JP4662220B2

JP4662220B2 - Electric assist bicycle

Info

Publication number: JP4662220B2
Application number: JP2001164280A
Authority: JP
Inventors: 和己柴田; 邦彦田中; 薫畑中
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: NL1020257C2; CN1389359A; TW530773U; NL1020257A1; CN1251900C; JP2002356190A; DE10219332B4; DE10219332A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動補助自転車に関し、特に、補助駆動源としてのモータをコンパクト化するとともに、モータの磁気フリクションを小さくすることにより軽快な運転を可能にすることができる電動補助自転車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
人力でペダルに加えられた力つまり踏力を後輪に伝達するための人力駆動系と、踏力に応じて人力駆動系に補助動力を付加させることができるモータ駆動系とを備えた電動補助自転車が知られている。特許掲載公報２８２９８０８号には、モータ駆動系の補助駆動源であるモータを後輪のハブ内に組み込んだ電動補助自転車が開示されている。この電動補助自転車では、下り坂などモータによる補助を行わない時には、磁極の回転が停止する一方、電機子は後輪の回転に伴ってその回転が維持されるので、モータは発電機として作用し、回生動作によりバッテリに電流が供給される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述の電動補助自転車では、高速走行時等、回生動作をしていないときでも、電機子は後輪と一緒に回転しているため、磁気フリクションを生じさせることになる。一般にモータのトルクを増大させると磁気フリクションは大きくなる。したがって、単に磁気フリクションを小さくしようとするとモータのトルクを所望のように大きくできない。そこで、上記公報の電動補助自転車では、減速機構を設けてトルク向上を図っているが、構造が複雑化・大型化を避けられないので、改善策が望まれている。
【０００４】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、大きいトルクを損なうことなく磁気フリクションを小さくしつつ、構造を簡単化・小型化することができる電動補助自転車を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、人力による駆動力を補助するためのモータが車輪内に組み込まれた電動補助自転車において、前記モータが、ブラシレス構造であって、前記車輪のハブと一体をなす磁性体のロータコアおよび該ロータコアに対向配置されたステータを具備し、前記ロータコアには、前記車輪の軸方向に開口し、該車輪の周方向に予定間隔で配置された複数の開口部が形成され、前記開口部には、前記車輪の周方向に沿った両端部に形成された第１の空隙、および前記開口部の両端部から前記ステータ側に向けて形成された第２の空隙を有して永久磁石が収容されていて、前記各開口部間に前記ロータコアで補極が形成されているとともに、前記永久磁石の極性が、隣接する開口部間で異なっている点に第１の特徴がある。
【０００６】
また、本発明は、前記開口部に収容された永久磁石が、該開口部内で中央部に空隙を有して前記車輪の周方向に振り分け配置されていて、前記永久磁石と前記開口部内周との間には前記ステータ側の一部にも空隙が形成されている点に第２の特徴がある。また、本発明は、前記開口部には、前記車輪の周方向に沿った両端部に形成された空隙を有して永久磁石が収容されていて、前記ロータコアの内周側から前記永久磁石の両角部に向けて延びる切り欠きが形成されている点に第３の特徴がある。
【０００７】
第１の特徴によれば、永久磁石両端に形成された空隙によって、前記補極への漏れ磁束を低減することができるとともに、ロータコアとステータとの間のエアギャップに直交する磁束を増加させることができる。したがって、モータの発生トルクを増大させることができる。
【０００８】
また、第２の特徴によれば、補極によって磁束を増大させつつ、永久磁石の、ステータ側に設けた一部の空隙により、永久磁石からステータ側に向かう磁路が狭められて強力な磁力を弱められ、高速走行時の過大な磁気フリクションが低減される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る制御装置を有する電動補助自転車の側面図である。電動補助自転車の車体フレーム１は、車体前方に位置するヘッドパイプ２と、ヘッドパイプ２から後下がりに延びるダウンパイプ３と、ダウンパイプ３に連結されて後方に延びるリヤフォーク４と、ダウンパイプ３の最下端から上方に立ち上がるシートポスト５とを備える。
【００１０】
