WO2013124892A1

WO2013124892A1 - 電動用ハブ装置および電動自転車

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Publication number: WO2013124892A1
Application number: PCT/JP2012/001178
Authority: WO
Inventors: 宏一郎鶴岡
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2013-08-29
Also published as: JPWO2013124892A1; EP2818393A4; EP2818393A1; CN104136314A; CN104136314B; EP2818393B1; JP5084977B1

Abstract

電動用ハブ装置は、ハブ軸２４，２５に対して回転自在なハブ体２６と、ハブ体２６を回転させるモータ２７とを有し、モータ２７は、回転軸３７を備えた回転体３２と、回転体３２を収容するハウジング３４とを有し、回転軸３７とハブ体２６とは減速機構４８を介して連動し、減速機構４８は、回転軸３７に形成された太陽歯車４９と、ハブ体２６内に設けられた円環状歯車５０と、太陽歯車４９と円環状歯車５０とに歯合する回転自在な遊星歯車５１とを有し、ハウジング３４に、ハブ軸２４，２５の軸心方向Ａにおいて内側に陥没する凹陥部４５が形成され、太陽歯車４９と円環状歯車５０と遊星歯車５１とが凹陥部４５に入り込んでいる。

Description

電動用ハブ装置および電動自転車

　本発明は、電動用ハブ装置、および電動用ハブ装置を備えた電動自転車に関する。

　従来、この種の電動用ハブ装置としては、図９に示すように、固定用の左右一対のハブ軸８１，８２と、両ハブ軸８１，８２に対して回転自在なハブ体８３と、ハブ体８３を回転させるモータ８４とを有するものがある。

　モータ８４はハブ体８３内に設けられ、モータ８４の回転軸８６とハブ体８３とは、ハブ体８３内に設けられた減速機構８７を介して連動している。減速機構８７は、回転軸８６に形成された太陽歯車８８と、ハブ体８３内に設けられた円環状歯車８９と、太陽歯車８８と円環状歯車８９とに歯合する複数の遊星歯車９０とを有している。

　減速機構８７は、ハブ軸８１，８２の軸心方向Ａにおいて、モータ８４に隣接して配置されている。

　このような電動用ハブ装置９３は電動自転車の前車輪９４に設けられ、両ハブ軸８１，８２が前ホーク９５の先端に連結されている。

　これによると、モータ８４が作動して回転軸８６が回転することにより、太陽歯車８８が回転し、各遊星歯車９０が支軸９２を中心に回転し、遊星歯車９０の回転により円環状歯車８９が回転し、円環状歯車８９と一体にハブ体８３が減速されてハブ軸８１，８２の軸心廻りに回転する。これにより、前車輪９４がモータ８４の補助動力によって回転駆動する。

　この際、モータ８４の回転軸８６の回転速度は減速機構８７によって減速されてハブ体８３に伝えられるため、ハブ体８３の回転速度はモータ８４の回転速度よりも低速になるが、モータ８４の回転軸８６の回転駆動力よりも大きな回転駆動力でハブ体８３を回転させることができる。

　尚、上記のような電動用ハブ装置９３は例えば下記特許文献１の日本国公開特許公報に記載されている。

特開２００６－９６０５９特開２００９－１２６２７

　しかしながら上記の従来形式では、図９に示すように、ハブ体８３は内部に減速機構８７を備えているため、軸心方向Ａにおけるハブ体８３の幅Ｗが拡大するといった問題がある。

　また、別の電動用ハブ装置として、減速機構８７を設けず、モータの回転を直接ハブ体に伝えるダイレクトドライブ方式の電動用ハブ装置がある。この方式の電動用ハブ装置では、大きな回転駆動力でハブ体を回転させるには、高出力のモータが必要となり、モータの外径が増大し、これに伴って、ハブ体の外径が増大するといった問題がある。

