JP2014177265A - 駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 体格を小型化することの可能な駆動装置を提供する。
【解決手段】 駆動装置１は、車軸１０に固定されたモータハウジング２０の内側に、ステータ３１、ロータ４０及びロータシャフト４１を有するモータ３０を備える。ロータシャフト４１の回転は、第１減速機５１および第２減速機６０を経由し、モータハウジング２０に対して相対回転可能に設けられたハブ７０に伝わる。第１減速機５１は、ステータ３１に巻回されたコイル３４のコイルエンド３４１の径内側に設けられる。これにより、モータ３０のコイルエンド３４１の径内側の空間を利用し、コイルエンド３４１と第１減速機５１とが径方向に重なるように設けられるので、駆動装置１の軸方向の体格を小型化することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動自転車などに用いられる駆動装置に関する。

従来、電動自転車の車輪に取り付けられ、搭乗者によるペダルの踏込を補助する駆動装置、或いは、電動自転車を自走させる駆動装置が知られている。
特許文献１に記載の駆動装置は、電動自転車のフロントフォークに車軸が固定され、その車軸にモータが取り付けられている。モータは、車軸に固定されたステータに対し、ロータシャフトが回転可能に設けられている。このロータシャフトの回転は、第１減速機、第２減速機およびワンウェイクラッチを経由し、ハブに伝えられる。ハブの回転により電動自転車の車輪が回転する。

特開２０００−５３０６８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の駆動装置は、モータの外径と第１減速機の外径と第２減速機の外径とが略同一である。そして、モータの軸方向の一方に第１減速機と第２減速機とが並べて配置されているので、駆動装置の軸方向の体格が大型化している。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、体格を小型化することの可能な駆動装置を提供することを目的とする。

本発明は、モータの有するロータシャフトの回転を第１減速機および第２減速機を経由して回転体に伝える駆動装置において、モータのステータに巻回されたコイルのコイルエンドの径内側に第１減速機を設けたことを特徴とする。
これにより、モータのコイルエンドの径内側の空間を利用し、コイルエンドと第１減速機とが径方向に重なるように設けられるので、駆動装置の軸方向の体格を小型化することができる。
また、モータのステータコアおよびロータコアの軸方向の体格に変更を加えないので、モータと第１減速機とを径方向に重ねることがモータの出力トルクに影響を与えることなく、駆動装置の軸方向の体格を小型化することができる。
また、第２減速機は、第２リングギヤからその径外方向に位置する回転体に駆動力を伝達する。これにより、駆動装置の軸方向の体格を小型化することができる。

本発明の第１実施形態による駆動装置の断面図である。 図１のＩＩ部分の拡大図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。 本発明の第１実施形態による駆動装置の分解図である。 本発明の第１実施形態による駆動装置の分解図である。 本発明の第２実施形態による駆動装置の断面図である。

以下、本発明による実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図５に示す。本実施形態では、電動自転車の駆動源として用いられる駆動装置１について説明する。この駆動装置１は、電動自転車の車輪に取り付けられ、搭乗者によるペダルの踏力に応じた駆動力を出力する。

駆動装置１は、固定軸としての車軸１０、モータハウジング２０、モータ３０、減速機５０、回転体としてのハブ７０、及びワンウェイクラッチ８０などを備えている。
車軸１０は、同軸に設けられた第１車軸１１と第２車軸１２とから構成され、電動自転車の左右のフロントフォークに固定される。図１の紙面上側に記載した第１車軸１１は、軸部１３及びその軸部１３の端部から径外方向に延びる固定盤１４を有する。第１車軸１１の固定盤１４は、後述するモータハウジング２０にボルト１５により固定される。図１の紙面下側に記載した第２車軸１２は、モータハウジング２０にナット１６により固定される。

