(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輪の車軸に回転自在に支持させたハブ内の車幅方向の一端部に駆動用モータを配設し、他端部に遊星減速機を配設した電動自転車用モータ駆動ユニットであって、
前記モータを、モータハウジングの軸心部に固定したステータの周囲をロータの磁極部が回転し出力軸が軸心部に位置する構造とし、
前記遊星減速機を、前記モータの出力軸の回転が太陽歯車から遊星歯車およびハブに接続された外周歯車を介してハブに伝達される構造とし、
前記モータハウジングと、遊星減速機の遊星歯車支持用キャリアとを互いに結合してなる組立体によって前記車軸を構成し、
前記モータハウジングにおけるステータを支持する軸心部を、モータハウジング内に延在してその外周にステータを固定したアルミニウム合金よりなる円筒部と、この円筒部に嵌合する車体フレーム連結用の鋼材よりなる連結部材とから形成し、
前記出力軸は前記円筒部内に軸受を介して支持されていることを特徴とする電動自転車用モータ駆動ユニット。
【請求項２】
請求項１記載の電動自転車用モータ駆動ユニットにおいて、モータをブラシレスＤＣモータによって構成し、モータハウジングにおける車幅方向の一端部で径方向に延在する側壁に、モータコントローラ用の電子部品を接触させたことを特徴とする電動自転車用モータ駆動ユニット。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の電動自転車用モータ駆動ユニットにおいて、ハブの内面にフィンを多数設けたことを特徴とする電動自転車用モータ駆動ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車輪のハブ内にモータを装備した電動自転車用モータ駆動ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車軸の近傍にモータを配設した電動自転車用モータ駆動ユニットとしては、例えば特開平９−３９８７２号公報に開示されたものがある。この公報に示されたモータ駆動ユニットは、モータと遊星歯車減速機とを車幅方向に並べ、車体フレームに固定した１本の車軸に同軸状になるように支持させており、モータの出力軸の回転を遊星歯車減速機で減速してハブに伝達する構造を採っている。前記ハブは、遊星歯車機構の周囲を覆う形状に形成し、車軸に回転自在に支持させている。このハブの側方にモータを配設している。
【０００３】
前記モータは、ハウジングを車体フレームに固定し、車軸を貫通させるために筒状に形成した出力軸を遊星歯車減速機に向けて突出させている。
前記遊星歯車減速機は、遊星歯車機構を車幅方向に２個直列に並べた構造を採っている。すなわち、モータ側に位置する遊星歯車機構の太陽歯車がモータの出力軸とともに回転し、この太陽歯車の回転が他方の遊星歯車機構の外周歯車に減速されて伝達される構成を採っている。前記外周歯車にハブを接続しており、ハブがモータの動力で回転する構造を採っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、上述したように構成した従来の電動自転車用モータ駆動ユニットは、車体フレームに固定する両端部の間にモータとハブとを車幅方向に並ぶように配設しているため、ハブの車幅方向の長さが短くなり、スポークを接続する二つのフランジの間隔が狭くなって車輪の剛性が低くなるという問題があった。
【０００５】
発明者らは、ハブの内側にモータを収容してハブを車幅方向に長く形成し、上述した従来のモータ駆動ユニットの不具合を解消することを考えている。
しかしながら、ハブの内側にモータを収容すると、モータの周囲がハブによって囲まれてしまうことから、モータの放熱性が悪くなるという新たな問題が生じた。
さらに、コンパクト化の要求の下にモータのサイズは小さいことが必要とされ、その定格以上の過負荷で使われることから、その発生する熱の対策が重要になってきた。
【０００６】
