(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１端壁（７４ｂ）、第２端壁（１０６）、及び端壁の間に延びる側壁（７４ａ）を有するモータハウジング（７４）と、モータハウジング内に閉じ込められたモータ（６２）と、第１端壁（７４ｂ）から延びる第１シャフト（６８）と、第２端壁（１０６）から延びる回転第２シャフト（９２）と、第２端壁（１０６）に隣接した歯車減速機（６４、２３６）と、を有し、該歯車減速機は、第２シャフト（９２）の端の小歯車（１２２）と、小歯車（１２２）と噛み合って第２端壁（１０６）に回転自在に取り付けられた複数の非軌道遊星歯車（１１４、２３８）と、第２端壁（１０６）に連結された第３シャフト（７２）と、ステータケース（６２）及び遊星歯車（１１４、２３８）を近接して取り囲む内面を有し且つ第１シャフト（６８）及び第３シャフト（７２、１８６）に回転自在に連結されたハブ（６６、１９４、２０４）と、及び遊星歯車（１１４，２３８）と噛み合ってハブ（６６，１９４，２０４）の内面に固定されたリング歯車（１３６，２５４）と、を含む、電動式車輪ハブ組立体において、
前記モータ（６２）は、前記モータハウジングの側壁との良好な熱接触を有するように前記モータハウジングの側壁に取り付けられたステータ巻き線（７８）及びモータハウジングの側壁（７４ａ）から間隔が隔てられるように、該巻き線内でモータハウジングに回転自在に取り付けられた、巻き線のない永久磁石で構成されたロータ（８８）を有するブラシレスモータであり、前記ロータは、第２シャフトに固定され、
前記第２シャフト（９２）は、前記第１シャフト（６８）と同軸であるが、ハブ組立体には貫通シャフトが全くないように、第１シャフトから間隔が隔てられ、
熱伝導性冷却材（０）がモータハウジング（７４）とハブ（６６、１９４、２０４）の間にあり、ハブが回転するとき、冷却材は、モータハウジングのまわりにハブ内で循環され、ステータ巻き線（７８）によって発生した熱を側壁（７４ａ）及び冷却材（０）を介してハブに、それから外側に伝えることを特徴とする、電動式車輪ハブ組立体。
【請求項２】
第１シャフト（６８）及び第３シャフト（７２）はハブ（６６）から突出する、請求項１に記載の組立体。
【請求項３】
第１シャフト（６８）のみがハブ（６６）から突出する、請求項１に記載の組立体。
【請求項４】
ハブ（６６）は、第１端壁（１３８，２０４ｂ）、第２端壁（６６ｂ，１９４，２１８，２５２）、及び前記端壁の間に延びている側壁（６６ａ，１９４ａ，２０４ａ）を有する、請求項１に記載の組立体。
【請求項５】
前記リング歯車（１３６）はハブ側壁（６６ａ）に形成されている、請求項４に記載の組立体。
【請求項６】
ハブの第２端壁（２１８、２５２）は、ハブ側壁（２０４ａ）の延長部を形成する円筒形スカート（２１８ａ，２５２ａ）を有し、
前記リング歯車（２２２，２５４）は前記スカートに形成されている、請求項４に記載の組立体。
【請求項７】
ハブの第２端壁（２１８，２５２）は、ハブ側壁（１９４ａ，２０４ａ）とは別個の部分であり、ハブの第２端壁をハブ側壁に解放自在に固定するための手段（２２４）を含む、請求項４に記載の組立体。
【請求項８】
組立体が２段歯車減速を有するように、各遊星歯車（２３８）は、小歯車（１２２）と噛み合っている選択された大径の第１セクション（２３８ａ）と、第１セクションと同一線上、且つリング歯車と噛み合っている小径の第２セクション（２３８ｂ）と、を有する、請求項７に記載の組立体。
【請求項９】
組立体が２段歯車減速を有するように、各遊星歯車（２３８）は、小歯車と噛み合っている選択された大径の第１セクション（２３８ａ）と、第１セクションと同一線上、且つリング歯車（２５４）と噛み合っている小径の第２セクション（２３８ｂ）と、を有する、請求項１に記載の組立体。
【請求項１０】
ステータの巻き線（７８）は環状体の、３ワイヤ、３相のＹ字接続された巻き線である、請求項１に記載の組立体。
【請求項１１】
遊星歯車（１１４，２３８）はモータハウジングの第２端壁から突出する軸（１１２）に回転自在に取付けられ、前記軸に解放自在に取付けられたリテーナプレート（１２４、２４２）により保持され、前記第３シャフト（９２，１８６）はリテーナプレートから軸線方向に延びる、請求項１に記載の組立体。
【請求項１２】
ハブ（１１６，１９４，２０４）は直径が１２．７０センチ（５インチ）以下であり、組立体は、１０：１を超える歯車減速比を有する、請求項１に記載の組立体。
【請求項１３】
第１シャフト（６８）に取付けられた電気コネクタ（８４）と、
コネクタ（８４）から第１シャフトに沿ってハウジング（７４）の内部まで延びる電気リード線（７８ａ〜７８ａ）と、
リード線をステータの巻き線（７８）に接続するための手段と、
を更に有する請求項１に記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自転車、スクータ、ゴルフカートその他の道路上及び道路外走行乗り物用のモジュール電動式車輪ハブに関する。特に、本発明は、種々の乗り物に動力を供給するのに十分なトルクを発生させる小型モジュール電気モータ／車輪ハブ組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術、及び発明が解決しようとする課題】
