある。なお、図６はインプットディスク３２の回転数を「１」とした場合のアウトプットディスク３３の回転数を傾転角度毎にプロットし、各点を線で結んだものである。

　上記のように遊星ボール２４をその支持軸２５と共に傾転させる操作は、前述したシフト軸１６を図示しないモータやリンク機構などのシフト装置によって回転させることにより行う。すなわち、シフト軸１６が回転すると、その雄ネジ部１７に螺合しているシフトキー１８がネジの作用によって軸線方向に移動する。そのシフトキー１８は軸受部材２１に係合しているので、シフトキー１８と共に軸受部材２１が軸線方向に移動する。その軸受部材２１の左右の側面は凸曲面２７となっていてここに傾転用アーム部２６が点接触もしくは線接触しかつその傾転用アーム部２６は軸線方向に移動せずに傾くように保持されているので、軸受部材２１が軸線方向に移動して傾転用アーム部２６が押されることにより、その傾斜面と凸曲面２７との接触部で生じる斜め外側に向けた力で傾転用アーム部２６が傾く。すなわち、支持軸２５およびこれによって回転自在に支持されている遊星ボール２４が、傾転用アーム部２６と共に傾き、その傾転角度に応じた変速比が設定される。

　上記のように、この発明に係る電動機１は、ロータ５で発生したトルクを、無段階（連続的）に変化させることのできる変速比に応じて増減して出力軸１３から出力することができる。また、出力軸１３の回転数を一定とした場合にはロータ５の回転数を無段変速機構３の変速比に応じて適宜に設定できる。そのため、この発明に係る電動機１によれば、ロータ５の回転数を、特性線図などから求まるエネルギ効率のよい回転数に設定することが可能になる。また、電流を流すことによりトルクを発生するモータ部２およびそのトルクを増減する変速比を無段階に変化させることのできる無段変速機構３とを同心円上に配置し、単一のアウターケース６の内部に収容した構成とすることができるので、全体としての構成をコンパクト化することが容易である。

　この発明に係る電動機１は、上述した利点を生かして各種の用途に供することができる。例えば、車両のインホイールモータとして使用することができ、その一例を図７に模式的に示してある。図７において符号４３は車両のホイールを示し、そのホイール４３にはタイヤ４４が装着されている。また、ホイール４３の中心部には貫通孔が形成されており、その貫通孔に前記出力軸１３を嵌合させることにより、ホイール４３が電動機１の出力軸１３に取り付けられている。一方、その電動機１は図示しない車体に固定されている。具体的には、前述したアウターケース６における端板部８を車体の適宜の箇所に接合することにより、電動機１は車体に取り付けられる。このような構成とすることにより、車体に対する接合面積を広くすることができるので、電動機１の車体に対する固定強度を大きくすることができる。

　上述した電動機１は、アウターケース６の軸線方向での一端側が端板部８によって閉じられ、これとは反対側に出力軸１３が突き出ているから、出力軸１３からトルクを出力することにより出力軸１３やこれを内周側から支持しているステータ軸１４に曲げ荷重および剪断荷重が作用する。このような荷重に対して十分耐え得る構造とするために、ステータ軸１４を例えば図８に示す構造とすることが好ましい。この図８に示すステータ軸１４は、キャリヤ２８から突き出ている部分の外径ｄ1が、アウターケース６に固定されている端部側の外径ｄ2より大きく設定されている。また、その大径側の部分には、キャリヤ２８の側面に密着するフランジ部４５が形成されている。したがって、図８に示す構成とすれば、ステータ軸１４のうちキャリヤ２８から突出していて曲げ荷重の掛かる部分の外径が大きく、その剛性が高くなるので、ステータ軸１４の支持剛性を向上させることができる。

