JP2011172463A

JP2011172463A - 自転車用ハブダイナモ

Info

Publication number: JP2011172463A
Application number: JP2010191854A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Fukuda; 斉福田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd; Sanyo Consumer Electronics Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2011-09-01
Also published as: TW201126873A

Abstract

【課題】ステータコアや筒状コアにスリットを設けなくとも渦電流損を抑制して、発電効率を向上できる自転車用ハブダイナモを提供することを目的とする。
【解決手段】ハブ１２体の内側に永久磁石１４が配置され、ハブ軸１０には、永久磁石の極片と対向する複数の極片７４、７５を周上に設けた２つのステータコア１６、１７と、該ステータコア間に配されたコイルボビン２０に巻回されたコイル２２とを具える自転車用ハブダイナモ３０において、２つのステータコアは、ハブ軸側で筒状コア部８４ａ、８４ｂ（併せて筒状コア８４を構成）によって磁気的に結合されており、ステータコア及び／又は筒状コア部を圧粉磁心にて形成した。筒状コア部はステータコアと一体成形してもよく、別体でもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、自転車の発電機である自転車用ハブダイナモに関する。

従来、自転車用のハブダイナモは、特許文献１に見られるように、自転車のハブ体の内側に永久磁石が配置され、ハブ軸には、永久磁石の極片と対向する複数の極片を周上に設けた２つのステータコアが向かい合わせに配置され、該ステータコア間に配されたコイルボビンにコイルが巻回されて構成されている。詳述すると、２つのステータコアは、ハブ軸側で筒状コアによって磁気的に結合され、２つのステータコア間の筒状コアの外側に、コイルボビンに巻回されたコイルが配置されている。

２つのステータコアは、一般構造用圧延鋼材から構成され、渦電流損を抑えるためにハブ軸が通る中心の孔から外周方向に向けてスリットが形成されている。また、２つのステータコア間を磁気的に結合する筒状コアは、フェライト系粉末焼結材や純鉄系電磁軟鉄材から構成され、やはり渦電流損を抑制するために、筒状コアの外周面に中心側へ向かう複数のスリットが形成されている。
特開２００１−３２７１３９号公報

従来のハブダイナモは、渦電流損を抑制して発電効率を向上させるために、ステータコアや筒状コアにスリットを形成しており、そのためにステータコアや筒状コアの外形寸法精度を安定させるのが難しくなるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ステータコアや筒状コアにスリットを設けなくとも渦電流損を抑制して、発電効率を向上できる自転車用ハブダイナモを提供することを目的とする。またハブダイナモが回転したときのコギングトルク（磁気トルク）を低減して、滑らかで軽やかな回転が可能になる自転車用ハブダイナモを提供することを目的とする。

本発明に係わる自転車用ハブダイナモは、ハブ体の内側に永久磁石が配置され、ハブ軸には、永久磁石の極片と対向する複数の極片を周上に設けた２つのステータコアを向かい合わせに配置すると共に、該ステータコア間には、コイルボビンに巻回されたコイルを配置した自転車用ハブダイナモにおいて、前記２つのステータコアは、ハブ軸側で筒状コアによって磁気的に結合されており、前記ステータコア及び／又は筒状コアを圧粉磁心にて形成したものである。

ここで前記筒状コアは前記ステータコアより一体に形成してもよい。この場合、前記２つのステータコアの夫々に、前記筒状コアの半分づつを一体成形するのが好ましい。

本発明によれば、２つのステータコア及び／又は筒状コアが圧粉磁心にて形成されている。圧粉磁心は、鉄粉末等の磁性粉末の表面を無機絶縁皮膜でコーティングし、且つ磁性粉末がばらけないようにするためにバインダー（絶縁樹脂）で結合したものであり、これを加圧成形して、ステータコアや筒状コアを形成したものであり、鉄粉末等の磁性粉末と樹脂を混合しているので、磁性粒子間は電気的に絶縁されており、ステータコアや筒状コアに磁束が流れたときの渦電流の発生を抑制できるものである。従って、渦電流損の発生を抑制して発電効率を向上できるものであり、またステータコアや筒状コアに渦電流を抑制するためのスリットを形成する必要はなく、ステータコアや筒状コアの外形寸法精度を安定化させることができるものである。