今日、使用されている多くの乗り物は、該乗り物の車輪を駆動するのに電池電源式電動機を有する。これらは、自転車、大人用三輪車、車椅子、モータ付きスクータ、ゴルフカート、あらゆる地上乗り物等を含む。多くのかかる乗り物では、モータは乗り物のフレームに取付けられ、モータの出力部はチェーン駆動、歯車列等によって車輪に連結される。
【０００３】
従来技術には、車輪ハブに直接連結され、且つそのハブを回転させるように構成された電動機を有する種々の自転車が存在する。或る場合には、モータは車輪ハブの外側に取付けられ、かなりスペースをとる。例えば、米国特許第５，６２２，１８７号を参照。これらはモジュール組立体ではない。他の場合には、モータは通常の車輪ハブの場所をとり、車輪リムを回転させる。例えば、米国特許第５５２，２７１号、５２７２，９３８号、５３４１，８９２号、及び５，５８１，１３６号を参照。かかるモータはまた、比較的大きく、関連した車輪リム内の領域の大部分を占める。
【０００４】
モータが車輪のハブ内に完全に位置決めされた自転車タイプの乗り物の例がいくつかある。例えば、米国特許第５７２，０３６号、第２，５１４，４６０号、及び第３，９２１，７４１号を参照。これらについて、或る場合には、ハブ組立体はあまりにも幅広いので、これを在来の自転車のフレームのフォークに取り付けることができない。他の場合には、組立体は、１つのユニットとして作りにくく、且つ１つのユニットとして組み立てられない多くの別々の部品からなっている。しかしながら、この一般的なタイプの従来の電動式ハブ組立体の最も重大な欠点は、組立体が、自転車の又は他の乗り物の唯一の動力源として長時間使用したとき、過熱する傾向があることである。言い換えれば、乗り物を駆動するのにそれだけで使用される時、これらの従来の組立体が動力補助装置として満足に作動するけれども、電力を消費し過ぎて、比較的短時間で関連したバッテリーを消耗させ、あるいは特に上り坂で乗り物を十分なスピードで走らすことができるほどのトルクを発生させない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明の目的は、自転車、その他の乗り物用の改良されたモジュール電動式車輪ハブ組立体を提供することにある。
【０００６】
本発明の別の目的は、在来の非電動式車輪ハブと同様の長さ及び直径を有するタイプのモジュール電動式ハブ組立体を提供することである。
【０００７】
本発明の更なる目的は、特別な工具や他の器具を必要とせずに１つのユニットとして組みたてられる、最小の数の別々の部品からなるモジュール組立体を提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、コンパクトなパッケージで高いトルク出力をもたらし、且つ高速モータの使用がパッケージの寸法及び重量を最小にするモジュール電動式ハブ組立体を提供することにある。
【０００９】
本発明の更なる目的は、使用中過熱しない電動式車輪ハブ組立体を提供することである。
【００１０】
本発明の更なる目的は、広範囲の速度にわたって極端に幅広い効率を有するモジュール電動式車輪ハブ組立体を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、また、組立体の直流電源を再充電し、且つ制御可能な電気乗り物のブレーキを提供するモータ発電機としても機能する組立体を提供することである。
【００１２】
本発明の更なる目的は、組立体の小さな中央シャフトの中に通して外側コネクタへ導かれなければならない完全に最小数の電気伝導体を有するタイプの制御可能な電気ハブ組立体を提供することにある。
【００１３】
他の目的は、一部は明らかであり、一部は以下で明らかとなる。
【００１４】
従って、本発明は、構造の特徴、要素の組み合わせ、以下の詳細な説明で例示する部分の構成を有し、発明の範囲は請求の範囲に指示される。
【００１５】
概略的に、組立体はハブの両端から突出する定置の同一線上のシャフトを有する車輪ハブに組みこまれたモジュール直流電気モータを有する。モータステータは、ハブの内側の定置のステータケース即ちシェルの内側に取付けられ、ケースはシャフトの１つに連結される。歯車減速機を構成する遊星歯車はケースに回転自在に取付けられ、歯車はハブの内壁に形成されたリング歯車と噛合う。これらの遊星歯車は、ステータ内に位置決めされたモータロータとともに回転する小径の太陽歯車又は小歯車によって回転される。ステータとの電気接続はシャフトの１つの中を通してなされ、電力がステータに与えられてロータを回転させる。ロータは小歯車を回転させ、次いで、小歯車は遊星歯車を回転させ、それによりハブを、使用中固定されたシャフトに対して回転させる。
【００１６】
一方向クラッチを有するスプロケットがハブ組立体に組み込まれるので、モータがハブをより早く回転させるならば、スプロケットが回転し（動力補助自転車におけるように）、スプロケットは車輪を自由にする。加えて、関連した車輪にブレーキをかけ、あるいは車輪を地面から持ち上げて、手回転させると、モータは、モータに電力を与えるバッテリーを再充電する発電機として機能する。