本発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、ハブ内にモータを収容する構造を採りながら、モータの放熱性を高くすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために本発明に係る電動自転車用モータ駆動ユニットは、ハブ内の車幅方向の一端部にモータを配設し、他端部に遊星減速機を配設した電動自転車用モータ駆動ユニットであって、前記モータを、モータハウジングの軸心部に固定したステータの周囲をロータの磁極部が回転し出力軸が軸心部に位置する構造とし、前記遊星減速機を、前記モータの出力軸の回転が太陽歯車から遊星歯車およびハブに接続された外周歯車を介してハブに伝達される構造とし、前記モータハウジングと、遊星減速機の遊星歯車支持用キャリアとを互いに結合してなる組立体によって前記車軸を構成し、前記モータハウジングにおけるステータを支持する軸心部を、モータハウジング内に延在してその外周にステータを固定したアルミニウム合金よりなる円筒部と、この円筒部に嵌合する車体フレーム連結用の鋼材よりなる連結部材とから形成し、前記出力軸は前記円筒部内に軸受を介して支持されているものである。
【０００８】
本発明によれば、モータのコイルが発する熱は、モータハウジングの軸心部に伝達され、このモータハウジングを介して車体フレームに伝達されて放散する。モータハウジングは、車軸の一部を構成しており、軸心部を車体フレームに固定するから、前記熱が車体フレームに伝達されるまでの距離が最短になり、熱伝達系の熱抵抗を小さくすることができる。
【００１０】
また、本発明によれば、モータのコイルの熱がモータハウジングの熱伝導率が相対的に高いアルミニウム合金よりなる円筒部に広い範囲にわたって伝達され、この円筒部と連結部材との接触部分の全域から連結部材に伝達される。また、鋼材よりなる連結部材によって車体フレームとの連結部分を強固に形成することができる。
【００１１】
請求項２に記載した発明に係る電動自転車用モータ駆動ユニットは、請求項１に記載した電動自転車用モータ駆動ユニットにおいて、モータをブラシレスＤＣモータによって構成し、モータハウジングにおける車幅方向の一端部で径方向に延在する側壁に、モータコントローラ用の電子部品を接触させたものである。
【００１２】
この発明によれば、前記電子部品が発する熱は、モータハウジングの側壁から外周部を介して遊星減速機の遊星部材支持用キャリアに至る熱伝達系と、前記側壁からモータハウジングの軸心部に至る熱伝達系とに伝達される。
【００１３】
請求項３に記載した発明に係る電動自転車用モータ駆動ユニットは、請求項１または請求項２に記載した電動自転車用モータ駆動ユニットにおいて、ハブの内面にフィンを多数設けたものである。
【００１４】
この発明によれば、走行時にハブのフィンがモータハウジングとハブとの間の空間の空気を撹拌し、ハブ内で空気が滞留することを阻止する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電動自転車用モータ駆動ユニットの一実施の形態を図１ないし図４によって詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明に係る電動自転車用モータ駆動ユニットの断面図、図２はモータ駆動ユニットのモータ側端部を示す側面図、図３は図１における遊星ローラ減速機のIII−III線断面図、図４は図１における遊星歯車減速機のIV−IV線断面図である。
【００１７】
これらの図において、符号１で示すものは、この実施の形態による電動自転車用モータ駆動ユニットである。このモータ駆動ユニット１は、前輪の軸心部に装着し、図１中に符号２で示すフロントフォークに取付ける構造を採っている。すなわち、このモータ駆動ユニット１は、内部にブラシレスＤＣモータ３と遊星減速機４とを車幅方向に並ぶように配設し、これらのモータ３および遊星減速機４を覆うようにハブ５を回転自在に設けている。なお、このモータ駆動ユニット１を装着する自転車は、ペダルを踏込むことによってチェーンを介して後輪が駆動される従来周知の構造のものである。
【００１８】
前記モータ３は、モータハウジング６と、このモータハウジング６の軸心部に固着したステータ７と、このステータ７の周囲を磁極部８が回転する構造のロータ９と、モータハウジング６内の反出力側部に収容したモータコントローラ１０とから構成している。
【００１９】