　本発明は、ハブ体を小型化することが可能な電動用ハブ装置および電動自転車を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本第１発明は、固定用のハブ軸と、ハブ軸に対して回転自在なハブ体と、ハブ体を回転させるモータとを有する電動用ハブ装置であって、
モータはハブ体内に設けられ、
モータは、回転軸を備えた回転体と、回転体を収容するハウジングとを有し、
モータの回転軸とハブ体とはハブ体内に設けられた減速機構を介して連動し、
減速機構は、回転軸に形成された太陽歯車と、ハブ体内に設けられた円環状歯車と、太陽歯車と円環状歯車とに歯合する回転自在な遊星歯車とを有し、
ハウジングに、ハブ軸の軸心方向において内側に陥没する凹陥部が形成され、
太陽歯車と円環状歯車と遊星歯車とが凹陥部に入り込んでいるものである。

　これによると、モータが作動して回転軸が回転することにより、太陽歯車と遊星歯車と円環状歯車とが回転し、円環状歯車の回転がハブ体に伝えられて、ハブ体が減速されてハブ軸の軸心廻りに回転する。

　この際、モータの回転軸の回転速度は減速機構で減速されてハブ体に伝えられるため、小型のモータを用いて、ハブ体を大きな回転駆動力で回転させることができる。これにより、モータの外径の大型化を阻止することができ、ハブ体の外径の増大を抑制することができる。

　また、太陽歯車と円環状歯車と遊星歯車とはモータのハウジングの凹陥部に入り込んでいるため、ハブ軸の軸心方向におけるハブ体の幅を縮小することができる。

　本第２発明における電動用ハブ装置は、ハウジングの凹陥部に支持部材が取り付けられ、
遊星歯車は、凹陥部内において、ハウジングと支持部材とで回転自在に支持されているものである。

　本第３発明における電動用ハブ装置は、円環状歯車は、支持部材の径方向外側に配置されており、軸受けを介して支持部材に回転自在に支持されているものである。

　これによると、モータが作動して回転軸が回転することにより、太陽歯車と遊星歯車とが回転し、円環状歯車が軸受けを介して支持部材に支持された状態で回転し、円環状歯車の回転がハブ体に伝えられ、ハブ体が減速されてハブ軸の軸心廻りに回転する。

　円環状歯車は、支持部材の径方向外側に配置されており、軸受けを介して支持部材に支持されているので、支持部材と円環状歯車とを足し合わせた寸法がハブ軸の軸心方向において縮小され、これに応じて、ハブ体の幅が縮小される。

　本第４発明における電動用ハブ装置は、回転体は、円環形状のロータと、ロータを支持するロータホルダーとからなり、
ハウジング内にステータが収容され、
ハウジングの凹陥部がロータの内側へ入り込んでいるものである。

　これによると、モータと減速機構とを足し合わせた寸法がハブ軸の軸心方向において縮小されるため、これに応じて、ハブ体の幅が縮小される。

　本第５発明における電動用ハブ装置は、太陽歯車と遊星歯車と内歯歯車とは径方向における一直線上に配置されているものである。

　これによると、ハブ体の幅がさらに縮小される。

　本第６発明は、上記第１発明から第５発明のいずれか１項に記載の電動用ハブ装置を備えた電動自転車であって、
車輪に電動用ハブ装置が備えられているものである。

　本第７発明における電動自転車は、フリーホイールが、ハブ体の一側外方において、ハブ軸に外嵌され、
フリーホイールは複数のスプロケットを有するものである。

　これによると、ハブ体の幅を縮小することができるため、フリーホイールのスプロケットの枚数を増やすことができ、優れた多段変速機能を有する電動自転車が得られる。

　以上のように本発明によると、ハブ体の外径の増大を抑制することができるとともに、軸心方向におけるハブ体の幅を縮小することができるため、ハブ体を小型軽量化することができる。