【００１７】
ハブは、大気から密閉され、熱をステータケース内のモータ及び歯車減速機からハブに運ぶ流体を循環させるための内部潤滑チャネルが設けられ、流体は外側に導かれ、それによって過熱せずに長時間高いトルク出力でモータを作動させることができる。
【００１８】
モータは、基本的には、高性能、変速、ブラシレス、センサレス、内部冷却式、３相、コンピュータバランスされたモータ／発電機であり、最大速度の２０％の速度まで下がっても、及び２０％以下であっても９０％の効率を有する、９５％に近づく極端に幅広い効率を有する。この高性能モータは異常に小さく大変効率の良い遊星歯車減速機と結合し、その結果、乗り物にとって非常にコンパクトな電動式ハブ組立体となる。
【００１９】
後ほど明らかになるように、モジュール組立体は、比較的作り易く、且つ１つのユニットとして組み立て易い最小の数の部品からなっている。従って、組立体は量産するのに経済的である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
今、図１を参照すれば、この図は、上連結バー１２及び下連結バー１４を有するほぼ標準のフレーム１０、両連結バーの前方端に取付けられたヘッドポスト１６、及びヘッドポスト１６に回転自在に取付けられた前フォーク１８を含む自転車を示し、前フォークはハンドルバー２２によって回転する。前輪２４が前フォーク１８のまたの間に回転自在に取り付けられており、車輪は、発明を含み、且つ前フォーク１８の下端に取付けられた電動式ハブ組立体２６に放射状スポーク２４ｂによって連結されたリム２４ａを含む。
【００２１】
上連結バー１２及び下連結バー１４はシートポスト２８まで後方に延び、シートポストの下端と下連結バーは、ペダルスプロケット３４を回転自在に支持するスプロケット管３２で接合している。後フォーク３６がスプロケット管から後方に延び、二又に分かれた後ブレース３８と一緒に、後輪４２を回転自在に支持する。車輪４２はリム４２ａ、及び後フォーク３６の後端に設けられた本発明によるハブ組立体４４まで延びる放射状スポーク４２ｂを含む。図１に示す自転車では、ハブ組立体４４は、チェーン４８によってペダルスプロケット３４に連結された後スプロケット４６を含む。
【００２２】
バッテリーパック／制御ユニット５２が、後輪４２の上でシートポスト２８から後方に延びる荷台５３で支持され、荷台は、自転車の後車軸まで下方に延びる一対のストラット５３ａで支えられる。ユニット５２は、３本のワイヤコードで、連結され、そのうちの１本でハブ組立体２６及び／又は４４に、１本でハンドルバー２２に組込まれた組み合わせ式電子スロットル回生ブレーキコントロール５４に連結される。作動させたとき、コントロール５４により制御ユニット５２が回生ブレーキモードでハブ組立体４４を作動させるので自転車の前進運動を減速させ、あるいは停止させる。在来の手動カリパスブレーキ（図示せず）が前輪のリム２４ａと関連する。
【００２３】
かくして、乗り手のクランク３４のペダルを踏むことによって、及び／又は電動式前輪ハブ組立体２６によって、及び／又は電動式後輪ハブ組立体４４によって図１の自転車に、動力を与えることができる。また、もちろん、前輪ハブ組立体２６か後輪ハブ組立体４４のいずれかを在来の前輪、または後輪ハブとで置き換えても良い。
【００２４】
今、前輪ハブ組立体２６をより詳細に示す図２を参照する。その組立体は、全体的に６２で示す、モジュールブラシレス、センサレスの、８極直流電気モータを有し、モータは、全体的に６４で示す単段階遊星歯車減速機を駆動し、減速機は、使用中自転車の前フォーク１８（図１）の下端に固定された一対の同一線上のスタブシャフト６８，７２に対して外側ハブ６６を回転させる。ハブ６６はスポーク２４ｂによって車輪のリム２４ａに連結されているので、モータ６２がバッテリーパック／制御ユニット５２（図１）によって付勢されるとき、ロータは車輪２４を回転させる。
【００２５】
モータ６２は、円筒形の側壁７４ａ及びほぼ円盤状の端壁７４ｂを有するカップ状のステータケース７４を含む。シャフト６８は、端壁７４ｂの中央から軸線方向外方に延びる。ステータケース７４は積層スタック７６及びドーナツ形の３ワイヤ、３相Ｙ字形接続巻き線７８を含む。３本の巻き線ワイヤ７８ａ、７８ｂ及び７８ｃは、ケースの端壁７４ｂ及びシャフト６８内の通路８２の中を通ってケース７４の外に出され、これらのワイヤはシャフト６８の外端に組み込まれた３極コネクタ８４まで延びる。ワイヤをケースの外に導びきやすくするために、シャフト６８は図示したように管として形成され、エポキシ材料のプラグ８６がこの管に詰められている。変形例として、シャフト６８は、ケース端壁７４ｂに内側から圧力嵌めされた、ケース７４とは別個の部品であっても良い。この場合、シャフトと一体のタブがステータケース７４の端壁のスロットに係合して、シャフトをケースに回転自在に固定しても良い。この構造により、シャフトと巻き線をステータケース７４に着座させる前に、巻き線７８からのワイヤ７８ａ乃至７８ｃをシャフト６８に通すことができる。これは、これらのワイヤ通しをいくらか単純化する。
【００２６】
