JP4555774B2 - 回転電機及び電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、出力特性を自由に調整できる回転電機及び電動車両に関する。

近年、環境問題およびエネルギ問題の観点から電動モータを駆動源とする車両が注目されている。
車両に用いられる駆動源は、車両の発進時や登坂時などの低速度走行時には大きな駆動トルクを発生させることが要求される。また、定常走行時には駆動トルクは小さくてもよいが、高速で回転することが要求される。つまり出力特性を変化させることのできる電動モータが必要となる。
たとえば、日本特許第２７４９５６０号の明細書には、ステータのティースとロータのマグネットとの間隙（ギャップ）を調整することにより、モータの特性を変化させる技術が開示されている。
この技術のモータは、図１に示すように、ドラム状ロータ１２５、ステータ１３０およびブッシュ１４６とドラム状ロータ１２５との間隙を調節する締結・調節部材１６０とを備えている。締結・調節部材１６０のヘッド１６２を操作し、締結・調節部材１６０を緩めることにより、弾性部材１６１がブッシュ１４６をステータ１３０から離間させる。その結果、ロータ１２５のマグネット１４１とステータ１３０との間隙Ｇを大きくすることができる。また、締結・調節部材１６０を締めると、マグネット１４１とステータ１３０との間隙Ｇを小さくすることができる。間隙Ｇを変えて調整することによって、多くの仕様に適したモータを安価に製造することができると開示されている。
また、日本特許出願公開番号特開平３−２１５１５４号は、テープレコーダのリールを回転駆動するためのモータにおいて、ロータとステータとのギャップを調整する技術を開示している。この技術は、モータに流れる電流に比例して電磁石に流れる電流を変化させ、電磁石の磁力とモータの軸に取り付けられたばねによってギャップを調整する。
一方、日本特許出願公開番号特開平９−３７５９８号は発電機として用いられるモータの発電特性を変化させる技術を開示している。この技術によれば、ロータの磁石とステータのコイルとの重なりを変化させることにより、発電量を調整することができる。
しかしながら、これら従来技術のモータは、モータを回転させながら出力特性を変化させることが困難であったり、車両の駆動源に用いるのには適していない。
また、電動モータは内燃機関に比べて、外形の自由度が大きく、種々の形状のモータを実現できる。このため、電動モータを車両の駆動源に用いる場合には、内燃機関を用いる場合に比べて、駆動源の外形を小さくしたり、たとえば、駆動源を車輪のホイル内に配置したりするなどして、駆動源に割り当てられるスペースに応じた外形に設計することが可能である。しかし、電動モータの出力特性を変化させるための機構の形状や大きさに制限がある場合、このような電動モータの利点を損なう可能性がある。
さらに、電動モータを車両の駆動源に用い、電動モータを電池によって回転させる場合、電池の容量に比べて電池の重量が比較的大きいため、車両の走行距離をできるだけ長くすることができるよう、電動モータのエネルギ効率は高いほうが好ましい。このため、出力特性を変化させる機構は電動モータのエネルギ効率を大きく低下させないものであることが求められる。
特に、二輪車の駆動源に電動モータを用いる場合、これらの課題をできるだけ多く解決するものであることが求められる。

本発明は上記の課題の少なくとも１つを解決し、出力特性を自由に調整できる回転電機および電動車両を提供することを目的とする。
本発明の回転電機は、第１の方向に延びる回転軸と、前記回転軸と結合し、前記回転軸とともに回転する第１ロータと、前記第１ロータと対向するように配置された第１ステータと、前記第１ロータと前記第１ステータとの相対位置が変化するように前記第１ロータを移動させる可動機構とを備える。
ある好ましい実施形態において、前記第１ステータは前記第１ロータに対して前記第１の方向に離間して対向しており、前記可動機構は、前記第１ロータを第１の方向に移動させることによって前記第１ロータと前記第１ステータとの間隙を調節する。
ある好ましい実施形態において、前記可動機構は可動部材を含み、前記可動部材が前記第１ロータを前記第１の方向に沿って押すことにより、前記第１ステータから離間するように前記第１ロータを移動させる。
ある好ましい実施形態において、前記可動部材は、貫通孔を有する円筒形状を備え、前記回転軸が前記貫通孔に挿入されている。
ある好ましい実施形態において、前記可動機構は、前記可動部材が前記第１ロータとともに回転するのを防止するように前記可動部材と係合する回り止め部材をさらに含む。
ある好ましい実施形態において、前記可動機構は、軸受をさらに含み、前記可動部材と前記第１ロータとは前記軸受を介して接触している。
ある好ましい実施形態において、前記可動機構は、前記可動部材と前記回転軸との間に設けられた軸受をさらに有する。
ある好ましい実施形態において、前記軸受は、少なくとも前記可動部材の貫通孔の両端近傍に設けられている。
ある好ましい実施形態において、前記可動機構は調整用モータを含み、前記調整用モータの回転を前記第１の方向の変位に変換し、前記第１ロータを前記第１の方向に移動させることにより、前記第１ロータと前記第１ステータとの間隙を調節する。
ある好ましい実施形態において、前記調整用モータは、貫通孔を有する第２ロータを含み、前記第２ロータの貫通孔に前記回転軸が挿入され、前記回転軸回りに前記第２ロータが回転する。
ある好ましい実施形態において、前記可動機構は調整用モータをさらに含み、前記調整用モータは、前記回転軸および前記可動部材が挿入される貫通孔が設けられた第２ロータを備え、前記貫通孔を規定する側面にはネジが設けられており、前記可動部材の外側面には、前記第２ロータの内側面のネジに噛み合うネジが設けられている。