本発明の実施の形態における電動用ハブ装置を備えた電動自転車の側面図同、電動自転車の後車輪の電動用ハブ装置部分の拡大側面図同、電動用ハブ装置の断面図同、電動用ハブ装置の一部拡大断面図同、電動用ハブ装置のモータの斜視図同、電動用ハブ装置の減速機構を軸心方向から見た図同、電動用ハブ装置の内歯歯車と支持部材との断面図同、電動用ハブ装置の内歯歯車と支持部材との分解斜視図従来の電動用ハブ装置の断面図

　以下、本発明における実施の形態を、図面を参照して説明する。

　図１に示すように、１は電動自転車であり、フレーム２と、フレーム２に設けられた前および後車輪３，４と、ペダル５と、チェーン６と、外装変速装置７等を有している。フレーム２はチェーンステー１０とバックホーク１１とを有し、チェーンステー１０の後端には後づめ１２（図２参照）が設けられており、後づめ１２には溝が形成されている。また、外装変速装置７はリヤディレーラー１４と多段のフリーホイール１５とを有している。後車輪４は、電動用ハブ装置２０と、複数本のスポーク２１と、リム２２と、タイヤ２３とを有している。

　図３に示すように、電動用ハブ装置２０は、左右一対の固定用のハブ軸２４，２５と、両ハブ軸２４，２５に対して回転自在なハブ体２６と、ハブ体２６を回転させるモールドモータ２７とを有している。

　ハブ体２６は、ハブ軸２４，２５の軸心方向Ａにおける一端部に開口部２９を有する円筒状の胴部材３０と、胴部材３０の他端部を閉じる円盤状のカバー部材３１と、カバー部材３１に連結された筒状のスリーブ４３とを有している。尚、スリーブ４３の外周は、先端部側が六角形状であり、基端部側が円形状である。

　図３，図４に示すように、モールドモータ２７は、ハブ体２６の内部に配設されており、回転体３２とステータ３３とハウジング３４とを有するブラシレスモータである。回転体３２は、円環形状のロータ３５と、ロータ３５を支持するロータホルダー３６とを有している。ロータホルダー３６の中央部にはモールドモータ２７の回転軸３７が貫通している。回転軸３７はロータホルダー３６に一体的に備えられ、ロータ３５とロータホルダー３６と回転軸３７とは一体に回転する。

　回転体３２とステータ３３とはハウジング３４内に収容されている。ステータ３３は、ロータ３５の外周を取り囲むように配置された円環状の部材であり、ハウジング３４内に固定されている。尚、回転軸３７は両ハブ軸２４，２５間に位置し、これら各軸２４，２５，３７は同一軸心上に配置されている。

　図３に示すように、ハブ体２６の胴部材３０の一端部は、軸受け４１を介して、ハウジング３４に回転自在に支持されている。また、一方のハブ軸２４はハウジング３４に固定されて設けられている。さらに、他方のハブ軸２５は、スリーブ４３に挿入されて、ハブ体２６の外部から内部へ突入している。

　図３～図５に示すように、ハウジング３４の中央部には、ハブ軸２４，２５の軸心方向Ａにおいて内側に陥没する凹陥部４５が形成されている。凹陥部４５は、軸心方向Ａから見て円形に陥没しており、ロータ３５の内側へ入り込んでいる。尚、凹陥部４５の外径はロータ３５の内径よりも僅かに小さい。

　図３，図４，図６に示すように、ハブ体２６内には減速機構４８が設けられ、モールドモータ２７の回転軸３７とハブ体２６とは減速機構４８を介して連動する。減速機構４８は、回転軸３７の端部に形成された太陽歯車４９と、円環状の内歯歯車５０（円環状歯車の一例）と、太陽歯車４９と内歯歯車５０とに歯合する回転自在な複数の遊星歯車５１とを有している。