また、円筒形側壁８８ａ及びステータケース７４の開放端に面した端壁８８ｂを有するカップ状のロータ８８がステータケース７４内で、巻き線７８の軸線に位置決めされている。管状シャフト９２が端壁８８ｂの中央からシェル７４の開放端をちょうど越えた位置まで軸線方向に突出する。ロータは、その円周の周りに間隔を隔てた８つのほぼ矩形で、長手方向に延びた、交互にＮ極とＳ極の永久磁石８９を有する。
【００２７】
図２を依然として参照すると、ロータ８８をハブ組立体２６の軸線に回転自在に取付けるために、シャフト６８は、ケース７４の中へ突出する内端延長部６８ａを備えている。延長部には円形ベアリング９４の内レースに着座するために段が付けられており、ベアリングの外レースは、ロータの側壁８８ａの開放端セグメントにある端ぐり９６内に受け入れられる。好ましくは、ばねワッシャー９８がベアリング９４とシャフト延長部６８ａの座部との間にあって、コンプライアンスをもたらし、且つ組立体が作動している時、騒音を最小限にするためにベアリングに予荷重を与える。
【００２８】
ロータの端壁８８ｂ及び端壁から突出した管状シャフト９２は軸線方向の通路１０２を有し、該通路は、これから明らかになる理由でテーパしている。また、シャフト９２の半径方向外壁には、円形ベアリング１０４の内レースの座部を作るために、段が付けられている。
【００２９】
図２乃至４で最も良く分かるように、ステータケース７４の開放端は環状の端キャップ１０６によって閉鎖されてモータハウジングを形成する。端キャップは円形フランジ、又は側壁１０６ａを含み、該側壁１０６ａは、ケースの開放端にあるケースの側壁７４ａに切られたねじ山と噛合う雄ねじ山を有する。好ましくは、Ｏリング１０９がこれらの２つの要素の間に置かれて、コンプライアンス及び流体密シールをそこに与える。構造物が、ねじ弛みなしに両方向にトルクを伝達することができるように、最終組立体でねじ山を接着する。
【００３０】
端キャップ１０６はまた、ベアリング１０４の外レースのための座部を形成する半径方向内方の円形フランジ又はカラー１１０を備えており、端キャップがステータケース７４にしっかり固定されるとき、ロータの両端は、全体としてハブ組立体２６の回転軸線を構成するシャフト６８及び７２の共通軸線を中心に回転できるようにそれぞれのベアリング９４及び１０４によって回転自在に支持される。また、キャップ１０６がケース７４にしっかりと固定されるとき、キャップの側壁、又はフランジ１０６ａはモータの積載スタック７６を圧縮し、それによって、積載スタックの長さとモータの種々の機械加工部品との間の寸法公差を取、モータの渦電流損失を最小にする。かくして、ステータケース７４及びキャップ１０６はモータ６２の内部要素を完全に包囲し、即ち、これらの要素をモータの外側の環境から保護する密封ステータケースを形成する。これに関して、端キャップ１１０に着座するベアリング１０４は、密封ベアリングであり、その結果、外側からの流体がそのベアリングを通ってケース７４に入ることができないことを言及しなければならない。
【００３１】
図２乃至４を依然として参照すると、端キャップ１０６はまた、歯車減速機６４の構成部品を支持する。更に詳しくは、複数のポスト１１２がキャップ１０６の外面から突出する。図示した組立体では、円形に配列された４本のかかるポスト１１２がある。これらのポストの内の２本、即ち上のポストと下のポストは、一対の環状の遊星歯車１１４のための回転軸として機能し、遊星歯車１１４は円形ベアリング１１６によってこれらの回転軸に回転自在に取付けられる。好ましくは、ポスト及び歯車の内壁には、ベアリングのための座部をなす段が付けられ、ベアリングの外レースはスナップリング１１８（図２）によって夫々の歯車に保持される。
【００３２】
遊星歯車１１４は、これらの歯車の間でロータシャフト９２から軸線方向に突出する小径の太陽歯車又は小歯車１２２と噛合う。太陽歯車は、太陽歯車及びロータが一斉に回るためにロータシャフト９２のテーパ通路１０２に大変きつく楔留めするように寸法決めされ、且つテーパしたシャフト延長部１２２ａを含む。
【００３３】
ポスト１１２は、遊星歯車１１４を支持するベアリング１１６を幾分超えて延びる。これにより、ベアリング、従って歯車を組立体のシャフト７２の内端に同軸方向に取付けられた剛性の保持ディスク１２４によって補足させることができる。更に詳しくは、ディスク１２４の内面には、ポスト１１２の突出端を受け入れるように寸法決めされ且つ構成された円形配列の４つのレセプタクル、即ちスリーブ１２６が形成され、上スリーブ及び下スリーブの端はベアリング１１６の内レースに当たっている。かくして、遊星歯車１１４はステータケースの端キャップ１０６に固定されるが、太陽歯車とディスクとの間の摩擦接触が最小限になるように、図２に示すようにディスク１２４から僅かに間隔を隔てた太陽歯車１２２によって軸のまわりに回転することができる。
【００３４】
好ましくは、ディスク１２４は、ディスク１２４の穴１２７をを貫いて延び且つポスト１１２のねじ付通路へねじ込まれるねじ付留め具１２５によって端キャップ１０６に解放可能に固定される。
【００３５】