ヘッドパイプ２にはフロントフォーク６が回動自在に支持される。フロントフォーク６の下端には前輪７が軸支され、フロントフォーク６の上端には操向ハンドル８が取り付けられる。操向ハンドル８には、ブレーキレバー９が設けられ、ブレーキレバー９から引き出されるケーブル１０は、フロントフォーク６に固定された前輪ブレーキ１１に連結される。同様に後輪ブレーキ用のブレーキレバーも操向ハンドル８に設けられるが、図示は省略している。また、ブレーキレバー９には、このブレーキレバー９が操作されたことを感知するブレーキセンサ（図示せず）が設けられる。
【００１１】
シートポスト５の上端に連結される左右一対のステー１２は後下がりに延び、下端近傍でリヤフォーク４と結合される。リヤフォーク４とステー１２とが結合されてなる部材には後輪１３が支持され、さらに前記部材に支持されて後輪１３のハブと同軸上に補助動力源としてのモータ１４が設けられる。モータ１４としては、高トルクかつ低フリクションである三相ブラシレスモータが好ましい。このモータ１４の具体的な構造や制御に関しては後述する。
【００１２】
シートポスト５には、上端にシート１５を備えた支持軸１６が、シート１５の高さを調整可能に装着される。シート１５の下方でシートポスト５と後輪１３との間にはモータ１４に電力を供給するバッテリ１７が設けられる。バッテリ１７は、シートポスト５に固着されるブラケット１８に保持される。ブラケット１８には給電部１９が設けられ、この給電部１９は、図示しない電線でモータ１４に結合されるとともに、バッテリ１７の電極に接続される。バッテリ１７の上部は、バンド２０とバックル金具２１とからなる締結具でシートポスト５に支持される。
【００１３】
前記ダウンパイプ３とシートポスト５との交差部には、車体の左右に延びるクランク軸２２が支持され、クランク軸２２には、クランク２３を介してペダル２４が結合される。クランク軸２２には図示しない踏力センサを介して駆動スプロケット２５が連結され、ペダル２４に加えられた踏力は踏力センサを介して駆動スプロケット２５に伝達される。駆動スプロケット２５と後輪１３のハブに設けられた従動スプロケット２６間にはチェーン２７が掛け渡される。チェーン２７の張り側および駆動スプロケット２５はチェーンカバー２８で覆われる。クランク軸２２には、クランク軸２２の回転センサが設けられる（図示せず）。回転センサとしては、自動車用エンジンのクランク軸回転検出に用いられるセンサ等、公知のものを使用できる。
【００１４】
続いて、クランク軸２２に装着された踏力検出装置を説明する。図３はクランク軸２２周辺の断面図であり、図４は図３のＡ−Ａ矢視図である。ダウンパイプ３に固着された支持パイプ１００の両端に螺挿されたキャップ１０１Ｌ，１０１Ｒとクランク軸２２に形成された段差との間にはボールベアリング１０２Ｌ，１０２Ｒがそれぞれ嵌挿され、クランク軸２２を回転自在に支承する。
【００１５】
クランク軸２２の左右端には、ボルト１０３Ｂに適合するナット１０３Ｃでクランク２３がそれぞれ固定される（右側のみ図示）。クランク２３と支持パイプ１００との間にはワンウェイクラッチ１０４の内輪１０５が固定される。内輪１０５の外周には駆動スプロケット２５がブッシュ１０５Ａを介して回動自在に支承されている。駆動スプロケット２５のスラスト方向の位置はナット１０６Ａとプレート１０６Ｂとによって規制されている。
【００１６】
駆動スプロケット２５には蓋体１０７が一体的に設けられていて、これら駆動スプロケット２５と蓋体１０７で囲繞された空間には、伝達プレート１０８が配設されている。伝達プレート１０８は駆動スプロケット２５に対して同軸で、かつクランク軸２２を軸とした回転方向では互いに予定量のずれが許容されるよう支持されている。
【００１７】
駆動スプロケット２５および伝達プレー１０８にまたがって、複数（ここでは６個）の窓１０９が穿設されており、この窓１０９の内側には圧縮コイルばね１１０がそれぞれ収容されている。圧縮コイルばね１１０は駆動スプロケット２５および伝達プレート１０８間で、互いに回転方向のずれが生じたときに、ずれに対する抗力を生ずるように作用する。
【００１８】
伝達プレート１０８のハブの内周にはワンウェイクラッチ１０４の外輪としてのラチェット歯１１１が形成されていて、このラチェット歯１１１は前記内輪１０５に支持されて放射方向にばね１１２で付勢されているラチェット爪１１３と係合する。ワンウェイクラッチ１０４には防塵のためのカバー１１４が設けられる。
【００１９】
伝達プレート１０８には、踏力伝達リング１２４に固着された踏力伝達用の突起部１１５が係合する係止孔１１６が設けられる。駆動用スプロケット２５には、突起部１１５を係止孔１１６に係合可能にするための窓１１７が設けられていて、突起部１１５はこの窓１１７を貫通して、係止孔１１６に嵌合される。
【００２０】
駆動スプロケット２５および伝達プレート１０８にまたがって、前記窓１０９とは別の小窓が複数（ここでは３個）穿設されており、この小窓の内側には圧縮コイルばね１１８がそれぞれ収容される。圧縮コイルばね１１８は伝達プレート１０８をその回転方向１１９側に付勢するように配置されている。すなわち、駆動スプロケット２５と伝達プレート１０８との結合部のガタを吸収する方向に作用しており、伝達プレート１０８の変位が駆動スプロケット２５へ良好な応答性で伝達されるように機能する。
【００２１】
駆動スプロケット２５の、車体寄りつまりダウンパイプ３側には、踏力検知装置のセンサ部分（踏力センサ）４７が装着されている。踏力センサ４７は駆動スプロケット２５に固定された外側リング１２０と、この外側リング１２０に対して回転自在に設けられ、磁気回路を形成するためのセンサ本体１２１とを有する。