モータハウジング２０は、例えばアルミなどから形成され、有底筒状の第１ハウジング２１と、皿状の第２ハウジング２２とから構成される。第１ハウジング２１は第１車軸側の端面から軸方向に突出するブロック２１１が、第１車軸１１の固定盤１４にボルト１５により固定される。第１ハウジング２１は、モータ３０のステータ３１を覆うステータ保護部２３、およびそのステータ保護部２３の径内側でロータ側へ凹むロータ保護部２４を有する。
第２ハウジング２２の中央部に設けられた孔に第２車軸１２は挿入され、第２ハウジング２２と第２車軸１２とがナット１６により固定される。

モータ３０は、モータハウジング２０の内側に設けられた例えばブラシレスモータであり、ステータ３１、ロータ４０およびロータシャフト４１を有する。
ステータ３１は、環状のステータコア３２、絶縁体３３およびコイル３４などから構成される。
ステータコア３２は磁性体から形成され、第１ハウジング２１と第２ハウジング２２との間で、ステータ保護部２３の内側に通しボルト２５により固定される。
コイル３４は、ステータコア３２の有する図示しないスロットに絶縁体３３を介して巻き回される。ステータコア３２から軸方向に突出したコイル３４を、コイルエンド３４１と称する。
コイル３４は、コイルエンド３４１の第２車軸側に設けられたバスバー３５により、例えばＹ結線またはデルタ結線されている。

図１及び図２に示すように、ロータ４０は、ステータ３１の径内側でステータ３１に対して回転可能に設けられ、ロータコア４２、磁石４３及び接続部４４を有する。ロータコア４２は、磁性体から形成され、ステータコア３２の軸方向の厚さと同一の厚さに形成される。ロータコア４２に設けられた穴に複数の磁石４３が設けられる。この複数の磁石４３により、ロータコア４２の回転方向にＮ極とＳ極とが交互に形成される。接続部４４は、ロータコア４２とロータシャフト４１とを接続している。そのため、ロータシャフト４１は、ロータ４０と共に回転する。
ロータシャフト４１は、一端が軸受４５を介して第１ハウジング２１に回転可能に設けられ、他端が軸受４６を介して第２ハウジング２２に回転可能に設けられる。ロータシャフト４１は、減速機５０が設けられる第１車軸側から軸方向第２車軸側に凹む収容穴４７を有する。

ロータ４０の軸方向第２車軸側に設けられた円盤状の回路基板４８には、図示しない磁気センサが設けられている。この磁気センサにより、ロータ４０の回転方向の位置が検出される。ロータ４０の位置に応じて、第２ハウジング２２に取り付けられたハーネス３６からバスバー３５を通じてコイル３４に通電されると、ステータコア３２は、回転磁界を生じる。これにより、ロータ４０とロータシャフト４１は、ステータ３１に対して回転駆動する。

ロータシャフト４１の収容穴４７の内側に２個のワンウェイクラッチ８０が設けられる。ワンウェイクラッチ８０は、一方の側がロータシャフト４１に接続され、他方の側が後述する第１減速機５１の入力軸５５に接続されている。つまり、ロータシャフト４１とワンウェイクラッチ８０と入力軸５５とは、径方向に重なるように設けられている。
ワンウェイクラッチ８０は、例えばニードル型クラッチであり、軸方向に２個直列に配設されている。
ワンウェイクラッチ８０は、外輪８１およびローラ８２などを有する。外輪８１は、ロータシャフト４１の収容穴４７の内壁に圧入固定される。ローラ８２の内側に、第１減速機５１の入力軸５５が挿入される。

図３に示すように、ロータシャフト４１と外輪８１が、図３の矢印Ａに示す方向に回転すると、ローラ８２が破線Ｂの場所へ移動し、外輪８１の傾斜面８３と入力軸５５とを係合する。これにより、ロータシャフト４１の回転が入力軸５５に伝わる。
一方、入力軸５５が、図３の矢印Ｃに示す方向に回転すると、ローラ８２は図３の実線の状態になり、外輪８１の傾斜面８３と入力軸５５との係合を解除する。これにより、入力軸５５の回転がロータシャフト４１に伝わることが遮断される。
なお、図３に示すものは、ワンウェイクラッチ８０の一例である。