図２を参照すると、組立体のハブ６６はモータ６２及び歯車減速機６４の遊星歯車１１４を受け入れ、且つ包囲するように構成されたカップ状部材である。ハブ６６は円筒形の側壁６６ａ及び図２に示すように僅かに皿形の環状の端壁６６ｂを含む。端壁６６ｂはシャフト７２のための隙間を与える中央開口部１２８を有する。開口部１２８は座ぐりされて、自己潤滑、密封シャフトベアリング１３２の外レースのための座部を作り、このベアリングにより、ハブ６６をシャフトに対して自由に回転させるようにする。好ましくは、皿形ワッシャー１３４が、コンプライアンスをもたらすためにベアリング１３２と端壁６６ｂとの間に存在し、それにより、組立体を部品の僅かな寸法の変化にもっと順応させ、ベアリングに予荷重を与えて騒音及び振動を最小にする。
【００３６】
歯車減速機６４の最終構成部品、即ちリング歯車１３６が遊星歯車１１４と向かい合うハブ側壁６６ａの内側面に形成される。図２に示すように、遊星歯車１１４は、リング歯車１３６の歯と噛合うようにモータ６２の側壁を幾分越えて延びる。
【００３７】
モータ６２及び歯車減速機６４の構成部品は、先ずそれらとシャフト７２を、ディスク１２４がベアリング１３２に着座するまで、ハブの開放端に滑り込ませることによってハブ６６に組み立てられる。モータ及び歯車減速機の構成部品は環状端カバー１３８によってハブ内に保持される。端カバーは、組立体のシャフト６８のための隙間をもたらす中央通路１４２を有し、シャフトと通路１４２の壁との間に円形の、自己潤滑密封シャフトベアリング１４４が設けられているので、端カバー１３８はシャフト６８に対してハブ６６と一緒に自由に回転することができる。端カバー１３８の周囲にはねじ山が設けられ、従って、端カバーをハブ６６の開放端にねじ込むことができる。それに関して、ハブ側壁６６ａの内壁は、端カバーのねじ山と合う雌ねじ１４６を有する。端カバーがハブにきつく螺合するとき、組立体の全構成部品は適切な同軸関係に保持される。好ましくは、Ｏリング１４８が端カバーとハブとの間にあって、その位置に流体密シールをなし、ねじ山は作動中、ねじの緩みを防止するように接着される。
【００３８】
以上から明らかであるように、組立体が使用中であるとき、自転車のフレーム１０（図１）に取付けられたシャフト６８及び７２は、ステータケース７４、端キャップ１０６及び保持ディスク１２４が全て一緒に固定されたままで静止している。従って、モータ６２のステータの巻き線７８が付勢されるとき、ロータ８８及びそれに連結された太陽歯車１２２は、０乃至４０００ＲＰＭ又はそれ以上に変えられる速度で回転する。太陽歯車は歯車減速機６４の遊星歯車１１４を回転させ、その結果、リング歯車１３６を支持するハブ６６を回転させる。典型的な組立体では、太陽歯車１２２は６つの歯を有し、各遊星歯車１１４は３０個の歯を有し、リング歯車１３６は６６個の歯を有する。これは単段歯車減速機６４に１１：１の歯車減速比を与える。
【００３９】
この点で、ハブ組立体が貫通シャフトを有していないことに留意することが重要である。換言すれば、モータのロータ８８に連結された太陽歯車又は小歯車１２２はシャフト６８と７２の両方とは完全に別体である。従って、太陽歯車又は小歯車は曲げ力を受けない。これは、自転車モデルにある太陽歯車又は小歯車１２２が、直径が非常に小さく、例えば１.２７センチ（０．５０インチ）になることを意味する。これは、大径の遊星歯車の使用を許容するので、単段歯車減速機６４は、小さなパッケージで大きな歯車減速比、例えば１１：１をもたらすことができる。所定の出力速度及びトルクについて、この効率的でコンパクトな大きい歯車減速が、高いＲＰＭモータを許容し、それにより、モータ及びハブ全体を所定の動力定格についてより小さくすることができる。
【００４０】
組立体のモータ６２が、ロータハブ６６の側壁６６ａに大変近く位置決めされた定置ステータを有し、両者は、狭い、例えば０.３８センチ（０．１５インチ）の環状間隔１５２だけ分離されていることも本発明の特徴である。これは、巻き線７８に発生した熱をハブ側壁６６ａに効率的に伝え、次いで、その熱を外側に分散させることを意味する。この過程を加速するために、ハブ側壁６６ａは、該側壁の外部表面積を増大させる一連の円形冷却フィン６６ａを備えるのが良い。
モジュール組立体の冷却は、組立体内の冷却剤又は潤滑剤を循環させることによって最適化される。特に図２の組立体では、シャフト７２は、軸線方向通路１５４及びシャフトの外端にオイル又はグリース取付具１５６を備え、それにより、オイルＯのような潤滑剤を組立体に導入させ、オイルは、ハブ端壁６６ｂにある雌ねじ付オイルレベル通路１５８のレベルまでハブ６６を満たす。オイルＯが所望レベルに達するとき、通路１５８はねじプラグ１６２で閉鎖される。
組立体が静止している時、オイルＯは、組立体の底に、図２に示すように、自己潤滑、密封主シャフトベアリング１３２及び１４４のレベル以下のレベルに集まる。従って、組立体が休止しているとき、組立体からのオイルの漏れの可能性はない。他方で、組立体が作動している時、オイルＯは遠心力によってベアリング１３２及び１４４から半径方向外方に投射される。オイルは、遊星歯車１１４及びハブ６６の相対的な回転運動によってハブ６６の内部のまわりに循環され、且つはねかける。かくして、モータ６２及び歯車減速機６４によって発生した熱は、ディスク１２４とハブ端壁６６ｂとの間、端カバー１３８とステータケース端壁７４ｂとの間、及びステータケース側壁７４ａとハブ側壁６６ａとの間の隙間の中を循環するオイルに伝達されるので、熱は組立体の外側シェルに効率的に運ばれ、空気流の中を回転し、且つ移動し、熱を大気中に分散させる。これにより、組立体が、過熱しないで長時間最大の動力で作動することを可能にする。