【００２２】
外側リング１２０は電気絶縁性を有する材料で形成されており、図示しないボルトで駆動スプロケット２５に固定される。外側リング１２０の、駆動スプロケット２５側にはカバー１２２が設けられ、止めねじ１２３で外側リング１２０に固定されている。
【００２３】
図５は、センサ本体１２１の拡大断面図である。前記クランク軸２２と同心にコイル１２５が設けられ、このコイル１２５の軸方向両側に配置されて、コイル１２５の外周方向に張り出した一対のコア１２６Ａ，１２６Ｂが設けられる。また、前記コア１２６Ａ，１２６Ｂ間には、環状の第１誘導体１２７と第２誘導体１２８が設けられる。第１誘導体１２７と第２誘導体１２８とは、踏力伝達リング１２４から伝達される踏力に応じて互いに円周方向で変位可能であり、この変位によって、コア１２６Ａ，１２６Ｂ間における部分での互いの重なり量が変化するように構成される。その結果、コイル１２５に通電したとき、コア１２６Ａ，１２６Ｂおよびコアカラー１２９、ならびに第１誘導体１２７および第２誘導体１２８を含む磁気回路の磁束は踏力に応じて変化する。そこで、この磁束の関数であるコイル１２５のインダクタンス変化を検出して踏力検出することができる。なお、図５において、符号１３０，１３１はセンサ本体１２１の支持部材、符号１３２はベアリング、符号１３３はコイル１２５から引き出されるリード線である。
【００２４】
上記踏力センサは、本出願人による先願（特願平１１−２５１８７０号）の明細書にさらに詳細に説明されている。なお、踏力センサは上記構造を有するものに限らず、公知のものを使用することもできる。
【００２５】
図１は、モータ１４の断面図である。リヤフォーク４の後端およびステー１２の下端の接合部から後方に張り出したプレート２９には、変速機を組み込んだシリンダ３０が軸３１で支持される。シリンダ３０の外周にはホイールハブ３２が嵌合される。ホイールハブ３２は内筒および外筒を有する環状体であり、内筒の内周面がシリンダ３０の外周に当接する。ホイールハブ３２の側面には、シリンダ３０から張り出した連結板３３がボルト３４によって固定される。ホイールハブ３２の外筒の内周にはモータ１４のロータ側磁極を構成するネオジウム磁石３５が所定間隔をおいて配置される。すなわち外筒は磁石３５を保持したロータコアを構成する。
【００２６】
ホイールハブ３２の内筒の外周には軸受３６が嵌合し、この軸受３６の外周にはステータ支持板３７が嵌合する。ステータ支持板３７の外周にはステータ３８が配置され、ボルト４０によって取り付けられる。ステータ３８はロータコアつまりホイールハブ３２の外筒と所定の細隙を有するように配置され、このステータ３８には、三相コイル３９が巻装される。
【００２７】
ステータ支持板３７の側面には、光センサ４１が設けられる。光センサ４１はホイールハブ３２が回転したときに、このホイールハブ３２に設けられるリング状部材４２によって光路が断続的に遮断され、その結果、パルス波形信号を出力する。リング状部材４２は回転時に光センサ４１の光路を断続的に遮断できるよう、規則的な矩形歯形状を有する。前記パルス波形信号に基づいてロータとしてのホイールハブ３２の位置信号が検出される。光センサ４１はモータ１４の各相に対応して３カ所に設けられ、モータ１４の磁極センサおよび回転センサとして機能する。
【００２８】
また、ステータ支持板３７の側面には、制御基板４３が設けられ、磁極センサとしての光センサ４１からの位置信号に従って前記三相コイル３９への通電制御を行う。この制御基板４３上にはＣＰＵやＦＥＴ等の制御素子が装着される。なお、制御基板４３は光センサ４１用の取り付け基板と一体化できる。
【００２９】
ホイールハブ３２の外周には図示しない後輪のリムと連結されるスポーク４４が固着される。さらに、ステータ支持板３７の、前記制御基板４３等が装着された側とは反対側には、ボルト４５によってブラケット４６が固定され、ブラケット４６は前記車体フレームのプレート２９に図示しないボルトで結合される。
【００３０】
ホイールハブ３２には、透明樹脂（クリアレンズ）３２Ａがはめ込まれた窓が設けられ、ステータ支持板３７に固定された固定カバー３７Ａにも同様にクリアレンズ３７Ｂがはめ込まれた窓が設けられる。これらのクリアレンズ３２Ａや３７Ｂにより、外側からモータ１４内部を見透かせるので、格別な美観上の効果が得られるとともに、ホイールハブ３２や固定カバー３７Ａを部分的に樹脂で形成することによる重量の軽減効果を得ることもできる。
【００３１】
このように、後輪１３の軸３１と同軸上に配置したステータとロータとからなる三相ブラシレスモータ１４が設けられ、チェーン１７と従動スプロケット２６とによって伝達される人力に付加される補助動力を発生する。なお、モータ１４は、前輪に設けても良いことは言うまでもない。
【００３２】
図６はモータ１４の軸３１に直交する面での要部断面図、図７は磁石３５を保持するロータコアの正面図、図８はロータコアの要部拡大図、図９は磁石を保持した状態のロータコアの要部拡大図である。本実施形態のモータ１４は、上述のように、ステータ３８と、このステータ３８の外周を回転するアウタロータとしてのホイールハブ３２とから構成されている。
【００３３】