また、発電効率を向上できるために、同じ出力を得るためには、ハブ体の内側に配置した永久磁石の磁力を抑えることが可能になり、磁気トルクを低減できて、ハブダイナモを回転するために必要な回転力を小さくでき、滑らかで軽やかな回転(車輪の回転)を得ることが可能になる。

また、圧粉磁心はそれぞれの磁性粉末が直接結合されていないので、フェライト系粉末焼結材や電磁鋼板に比べて磁気の通りが緩やかになる特徴がある。ハブダイナモを小型軽量化しようとすると、ハブ体の内側に配置した永久磁石を、例えばネオジム磁石のような磁力の高いものを用いる必要があるが、磁力の高い永久磁石を用いても、圧粉磁心内を磁束が緩やかに流れることにより、ハブダイナモが回転したときのコギングトルク（磁気トルク）を低減することができ、滑らかで軽やかな回転が可能になる。

また、圧粉磁心は３次元的な種種の形状に成形が可能であるので、筒状コアを、前記ステータコアより一体に形成することも可能であり、部品点数を２部品に削減することができる。この場合、２つのステータコアの夫々に筒状コアの半分づつを一体形成すれば、部品の共通化を図ることができる。

本発明のハブダイナモのハブ軸方向を含む片側（上部）の断面図である。同ハブダイナモのステータの分解正面断面図である。同ハブダイナモのステータコアの側面図である。同ハブダイナモのステータの要部拡大斜視図である。同ハブダイナモを搭載した自転車の前輪部分の拡大側面図である。他の実施例のステータの分解正面断面図である。同ステータコアの側面図である。更に他の実施例のハブダイナモのハブ軸方向を含む片側（上部）の断面図である。同ハブダイナモの図８において、Ａ−Ａ線に基づく断面図である。同ハブダイナモのステータの分解正面断面図である。同ハブダイナモのステータコアの側面図である。ハブダイナモのステータコア材料の特性図である。

図１は、本発明のハブダイナモ(30)のハブ軸方向を含む片側（上部）の断面図であり、
図２は、ステータ(19)の分解正面断面図であり、図３は、ステータコア(16)(17)の側面図であり、図４は、ステータ(19)の要部拡大斜視図であり、図５は、ハブダイナモ(30)を搭載した自転車(40)の前輪部分の拡大図を示している。

本発明のハブダイナモ(30)は、自転車(40)の前輪部分又は後輪部分に搭載される。以下では、前輪側にハブダイナモ(30)を搭載した例について説明する。

自転車(40)は、図５に示すように、前輪(42)を回転自在に支持するハブ軸(10)が、フロントフォーク(44)に取り付けられており、ハブダイナモ(30)は、前輪(42)の横側に配備された前照灯(46)や後輪側に配備された尾灯(図示せず)などに電力を供給する。フロントフォーク(44)は、本体フレーム(48)に支持されており、フロントフォーク(44)の上端にはハンドル(50)が取り付けられている。(52)は前かごを示す。

図１に示すように、ハブ軸(10)は、両側がフロントフォーク(44)(44)に固定されており、ハブ軸(10)には、ベアリング(54)(54)を介してハブ体(12)が回転自在に配備されている。

詳述すると、ハブ体(12)は、ハブ胴(12a)とキャップ(12b)から構成され、ハブ胴(12a)
は、その一端が一方のベアリング(54)及びハブ軸(10)に固定された軸受スリーブ(11a)を
介してハブ軸(10)に支持され、その他端が開放しており、キャップ(12b)は、ハブ胴(12a)の他端開放部に圧入されて開放部を塞ぎ、他方のベアリング(54) 及びハブ軸(10)に固定された軸受スリーブ(11b)を介してハブ軸(10)に支持される。