　太陽歯車４９は凹陥部４５に入り込んでいる。

　また、各遊星歯車５１は、凹陥部４５に入り込んでおり、ハウジング３４と支持部材５２とで回転自在に支持されている。すなわち、遊星歯車５１は、歯車本体５１ａと、歯車本体５１ａに挿通される支軸５１ｂとを有している。各歯車本体５１ａはそれぞれ、各支軸５１ｂに一個ずつ、回転自在に支持されている。支軸５１ｂの一端は凹陥部４５の底部４５ａに支持され、支軸５１ｂの他端は支持部材５２で支持されている。

　図４，図７，図８に示すように、支持部材５２は、円筒状のボス部５２ａと、ボス部５２ａの周囲に設けられた複数の脚部５２ｂとを有している。支持部材５２は複数本のねじ５３により凹陥部４５の底部４５ａに連結固定されている。尚、支持部材５２のボス部５２ａの内周とハブ体２６のカバー部材３１との間には軸受け５４が設けられている。

　尚、遊星歯車５１は、支軸５１ｂを中心に自転はするが、太陽歯車４９の周囲を公転はしない。

　内歯歯車５０は、ハブ軸２４，２５の軸心を中心にして回転自在であって、支持部材５２の径方向外側に配置されており、軸受け５６を介して支持部材５２に支持されている。内歯歯車５０は、内周に複数の歯を形成した円筒体５０ａと、円筒体５０ａの一端から径方向外側へ突出する円環状の外側円板体５０ｂと、円筒体５０ａの一端から径方向内側へ突出する円環状の内側円板体５０ｃとを有している。内側円板体５０ｃは複数のねじ５５により円筒体５０ａに取付けられている。

　尚、内側円板体５０ｃは支持部材５２のボス部５２ａに外嵌されており、軸受け５６は内側円板体５０ｃの内周部とボス部５２ａの外周部との間に介装されている。図４に示すように、内歯歯車５０の円筒体５０ａはハウジング３４の凹陥部４５に入り込んでおり、遊星歯車５１は太陽歯車４９と円筒体５０ａの内周の歯とに歯合している。

　また、太陽歯車４９と遊星歯車５１と内歯歯車５０の円筒体５０ａとは径方向における一直線Ｌ上に配置されている。

　図３，図４に示すように、ハブ体２６の内部には、内歯歯車５０の回転をハブ体２６に伝達するがハブ体２６の回転を内歯歯車５０に伝達しない第１のワンウェイクラッチ５８が設けられている。第１のワンウェイクラッチ５８は、ラチェット式であり、円環状のラチェットギア５９と、ラチェットギア５９に係脱自在な複数のラチェット爪６０とを有している。ラチェットギア５９はねじ６１によりハブ体２６のカバー部材３１の内側に取付けられている。また、ラチェット爪６０は、内歯歯車５０の外側円板体５０ｂの外周部に設けられており、内歯歯車５０がカバー部材３１に対して一方向へ相対的に回転する場合、ラチェットギア５９に噛み合い、内歯歯車５０がカバー部材３１に対して他方向へ相対的に回転する場合、ラチェットギア５９から離脱する。

　図３に示すように、フリーホイール１５は、ハブ体２６の一側外方において、他方のハブ軸２５に回転自在に外嵌されている。フリーホイール１５は、複数枚のスプロケット６３を備えた円筒状のアウターボディ６４と、アウターボディ６４の内部に設けられた筒状のインナーボディ６５と、アウターボディ６４とインナーボディ６５との間に設けられた第２のワンウェイクラッチ６６とを有している。第２のワンウェイクラッチ６６は、スプロケット６３の回転をハブ体２６に伝達するがハブ体２６の回転をスプロケット６３に伝達しない機能を備えている。

　尚、筒状のインナーボディ６５の外周は円形状であり、内周は六角形状に形成されている。インナーボディ６５は、スリーブ４３の先端部側すなわち六角形状に形成されている部分に外嵌されている。これにより、インナーボディ６５とスリーブ４３とは周方向（回転方向）において互いに係合している。