前記磁石３５を保持するロータコア３２１は環状をなし、アウタロータ３２の外筒部の内周に嵌挿される。ロータコア３２１は、ケイ素鋼の薄板を積層してなり、その円周方向に３０°間隔で合計１２箇所の開口部（スロット）３２２が設けられる。開口部３２２に嵌挿された磁石３５は、フェライトで構成され、Ｎ極（３５Ｎ）とＳ極（３５Ｓ）とが交互に配置される。隣接する各開口部３２２の間は補極部３２３として機能する。磁石３５は、図６、図９に示すように、中央部が厚肉（中凸）の太鼓状断面形状をなしている。
【００３４】
また、ステータ３８は、ロータコア３２１と同様、ケイ素鋼の薄板を積層して構成され、ステータコア３８１およびステータ突極３８２を含む。各ステータ突極３８２にはステータ巻線３８３（三相コイル３９に対応）が単極集中方式で巻回される。
【００３５】
開口部３２２の形状と磁石３５の断面形状とは同一ではなく、開口部３２２に磁石３５が挿入された状態では、各磁石３５の円周方向に沿った両側部に第１空隙３２２Ａが形成され、さらに、各磁石３５の両端部におけるステータ３８側には第２空隙３２２Ｂが形成される（図６，図９参照）。
【００３６】
次いで、磁石３５との間に形成される開口部３２２の各空隙部３２２Ａ，３２２Ｂの作用について、図１０，図１１を参照して説明する。図１０は、モータ１４にバッテリ１７から給電したときの磁束密度分布を示した図であり、図１１は、モータ１４を回生動作させた際の磁束密度分布を示した図である。
【００３７】
前記制御基板４３を通じてバッテリ１７から各ステータ巻線３８３へ励磁電流を供給すると、図１０に示したように、Ｎ極に励磁されたステータ突極３８２Ｎから放射方向に発生した磁力線がＳ極磁石３５Ｓのステータ側表面から裏面つまり外周方向へ通り抜け、その多くはホイールハブ（アウタロータ）３２の外筒部３２Ｂおよび補極部３２３を経由し、隣接するＳ極に励磁されたステータ突極３８２Ｓ、ステータコア３８１を経由して前記Ｎ極に励磁されたステータ突極３８２Ｎへ戻る。
【００３８】
このとき、磁石３５の円周方向に沿った両側部に第１空隙３２２Ａが形成されているので、各磁石３５の側部から補極部３２３への漏れ磁束が減少させられて、磁力線の大部分は磁石３５からアウタロータ３２の外筒部３２Ｂへ抜け、さらに補極部３２３を経由してステータ３８側へ達する。この結果、ロータコア３２１とステータ突極３８２との間のエアギャップを通過する磁束の垂直成分が増えるので、第１空隙３２２Ａを設けない場合に比べて発生トルクを増加させることが可能になる。さらに、第２空隙３２２Ｂによってロータコア３２１の内周側に沿った磁路が制限されるので、ロータコア３２１の内周側を通過する漏れ磁束も減少する。
【００３９】
図１０における磁力線の模式図を図１２に拡大して示す。図１２において、補極部３２３からステータ突極３８２Ｓ方向に向かう磁束Ｂ１は、第２空隙３２２Ｂの一方３２２０Ｂによって、ロータコア３２１の内周３２４に沿って漏れる分（点線の分）が低減され、磁束Ｂ１は効率良くステータ突極３８２Ｓへ導かれる。また、第２空隙３２２Ｂの他方（３２２１Ｂ）は、磁石３５Ｎからロータコア３２１の内周３２４を通過する磁束Ｂ２が補極部３２３側へ漏れるのを防止して、磁束Ｂ２をステータ突極３８２Ｓへ効率良く導くように作用する。この結果、ロータコア３２１とステータ３８との間のエアギャップを通過する磁束の垂直成分が更に増え、モータとしての駆動トルクを更に増加させることが可能になる。
【００４０】
一方、モータ１４が回生動作をする際は、図１１に示したように、各磁石３５から発生する磁束がステータ突極およびステータコアと共に閉磁路を形成するので、ロータの回転数に応じた発電電流をステータ巻線３８３に発生させることができる。
【００４１】
なお、モータ１４の回生電圧を予定値に制限するレギュレータを設け、回生電圧がこのレギュレータのレギュレート電圧（例えば、１４．５Ｖ）に達すると、モータ１４の出力制御回路（後述する）のパワーＦＥＴのうち、接地側のものを短絡させることができる。これにより、各ステータ巻線３８３にショート電流が遅れ位相で流れ、ステータ３８内を通過する磁力線が減少し、隣接する磁石３５間を結ぶ漏れ磁束が増加するので、モータ１４の磁気フリクションが減少する。
【００４２】
図１１における磁力線の模式図を図１３に拡大して示す。図１３において、隣接する磁石３５Ｓ，３５Ｎ間には、ロータコア３２１の外側円周部３２５を経由する磁束Ｂ３と、ロータコア３２１の補極部３２３を経由する磁束Ｂ４と、ロータコア３２１の内周部３２４を通過する磁束Ｂ５と、ロータコア３２１の内側円周部３２４、エアギャップおよびステータ突極３８２Ｎを経由する磁束Ｂ６とが発生する。
【００４３】
上述のように、本実施形態によれば、ロータコア３２１に保持される磁石３５間に補極部３２３を有するモータ１４において、磁石３５とロータコア３２１との間に空隙３２２Ａ，３２２Ｂを設けたので、隣接する磁石３５間での漏れ磁束が減少し、ロータコア３２１とステータ３８との間のエアギャップ部に直交する磁束が増える。したがって、モータ１４の発生トルクを増大させることができるし、モータ１４によって回生を行わせる際に磁気フリクションが増大するのも防止することができる。
【００４４】