ある好ましい実施形態において、前記回転軸は前記調整用モータの第２ロータを貫通し、端部が軸受により固定されている。
ある好ましい実施形態において、前記回転軸と前記第１ロータとはセレーションにより結合し、前記第１ロータは前記回転軸に対して前記第１の方向に沿って摺動可能である。
ある好ましい実施形態において、前記第１ステータは前記回転軸近傍に設けられた空間を有し、前記可動部材の少なくとも一部が前記空間内に位置している。
ある好ましい実施形態において、前記第１ロータは前記回転軸近傍において軸方向にくぼんだ凹部を有するプレート形状を備えている。
ある好ましい実施形態において、前記回転軸と同軸上に配置された駆動軸と、前記回転軸の回転速度を変換して前記駆動軸へ伝達する変速機とをさらに備え、前記変速機の少なくとも一部は前記第１ロータの凹部に挿入されている。
ある好ましい実施形態において、前記変速機は減速機であって、前記減速機は、前記回転軸に設けられたサンギアと、リングギアと、前記駆動軸に固定された回転軸の周りに回転し、前記サンギアおよびリングギアと噛み合うことによって前記駆動軸を中心に公転する遊星ギアとを含む。
ある好ましい実施形態において、前記変速機および前記可動機構は前記第１ロータをはさむように配置されている。
ある好ましい実施形態において、前記第１ステータに磁界を発生させるための駆動回路をさらに備え、前記第１ステータは円周上において空間を残して配置された複数のコイルを含み、前記円周上の前記空間に前記駆動回路が配置されている。
ある好ましい実施形態において、前記回転軸と前記ロータは前記可動部材によって一体的に移動する。
ある好ましい実施形態において、前記回転軸と同軸上に配置された駆動軸をさらに備え、前記回転軸と前記駆動軸とはセレーションにより結合し、前記回転軸は前記駆動軸に対して前記第１の方向に沿って摺動可能である。
本発明の電動車両は、上記いずれかに規定される回転電機と、前記回転電機により駆動される車輪とを備える。
本発明の電動車両は、上記いずれかに規定される回転電機と、前記回転電機により駆動される車輪とを備える。
本発明の電動車両ユニットは、上記いずれかに規定される回転電機と、前記回転電機により駆動される車輪とを備える。

図１は、従来のモータの構造を示す断面図である。
図２は、本発明の第１の実施形態である電動二輪車の側面図である。
図３は、図２に示す電動二輪車の斜視図である。
図４は、図２に示す電動二輪車の電動モータ近傍の構造を示す断面図である。
図５は、図４に示す減速機の分解斜視図である。
図６は、図４に示す電動モータの分解斜視図である。
図７は、本実施形態の電動モータのトルク特性を示すグラフである。
図８は、本実施形態の電動モータの出力特性を示すグラフである。
図９は、本発明の第２の実施形態である電動二輪車の電動モータ近傍の構造を示す断面図である。
図１０は、本発明の第３の実施形態である電動二輪車の電動モータ近傍の構造を示す断面図である。

（第１の実施形態）
本発明の回転電機および電動車両の第１の実施形態を説明する。本実施形態では、電動車両として電動二輪車を例示する。
図２は、第１の実施形態の電動二輪車１を示す側面図であり、図３は、電動二輪車１を後方から見た斜視図である。電動二輪車１は、前輪６、後輪２２、電動モータ２８およびバッテリ１４を備え、バッテリ１４から得られる電力によって電動モータ２８を回転させ、その回転によって後輪２２を駆動する。以下、電動二輪車１の全体の構造を車体前方から順に説明する。
電動二輪車１は、その車体前方の上部にヘッドパイプ２を備え、ヘッドパイプ２内には図示しないステアリング軸が回動自在に挿入されている。ステアリング軸の上端にはハンドル３が取り付けられている。ハンドル３の両端には、グリップ４が設けられており、右側のグリップはスロットルグリップを構成している。ハンドル３の中央付近にはメータ８が設けられている。また、ヘッドランプ９がメータ８の下方に配置され、その両側にフラッシャランプ１０（図２および図３では左側のみが示されている）が設けられている。
ヘッドパイプ２から左右一対の車体フレーム１１が車体後方に向かって延びるように設けられている。車体フレーム１１は丸いパイプ形状を有し、ヘッドパイプ２から斜め下方に延びており、後輪２２の中心程度の高さにおいて円弧状に曲げられ、車体後方へおおよそ水平に延びている。各車体フレーム１１の後端部から斜め上方に向かうように左右一対の車体フレーム１２が設けられて端部において互いに接続されている。
一対の車体フレーム１２間にはバッテリ１４が配置されている。また、バッテリ１４の上方においてシート１３が車体フレーム１２に固定されている。車体フレーム１２には車体前方に底部を向けて水平保持されたＵ字形状のシートステー（図示せず）が接続され、また、車体フレーム１２に接続された左右一対のステー１５（図２および図３では左側のみが示されている）により支持される。シート１３は、このシートステーの一部に開閉可能なように接続されている。
車体フレーム１２の後端にはリヤフェンダ１６が設けられ、テールランプ１７およびテールランプ１７を挟むように配置されたフラッシャランプ１８が設けられている。
車体フレーム１１の後端部には左右一対のリヤアームブラケット１９（図２および図３では左側のみが示されている）がそれぞれ溶着されている。リヤアームブラケット１９にはリヤアーム２０の前端がピボット軸２１によって上下に揺動し得るよう支持されている。