図１及び図２に示すように、第１ハウジング２１と第１車軸１１との間に減速機５０が設けられる。減速機５０は、第１減速機５１および第２減速機６０から構成される。
第１減速機５１は、第１ハウジング２１が有する凹状のロータ保護部２４の内側に設けられる。ロータ保護部２４は、ステータ３１のコイルエンド３４１の径内側に設けられる。つまり、第１減速機５１は、ステータ３１のコイルエンド３４１の径内側に、ロータ保護部２４を挟んで設けられる。
第１減速機５１は、例えば遊星歯車減速機であり、第１サンギヤ５２、第１遊星ギヤ５３、及び第１リングギヤ５４を有する。この第１減速機５１は、第１サンギヤ５２が入力、第１遊星ギヤ５３が出力、及び第１リングギヤ５４が固定である。
第１サンギヤ５２は、第１ハウジング２１のロータシャフト４１の回転が入力される入力軸５５に固定されるか、又は入力軸５５と一体に形成される。
第１リングギヤ５４は、径外側に突出する突起部５４２がロータ保護部２４に設けられた溝部２４１への嵌合し、ロータ保護部２４の径内側にねじ５６により固定される（図４及び図５参照）。

第１遊星ギヤ５３は、第１リングギヤ５４の内側に例えば３個設けられる。図２に示すように、それぞれの第１遊星ギヤ５３は、軸部材５３１、及びその軸部材５３１に軸受５３２を介して設けられたリング状の外歯５３３を有する。
第１遊星ギヤ５３の外歯５３３は、第１サンギヤ５２の外歯と、第１リングギヤ５４の内歯に噛合う。
第１遊星ギヤ５３の軸部材５３１は、第２車軸側の端部が下支持部材５７に固定され、第１車軸側の端部が上支持部材５８に固定されている。

下支持部材５７は、入力軸５５と第１ハウジング２１にそれぞれ軸受２６，２７を介して設けられる。
図１に示すように、上支持部材５８は、第１遊星ギヤ５３の軸部材５３１の端部が固定される回転盤５８１と、その回転盤５８１から第１車軸側へ延びる第２入力軸５８２を有する。第２入力軸５８２は、第１車軸１１に形成された凹部１７の内側に軸受１８を介して設けられる。
下支持部材５７と上支持部材５８とは、第１遊星ギヤ５３の軸部材５３１、およびビス５９により連結し、同時に回転する。
入力軸５５に固定された第１サンギヤ５２が回転すると、第１遊星ギヤ５３は自転すると共に第１サンギヤ５２の周りを公転する。この第１遊星ギヤ５３の公転は、入力軸５５の回転が減速されたものであり、上支持部材５８の第２入力軸５８２から第２減速機６０へ出力される。

第２減速機６０は、第１減速機５１の軸方向の反モータ側に設けられる。第２減速機６０の外径は、第１減速機５１の外径よりも大きい。
第２減速機６０も、例えば遊星歯車減速機であり、第２サンギヤ６１、第２遊星ギヤ６２、及び第２リングギヤ６３を有する。この第２減速機６０は、第２サンギヤ６１が入力、第２遊星ギヤ６２が固定、及び第２リングギヤ６３が出力である。
第２サンギヤ６１は、第１減速機５１の回転が入力される第２入力軸５８２に固定されるか、又は第２入力軸５８２と一体に形成される。
第２リングギヤ６３は、後述するハブ７０の径内側に、ねじ６４により固定される。