図１４は、本発明の第２実施形態に係るロータコアの正面図、図１５は、磁石を保持したロータコアの要部拡大図であり、図７，図９と同符号は同一または同等部分である。第２実施形態では、ロータコア３２１の開口部３２２が略台形状であり、開口部３２２内に、断面が長方形状の磁石３５が嵌挿されている。長方形断面を有する磁石３５の短辺側には、隣接する磁石３５間での漏れ磁束を防止するための第１空隙３２２Ａが形成される。また、磁石３５のステータ側角部には、ロータコア３２１の内周側に沿った磁路を制限するため、第２空隙３２２Ｂが形成される。
【００４５】
図１６は、本発明の第３実施形態に係るロータコアの正面図、図１７は、磁石を保持したロータコアの要部拡大図であり、図７，図９と同符号は同一または同等部分である。第３実施形態では、ロータコア３２１の開口部３２２が異形の太鼓状であり、開口部３２２内に断面が太鼓状（中突状）の磁石３５が嵌挿されている。ロータコア３２１の円周方向での磁石３５の両側部には、隣接する磁石３５間での漏れ磁束を防止するための、上述の各実施形態のものよりは大きい第１空隙３２２Ａが形成される。また、磁石３５のステータ側角部には、ロータコア３２１の内周側に沿った磁路を制限するため、第２空隙３２２Ｂが形成される。
【００４６】
図１８は、本発明の第４実施形態に係るロータコアの正面図、図１９は、磁石を保持したロータコアの要部拡大図であり、図７，図９と同符号は同一または同等部分である。第４実施形態では、ロータコア３２１の開口部３２２が太鼓状部の両側に切欠を設けた異形状であり、開口部３２１内に断面が太鼓状の磁石３５が嵌挿されている。ロータコア３２１の円周方向での磁石３５の両側部には、隣接する磁石３５間での漏れ磁束を防止するための第１空隙３２２Ａが形成される。また、磁石３５のステータ側角部には、ロータコア３２１の内周側に沿った磁路を制限するため、第２空隙３２２Ｂが形成される。この第４実施形態では、第１空隙３２２Ａと第２空隙３２２Ｂとは一体につながり、第２空隙３２２Ｂは比較的サイズが大きく設定されている。
【００４７】
図２０は、本発明の第５実施形態に係るロータコアの正面図、図２１は、磁石を保持したロータコア３２１の要部拡大図であり、図７，図９と同符号は同一または同等部分である。第５実施形態では、ロータコア３２１の開口部３２２が異形の太鼓状であり、開口部３２２内に断面が太鼓状の磁石３５が嵌挿されている。ロータコア３２１の円周方向での磁石３５の両側部には、隣接する磁石３５間での漏れ磁束を防止するための第１空隙３２２Ａが形成される。
【００４８】
さらに、この第５実施形態では、第２空隙３２２Ｂに代えて、ロータコア３２１の内周側から、磁石３５の両角部に向けて延びる切り欠き３２２Ｃが形成される。この切り欠き３２２Ｃは、ロータコア３２１の内周側に沿った磁路を制限することができるもので、第２空隙３２２Ｂと同様の機能を果たす。
【００４９】
図２２は、本発明の第６実施形態に係るロータコアの正面図、図２３は、磁石を保持したロータコアの要部拡大図であり、図７，図９と同符号は同一または同等部分である。第６実施形態では、ロータコア３２１の開口部３２２が異形の太鼓状であり、開口部３２２内に断面が太鼓状の磁石３５が嵌挿されている。ロータコア３２１の円周方向での磁石３５の両側部には、隣接する磁石３５間での漏れ磁束を防止するための第１空隙３２２Ａが形成される。また、磁石３５のステータ側角部には、ロータコア３２１の内周側に沿った磁路を制限するための第２空隙３２２Ｂが形成される。
【００５０】
図２４は、本発明の第７実施形態に係るモータ１４の要部正面断面図であり、図６と同符号は同一または同等部分である。この第７実施形態では、ロータコア３２１に保持される磁石を２つに分離して配置した。つまり、同極の磁石２個を１組として、ロータコア３２１の円周方向に沿って４５°間隔で複数組（８組）配置される。例えば、図２４において、磁石３５１Ｓ，３５２Ｓに着目する。断面形状が長方形である２個の磁石３５１Ｓ、３５２Ｓは互いに同極（Ｓ極）であり、いずれもネオジウム磁石である。両磁石３５１Ｓおよび３５２Ｓ間には第３空隙３２２Ｄが設けられるとともに、両磁石３５１Ｓおよび３５２Ｓのステータ３８側には、それぞれ第４空隙３２２Ｅ、３２２Ｆが形成される。磁石３５１Ｓおよび磁石３５２Ｓは、第３空隙３２２Ｄ側がロータコア３２１の外周寄りに偏倚している。なお、複数組の各磁石間に補極部３２３が設けられるのは、上述の各実施形態と同様である。
【００５１】
上記構成による磁束の形成の態様を説明する。ネオジウム磁石は非常に強力であるので、磁気フリクションの低減を図るため、各磁石からの磁束のうち、第３空隙３２２Ｄおよび第４空隙３２２Ｅ間のブリッジ状部分３２２ＢＲを通過するものをトルク発生に寄与させる。例えば、Ｎ極磁石３５１Ｎおよび３５２Ｎからの磁束Ｂ１０は、ブリッジ部分３２２ＢＲを通り、ロータコア３２１とステータ３８とのエアギャップを通ってステータ突極３８２Ｓa、３８２Ｓｂに至る。そして、ステータ突極３８２Ｎを経て、ブリッジ部分３２２ＢＲからＳ極磁石３５１Ｓ、３５２Ｓに至る。さらにＳ極磁石３５１Ｓ、３５２Ｓを貫通して裏面（ロータコア３２１の外周側）に抜ける磁束Ｂ１１は、補極部３２３を経てステータ突極３８２Ｓｂに至る。なお、Ｓ極磁石３５１Ｓ、３５２Ｓを貫通して裏面に抜ける磁束Ｂ１１のうち一部は、隣接するＮ極磁石３５１Ｎへの漏れ磁束（点線で示す）となる。
【００５２】