リヤアーム２０の後端には後輪２２が回転可能に支持されており、リヤアーム２０全体はリヤクッション２３によって車体フレーム１２に懸架されている。以下において詳細に説明するように、リヤアーム２０の後端部分には、車幅方向に扁平な電動モータ２８が収納されている。電動モータ２８が後輪２２を駆動する。
左右の車体フレーム１１の下方にはフットステップ２４（図２および３では左側のみが示されている）がそれぞれ設けられている。また、サイドスタンド２５が軸２６によりリヤアーム２０に対して回転可能なように支持されている。サイドスタンド２５は、リターンスプリング２７によって、サイドスタンド２５を立てる側に付勢されている。
なお、詳細には説明しないが、電動二輪車１には前輪６および後輪２２の回転速度を低下させたり、回転を制動させたりするための適切なブレーキシステムが設けられている。
次に電動モータ２８およびその周辺の構造を詳細に説明する。図４は、後輪２２および電動モータ２８近傍の断面を示している。図において、左側が車体前方方向であり、図の上部側は車体の右側である。図に示すように、リヤアーム２０の後端部は電動モータ２８を収納するためのケース２０１を構成しており、ケース２０１は、カバー２０２が取り付けられる。
ケース２０１およびカバー２０２によって形成される空間内には、回転軸４４を備える電動モータ２８と、駆動軸である後車軸２２１を備える減速機５１と、第１の駆動回路７１（図６に示す）と、第２の駆動回路４８とが収納されている。以下において詳細に説明するように、電動モータ１８の回転軸４４および減速機５１の後車軸２２１はそれぞれの軸中心が第１の方向Ａ１に平行な一直線上に位置するように同軸的に配置される。電動モータの回転は回転軸４４を介して減速機５１に伝達され、減速機５１においてその回転を減速し、後車軸２２１へ伝達する。
回転軸４４および後車軸２２１はそれぞれ軸受２０４および２０３によって回転可能に支持される。これらの軸は軸方向（第１の方向）には移動しないように支持されている。後輪２２は、ホイル２２２およびホイル２２２の外周に設けられたタイヤ２２４を含み、ホイル２２２が後車軸２２１に挿入され、ナット２２３によって固定されている。後車軸２２１とホイル２２２とは、たとえばセレーション（鋸歯状構造）によって機械的に結合し、後車軸２２１の回転がホイル２２２に伝達される。図に示すようにホイル２２２は、減速機５１や電動モータ２８の一部を収納することができるよう、後車軸２２１が挿入される部分を中心としてアーチ状の回転断面形状を備えていることが好ましい。
図５は、減速機５１の構造を分解して示す斜視図である。図４および図５に示すように、減速機５１は、筐体５１ａと、遊星ギア５１ｃと、回転軸４４の外周に設けられたサンギア４４ａ（図４）とを含む。遊星ギア５１ｃは、支軸５１ｅを有する支持板５１ｄおよびホルダ５１ｆにより形成される空間に収納され、支軸５１ｅの回りに回転可能なように支持される。遊星ギア５１ｃと支軸５１ｅとの摩擦を低減するために含油軸受５１ｇを支軸５１ｅが挿入される孔の回りに設けることが好ましい。ホルダ５１ｆには回転軸４４のサンギア４４ａが挿入される孔５１ｈが設けられている。また支持板５１ｄの中心には後車軸２２１が固定されている。
筐体５１ａは円筒状の内空間を有し、内空間を規定する側面にリングギア５１ｂが設けられている。支持板５１ｄおよびホルダ５１ｆに保持された遊星ギア５１ｃは、筐体５１ａの内空間に挿入され、遊星ギア５１ｃとリングギア５１ｂとが噛み合っている。孔５１ｈから挿入される回転軸４４のサンギア４４ａも遊星ギア５１ｃと噛み合う。
回転軸４４が回転すると、サンギア４４ａとの噛み合いによって遊星ギア５１ｃがそれぞれの支軸５１ｅの回りで自転する。また、遊星ギア５１ｃはリングギア５１ｂとも噛み合っているため、後車軸２２１の回転中心および回転軸４４の回転中心を中心として公転する。これにより、後車軸２２１が回転する。各ギアの歯数や直径は、所望の出力（トルクおよび回転数）を得ることができるよう適切な値に調整されている。
本実施形態では遊星歯車構造の減速機を用いるが、他の構造を備えた減速機を用いてもよい。遊星歯車構造の減速機を用いる場合には、電動モータ２８の回転軸４４と同軸上で回転の減速を行うことができ、後輪２２およびモータ２８の回転軸を同軸上に配置できる。このため、減速機５１および電動モータ２８の一部をアーチ状断面を有するホイル２２２の凹状空間に収納し、いわゆるホイルインの構造を採用することできる。これにより、車輪を有するコンパクトな駆動ユニットを実現することができる。
次に電動モータ２８を説明する。図６は、電動モータ２８の構造を分解して示す斜視図である。図４および図６に示すように、電動モータ２８は、第１ステータ３１と、第１ロータ４０と、可動機構７２と、上述の回転軸４４とを備える。
第１ステータ３１は、おおよそリング状に形成されたステータヨーク３３と、ステータヨーク３３に設けられた嵌合孔に挿入し固定された複数のティース３２（図４に示す）と、ティース３２のそれぞれにボビン（インシュレータ）３４を介して巻回されたコイル３３とを含む。また、第１ステータ３１は、樹脂などにより全体にモールドされ、ケース２０１に収納されボルトなどにより固定されている。
図６に示すように、本実施形態では、ティース３２を巻回している各コイル３３は、破線Ｒ１で示す円周上において空間Ｓ１を残して配置されている。コイル３３が配置されていない空間Ｓ１には図６に示すように第１の駆動回路７１が配置されている。また、第１ステータ３１はコイル３３および第１の駆動回路７１によって囲まれた空間３１ａを有する。