ハブ軸(10)の軸受スリーブ(11a)より突出した部分には、ナット(15)を介して一方のフ
ロントフォーク(44)の先端が通され、さらにワッシャー(18)及びハブナット(21)が通され、ハブナット(21)を締め付けていくことにより、ハブ軸(10)の一端側を一方のフロントフォーク(44)に固定する。軸受スリーブ(11a)及びナット(15)は、カバー(23)で覆われている。

ハブ軸(10)の他端側である軸受スリーブ(11b)より突出した部分には、スリーブ(13)、
出力端子部(24)、ワッシャー(25)、ナット(26)を介して他方のフロントフォーク(44)の先端が通され、さらにワッシャー(27)及びハブナット(28)が通され、ハブナット(28)を締め付けていくことにより、ハブ軸(10)の他端側を他方のフロントフォーク(44)に固定する。出力端子部(24)、ワッシャー(25)、ナット(26)は、端子カバー(29)で覆われている。

ハブ胴(12a)には、スポーク(56)が複数取り付けられており、該スポーク(56)の先端に
は、図５に示すように、リム(58)を介してタイヤ(60)が取り付けられている。

ハブ軸(10)には、ステータ(19)が配備される。ステータ(19)は、左右一対のステータコア(16)(17)と、コイルボビン(20)、コイル(22)とから構成される。

ステータコア(16)(17)は、夫々図２、図３に示すように、円盤体(80)(81)の外周に、内向きに屈曲した極片(74)(75)を多数突設したものである。ステータコア(16)の極片(74)の間に、対向する他方のステータコア(17)の極片(75)が位置するように、極片(74)(75)が周方向に等間隔の隙間を存するように配置されている。円盤体(80)(81)の中心部には、ハブ軸(10)が通る中心孔(82)(83)が形成されている。円盤体(80)(81)の中心孔(82)(83)の外側には、筒状コア部(84a)(84b)が円盤体(80)(81)より一体に内向きに突設され、筒状コア部(84a)(84b)の先端が当接して、ステータコア(16)(17)を磁気的に結合している。各筒状コア部(84a)(84b)は同じ長さだけ内側へ突設されており、各筒状コア部(84a)(84b)を合わせて一つの筒状コア(84)を構成し、筒状コア(84)の半分づつが、夫々のステータコア(16)(17)より突設されている。

上記ステータコア(16)(17)間の筒状コア部(84a)(84b)の外周には、発電コイル(22)を収容したコイルボビン(20)が配置される。このように、コイル(22)を配置したステータ(19)を、ステータコア(17)が軸受スリーブ(11b)に当接するまでハブ軸(10)に通した後、ワッシャー(51)、スプリングワッシャー(52)を介してナット(53)止めすることによって、ハブ軸(10)に取り付けることができる。

コイル(22)の電気的端部は、一方がリード線(72)を介して出力端子部(24)に接続されており、出力端子部(24)から前照灯(46)に接続され、他方は、直接にハブ軸(10)等に接続されて、フロントフォーク(44)を介して前照灯(46)に電気的に接続されている。軸受スリーブ(11b)には、リード線(72)を出力端子(24)へ導くための溝が形成されている。

ハブ体(12)には、ロータ(57)が配備されている。ロータ(57)は、ハブ胴(12a)の内周面
に、ヨーク(56)を介して、前記ステータコア(16)(17)の極片(74)(75)の数と対応する数の永久磁石(14)を周方向に並べて構成される。該永久磁石(14)は、内面側が交互にＮ極、Ｓ極となるように配置されている。

上記構成のハブダイナモ(30)について、自転車(40)を走行させて、車輪(前輪(42))を回転させると、ステータ(19)に対して、ロータ(57)が回転する。その結果、ステータコア(16)(17)の極片(74)(75)の外側を永久磁石(14)が移動する。

一方のステータコア(16)の極片(74)が、永久磁石(14)のＮ極と対向したときには、他方のステータコア(17)の極片(75)は、永久磁石(14)のＳ極と対向し、一方のステータコア(16)の極片(74)→円盤体(80)→筒状コア部(84a)→対向する他方のステータコア(17)の筒状コア部(84b)→円盤体(81)→極片(75)を通る磁束が発生する。