このように、Ｎ極磁石３５１Ｎ，３５２Ｎからエアギャップを通過してステータ３８側に流入する磁力線は両側を空隙で囲まれたブリッジ部分３２２ＢＲを通過するので磁束が少ない。そのために、モータ１４が付勢もされず回生作用もしない高速走行時に、磁気フリクションを小さくすることができる。一方、モータ１４に通電したときは、磁束（補極磁束）Ｂ１１により、トルク増大が図られる。
【００５３】
また、回生出力時には、上述のように、各磁石から発生する磁束がステータ突極およびステータコアと共に閉磁路を形成するので、ロータの回転数に応じた発電電流をステータ巻線３８３に発生させることができるのは、先の各実施形態と同様である。
【００５４】
図２５は、モータ１４の出力制御回路図であり、図２６は通電タイミングと通電デューティを示す図である。図２５において、全波整流器７１は３相のステータコイル３９に接続されたＦＥＴ（一般的には個体スイッチング素子）７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ，７ｅ，７１ｆを有し、このＦＥＴ７１ａ〜７１ｆはドライバ７２によって通電制御される。通電デューティはモータトルク算出部６４から供給される指示に基づいてデューティ設定部７３で設定され、ドライバ７２に入力される。モータトルク算出部６４は、例えば、車両の実走行抵抗に応じた駆動力を発生できるよう、車速ならびに踏力センサ４７の出力およびモータ１４の回転数等に基づいて、モータ１４に要求するトルクを算出する。なお、モータトルク算出部６４による要求モータトルクの算出手法の一例は、本出願人が先に提案した電動補助自転車の制御装置に係る特許出願（特願２００１−５５３９９号）の明細書に記載されている。
【００５５】
補助動力を付与する駆動タイミングにおいては、デューティ設定部７３からドライバ７２に通電デューティが供給され、ドライバ７２はこの通電デューティに従い、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆを付勢し、バッテリ１７から電流を供給する。一方、回生電流を発生させる場合は、前記駆動タイミングから電気角で１８０度ずれた回生タイミングにおいて、デューティ設定部７３からドライバ７２に通電デューティが供給され、ドライバ７２はこの通電デューティに従い、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆを付勢する。回生タイミングでＦＥＴ７１ａ〜７１ｆが付勢されると、ステータコイル３９に発生した電流はＦＥＴ７１ａ〜７１ｆで整流され、バッテリ１７に給電される。
【００５６】
なお、駆動タイミングか回生タイミングであるかは、モータトルク算出部６４から供給される要求モータトルクＴをもとにトルク判断部７４で判断される。モータトルクの要求値Ｔが正であるときは駆動タイミングに通電タイミングを設定し、モータトルクの要求値Ｔが負であるときは回生タイミングに通電タイミングを設定する。
【００５７】
図２６において、ＦＥＴ７１ａ〜７１ｆは通電角を電気角１２０度に設定して付勢される。同図は、駆動タイミングでの通電タイミングを示し、回生タイミングでは、ハイ側のＦＥＴ７１ａ，７１ｃ，７１ｅをこの駆動タイミングから電気角で１８０度ずらせる。
【００５８】
なお、上記の各実施形態では、モータ１４をアウタロータ型すなわち外転型とした場合について説明したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、ステータの内側でロータが回転する内転型のモータにも同様に適用できる。
【００５９】
図２７は、モータ１４を内転型に変形した例を示す正面図であり、要部のみを図示する。モータ１４は略円筒形状のステータ９０と、該ステータ９０の内側で回転する略円柱形状のロータ８０とから構成される。ロータ８０およびステータ９０はいずれも、ケイ素鋼の薄板を積層して構成される。
【００６０】
前記ステータ９０のステータ突極９１には、それぞれステータ巻線９２が巻回される。前記ロータ８０には、断面が略円弧状であって、ネオジウム系材料で構成された永久磁石８５を軸方向に挿入される開口部８１１が、円周方向に３０度間隔で１２個形成される。磁石８５は、ロータ８０の回転中心に膨出側が位置するように配置される。隣接する各開口部８１１の間は補極部８１３として機能する。
【００６１】
この変形例でも、前記開口部８１１の形状と磁石８５の断面形状とが同一ではなく、開口部８１１に磁石８５が挿入された状態では、各磁石８５の円周方向に沿った両側部に空隙８１２が形成されている。
【００６２】
この構成によれば、バッテリ１７から各ステータ巻線９２へ励磁電流を供給すると、図２８に拡大して示したように、Ｎ極に励磁されたステータ突極９１（Ｎ）から発生した磁力線がＳ極磁石８５Ｓのステータ側表面から裏面（外周側）へ抜け、その多くは補極部８１３を経由し、隣接するＳ極に励磁されたステータ突極９１（Ｓ）を経由して、前記Ｎ極に励磁されたステータ突極９１（Ｎ）へ戻る。
【００６３】
この変形例では各磁石８５の円周方向に沿った両側部に空隙８１２が形成されており、各磁石８５の側部から補極部８１３への漏れ磁束が減ぜられるので、磁力線の大部分は各磁石８５から補極部８１３を経由してステータ９０側へ達する。この結果、ロータ８０とステータ９０との間のエアギャップを通過する磁束の垂直成分が増えるので、前記空隙８１２を設けない場合に比べて駆動トルクを増加させることが可能になる。