このようにコイル３３および第１の駆動回路７１を配置することによって、第１ステータ３１とほぼ同一平面に第１の駆動回路７１を配置することができ、後輪２２近傍の車幅を小さくすることできる。特に電動モータ２８を電動二輪車に用いた場合、ケース２０１の出っ張りを小さくできる。このため、電動二輪車が転倒しても、ケース２０１が路面などと接触してケース２０１に収納される電動モータ２８などが破損しにくくなる。
第１ロータ４０は円盤状のヨーク４１およびブラケット９８を含む。ヨーク４１は外周部分に位置するリング状の平坦部と、その内側に空間４１ａを有する凹部とによって構成されている。この空間４１ａは減速機５１の一部を収納できる大きさに形成されている。空間４１ａの設けられた側と反対の側では、ヨーク４１は空間４１ａに対応する形状を有する凸部が形成される。このような形状は、たとえば、パンチ加工によりリング状に形成された金属板を２段階絞り加工をすることによって得られる。
ヨーク４１の第１ステータ３１と対向する面には、交互に異なる極性を備えたマグネット４２（図４）が配置される。ヨーク４１の中心には貫通孔が設けられており、貫通孔にはブラケット９８の上部が嵌合している。ブラケットの上部は半径方向に延びた平坦部を有し、平坦部とヨーク４１とが重なる部分においてボルトなどにより固定されている。ブラケットの下部には外側から軸受４５が嵌合もしくは当接している。図６によく示すように、ブラケットは中心孔を有し、中心孔を規定する側面には、軸方向に延びた溝（スリット、あるいは鋸歯）９８ｂが設けられている。一方、回転軸４４にも溝９８ｂに噛み合う溝４４ｂが設けられている。回転軸４４は、溝４４ｂが溝９８ｂと噛み合うようにブラケット９８の中心孔に挿入される。溝４４ｂおよび溝９８ｂがセレーションで機械的に結合することによって、第１ロータ４０の回転が回転軸４４に伝達される。
図４に示すように、第１ロータ４０に挿入された回転軸４４は、可動機構７２にさらに挿入され、第１ロータ４０が第１ステータ３１に対抗し、第１の方向Ａ１に離間して保持されるよう、軸受４４でその一端が回転可能に支持される。第１ロータ４０の第１ステータ３１と対向する面に設けられたヨーク４１の凸部の一部は、第１ステータ３１の空間３１ａに挿入されている。つまり、第１ロータ４０により規定される空間４１ａの一部は、第１ステータ３１の空間３１ａに侵入するよう位置し、回転軸４４と垂直な方向から見たときはオーバラップしている。一方、空間４１ａにその一部が保持される減速機５１は、第１ステータ３１の空間３１ａにも部分的にオーバラップして位置している。これにより、電動モータ２８と減速機２１とを同軸的に配置したときに、これらを配置するのに要する空間の軸方向の長さを短くすることができる。本実施形態のように電動二輪車に電動モータ２８を用いる場合には、ケース２０１の出っ張りを小さくできる。このため、電動二輪車が転倒しても、め、ケース２０１が路面などと接触してケース２０１に収納される電動モータ２８などが破損しにくくなる。またデザイン的にも優れる。
可動機構７２は、第１ロータ４０と第１ステータ３１との相対位置が変化するように第１のロータを移動させる。より具体的には、可動機構７２は、第１ロータ４０を第１の方向Ａ１に沿って移動させることにより、第１ロータ４０のマグネット４２と第１ステータ３１との間隙Ｇを調節する。このために、可動機構７２は、可動部材４７と、回り止め部材９９と、調整用モータ６０とを含む。
可動部材４７は、円筒形状のスライダ４７ａとスライダ４７ａの上端部に接続された軸受部４７ｄとを有する。軸受部４７ｄは、軸受４５を外側から嵌合して保持する。スライダ４７ａには回転軸４４が挿入される貫通孔が設けられている。スライダ４７ａの外側面の上部には平面部４７ｃが形成されている。
軸受部４７ｄを含む可動部材４７の先端部は第１ロータ４０の空間３１ａに挿入されている。つまり可動機構７２の一部は第１ロータ４０とオーバラップするように空間３１ａに挿入されている。このため、電動モータ２８の第１の方向Ａ１における長さを短くすることができる。
回り止め部材９９は、可動部材４７のスライダ４７ａが挿入される円筒状の孔を有し、孔の内側面には平面部４７ｃと係合する平面部９９ｃが形成されている。回り止め部材９９の下部はフランジ形状を有し、ケース２０１に固定されている。
回り止め部材９９の貫通孔に挿入されたスライダ４７ａは、その平面部４７ｃが回り止め部材９９の平面部９９ｃに接触して係合するため、第１の方向Ａ１には移動可能であるが、回転軸４４回りに回転することは妨げられる。
回り止め部材９９は、可動部材４７を第１の方向へ移動することを許容し、回転軸４４の回りに可動部材４７が回転することを制限することができれば、上述以外の構造を備えていてもよい。たとえばスライダ４７ａはスライダ４７ａの軸方向と垂直に矩形の断面を有し、回り止め部材９９の孔はその断面に係合する形状であってもよく、他の多角形や円形の一部が欠落した形状の断面および孔であってもよい。
図４に示すように、可動部材４７のスライダ４７ａの貫通孔内には、回転軸４４を回転可能に支持する含油軸受１０１および１０２がスライダ４７ａの上端部および下端部に設けられている。含油軸受は、玉などの転動体を有する軸受に比べ少ない部材により構成されているため、一般に安価であり、コストの低減にも寄与する。これにより、可動部材４７は回転軸４４の回りに回転可能なように支持される。また、スライダ４７ａの外側面にはネジ４７ｂが設けられている。