前記モータハウジング６は、図１において右側に位置する有底円筒状のハウジング本体１１と、このハウジング本体１１の開口を閉塞する蓋体１２と、この蓋体１２の軸心部の外端面に固定用ボルト１３によって固定したフロントフォーク連結用の連結部材１４とから構成している。この実施の形態では、前記蓋体１２は、ステータ７やモータコントローラ１０が発する熱が放散し易いように熱伝導率が高い材料、すなわちアルミニウム合金によって形成し、連結部材１４は、フロントフォーク２との連結部分を強固に形成することができるように、鋼材によって形成している。
【００２０】
前記蓋体１２は、軸心部の円筒部１５と、この円筒部１５の軸線方向（車幅方向）の途中から径方向の外側に延在する円板部１６とを一体に形成し、円筒部１５におけるハウジング本体１１内に延びる部分に前記ステータ７を固定している。なお、ステータ７は、コイル１７を装着した鉄心１８を前記円筒部１５に固定している。
【００２１】
前記ロータ９は、磁極１９を有する有底円筒状の前記磁極部８と、この磁極部８の軸心部分に固着した出力軸２０とから構成している。この出力軸２０は、前記蓋体１２の円筒部１５に軸受２１，２２を介して回転自在に支持させている。
【００２２】
前記連結部材１４は、前記蓋体１２の外端面に固定した円形のフランジ２３と、このフランジ２３の軸心部から前記円筒部１５側に突出し、この円筒部１５の内周面に嵌合させた円筒２４と、前記フランジ２３の軸心部から車体外側に向けて突出させたボルト２５とから構成している。
【００２３】
連結部材１４の円筒２４と、前記蓋体１２の円筒部１５との嵌合代は、連結部材１４の円筒２４の先端がステータ固定部分の近傍に位置するように設定している。なお、この嵌合部分には、熱伝達性を高くするためにシリコングリスを塗布している。
【００２４】
また、この連結部材１４のフランジ２３には、モータハウジング６がロータ８の反力によって回転するのを阻止するためのストッパー２３ａ（図２参照）を突設している。このストッパー２３ａは、フロントフォーク２の前縁と後縁に係合するようにフランジ２３の二箇所に形成している。また、このフランジ２３の外周部、すなわち前記ストッパー２３ａより径方向の外側に、ハブ５の車幅方向の一端部を回転自在に支持するための軸受２６を嵌合させている。
【００２５】
さらに、前記フランジ２３における前記軸受２６より径方向の内側であって、図２に示すように側面視においてフロントフォーク２の下端と対向する部位には、モータ３用の配線２７（図１参照）を通すための配線用孔２８を穿設している。この配線用孔２８には、前記配線２７を通すための丸穴２９を形成したゴム部材３０が固着してある。
【００２６】
前記モータコントローラ１０は、前記蓋体１２の円筒部１５に固定した基板３１と、この基板３１に実装した電子部品３２などによって構成している。電子部品３２は、ロータ９の磁極１９の位置を検出するためのホール素子３３と、このモータ３の電子整流機構のスイッチング素子３４（ＦＥＴ）と、スイッチングノイズ除去用のコンデンサ（図示せず）などである。
【００２７】
前記スイッチング素子３４は、熱が前記蓋体１２に伝導されるように、パッケージをねじ３５によって蓋体１２の円板部１６に密着させている。この構成を採ることによって、モータ３で駆動するときに発熱するスイッチング素子３４をモータハウジング６によって冷却することができる。このスイッチング素子３４が請求項２に係る発明における電子部品を構成している。前記円板部１６が請求項２に記載した発明に係る側壁を構成している。
【００２８】
前記遊星減速機４は、この実施の形態では、遊星ローラ減速機４１と遊星歯車減速機４２とを動力伝達系においてこの順に直列に接続し、減速段数が２段になるように構成している。動力伝達系の上流側に遊星ローラ減速機４１を配設したのは、下記の理由による。
【００２９】
すなわち、遊星ローラ減速機４１は、回転を摩擦によって伝達することから騒音が相対的に小さいので、高速で回転するモータ３のロータ９の回転を減速するときに発生する騒音を小さくすることができるからである。また、ロータ９の回転が減速されていない部位、すなわち動力伝達系においてトルクが相対的に小さい部位に遊星ローラ減速機４１を配設することによって、伝達できるトルクが小さい遊星ローラ減速機がもつ欠点を克服することができるからである。