第２遊星ギヤ６２は、第２リングギヤ６３の内側に例えば３個設けられている。それぞれの第２遊星ギヤ６２は、軸部材６２１、及びその軸部材６２１に軸受６２２を介して設けられたリング状の外歯６２３を有する。
第２遊星ギヤ６２の外歯６２３は、第２サンギヤ６１の外歯と、第２リングギヤ６３の内歯に噛合う。
第２遊星ギヤ６２の軸部材６２１は、第２車軸側の端部が第１リングギヤ５４の孔５４１に固定され、第１車軸側の端部が第１車軸１１の固定盤１４に固定されている。なお、ロータ保護部２４の剛性が高ければ、第２遊星ギヤ６２の軸部材６２１の第２車軸側の端部は、ロータ保護部２４に固定してもよい。
第２入力軸５８２に固定された第２サンギヤ６１が回転すると、第２遊星ギヤ６２は自転し、第２リングギヤ６３を回転させる。この第２リングギヤ６３の回転は、第２入力軸５８２の回転が減速されたものである。第２リングギヤ６３の回転駆動力は、その径外方向に位置するハブ７０へ出力される。

ハブ７０は、筒状に形成され、モータハウジング２０及び減速機５０の外側に、モータハウジング２０及び減速機５０に対して相対回転可能に設けられる。
ハブ７０は、皿状の第１ハブ７１と、筒状の第２ハブ７２とから構成される。図１の紙面上側に記載した第１ハブ７１は、第１車軸１１に軸受７３を介して設けられ、図１の紙面下側に記載した第２ハブ７２は第２ハウジング２２に軸受７４を介して設けられる。第１ハブ７１と第２ハブ７２とはボルト７５により固定される。そのため、第２減速機６０の回転が、第２リングギヤ６３から第１ハブ７１へ出力されると、第１ハブ７１と第２ハブ７２とは一体で回転する。

ハブ７０は、フランジに設けられた穴７６に、図示しない電動自転車のスポークを接続可能である。その電動自転車のスポークは、リムを介してタイヤに連結する。これにより、モータ３０の回転は、ワンウェイクラッチ８０、減速機５０及びハブ７０を経由し、電動自転車の車輪を回転させる。
一方、電動自転車が前進するときの車輪の回転は、ワンウェイクラッチ８０により遮断され、モータ３０に伝わらない。

本実施形態では、次の作用効果を奏する。
（１）本実施形態では、モータ３０のコイルエンド３４１の径内側に第１減速機５１を設けている。
これにより、コイルエンド３４１と第１減速機５１とが径方向に重なるように設けられるので、駆動装置１の軸方向の体格を小型化することができる。
また、モータ３０のステータコア３２およびロータコア４２の軸方向の体格に変更を加えないので、モータ３０と第１減速機５１とを径方向に重ねることがモータ３０の出力トルクに影響を与えることなく、駆動装置１の軸方向の体格を小型化することができる。
さらに、複数の減速機を備えることにより、減速比を大きくすることが可能になる。そのため、モータ３０の出力トルクを小さくすることが可能となり、モータ３０を小型化することができる。

（２）本実施形態では、第２減速機６０は、第２サンギヤ６１の外歯に噛合う第２遊星ギヤ６２が自転し、その第２遊星６２ギヤの外歯に噛み合う第２リングギヤ６３が、その径外方向に位置するハブ７０に駆動力を伝達する。これにより、第２減速機６０の軸方向の体格を小さくすることが可能である。したがって、駆動装置１の軸方向の体格を小型化することができる。

（３）本実施形態では、第１減速機５１の外径は、第２減速機６０の外径よりも小さい。
第１減速機５１にはロータシャフト４１の回転が入力され、第２減速機６０には第１減速機５１の回転が入力される。そのため、第１減速機５１に作用するトルクは、第２減速機６０に作用するトルクよりも小さい。したがって、第１減速機５１の外径を小さくして、モータ３０のコイルエンド３４１の径内側に第１減速機５１を設け、駆動装置１の軸方向の体格を小型化することができる。