調整用モータ７２は、可動部材４７を第１の方向Ａ１に移動させることにより、第１ロータ４０を移動させる。調整用モータ７２は、たとえば、ステッピングモータであって、円筒形の第２ステータ６１および円筒形の第２ロータ６２を含む。第２ステータ６１は、複数のコイル６３を有し、第２ロータ６２が挿入される孔を有する。第２ステータ６１は、ケース２０１に固定されている。コイル６３には調整用モータ７２を駆動するための第２の駆動回路４８が接続されている。第２ロータ６２は、円筒部６５および円筒部６５の外側に配設された複数の磁極を有するマグネット６４を含む。円筒部６５には、可動部材４７のスライダ４７ａおよび回転軸４４が挿入される貫通孔が設けられている。貫通孔の内側面にはスライダ４７ａのネジ４７ｂと噛み合うネジ６５ｂが設けられている。第２ロータ６２および第２ステータ６１は回転軸４４と同軸的に配置される。
図４に示すように、円筒部６５の両端は回り止め部材９９およびケース２０１に固定された軸受６６によって回転可能なように支持される。
調整用モータ７２が駆動されて第２ロータ６２が回転すると、ネジ６５ｂと噛み合うネジ４７ｂによって第２ロータ６２の回転がスライダ４７ａに伝達される。しかし、スライダ４７ａは回り止め部材９９によって、その回転が防止されている。このため、第２ロータ６２の回転によって、ネジ６５ｂがネジ４７ｂをネジのピッチに応じた割合で第１の方向Ａ１へ移動させる。つまり、スライダ４７ａが第１の方向Ａ１へ移動する。その結果、可動部材４７が第１ロータ４０を第１の方向Ａ１に沿って移動させ、第１ロータ４０と第１ステータ３１との間隙Ｇを変化させる。間隙Ｇの調整範囲は、電動モータ２８に求められる出力特性に応じて決定される。たとえば、本実施形態では１ｍｍから１０ｍｍの範囲で調節される。
なお、本実施形態では、スライダ４７ａおよび第２ロータ６２にネジ４７ｂおよびネジ６５ｂを設けることによって、第２のロータ６２の回転をスライダ４７ａの第１の方向Ａ１に沿う移動に変換しているが、他の構造を用いてもよい。たとえば、キューをつけたセレーションのように円筒部６５の内側面にらせん状の凹凸部を設け、スライダ４７ａの外側面にもらせん状の凹凸部を設け、凹凸同士を係合させてもよい。また、円筒部６５の内側面およびスライダ４７ａの外側面の一方にらせん状の溝を設け、他方には溝に係合するピンを配置してもよい。
つぎに、電動モータ２８の動作を説明する。第１の制御回路７１を用いて第１ステータ３１のコイル３０に電流を流すと、磁界が発生し、発生した磁界と第１ステータ４０のマグネット４２との間に生じる反発力および吸引力によって、通常のモータと同様に第１ロータ４０が回転する。第１ロータ４０の回転は回転軸４４に伝達され、減速機５１において回転速度が低下させられ、後車軸２２に回転が伝達される。
第１ステータ３１と第１ロータ４０との間隙Ｇを調整し、電動モータ２８の出力特性を変化させるためには、可動機構７２を用いる。具体的には、第２の駆動回路４８により、調整用モータ７２のコイル６３を駆動すると、第２ロータ６２が回転する。すると、第２ロータ６２のネジ６５ｂとスライダ４７ａのネジ４７ｂが噛み合い、可動部材４７が第１の方向Ａ１と平行に移動する。たとえば、矢印のように図面の上方へ移動する。これにより、軸受４５を介して第１ロータ４０を押し上げ、第１ロータ４０が上方へ移動する。その結果、間隙Ｇは大きくなる。軸受４５を介して第１ロータ４０と可動部材４７とが接合されているため、第１ロータ４０が回転していても間隙Ｇを調整できる。また、逆に第１ロータ４０の回転が停止していても間隙Ｇを変化させることができる。
上述とは逆の方向に調整用モータ７２の第２ロータ６２を回転させると、可動部材４７は第１の方向Ａ１と平行であって図面の下方へ移動する。これにともなって、軸受４５を介して第１ロータ４０が引き下げられ、第１ロータ４０が下方へ移動する。その結果、間隙Ｇは小さくなる。第１ロータ４０が第１ステータ３１へ近づくように移動させる場合も、第１ロータ４０は回転していても停止していもよい。
図７および図８は電動モータ２８の出力特性を模式的に示すグラフである。図７は電動モータ２８の回転数に対するトルクを示し、図８は、回転速度に対する出力を示している。第１ロータ４０と第１ステータ３１との間隙Ｇが小さい場合、第１ロータ４０のマグネット４２により多くの磁束が第１ステータ３１のコイルに鎖交する。このため、図７中Ｔ１で示すように強いトルクが発生し、また、図８中Ｐ１で示すように低回転数で大きな出力が得られる。しかし、間隙Ｇが小さい場合には、第１のステータ３１のコイルに大きな誘起電圧が発生するため回転速度を上げることはできない。
一方、第１ロータ４０と第１ステータ３１との間隙Ｇが大きい場合、第１ロータ４０のマグネット４２による第１ステータ３１のコイルに鎖交する磁束は少ない。このため、図７中Ｔ２で示すように小さいトルクしか発生しない。しかし、間隙Ｇが小さい場合には、第１のステータ３１のコイルに発生する誘起電圧は小さく、回転速度を上げることができる。また、図８中、Ｐ２で示すように高い回転数で大きな出力が得られる。
したがって、従来の電動モータのように、ステータとロータとの間隙が固定されていたり、製品として出荷する前にのみ間隙を調整することができる場合には、上述いずれか一方の特性を得ることしかできない。
これに対して本発明によれば、可動機構によって電動モータの回転中に間隙Ｇを連続的に変化させることができるため、図７のＴ３および図８のＰ３で示すように、回転数に応じて連続的にトルクおよび出力を変化させ、かつ、高回転数まで電動モータ２８を駆動することが可能となる。
したがって、電動モータ２８の出力特性を変化させることにより、電動二輪車１は、始動時あるいは登坂時などでは大きなトルクで後車輪２２を回転させ、平らな道などを定常状態で走行する場合にはモータの回転数を上げ、電動二輪車を速い速度で運転することが可能となる。
特に本実施形態では第１ロータ４０のマグネット４２と第１ステータ３１のティースとに働く吸引力の方向に間隙Ｇが設定されているため、第１ロータ４０が第１ステータ３１と近接している領域ではわずかな間隙の変化によって大きく磁束量が変化する。このため、間隙Ｇをわずかに変化させることによって、大きく出力特性が変化する。