【００６４】
一方、モータ１４を回生動作させる際は、各磁石８５から発生する磁束がステータ突極９１およびステータ９０のコア部と共に閉磁路を形成するので、ロータ８０の回転数に応じた発電電流をステータ巻線に発生させることができる。
【００６５】
さらに、磁石８５として磁力の強いネオジウム系の磁石を採用し、かつ円弧状の磁石８５を回転中心に向かって凸となるように配置することにより、磁石８５の外側表面からステータ９０へ直接向かう磁力を減少させたので、ジェネレータとして機能させる際のフリクションを大幅に低減することができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなとおり、請求項１または２の発明によれば、後輪のハブの一部をモータのロータコアにしたので、モータで直接後輪を駆動させることができるし、車両減速時には回生作用によってモータの電源を充電することができる。しかも、モータはブラシレス構造であり、ロータコア内に収容された永久磁石間に形成された補極と、永久磁石およびこれを保持するロータコアとの間の空隙との作用により、十分なトルクを発生させることができる。したがって、減速機構など複雑な構造を用いずに後輪をモータ駆動することができる。
【００６７】
特に、請求項２の発明によれば、モータ付勢も回生作用も行わない高速運転時には、ロータコア間を通過する漏れ磁束により、磁気フリクションを低減できるので、ブラシレスモータによる大トルク特性を利用しつつ、高速運転時つまりモータの非付勢時のフリクション低減も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動補助自転車に使用されるモータの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電動補助自転車の側面図である。
【図３】踏力検出装置を含む人力駆動部の要部断面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ矢視図である。
【図５】図３の要部拡大断面図である。
【図６】モータの軸に直交する面での要部断面図である。
【図７】永久磁石を保持するロータコアの正面図である。
【図８】ロータコアの要部拡大図である。
【図９】永久磁石を保持した状態のロータコアの要部拡大図である。
【図１０】ロータコアに設けた空隙部の機能（電動時）を説明するための図である。
【図１１】ロータコアに設けた空隙部の機能（回生時）を説明するための図である。
【図１２】図１０の要部拡大図である。
【図１３】図１１の要部拡大図である。
【図１４】第２実施形態に係るモータのロータコアの正面図である。
【図１５】図１４の開口部に永久磁石が嵌挿された状態での要部拡大図である。
【図１６】第３実施形態に係るモータのロータコアの正面図である。
【図１７】図１６の開口部に永久磁石が嵌挿された状態での要部拡大図である。
【図１８】第４実施形態に係るモータのロータコアの正面図である。
【図１９】図１８の開口部に永久磁石が嵌挿された状態での要部拡大図である。
【図２０】第５実施形態に係るモータのロータコアの正面図である。
【図２１】図２０の開口部に永久磁石が嵌挿された状態での要部拡大図である。
【図２２】第６実施形態に係るモータのロータコアの正面図である。
【図２３】図２２の開口部に永久磁石が嵌挿された状態での要部拡大図である。
【図２４】第７実施形態に係るモータの軸に直交する面での要部断面図である。
【図２５】モータの制御回路図である。
【図２６】モータの制御タイミングを示すタイミングチャートである。
【図２７】変形例に係るモータの正面図である。
【図２８】図２７の要部拡大図である。
【符号の説明】
１…車体フレーム、５…シートポスト、８…操向ハンドル、９…ブレーキレバー、１４…モータ、１７…バッテリ、２２…クランク軸、２４…ペダル、２７…チェーン、３２…ホイールハブ（アウタロータ）、３５…永久磁石、３７…ステータ支持板、３８…ステータコア、３９…ステータコイル、４１…光センサ、４３…基板、４７…踏力センサ、８０…ロータ、９０…ステータ、３２１…ロータコア、３２２…開口部、３２２Ａ…第１空隙、３２２Ｂ…第２空隙、３２３…補極部、３８２…ステータ突極、３８３…ステータ巻線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a battery-assisted bicycle, and more particularly to a battery-assisted bicycle that can be lightly operated by making a motor as an auxiliary drive source compact and reducing the magnetic friction of the motor.
[0002]
[Prior art]