【００４１】
オイルＯがステータケース７４から排除され、且つ電力をコネクタ８４からステータの巻き線７８に伝える電気ワイヤ７８ａ乃至７８ｃから完全に隔絶され、オイルがモータ６２の作動に全く影響を及ぼさないことに留意することが重要である。モータ６２の要素とオイルとの間にはたった１つのベアリングとたった１つのシール、即ちベアリング１０４及びＯ-リング１０９があるに過ぎない。
【００４２】
たった約１０.７９センチ（４．２５インチ）の長さ（突出するシャフト６８及び７２を含まず）、１１.４３センチ（４．５インチ）以下の直径、及び２．５Kgあるいは５．５ポンド以下の重量を有する、図２乃至５に従って構成されたモジュール電動式ハブ組立体は３００ワットまでの電力出力を生ずることができ、これは典型的な人間が生じさせることのできるものの３倍以上である。従って、ハブ組立体２６はハブ組立体２６は図１の自転車を比較的急勾配で楽に進めることができる。
【００４３】
今、図１の自転車の後輪ハブ組立体４４を図示する図１及び６を参照する。組立体４４は組立体２６に大変似ており、従って、その同様の部品は同じ識別番号を有する。２つの間の唯一の本当の違いは、組立体４４のシャフト７２が組立体２６の対応するシャフトよりも長く、且つハブの端壁が、スプロケット４６及び一方向又はオーバランクラッチ１７４のためのハブとして機能する軸線方向に延びるフランジ１７２を備える。好ましくは、フランジ１７２の内面は円錐形をなし、ハブ６２が回転するとき、回転するフランジコーンはベアリング１３２から塵や水分を追い出す。スプロケット４６を含むことにより、組立体４４のハブ６６（及び全体として後輪４２）をスプロケット４６及びそのチェーン駆動によって、或いは組立体４４のモータ６２によって、若しくは両動力源の組み合わせによって、手動で回転させることができる。モータ６２がハブ６６をスプロケット４６よりも早く回転させた場合、スプロケットはクラッチ１７４の存在により車輪を自由にする。
【００４４】
自転車のバッテリーパック／制御ユニット５２によって後部ハブ組立体４４のモータ６２に電力が付与されず、且つ後部ハブ６６がチェーン駆動及びスプロケット４６によって回転されるならば、そのモータは発電機として機能して、バッテリーパックを再充電するために電流をユニット５２に送る。実際、かかる再充電を容易にするために、図１の自転車は後輪４２を地面から離して支持するように下に向けられるスタンド（図示せず）を具備するのが良い。すると、乗り手はペダルクランク３４を高速で漕ぐことができる。これはハブ６６を回転させて、モータ６２を発電機にし、且つユニット５２のバッテリーパックを効率的に充電する直流出力を生じさせる。
【００４５】
回生ブレーキコントロール５４（図１）を作動するとき、ハブ組立体４４（及び／又は）のモータ６２は発電機及びブレーキとして作動して、自転車の前進運動を遅くし、或いは停止させ、このエネルギーを再び補足して、これをユニット５２のバッテリーパックに戻す。
【００４６】
図７は、電動車椅子、あらゆる地面の乗り物、三輪車の操縦可能な前輪等に適した片持ちモジュール電動式ハブ組立体を示す。組立体１８２は図２に示す組立体２６に幾分似ている。従って、対応する部分には同一の識別番号を付した。２つのモジュール組立体の間の主な違いは、組立体１８２がシャフト６８によってのみ支持され、即ち組立体の反対側の端にはシャフト７２はない。従って、シャフト６８は大きく、そして、仮想線で示す適当なフレーム部材又は支持体Ｓに取り付けられるように形作られている。シャフト６８の外端セグメントにはナット１８４を収容するように雄ねじが切られ、ナットをシャフトの端にねじ込んで組立体を支持体Ｓに固定することができる。また、歯車減速機６４の遊星歯車１１４を保持する保持ディスク１２４は、シャフト７２の代わりに軸線方向に延びるスタブシャフト１８６を有し、シャフト１８６により、ハブ６６の端壁６６ｂを図７に示すように、スタブシャフト７６の端の上で連続させ即ち閉鎖させる。オイル充填／排出取付具１８７がハブ端壁６６ｂにあり、オイルＯを上で説明した理由によりハブ６６に導入する。
【００４７】
最後に、組立体１８２が図２におけるようにスポーク車輪を回転させても良いが、その代わりに、図示したハブ６６の円筒壁６６ａはウレタン又は他のかかる丈夫な弾性材料の小さいキャストタイヤ１８８によって囲まれる。
【００４８】
今、図８を参照すると、スクータ、ゴルフカート、又は他の小型の乗り物の車輪を駆動するためのモジュール電動式ハブ組立体１９２を示す。組立体１９２の内部は図２に示す組立体２６と本質的に同じである。しかしながら、組立体１９２は回転ハブ１９４を有し、ハブの円筒形側壁１９４ａには、タイヤリム１９８になる半径方向に延びる円周フランジ１９６が形成されている。使用中、リム１９８は標準タイヤＴを支持する。好ましくは、円形配列の半径方向のフィン１９９がフランジ１９６に設けられて、ハブ１９４を通る遠心空気循環及びハブ１９４の冷却を促す。