（４）本実施形態では、モータハウジング２０は、ステータ保護部２３と、そのステータ保護部２３の径内側でロータ側に凹み第１減速機５１を収容するロータ保護部２４とを有する。
第１減速機５１とモータ３０との間にモータハウジング２０を介在させることで、第１減速機側からモータ３０の中に異物が混入することを防ぐことができる。

（５）本実施形態では、第２遊星ギヤ６２の軸部材６２１は、一端が第１車軸１１の固定盤１４に固定され、他端が第１リングギヤ５４またはモータハウジング２０のロータ保護部２４に固定される。
これにより、第２遊星ギヤ６２の軸部材６２１を固定する部材を第１減速機５１と第２減速機６０との間に別途設けることなく、駆動装置１の軸方向の体格を小型化することができる。

（６）本実施形態では、駆動装置１は、入力軸５５とロータシャフト４１との間にワンウェイクラッチ８０を備える。
これにより、仮に第２減速機６０とハブ７０との間にワンウェイクラッチ８０を設けることに比べ、ワンウェイクラッチ８０に作用するトルクが小さいものとなる。したがって、ワンウェイクラッチ８０を小型化すると共に、駆動装置１の体格を小型化することができる。

（７）本実施形態では、第１減速機５１および第２減速機６０に遊星歯車減速機構を使用している。これにより、減速機の回転軸が軸ぶれすることなく、駆動装置１の振動を低減することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図６に示す。第２実施形態において、上述した第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
第２実施形態では、駆動装置１は、ロータシャフト４１の内側にワンウェイクラッチ８０を備えていない。ロータシャフト４１は、第１減速機５１の入力軸として第１サンギヤ５２と一体で構成されるか、又は、第１サンギヤ５２に固定される。

第２実施形態では、駆動装置１は、回転体としての第２ハブ７２と、第２減速機６０の第２リングギヤ６３との間に第２ワンウェイクラッチ８５を備えている。
第２ワンウェイクラッチ８５は、外輪８６およびローラ８７などを有する。第２ワンウェイクラッチ８５の外輪８６は、第２ハブ７２の内壁に圧入固定される。第２ワンウェイクラッチ８５のローラ８７の内側に、第２リングギヤ６３の径外方向の外壁が挿入される。なお、この形態は、第２ワンウェイクラッチ８５の一例を示すものである。
モータ３０の動力は、第１減速機５１、第２減速機６０、第２ワンウェイクラッチ８５及びハブ７０に伝達され、電動自転車の車輪を回転させる。
一方、電動自転車が前進するときの車輪の回転は、第２ワンウェイクラッチにより遮断され、第１減速機５１、第２減速機６０及びモータ３０に伝わらない。

第２実施形態では、次の作用効果を奏する。
（１）第２実施形態では、第２減速機６０の第２リングギヤ６３と第２ハブ７２との間に第２ワンウェイクラッチ８５が設けられる。
これにより、第１実施形態の備えるワンウェイクラッチ８０に比べて、第２ワンウェイクラッチ８５の回転数が小さくなる。そのため、第２ワンウェイクラッチ８５が有するロータ８７の摩耗などを低減することが可能である。したがって、経年変化に対する第２ワンウェイクラッチ８５の信頼性を高めることができる。

（２）第２実施形態では、電動自転車が前進するときの車輪の回転は、第２ワンウェイクラッチ８５により遮断され、第１減速機５１、第２減速機６０及びモータ３０に伝わらない。そのため、電動自転車の前進時に、第１減速機５１、第２減速機６０及びモータ３０の摺動抵抗などによるエネルギーロスを低減することができる。
また、仮に第１減速機５１または第２減速機６０のギヤがロックした場合でも、第２ワンウェイクラッチ８５によりハブ７０が回転可能であるので、電動自転車の搭乗者はペダルの踏込により車輪を回転することができる。