【００３０】
また、動力伝達系の下流側に遊星歯車減速機４２を配設したのは、ロータ９の回転が遊星ローラ減速機４１で減速されて伝達されるために、騒音が相対的に大きい遊星歯車減速機の欠点を克服することができるからである。しかも、遊星ローラ減速機４１に較べて軸線方向の幅が小さくても大きなトルクを伝達できるから、モータ駆動ユニット１の小型化を達成し易いからである。すなわち、この遊星歯車減速機４２の代わりに遊星ローラ減速機を用いる場合には、大きなトルクを伝達しなければならないことからローラの転動面の幅（軸線方向の幅）を遊星歯車減速機より大きく設定しなければならず、モータ駆動ユニットが大型化してしまう。
【００３１】
遊星ローラ減速機４１は、図３に示すように、モータ３の前記出力軸２０にセレーションによって結合させた太陽ローラ４３と、この太陽ローラ４３に添接する４個の遊星ローラ４４と、これらの遊星ローラ４４を自転および公転自在に支持するキャリア４５と、遊星ローラ４４が添接する外周リング４６とから構成している。
【００３２】
前記キャリア４５は、図１に示すように、軸心部に遊星歯車減速機４２の太陽歯車４７を一体に形成している。また、前記外周リング４６は、前記モータハウジング６のハウジング本体１１の外周部にスペーサ４８を介して固定用ボルト４９によって固定している。なお、この固定用ボルト４９は、後述する遊星歯車減速機４２のキャリア５０もモータハウジング６に固定している。
【００３３】
前記遊星歯車減速機４２は、図４に示すように、前記遊星ローラ減速機４１のキャリア４５に設けた前記太陽歯車４７と、この太陽歯車４７に噛合する３個の遊星歯車５１と、これらの遊星歯車５１を自転自在に支持する前記キャリア５０と、前記遊星歯車５１が噛合する外周歯車５２とから構成している。
【００３４】
前記キャリア５０は、遊星歯車５１より遊星ローラ減速機４１側に位置する環状板５０ａと、この環状板５０ａに遊星歯車用支軸５０ｂを介して結合したキャリア本体５０ｃと、このキャリア本体５０ｃに一体に形成したボルト５０ｄとから構成しており、一端部、すなわち環状板５０ａの外周部を前記モータハウジング６のハウジング本体１１に前記固定用ボルト４９によって固定するとともに、他端部のボルト５０ｄをフロントフォーク２の一方のエンドブラケット２ａに固定している。
【００３５】
前記外周歯車５２は、図１中に符号５３で示す一方向クラッチの内輪を構成しており、この一方向クラッチ５３を介してハブ５に接続している。この一方向クラッチ５３は、外輪５４をハブ５に固定用ボルト５５によって固定しており、動力が外周歯車５２からハブ５のみに伝達される構造を採っている。
【００３６】
前記ハブ５は、この実施の形態では、スポーク（図示せず）を接続するフランジ５６を外周部に形成した有底円筒状のハブ本体５７と、このハブ本体５７の開口部に螺着させた蓋体５８とから構成し、ハブ本体５７の軸心部を前記軸受２６によってモータハウジング６のフランジ２３に回転自在に支持させ、蓋体５８の軸心部に形成したボス５８ａを前記遊星歯車減速機４２のボルト５０ｄに軸受５９を介して回転自在に支持させている。
【００３７】
前記蓋体５８に前記一方向クラッチ５３の外輪５４を固定し、遊星歯車減速機４２から動力が伝達される構造を採っている。なお、ハブ本体５７と蓋体５８を結合するねじの方向は、蓋体５８に遊星歯車減速機４２から動力が伝達されるとねじが締まる方向に形成している。
【００３８】
また、前記ハブ本体５７の内周面と、車幅方向の一端部、すなわち有底円筒状に形成したハブ本体５７の内側底面には、それぞれフィン６１，６２をハブ５の周方向に間隔をおいて多数形成している。このフィン６１，６２は、主面がハブ５の回転方向と直交するように形成している。
【００３９】
モータ３や遊星減速機４の組付けは、ハブ５の蓋体５８に対して行う。すなわち、先ず、蓋体５８に一方向クラッチ５３を組付け、次に、モータ３と遊星減速機４とからなる組立体を、遊星歯車減速機４２の遊星歯車５１が一方向クラッチ５３の内輪（外周歯車５２）に噛合するとともに、遊星歯車減速機４２のボルト５０ｄが蓋体５８側の軸受５９に嵌合するように蓋体５８に組付ける。