さらに前輪(42)が回転して、一方のステータコア(16)の極片(74)がＳ極と対向し、他方のステータコア(17)の極片(75)がＮ極と対向すると、上記とは逆に、ステータコア(17)の極片(75)→円盤体(81)→筒状コア部(84b)→対向するステータコア(16)の筒状コア部(84a)→円盤体(80)→極片(74)を通る磁束が発生する。

前輪(42)の回転に伴って、ステータコア(16)(17)の極片(74)(75)と対向する永久磁石(14)の極が変化することにより、上記磁束が交互に発生し、交番磁束となる。ステータコア(16)(17)と筒状コア部(84a)(84b)を通る交番磁束によって、コイル(22)に電流が発生し、発電が行なわれる。

ところで、交番磁束によってステータコア(16)(17)には渦電流が発生しようとし、渦電流損が生じる。発電効率を上げるためにはこの渦電流損を小さくする必要がある。そこで本発明では、ステータコア(16)(17)の素材に着目し、ステータコア(16)(17)の素材として、圧粉磁心を用いた。圧粉磁心としては、例えば、ヘガネス（Hoganaes）社の「SOMALOY500」「SOMALOY700」や、日立粉末冶金株式会社の「EU-65」「EU-67」が例示できる。

圧粉磁心は、鉄粉末等の磁性粉末の表面を無機絶縁皮膜でコーティングし、且つ磁性粉末がばらけないようにするためにバインダー（絶縁樹脂）で結合したものであり、これを加圧成形して、ステータコア(16)(17)を形成している。鉄粉末等の磁性粉末と樹脂を混合しているので、磁性粒子間は電気的に絶縁されており、ステータコア(16)(17)の円盤体(80)(81)や筒状コア部(84a)(84b)に磁束が流れたときの渦電流の発生を抑制できた。

従って、渦電流損の発生を抑制して発電効率を向上できるものである。また背景技術に述べたように、ステータコア(16)(17)の円盤体(80)(81)や筒状コア部(84a)(84b)に渦電流を抑制するためのスリットを形成する必要はなく、ステータコア(16)(17)の外形寸法精度を安定化させることができるものである。

また、発電効率を向上するためには、永久磁石の磁力を強くすることも考えられるが、
磁力が強い磁石を用いると磁気トルクが大きくなり、ハブダイナモを回転するために必要な回転力が大きくなり、車輪の回転が重たくなる問題があるところ、ステータコア(16)(17)に圧粉磁心を用いて、渦電流損を抑制しているので、同じ出力を得るのに必要な永久磁石の磁力を低く抑えることができ、磁気トルクを低減して、ハブダイナモを回転するために必要な回転力を小さくでき、車輪を滑らかに且つ軽やかに回転することができる。

また圧粉磁心は、磁性粉末と樹脂等の絶縁物を混ぜて固めたものであるので、形状自由度が高い。そのために、ステータコア(16)(17)を磁気的に結合する筒状コア(84)を、背景技術で述べたステータコアと別体のものを用いる必要はなく、本発明の実施例のように、ステータコア(16)(17)に容易に一体に形成（筒状コア部(84a)(84b)）することができ、部品点数を削減することができる。

この場合、実施例のように、各ステータコア(16)(17)より、筒状コア(84)の半分づつ一体に筒状コア部(84a)(84b)を突設させれば、ステータコア(16)(17)の部品の共通化が図れて、都合よい。勿論、突設させる長さは、半分づつでなくてもよく、どちらか一方のステータコア(16)(17)のみに筒状コアを一体に突設させてもよい。

以上の実施例では、ステータコア(16)(17)に筒状コア(84)を一体に突設させたものであるが、筒状コアをステータコア(16)(17)とは別体に、圧粉磁心で形成してもよい。図６は、この場合のステータ(19)の分解正面断面図を示し、図７は、ステータコアの側面図を示す。ステータコア(16)(17)とは、別体の筒状コア(84)で、ステータコア(16)(17)を磁気的に結合している。図６、図７において、図１乃至図４と同等のものは同じ符号を付してある。この場合部品点数は増えるが、形状が簡単になるので、金型加工性、及び成形加工性が向上する。