（他の実施形態）
上述した実施形態では、電動自転車の駆動源として使用される駆動装置について説明した。これに対し、他の実施形態では、駆動装置は、種々の駆動源として使用することが可能である。
上述した実施形態では、ブラシレスモータを用いた駆動装置について説明した。これに対し、他の実施形態では、駆動装置に用いるモータは、例えばブラシ付モータなど、種々のモータを用いることが可能である。

上述した実施形態では、遊星歯車減速機を用いた駆動装置について説明した。これに対し、他の実施形態では、駆動装置に用いる減速機は、例えばサイクロイド減速機など、種々の減速機を用いることが可能である。
上述した実施形態では、ニードル型のワンウェイクラッチを用いた駆動装置について説明した。これに対し、他の実施形態では、駆動装置に用いるワンウェイクラッチは、外輪またはローラの形状または個数を変更するか、または例えばカム式クラッチを使用する等、種々のワンウェイクラッチを用いることが可能である。
また、他の実施形態では、ワンウェイクラッチを廃止してもよい。この場合、ロータシャフトと入力軸とを一体にする。そうすることで、モータに回生充電機能を持たせることも可能になる。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１ ・・・駆動装置
１０ ・・・車軸（固定軸）
２０ ・・・モータハウジング
３０ ・・・モータ
３４ ・・・コイル
３４１・・・コイルエンド
４１ ・・・ロータシャフト
５１ ・・・第１減速機
６０ ・・・第２減速機
７０ ・・・ハブ（回転体）

Claims (5)

1. 固定軸（１０）と、
   前記固定軸に固定されたモータハウジング（２０）と、
   前記モータハウジングに固定されたステータ（３１）、そのステータに対して回転可能に設けられたロータ（４０）、及びそのロータと共に回転するロータシャフト（４１）を有するモータ（３０）と、
   前記モータハウジングに対して相対回転可能に設けられた筒状の回転体（７０）と、
   前記ステータに巻回されたコイル（３４）のコイルエンド（３４１）の径内側に設けられ、前記ロータシャフトの回転を減速した回転を出力する第１減速機（５１）と、
   前記第１減速機の反モータ側で第１減速機の外径よりも大きく形成され、前記第１減速機による回転を前記回転体へ出力する第２減速機（６０）と、を備え、
   前記第１減速機は、前記ロータシャフトの回転が入力される第１サンギヤ（５２）、その第１サンギヤの外歯に噛合って公転する第１遊星ギヤ（５３）、及びその第１遊星ギヤの外側で前記モータハウジングに固定され前記第１遊星ギヤの外歯に噛合う第１リングギヤ（５４）を有し、
   前記第２減速機は、前記第１遊星ギヤの公転により回転する第２サンギヤ（６１）、その第２サンギヤの外歯に噛合い自転する第２遊星ギヤ（６２）、及びその第２遊星ギヤの外側で前記第２遊星ギヤの自転により回転し、径外方向に位置する前記回転体に駆動力を伝達可能な第２リングギヤ（６３）を有することを特徴とする駆動装置。
2. 前記モータハウジングは、
   前記ステータおよび前記コイルエンドを覆うステータ保護部（２３）と、
   そのステータ保護部の径内側で前記ロータ側へ凹んで前記第１減速機を収容するロータ保護部（２４）と、を有することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記固定軸は、前記モータの反第２減速機側に設けられた第１車軸（１１）と前記第２減速機の反モータ側に設けられた第２車軸（１２）とから構成され、
   前記第２遊星ギヤの自転の軸となる軸部材（６２１）は、一端が前記第１車軸に固定され、他端が前記第１リングギヤまたは前記モータハウジングの前記ロータ保護部に固定されることを特徴とする請求項１または２に記載の駆動装置。
4. 前記第１サンギヤから延びる入力軸（５５）と前記ロータシャフトとの間にワンウェイクラッチ（８０）を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動装置。
5. 前記第２減速機の前記第２リングギヤと前記回転体との間に第２ワンウェイクラッチ（８５）を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動装置。

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