【００４０】
このように蓋体５８にハブ５内の全ての部材を組付けた後、モータ３をハブ本体５７の開口に挿入し、モータハウジング６の連結部材１４のフランジ２３をハブ本体５７側の軸受２６に嵌合させるとともに蓋体５８をハブ本体５７に螺着することによって、このモータ駆動ユニット１の組立が終了する。
【００４１】
組立が終了した前記モータ駆動ユニット１は、モータハウジング６のボルト２５および遊星歯車減速機４２のキャリア５０のボルト５０ｄをフロントフォーク２に固定することによって、モータ３の動力による走行が可能な状態になる。なお、人力駆動系の途中に人力検出手段を設け、主コントロールユニットによりモータ３の動力を人力の大きさに比例するように増減させることによって、モータ３の動力と人力とによって走行することができ、モータ３の動力を人力の大きさとは別に制御することによって、モータ３の動力のみによって走行することができる。
【００４２】
電動走行時には、モータ３の出力軸２０の回転が遊星ローラ減速機４１の太陽ローラ４３から→遊星ローラ４４→キャリア４５からなる動力伝達系によって減速されて遊星歯車減速機４２の太陽歯車４７に伝達され、さらに、太陽歯車４７→遊星歯車５１→外周歯車５２→一方向クラッチ５３からなる動力伝達系によって更に減速されてハブに伝達される。
【００４３】
このように構成したモータ駆動ユニット１において、モータ３、遊星減速機４およびハブ５のフロントフォーク２への支持は、モータハウジング６と、遊星ローラ減速機４１の外周リング４６および遊星歯車減速機４２のキャリア５０とを互いに結合してなる組立体によって行っている。すなわち、前記組立体が車軸を構成するようになる。
【００４４】
また、電動走行時にモータ３のコイル１７が発する熱は、モータハウジング６の蓋体１２の円筒部１５に伝達され、この円筒部１５から連結部材１４を介してフロントフォーク２に伝達されて放散される。モータハウジング６は、上述したように車軸の一部を構成しており、軸心部をフロントフォーク２に固定するから、コイル１７とフロントフォーク２との距離、すなわちコイル１７の熱がフロントフォーク２に伝達されるまでの距離が最短になり、前記熱伝達系の熱抵抗を小さくすることができる。
【００４５】
したがって、ハブ５の内側にモータ３を収容する構造を採りながら、ステータ７のコイル１７の熱をフロントフォーク２に効率よく伝達させてモータ３の放熱性を高くすることができる。
【００４６】
さらに、このモータ駆動ユニット１は、モータ３のステータ７を固定する円筒部１５および円板部１６を熱伝導率が高いアルミニウム合金によって形成しているので、コイル１７およびスイッチング素子３４等の熱が前記円筒部１５に効率よく伝達され、この円筒部１５と熱伝導率の低い連結部材１４との嵌合部をできるだけ長くとっているため、熱は接触部分の全域から効率よく連結部材１４に伝達される。しかも、連結部材１４を鋼材によって形成しており、この連結部材１４によってフロントフォーク２との連結部分が強固に形成されるから、前記円筒部１５を熱伝導率が高い材料によって形成することに起因してこの円筒部１５の剛性が相対的に低くなったとしても、このモータ駆動ユニット１は、フロントフォーク１に強固に取付けることができる。
【００４７】
さらにまた、この実施の形態では、モータハウジング６の蓋体１２をアルミニウム合金によって形成しているので、モータコントローラ１０のスイッチング素子３４が発する熱は、蓋体１２の円板部１６を介してハウジング本体１１に伝達され易い。ハウジング本体１１に伝達された熱は、遊星ローラ減速機４１の外周リング４６および遊星歯車減速機４２のキャリア５０にも伝導によって伝達されるようになる。すなわち、車軸を構成する部材の全てにモータの熱が伝達されるから、熱容量を大きくとることができる。このため、モータ３の発熱量が急増したとしても、車軸を構成する部材に熱を放散させてモータ３を冷却することができる。
【００４８】
加えて、このモータ駆動ユニット１は、走行時にハブ５のフィン６１，６２がモータハウジング６とハブ５との間の空間の空気を撹拌するから、モータハウジング６に接触して昇温した空気がハブ５内の一箇所に滞留することがなく、ハブ５内の全域に拡散される。
【００４９】