なお、渦電流損を抑制するという点では多少効果は劣るが、ステータコア(16)(17)と筒状コア(84)は、どちらか少なくとも一方を圧粉磁心で形成してもよい。

図８乃至図１１は、筒状コア(84)を圧粉磁心材で形成し、ステータコア(16)(17)は電磁軟鉄板または一般圧延鋼板で形成した例を示す。図中、図１乃至図７と同じものは同じ符号を付してある。

ステータコア(16)(17)は電磁軟鉄板または一般圧延鋼板で形成しているので、渦電流の発生を抑制するために、図１１に示すように、ステータコア(16)(17)の円盤体(80)(81)には、その中心孔(82)(83)から外周に向かってスリット(86)(87)が形成されている。スリット(86)(87)の途中には、リード線(72)を通す円孔部(90)が形成されている。

筒状コア(84)の外周には、ハブ軸(10)方向に向かって一本の溝(88)が設けられ、この溝(88)に、コイルボビン(20)の内側に突設したリブ(89)が嵌ってコイルボビン(20)の位置決めがなされている。

また、ハブダイナモを小型化、軽量化するために、永久磁石(14)には、磁力の強いネオジム磁石を用いている。永久磁石(14)に磁力の強い磁石を用いると、磁気トルク（コギングトルク）が大きくなって、ハブダイナモを回転するために必要な回転力が大きくなり、車輪の回転が重たくなる問題があるところ、圧粉磁心の特性によって、コギングトルクが大きくならないようにできる。

即ち、図１２に示した圧粉磁心とそれ以外の材料における磁化曲線から明らかなように、圧粉磁心はそれぞれの磁性粉末が直接結合されていないので、フェライト系粉末焼結材や電磁鋼板に比べて磁気の通りが緩やかになる特徴がある。従って、ネオジム磁石のような磁力の高い永久磁石を用いても、圧粉磁心内を磁束が緩やかに流れることにより、ハブダイナモが回転したときのコギングトルク（磁気トルク）を低減することができ、滑らかで軽やかな回転が可能になる。なお図１２において、曲線Ａは電磁鋼板の特性を示し、曲線Ｂは一般圧延鋼板の特性を示し、曲線Ｃは圧粉磁心の特性を示し、曲線Ｄはソフトフェライトの特性を示す。

このように永久磁石に磁力の強い磁石を用いてハブダイナモの小型化、軽量化が可能になるにもかかわらず、筒状コア(84)に圧粉磁心材を用いることにより、コギングトルクを低減して、滑らかで軽やかな回転が可能になると共に、渦電流損も抑制して発電効率の向上に寄与させることができる。筒状コア(84)の他に、ステータコア(16)(17)をも圧粉磁心材で形成した場合も同様のことが言える。

本発明は、発電効率を向上させることのできる自転車用ハブダイナモとして有用である。

１２ハブ体
１４永久磁石
１０ハブ軸
７４、７５極片
１６、１７ステータコア
２０コイルボビン
２２コイル
８４筒状コア
８４ａ、８４ｂ筒状コア部

Claims

ハブ体の内側に永久磁石が配置され、ハブ軸には、永久磁石の極片と対向する複数の
極片を周上に設けた２つのステータコアを向かい合わせに配置すると共に、該ステータコア間には、コイルボビンに巻回されたコイルを配置した自転車用ハブダイナモにおいて、
前記２つのステータコアは、ハブ軸側で筒状コアによって磁気的に結合されており、前記ステータコア及び／又は筒状コアを圧粉磁心にて形成したことを特徴とする自転車
用ハブダイナモ。
前記筒状コアは、前記ステータコアより一体に形成してなる請求項１に記載の自転車
用ハブダイナモ。
前記２つのステータコアの夫々に、前記筒状コアの半分づつを一体成形した請求項２に記載の自転車用ハブダイナモ。