【００４９】
今、図９を参照すると、図７に示すものと同様に片持ちに取り付けられ、且つ図８の実施形態の場合のように標準タイヤ付きの車輪を回転させるのに適した、もう１つのモジュールハブ組立体２０２を示す。組立体２０２の内部は図７に示す組立体１８２と本質的に同じである。しかしながら、組立体２０２は前述の実施形態のものと異なるハブ２０４を有する。更に詳しくは、ハブ２０４は、強度と冷却効果を得るための半径方向リブ付の円筒形側壁２０４ａと、その代わりに、図７におけるように反対側の端にあるシャフト６８に隣接してハブの端に位置した端壁２０４ｂと、を有する鋳造部品である。側壁２０４ａは組立体のモータ６２を取り囲むが、歯車減速機の手前で止まっている。側壁２０４ａには、長さに沿う中間に外側円周フランジ２０６が形成されている。フランジ２０６は半径方向内方に延びるフィン即ちフランジ２０８ａを有する環状タイヤリム２０８のための座部をなし、フランジ２０８ａの内径はハブ壁２０４ａの内径よりも僅かに大きい。タイヤのリムはフィン２０８ａの穴２１２を貫いて延び、且つハブフランジ２０６のねじ穴２１４にねじ込まれた円形配列のボルト２１０によって、リム２０８ａを介してハブフランジ２０６に解放自在に固定される。
【００５０】
かくして、タイヤ及び／又はリム２０８が万が一、損傷を受けた場合、組立体を支持体Ｓから取り外す必要なしに、タイヤ及び/又はリムをハブ組立体２０２から取り外すことができる。ハブ組立体２０２はまた、ハブ２０４を機械的に制動させる装置を含む。更に詳しくは、環状の有孔ブレーキディスク２１６が、ディスクの適当な穴を貫いて延び、且つ端壁２０４ｂのねじ穴２２０にねじ込まれる円形配列のボルト２１８によってハブ端壁２０４ｂに取り付けられる。ハブを遅くするには、ディスク２１６に仮想線で示した在来のブレーキカリパーＣを摩擦係合させるのが良い。
【００５１】
歯車減速機６４に隣接したハブ２０２の開放端は、保持ディスク１２４から突出するスタブシャフト１８６を完全に覆う端カバー２１８によって閉鎖される。端カバー１１８は、ハブ側壁２０４ａのリムに組み合って着座するように構成された円筒形側壁２１８ａを含む。この実施形態では、端カバー側壁２１８ａの内面には、歯車減速機６４の遊星歯車１１４の歯と噛み合うリング歯車２２２が形成される。
【００５２】
端カバー２１８は、端カバーの穴２２６を貫いて延び、且つハブ側壁２０４ａのねじ通路２２８にねじ込まれる円形配列のボルト２２４によって、ハブ壁２０２ａに固定される。
【００５３】
好ましくは、オイル管継手２３２及びプラグ２３４が端カバー２１８に取り付けられるので、ハブ２０４は、図２に関して上で述べたように、冷却用オイルＯで部分的に満たされる。
【００５４】
砂丘用バギー、小都市の車、などを運転するのに適した図９の組立体の比較的高電力の型、例えば５キロワット以上では、組立体の中の冷却用オイルＯの循環は、外部リザーバ、と乗り物のラジエータと乗り物の種々のハブ組立体との間の閉ループ内で冷却オイルを循環させる外部ポンプによって容易になる。この場合、各組立体との必要なオイル接続はハブ２０４の管継手２３２、２３４の代わりにシャフト６８の管継手を介してなされる。これらのシャフト管継手はオイルを組立体の内部へ、そして組立体の内部から流す。ソレノイドバルブが外部オイルループに組み込まれて、上述したように、回転する太陽歯車１２２及び遊星歯車１１４からなる組立体の内部オイルポンプに「呼びオイルを差す」ように乗り物の始動時に外部ポンプを起動する。
【００５５】
図９のハブ組立体２０２の他と異なる利点は、端カバー２１８を取り外して、ハブを支持体Ｓから、又は車輪のリム２０８をハブから取り外す必要なしに、保守及び修現の目的で組立体の内部に近づくことができることである。また、ロータ８８、小歯車１２２及び／又はリング歯車２２２が損傷を受けるとき、端カバー２１８だけを取り替えれば良い。
【００５６】
図９の構造の別の利点は、ハブ組立体全体に例えば１５：１の高い歯車減速比を与えるように単段歯車減速機６４を図９Ａに示す２段歯車減速機２３６で容易に置き換えることができる。
【００５７】
図９Ａに示す２段歯車減速機２３６は、主として、保持ディスク１０６から突出するポスト１１２に回転自在に取り付けられた２部分の遊星歯車２３８を有する事実により前に説明した単段歯車減速機６４と異なる。
【００５８】
２つの歯車２３８の各々は、太陽歯車１２２と噛み合う第１の比較的大径の平歯車セクション２３８ａと、対応するポスト１１２を超えて軸線方向に延びる第２の小径の平歯車セクション２３８ｂと、からなる。前のように、遊星歯車２３８は保持ディスク２４２によってポスト１１２に回転自在に取付けられる。しかしながら、ここで、保持ディスクは、歯車セクション２３８ｂを貫いて突出し、且つ関連したポスト１１２の端を補足するように端ぐりされたレセプタクル即ちスリーブ２４４を有する。スリーブ２４４は円形ベアリング２４６のための座部を提供し、歯車セグメント２３８ｂはスリーブ２４４に対して自由に回転する。保持ディスク２４２は、前のようにスリーブを貫いて延び、且つポスト１１２の端にねじ込まれたねじ付留め具２４８によってポストに固定される。
【００５９】