このため、前記昇温した空気をハブ５の内面に広い範囲にわたって接触させることができるから、ハブ５内の空気を媒体としてモータ３の熱をハブ５に伝達し、ハブ５から大気中に放散させることができる。
【００５０】
なお、上述した実施の形態ではモータ駆動ユニット１を前輪に装着する例について説明したが、このモータ駆動ユニット１は後輪に装着することもできる。この構成を採る場合には、ハブ５の蓋体５８を後輪用のものと交換することによって簡単に実施することができる。後輪用の蓋体５８は、ボス５８ａを軸方向に長く形成し、このボス５８ａにフリーホイールを取付ける。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、モータのコイルが発する熱は、モータハウジングの軸心部に伝達され、このモータハウジングを介して車体フレームに伝達されて放散する。モータハウジングは、車軸の一部を構成しており、軸心部を車体フレームに固定するから、前記熱が車体フレームに伝達されるまでの距離が最短になり、前記熱伝達系の熱抵抗を小さくすることができる。
【００５２】
したがって、ハブの内側にモータを収容する構造を採りながら、モータのコイルの熱を車体フレームに効率よく伝達させてモータの放熱性を高くすることができる。
【００５３】
また、本発明によれば、モータのコイルの熱が熱伝導率が相対的に高いアルミニウム合金よりなる円筒部に広い範囲にわたって伝達され、円筒部と連結部材との接触部分の全域から連結部材に伝達されるから、モータハウジングの熱伝達の効率を高くすることができる。また、鋼材よりなる連結部材によって車体フレームとの連結部分が強固に形成されるから、円筒部をアルミニウム合金によって形成することに起因して円筒部の剛性が相対的に低くなったとしても、このモータ駆動ユニットは車体フレームに強固に取付けることができる。
【００５４】
このため、モータの放熱性が高くなるとともに車体フレームに強固に固定することができる電動自転車用モータ駆動ユニットを提供することができる。
【００５５】
請求項２記載の発明によれば、コントローラの電子部品が発する熱は、モータハウジングの側壁から外周部を介して遊星減速機の遊星部材支持用キャリアに至る熱伝達系と、前記側壁からモータハウジングの軸心部に至る熱伝達系とに伝達される。
【００５６】
このため、前記電子部品の温度が急上昇したときに熱の一部を遊星減速機側に放散させることができるから、モータの放熱性をより一層高くすることができるとともに、前記電子部品の信頼性を高くすることができる。なお、前記熱の残りは、前記側壁からモータハウジングの軸心部に伝達され、ステータの熱とともに車体フレームに放散される。
【００５７】
請求項３記載の発明によれば、走行時にハブのフィンがモータハウジングとハブとの間の空間の空気を攪拌するから、モータハウジングに接触して昇温した空気がハブ内の一箇所に滞留することがなく、ハブの全域に拡散される。
【００５８】
このため、前記昇温した空気をハブの内面に広い範囲にわたって接触させることができるから、ハブ内の空気を媒体としてモータの熱をハブに伝達し、ハブから大気中に放散させることができる。したがって、さらにモータの放熱性が高い電動自転車用モータ駆動ユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る電動自転車用モータ駆動ユニットの断面図である。
【図２】  モータ駆動ユニットのモータ側端部を示す側面図である。
【図３】  図１における遊星ローラ減速機のIII−III線断面図である。
【図４】  図１における遊星歯車減速機のIV−IV線断面図である。
【符号の説明】
１…電動自転車用モータ駆動ユニット、２…フロントフォーク、３…モータ、４…遊星減速機、５…ハブ、６…モータハウジング、７…ステータ、８…磁極部、９…ロータ、１４…連結部材、１５…円筒、１６…円板、４１…遊星ローラ減速機、４２…遊星歯車減速機、５０…キャリア、６１，６２…フィン。
【図１】
0003939865.tif 000002
【図２】
0003939865.tif 000003
【図３】
0003939865.tif 000004
【図４】
0003939865.tif 000005