　なお、この発明は上述した具体例に限定されないのであり、モータ部は同期電動機以外の構造のものであってもよい。また、上述した具体例では、アイドルローラによって支持されている遊星ボールに接触している一方のディスクを入力部材とし、他方のディスクを出力部材として構成したが、上述した無段変速機構は、アイドルローラと二つのディスクとの合計三つの回転要素を備えたいわゆる三要素の変速機構であるから、これら三つの回転要素のいずれか一つをアイドラーとし、かつ他の二つの回転要素のいずれか一つを入力要素、他のいずれか一つを出力要素としてもよい。さらに、転動体に磁気吸引力を及ぼす構成とする場合、転動体自体を磁性体で構成する替わりに、転動体の外周部のみを磁性材料で構成するなど、一部に磁性体を備えた構成としてもよい。

Claims

　ロータの回転数とそのロータから伝達されたトルクを出力する出力軸の回転数とを異ならせることのできる変速機能のある電動機において、
　筒状のアウターケースの内周面に取り付けられたステータコイルと、
　そのステータコイルの内周側に配置されかつステータコイルで生じる磁気を受けてトルクを発生する筒状のロータと、
　そのロータの内周側に配置されかつそのロータに連結された入力部材の回転数とその入力部材からトルクを受けて回転しかつ前記出力軸に連結された出力部材の回転数との比率を無段階に変化させる無段変速機構と
を備えていることを特徴とする変速機能のある電動機。
　前記無段変速機構は、回転中心軸線を傾斜させることができかつ外周面が滑らかな曲面に形成された転動体と、その転動体が外周面に接触した状態で外周側に配置された回転軸と、前記転動体をその回転中心軸線に沿う方向の両側から前記転動体を挟み付けた状態にて前記転動体の外周面にトルク伝達可能に接触する二つの回転体とを備え、
　前記回転軸および二つの回転体のうちのいずれか一つが前記ロータに連結され、かつ他のいずれか一つが出力部材とされていることを特徴とする請求項１に記載の変速機能のある電動機。
　前記ロータに永久磁石が取り付けられ、
　前記二つの回転体が前記転動体の外周面のうち前記ロータ側の位置で前記転動体に接触しており、かつ
　前記転動体が前記永久磁石によってロータ側に吸引される磁性体を備えている
ことを特徴とする請求項２に記載の変速機能のある電動機。
　前記ロータに永久磁石が取り付けられ、
　前記二つの回転体が前記転動体の外周面のうち前記ロータ側の位置で前記転動体に接触しており、かつ
　前記転動体が非磁性材によって形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の変速機能のある電動機。
　前記アウターケースは、前記ステータコイルが内周面に取り付けられた円筒部と、その円筒部の軸線方向での一方の端部側に一体に形成された端板部とを備え、
　前記二つの回転体のうち前記端板部に近い一方の回転体が前記ロータに連結され、かつ前記出力軸は前記軸線方向で前記端板部とは反対方向に向けて突出するとともに前記二つの回転体のうちの他方の回転体に前記出力軸が連結されている
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の変速機能のある電動機。
　前記ロータと前記いずれか一つの回転体との間に作用するトルクを軸線方向に向けた推力に変換して前記いずれか一つの回転体を前記転動体に向けて押圧するカム機構が、前記ロータと前記いずれか一つの回転体との間に設けられていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の変速機能のある電動機。
　前記出力部材とされる前記他のいずれか一つの回転体と前記出力軸との間に作用するトルクを軸線方向に向けた推力に変換して前記他のいずれか一つの回転体を前記転動体に向けて押圧する他のカム機構が、前記出力軸と前記他のいずれか一つの回転体との間に設けられていることを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載の変速機能のある電動機。
　前記回転軸を回転自在に支持しかつ前記出力軸の軸線方向に前後動可能な軸受部材と、
　前記転動体をその回転中心軸線に沿って貫通しかつ前記転動体を回転自在に支持している支持軸と、
　その支持軸の両端部に設けられるとともに前記軸受部材の軸線方向での両端部に向けて延びているアーム部と、
　前記軸受部材と前記アーム部とが点接触もしくは線接触するように前記軸受部材と前記アーム部との少なくともいずれか一方に形成された凸曲面と
を備え、
　前記軸受部材が前記軸線方向に移動することにより前記軸受部材が前記アーム部を押圧して前記支持軸および前記転動体を傾けるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の変速機能のある電動機。