図９Ａの組立体には、図９の端カバー２１８と同様の端カバー２５２が設けられているが、該端カバーは２段歯車減速機２３６の余分な長さを収容するように寸法決めされ、且つ形作られる。最も重要なこととして、端カバー２５２は平歯車セクション２３８ｂを囲む第１の側壁部分２５２ａを有する段付側壁を有する。その部分は、その内面に、両方の遊星歯車２５４の平歯車セクション２３８ｂの歯と噛み合うリング歯車５４が形成される。端カバー２５２の第２の側壁部分２５２ｂはかなりの隙間をもつ平歯車セクション２３８ａを囲み、且つハブ側壁２０４ａの端に着座する。図９のハブ組立体におけるように、端カバー２５２は円形配列のボルト２５６によってハブ側壁２０４ａに固定される。
【００６０】
勿論、図９及び図９Ａに示す、分離可能なリング歯車及び単段又は２段歯車減速機を備えた２ピースのハブ構造を、図２及び７に示すハブ組立体に組み込んで、これらの組立体についての上述の利点を得ること、即ち容易な修現及び歯車減速比の変更を得ることもできる。同様に、上述した種々の組立体の実施形態の他の側面は特定の適用に応じて交換できる。
【００６１】
モジュール車輪ハブ組立体は、長時間の連続使用後でも組立体が過熱することなくに小さなコンパクトパッケージで高い出力トルクを生じさせる能力の点で他と異なった利点を得る。モジュール組立体は小さな自転車や三輪車から大きなオンオフロード用の自動車やトラックまで幅広い種類の車輪で動く乗り物に適合できる。組立体はモータ又は発電機として作動できるので、組立体は駆動モータ又はブレーキとして機能することができる。これらの全ての利点にもかかわらず、組立体は作るのに比較的安価であり、且つ組み立て及び修現が容易である。従って、組立体は、これを取り付けた乗り物の全体のコストをかなり増すことにはならない。
【００６２】
事実、大き目の乗り物（図７乃至９）用ハブ組立体は、競合する内部補償エンジン駆動乗り物よりもはるかに部品が少ない。と言うのは、駆動シャフト、カプリング、クラッチ、差動装置、前車軸、後車軸、ステータ、トルクコンバータ、並びにアンチロックブレーキ及び公害防止システムが不要だからである。総体的に、モジュール電気車輪システムでは、乗り物全体の寿命は理にかなって伸ばされ、モータ全体として、駆動列及び車輪システムは単一のボルトよりも早く取り外され且つ取り替えられる。図９のボルト１８４を参照されたい。
【００６３】
先の説明から明らかになった上述の目的は効率的に達成され、或る変更が本発明の範囲から逸脱せずに上記の構造になされるため、上の説明に包含され且つ添付図面に示された全ての事項は、限定的な意味ではなく例示として解釈するべきである。
【００６４】
請求の範囲は、ここに説明した発明の全ての一般的且つ特定の特徴を含むものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  自転車の前輪及び後輪における、本発明による電動式ハブ組立体を組み込んだ自転車の概略図である。
【図２】  図１の自転車の前輪におけるハブ組立体の長手方向断面図である。
【図３】  図２の組立体における歯車減速機の構成要素を大変詳細に示す拡大側面図である。
【図４】  図３の線４−４における平面図である。
【図５】  図３の線５−５における平面図である。
【図６】  図１の自転車の後輪を駆動する別の電動式ハブ組立体の実施形態の断片的な断面図である。
【図７】本発明を組み込んだ更に別の電動式ハブ組立体の実施形態の図２と同様な図である。
【図８】  本発明を組み込んだハブ組立体を有する自動車の車輪を示す断片的な断面図である。
【図９】  更に別のハブ組立体の図７と同様な断面図である。
【図９】  ２段歯車減速機をもつ図９の組立体を拡大断片断面図である。
【符号の説明】
１２  上連結バー
１４  下連結バー
１６  ヘッドポスト
１８  フォーク
２２  ハンドルバー
２４  前輪
２６  ハブ組立体
２８  シートポスト
３２  スプロケット管
４４  ハブ組立体
４６  スプロケット
５２  制御ユニット
６２  モータ
６４  歯車減速機
６６  ハブ
６６ａ  ハブ側壁
６６ｂ  ハブ端壁
６８  シャフト
７２  シャフト
７４  ステータケース
８８  ロータ
９４  ベアリング
１１２  ポスト
１１４  遊星歯車
１１８  端カバー
１２２  太陽歯車
１２４  ディスク
１２６  スリーブ
２０２  ハブ組立体
２０４  ハブ
２０６  フランジ
２１０  ボルト
Ｏ  オイル
Ｓ  支持体
Ｔ  タイヤ
【図１】
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【図６】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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【図５】
0003803252.tif 000007
【図７】
0003803252.tif 000008
【図８】
0003803252.tif 000009
【図９】
0003803252.tif 000010
【図９Ａ】
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