一方、本実施形態によれば、調整用モータの回転をネジによって可動部材の第１の方向への移動に変換している。可動部材の移動量はネジのピッチにより決定し、調整用モータの回転によって正確に可動部材の移動を制御できる。また、ネジのピッチにより可動部材の移動量を容易に調整することが可能である。したがって、間隙Ｇの磁束量が大きく変化する領域においても調整用モータを用いて正確に出力特性を制御することができる。また、間隙Ｇを大きくとる必要がないため、電動モータの軸方向の厚さを小さくすることができる。
こうした理由から、本発明の電動モータは、第１ロータ４０の回転軸方向である第１の方向Ａ１に第１ロータ４０のマグネットと第１のステータ３１のティースが対向し、間隙Ｇが設けられたアキシャルギャップ構造を採用し、第１ロータ４０を回転軸方向に移動させて出力特性を調整することが好ましい。電動モータには、ロータとステータのティースが半径方向に対向するラジアルギャップ構造のものも存在するが、この場合、出力特性を変化させるためにロータを半径方向に移動させるためには複雑な構造が必要であったり、移動させるための構造が大掛かりになってしまうからである。また、ラジアルギャップ構造の電動モータにおいて回転軸方向にロータを移動させることにより、出力特性を変化させることも可能であるが、この場合の磁束量の変化はロータのマグネットがステータのティースと重なる面積に比例する。このため、出力特性を調整するために、ロータを回転軸方向に大きく移動させる必要があり、電動モータの軸方向の外形が大きくなってしまう。
以上、図面を参照して詳しく説明したように、本実施形態によれば、調整用モータによって、第１のロータを移動させて第１ロータと第１ステータとの間隙を調節し、磁束量を変化させることによって、電動モータの出力特性を調整することができる。
また、第１ロータと電動モータの回転軸とはセレーションのような歯の噛み合わせにより結合しているため、第１ロータによる大きな回転力を確実に回転軸に伝達することができ、かつ、第１のロータのみを回転軸に対して摺動させることができる。回転軸の位置は第１ロータを移動させても変化しないので、ケース等に確実に回転軸を固定し、安定して第１ロータを回転させることができる。
また、回転軸と同軸上に車輪などが接続された駆動軸を配置することが可能であり、駆動軸の位置は第１ロータを移動させても変化しない。このため、第１ロータを移動させても車輪の位置が変位することがない。
また、第１のロータの回転軸と同軸上に可動機構を配置しているため、マグネットの吸引力により発生する第１ロータと第１ステータとの間に生じる力の方向と可動部材の移動方向とをおおよそ一致させることができる。このため、可動機構に大きな偏荷重がかかることなく可動部材を安定して移動させることができる。その結果、可動機構の構成を簡単なものにすることが可能となる。また、摩擦力などによるエネルギの損失も低減されるため、調整用モータは出力が小さい小型のものでよい。よって、電動モータ全体を小型で軽量なものにすることができる。また、調整用モータのエネルギ効率が高くなるため、電動モータをバッテリで駆動する場合にはバッテリの容量を小さくすることができる。
また、減速機と可動機構とは回転軸の方向において第１ロータおよび第１ステータを挟んで配置される。このため、これらを同じ側に配置することによる構造の複雑化を防止し、形状の自由度を大きくすることができる。また、第１ステータの空間に両側から減速機および可動機構の一部がそれぞれ侵入するよう位置し、第１ステータの空間とオーバラップさせることができるため、回転軸方向の厚みを小さくしコンパクトな電動モータを実現することができる。また、本実施形態のように、電動車両のホイルインモータなどに本発明を適用する場合、重量の大きい回転電機の重心がおおよそ車軸上に位置するため、重量の偏りがなく、直進時や旋回時の安定性が向上する。
また、回転軸が可動機構である可動部材および調整用モータを貫通しているため、回転軸を電動モータを収納するケースや電動二輪車におけるアームなど安定した部材に支持させることができる。回転軸が貫通しない場合、回転軸の一端は可動機構の可動部材などで支持しなければならない。しかし、可動部材は移動可能な構造を有しているので、その支持は不安定となり、回転軸のがたつきが生じる可能性がある。また、振動や騒音の発生、ならびに、これに伴う摩擦などによる回転エネルギの損失や金属疲労などの問題が生じ得る。これを防止するためには、可動部材や可動部材を支持する構造の強度をより高める必要があり、重量の増大などを招く可能性がある。
また、可動部材は、含油軸受を介して貫通する回転軸によって支持される。このため、第１ステータのティースが一部欠落していることによって第１ロータが傾くように第１ステータから力を受ける場合であっても、第１ロータおよび可動部材の傾きを回転軸によって抑制することができる。その結果、可動部材と第１ロータとの間で大きな摩擦が生じることなく安定して可動部材が回転軸方向に移動し、第１ロータを移動させることができる。また、摩擦によるエネルギのロスを小さくし、電動モータのエネルギ効率を高めることができる。電動モータをバッテリで駆動する場合にはバッテリの容量を小さくすることができ、重量も軽くなるので、車両全体の自重が小さくなり、走行距離を延ばすこともできる。