　図２，図３に示すように、ハブ体２６の外周部には、後車輪４の各スポーク２１の先端が接続されている。両ハブ軸２４，２５はそれぞれ両チェーンステー１０の後づめ１２の溝に挿入されている。両ハブ軸２４，２５にそれぞれナット６７を螺合することにより、電動用ハブ装置２０と共に後車輪４が両チェーンステー１０間に取り付けられる。

　図１に示すように、電動自転車１には、モールドモータ２７に電力を供給するバッテリー８と、ペダル５に作用する踏力を検出する検出装置１７と、検出装置１７で検出された踏力に応じてモールドモータ２７の駆動を制御する制御装置１８とが設けられている。

　以下、上記構成における作用を説明する。

　利用者が電動自転車１を走行させているとき、ペダル５に作用する踏力は、検出装置１７により検出されると共に、チェーン６を介してフリーホイール１５に伝達され、フリーホイール１５が回転する。この際、図３に示すように、第２のワンウェイクラッチ６６を介してアウターボディ６４とインナーボディ６５とが繋がり、フリーホイール１５の回転はアウターボディ６４から第２のワンウェイクラッチ６６を介してインナーボディ６５に伝達され、インナーボディ６５とスリーブ４３とカバー部材３１と胴部材３０とが一体的に回転し、これにより、ハブ体２６が軸心６８を中心に回転する。

　この際、検出装置１７で検出された踏力が閾値未満であると、制御装置１８はモールドモータ２７を停止する。この場合、ハブ体２６と一体に第１のワンウェイクラッチ５８のラチェットギア５９が一方向に回転するが、ラチェット爪６０がラチェットギア５９から離脱するため、ハブ体２６と内歯歯車５０との間が第１のワンウェイクラッチ５８によって切断される。これにより、ハブ体２６の回転がモールドモータ２７に伝達されるのを防止することができ、モールドモータ２７は停止状態に保たれ、後車輪４はペダル７に作用する踏力のみによって回転駆動される。

　また、検出装置１７で検出された踏力が閾値以上になると、制御装置１８はモールドモータ２７を駆動する。これにより、ロータ３５と共にロータホルダー３６と回転軸３７とが回転し、回転軸３７の太陽歯車４９が回転し、各遊星歯車５１が回転し、遊星歯車５１の回転により、内歯歯車５０が軸受け５６を介して支持部材５２に支持された状態で回転する。

　この際、ラチェット爪６０がラチェットギア５９に噛み合って、内歯歯車５０とハブ体２６との間が第１のワンウェイクラッチ５８によって繋がり、内歯歯車５０の回転がハブ体２６に伝達される。これにより、後車輪４は、ペダル７に作用する踏力とこの踏力に応じて出力されるモールドモータ２７の回転駆動力（補助動力）とによって、回転駆動される。

　この際、モールドモータ２７の回転軸３７の回転速度は減速機構４８で減速されてハブ体２６に伝えられるため、小型のモールドモータ２７を用いて、ハブ体２６を大きな回転駆動力で回転させることができる。これにより、モールドモータ２７の外径の大型化を阻止することができ、ハブ体２６の外径の増大を抑制することができる。

　また、図３～図６に示すように、太陽歯車４９と遊星歯車５１と内歯歯車５０の円筒体５０ａとはハウジング３４の凹陥部４５に入り込んでいるため、軸心方向Ａにおけるハブ体２６の幅Ｗを縮小することができる。

　また、凹陥部４５がロータ３５の内側へ入り込んでいるため、モールドモータ２７と減速機構４８とを足し合わせた寸法が軸心方向Ａにおいて縮小され、これに応じて、ハブ体２６の幅Ｗがさらに縮小される。

　また、図７に示すように、内歯歯車５０は、支持部材５２の径方向外側に配置されており、軸受け５６を介して支持部材５２に支持されているので、支持部材５２と内歯歯車５０とを足し合わせた寸法Ｂが軸心方向Ａにおいて縮小され、これに応じて、ハブ体２６の幅Ｗがさらに縮小される。