また、可動部材が第１ロータと第１ステータとの間に生じる吸引力に抗して押圧する側において第１ロータと接触するよう配置されているため、可動部材と第１ロータとの間には押し合う力が発生する。このため、これらの間に軸受を設ける場合には、可動部材と第１ロータとの間に引っ張り力が発生している場合に比べて可動機構の構造を簡単なものにすることができ、機構の小型化、部品数の低減およびコストの低減に効果がある。また、可動機構をケースや電動二輪車におけるアームなどに固定する場合も、簡単な構造を採用することができる。
また、可動部材と第１ロータとの間に軸受を用いることにより、可動部材と第１ロータとの間に傾きが生じている場合でも軸受内部の隙間などによって傾きを吸収あるいは低減することができる。このため、回転軸と第１ロータとの間でこじりや摺動抵抗を低減することができ、振動および騒音の発生を防止するとともに調整用モータに出力が小さく小型のものを用いることができ、低消費電力で可動部材を駆動することができる。
なお、本実施形態において、電動二輪車は減速機を備え、電動モータの回転を減速して後車軸に伝達していたが、減速機に変えて回転を加速あるいは回転数を増大させる変速機を設けてもよい。また、回転速度を変化させることのできる可変変速機を設けてもよい。減速機などに加えて、あるいは、減速機に換えて、ワンウエイクラッチなどその他の機械的要素を電動二輪車は備えていてもよい。
また、可動部材と軸受および軸受と第１ロータとは完全に接続されていなくてもよい。可動部材が第１ロータを第１ステータから離間させる場合には、可動部材が第１ステータと第１ロータとの吸引力に抗して第１ロータを押すため、これらの接続がなされていなくても確実に第１ロータは移動できる。また、第１ロータを第１ステータに接近させる場合には、可動部材を移動させることにより、第１ステータと第１ロータとの吸引力によって第１ロータが可動部材に当接するまで移動するため、これらの接続がなされていなくても確実に第１ロータを移動させることができる。なお、この吸引力に抗して第１ロータを引っ張るように可動機構を配置する場合でも可動部材と第１ロータを当接させて第１ロータを引っ張ることができる。この場合には、吸引方向に第１ロータを移動させるために吸引力を利用することができる。
（第２の実施形態）
図９は、本発明による回転電機および電動車両の第２の実施形態の主要部を示している。本実施形態の回転電機である電動モータでは、回転軸が第１ロータに固定されている点で第１の実施形態とは異なっている。その他の構造は第１の実施形態と同じであるため、同じ参照符号を付し、重複を避けるため同じ構造の説明を省略する。
本実施形態では、回転軸４４０はブラケットを含んで一体的に形成されており、ブラケットが第１ロータ４０に固定されている。回転軸４４０の一端には軸受２０４に換えて含油軸受２０４０が設けられ、回転軸４４０の一端をケース２０１に対して軸方向に摺動可能なように支持している。また、減速機には含油軸受２０５０が設けられ、回転軸４４０の他端を後車軸２２１に対して軸方向に摺動可能なように支持している。
調整用モータの第２ロータ６２の回転によって、可動部材４７が第１の方向と平行に移動すると、第１ロータ４０および回転軸４４０が一体的に移動する。これにより、第１の実施形態と同様、第１ステータ３１と第１ロータ４０との間隙を調節することができる。このとき、回転軸４４０のサンギア４４ａは第１の方向と平行に移動し、遊星ギア５１ｃに対して摺動する。
本実施形態によれば第１ロータ４０と回転軸４４０とが固定されているため、回転軸４４０と第１ロータ４０との間に回転軸を摺動させるための隙間を設ける必要がなく、回転軸４４０と第１ロータ４０とは、がたつきなく一体的に回転する。このため、第１ロータ４０を安定して回転させることが可能となる。また、回転軸４４０の変位は減速機において吸収されるため、駆動軸である後車軸２２１が変位し、タイヤ位置が変位することによる不快な走行フィーリングが生じることを防止することができる。
（第３の実施形態）
図１０は、本発明による回転電機および電動車両の第３の実施形態の主要部を示している。本実施形態は減速機５１を備えていない点で第２の実施形態とは異なっている。具体的には、回転軸４４００は、一体的に形成されたのブラケットを含み、ブラケットは第１ロータ４０に固定されている。
後車軸２２１０は、回転軸４４００の端部を同軸的に内包する空間を有し、空間を規定する側面と回転軸４４００の外側面とは、セレーションによって結合している。調整用モータの第２ロータ６２の回転によって、可動部材４７が第１の方向と平行に移動すると、第１ロータ４０および回転軸４４００が一体的に移動する。これにより、第１の実施形態と同様、第１ステータ３１と第１ロータ４０との間隙を調節することができる。この際、回転軸４４００と後車軸２２１０とはセレーション結合により、回転軸４４００の第１の方向への移動を許容しつつ、回転軸４４００の回転を後車軸２２１０へ伝達する。
本実施形態によれば、減速機を用いないため、駆動機構の外形をより小さくすることができる。また、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、上記実施形態において示した回転電機の形状は一例であり、回転電機のロータをステータに対して軸方向において相対的に移動させることにより、磁束量を変化させ、出力特性を調整できるような形状を回転電機が備えておればよい。
また、上記実施形態では、ロータ側にマグネットを配置しているが、ステータ側にマグネットを配置し、ロータ側にコイルを配置した回転電機にも本発明を適用することができる。
また、上記実施形態では回転電機としてモータを例示しているが、本発明は発電機であってもよく、電動車両における駆動モータであって、回生ブレーキのように発電機およびモータとして用いられものであってもよい。
さらに、上記実施形態では電動二輪車を例示しているが、三輪以上の電動車両にも本発明を適用することができる。また、電動二輪車の前輪を駆動輪としてもよく、前輪および後輪を電動モータによって駆動してもよい。あるいは、電動二輪車を含む電動車両において、本発明の回転電機に加えて、他の駆動装置、たとえはエンジンなどの内燃機関を合わせて備えていてもよい。

本発明によれば、可動機構によってロータとステータとの回転軸方向の相対位置を調整することができるため、出力特性を調整することのできる回転電機が実現する。
この回転電機は種々の電動車両に好適に用いることができ、特に電動二輪車に好適に用いることができる。

Claims (16)

1. 第１の方向に延びる回転軸と、
   前記回転軸と結合し、前記回転軸とともに回転する第１ロータと、
   前記第１ロータに対して前記第１の方向に離間して前記第１ロータと対向するように配置された第１ステータと、
   前記第１ロータと前記第１ステータとの相対位置を変化させて前記第１ロータと前記第１ステータとの間隙を調節するために、前記第１ロータを第１の方向に移動させる可動機構と、
   を備え、前記可動機構は、貫通孔が設けられた円筒形状を有しており、前記回転軸が前記貫通孔に挿入されている可動部材を含み、前記可動部材が前記第１ロータを前記第１の方向に沿って押すことにより、前記第１ステータから離間するように前記第１ロータを移動させる回転電機。
2. 前記可動機構は、前記可動部材が前記第１ロータとともに回転するのを防止するように前記可動部材と係合する回り止め部材をさらに含む請求項１に記載の回転電機。
3. 前記可動機構は、軸受をさらに含み、前記可動部材と前記第１ロータとは前記軸受を介して接触している請求項２に記載の回転電機。
4. 前記可動機構は、前記可動部材と前記回転軸との間に設けられた軸受をさらに有する請求項２に記載の回転電機。
5. 前記軸受は、少なくとも前記可動部材の貫通孔の両端近傍に設けられている請求項４に記載の回転電機。
6. 前記第１ステータに磁界を発生させるための駆動回路をさらに備え、
   前記第１ステータは円周上において空間を残して配置された複数のコイルを含み、前記円周上の前記空間に前記駆動回路が配置されている請求項４に記載の回転電機。
7. 前記可動機構は調整用モータをさらに含み、
   前記調整用モータは、前記回転軸および前記可動部材が挿入される貫通孔を設けた第２ロータを備え、
   前記第２ロータの前記貫通孔を規定する側面にはネジが設けられており、
   前記可動部材の外側面には、前記第２ロータの内側面のネジに噛み合うネジが設けられている請求項２に記載の回転電機。
8. 前記回転軸は前記調整用モータの第２ロータを貫通し、端部が軸受により固定されている請求項７に記載の回転電機。
9. 前記回転軸と前記第１ロータは前記可動部材によって一体的に移動する請求項７に記載の回転電機。
10. 前記回転軸と同軸上に配置された駆動軸をさらに備え、
    前記回転軸と前記駆動軸とはセレーションにより結合し、前記回転軸は前記駆動軸に対して前記第１の方向に沿って摺動可能である請求項９に記載の回転電機。
11. 前記第１ステータは前記回転軸近傍に設けられた空間を有し、前記可動部材の少なくとも一部が前記空間内に位置している請求項２に記載の回転電機。
12. 第１の方向に延びる回転軸と、
    前記回転軸と結合し、前記回転軸とともに回転する第１ロータと、
    前記第１ロータに対して前記第１の方向に離間して前記第１ロータと対向するように配置された第１ステータと、
    前記第１ロータと前記第１ステータとの相対位置を変化させて前記第１ロータと前記第１ステータとの間隙を調節するために、前記第１ロータを第１の方向に移動させる可動機構と、
    を備え、前記可動機構は、貫通孔が設けられた第２ロータを有する調整用モータを含み、前記第２ロータの貫通孔に前記回転軸が挿入され、前記回転軸回りに前記第２ロータが回転することにより、前記調整用モータの回転を前記第１の方向の変位に変換し、前記第１ロータを前記第１の方向に移動させることにより、前記第１ロータと前記第１ステータとの間隙を調節する回転電機。
13. 第１の方向に延びる回転軸と、
    前記回転軸と結合し、前記回転軸とともに回転する第１ロータと、
    前記第１ロータに対して前記第１の方向に離間して前記第１ロータと対向するように配置された第１ステータと、
    前記第１ロータと前記第１ステータとの相対位置を変化させて前記第１ロータと前記第１ステータとの間隙を調節するために、前記第１ロータを第１の方向に移動させる可動機構と、
    前記回転軸と同軸上に配置された駆動軸と、
    前記回転軸の回転速度を変換して前記駆動軸へ伝達する変速機と,
    を備え、前記第１ロータは前記回転軸近傍において軸方向にくぼんだ凹部が設けられたプレート形状を有し、前記変速機の少なくとも一部は前記第１ロータの凹部に挿入されており、前記変速機および前記可動機構は前記第１ロータをはさむように配置されている回転電機。
14. 請求項１、１２および１３のいずれかに規定される回転電機と、
    前記回転電機により駆動される車輪と、
    を備える電動車両。
15. 請求項１、１２および１３のいずれかに規定される回転電機と、
    前記回転電機により駆動される車輪と、
    を備える二輪車。
16. 請求項１、１２および１３のいずれかに規定される回転電機と、
    前記回転電機により駆動される車輪と、
    を備える電動車両ユニット。

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