　また、図４に示すように、太陽歯車４９と遊星歯車５１と内歯歯車５０の円筒体５０ａとは径方向における一直線Ｌ上に配置されているので、ハブ体２６の幅Ｗがさらに縮小される。

　上記のようにハブ体２６の幅Ｗを縮小することができるため、ハブ体２６を小型軽量化することができると共に、フリーホイール１５のスプロケット６３の枚数を増やすことができ、優れた多段変速機能を有する電動自転車１が得られる。

　また、ペダル５を漕がずに止めたままの状態で、下り坂を惰性で走行している場合、図３に示すように、後車輪４と共にハブ体２６とインナーボディ６５とが回転する。この際、第２のワンウェイクラッチ６６を介してアウターボディ６４とインナーボディ６５とが切断されるため、インナーボディ６５の回転はアウターボディ６４に伝達されない。これにより、ハブ体２６の回転がフリーホイール１５のスプロケット６３に伝達されず、チェーン６やペダル５が回転することはない。

　上記実施の形態では、電動用ハブ装置２０を、後車輪４に設けているが、前車輪３に設けてもよい。この場合、前車輪３がモールドモータ２７により回転駆動される。

　上記実施の形態では、モータ２７の一例としてブラシレスモータを用いているが、ブラシレスモータ以外の形式のモータであってもよい。また、モールドモータ２７に限定されることはなく、モールドモータ以外の形式のモータであってもよい。

　上記実施の形態では、第１のワンウェイクラッチ５８を設けたが、第１のワンウェイクラッチ５８を設けなくてもよい。この場合、内歯歯車５０はハブ体２６のカバー部材３１の内側に取付けられ、例えば電動自転車１が下り坂を惰性で走行している際、後車輪４の回転が減速機構４８を介してモールドモータ２７の回転軸３７に伝達されるため、モールドモータ２７の回転軸３７が回転し、電力を回生することができる。

Claims

固定用のハブ軸と、ハブ軸に対して回転自在なハブ体と、ハブ体を回転させるモータとを有する電動用ハブ装置であって、
モータはハブ体内に設けられ、
モータは、回転軸を備えた回転体と、回転体を収容するハウジングとを有し、
モータの回転軸とハブ体とはハブ体内に設けられた減速機構を介して連動し、
減速機構は、回転軸に形成された太陽歯車と、ハブ体内に設けられた円環状歯車と、太陽歯車と円環状歯車とに歯合する回転自在な遊星歯車とを有し、
ハウジングに、ハブ軸の軸心方向において内側に陥没する凹陥部が形成され、
太陽歯車と円環状歯車と遊星歯車とが凹陥部に入り込んでいることを特徴とする電動用ハブ装置。
ハウジングの凹陥部に支持部材が取り付けられ、
遊星歯車は、凹陥部内において、ハウジングと支持部材とで回転自在に支持されていることを特徴とする請求項１記載の電動用ハブ装置。
円環状歯車は、支持部材の径方向外側に配置されており、軸受けを介して支持部材に回転自在に支持されていることを特徴とする請求項２に記載の電動用ハブ装置。
回転体は、円環形状のロータと、ロータを支持するロータホルダーとからなり、
ハウジング内にステータが収容され、
ハウジングの凹陥部がロータの内側へ入り込んでいることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動用ハブ装置。
太陽歯車と遊星歯車と内歯歯車とは径方向における一直線上に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電動用ハブ装置。
上記請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電動用ハブ装置を備えた電動自転車であって、
車輪に電動用ハブ装置が備えられていることを特徴とする電動自転車。
フリーホイールが、ハブ体の一側外方において、ハブ軸に外嵌され、
フリーホイールは複数のスプロケットを有することを特徴とする請求項６記載の電動自転車。