An electrically assisted bicycle having a human power drive system for transmitting a force applied to a pedal by human power, that is, a pedal force to a rear wheel, and a motor drive system capable of adding auxiliary power to the human power drive system according to the pedal force Are known. Japanese Patent Publication No. 2829808 discloses a battery-assisted bicycle in which a motor which is an auxiliary drive source of a motor drive system is incorporated in a hub of a rear wheel. In this battery-assisted bicycle, when no assistance is provided by the motor, such as downhill, the rotation of the magnetic pole stops, while the armature maintains its rotation as the rear wheel rotates, so the motor acts as a generator. A current is supplied to the battery by the regenerative operation.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described battery-assisted bicycle, even when the regenerative operation is not performed, such as during high-speed traveling, the armature rotates together with the rear wheel, and thus magnetic friction is generated. Generally, increasing the motor torque increases the magnetic friction. Therefore, the motor torque cannot be increased as desired simply by reducing the magnetic friction. Therefore, in the battery-assisted bicycle described in the above publication, a speed reduction mechanism is provided to improve the torque. However, since the structure is inevitably complicated and enlarged, an improvement measure is desired.
[0004]
In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a battery-assisted bicycle capable of simplifying and downsizing a structure while reducing magnetic friction without impairing a large torque.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a battery-assisted bicycle in which a motor for assisting a driving force by human power is incorporated in a wheel, wherein the motor has a brushless structure and is integrated with a hub of the wheel. A rotor core made of magnetic material and a stator disposed opposite to the rotor core, the rotor core having a plurality of openings that open in the axial direction of the wheel and are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction of the wheel. The opening is formed in the circumferential direction of the wheelThe first gap formed at both ends along the line and the second gap formed from both ends of the opening toward the stator sideThe first is that a permanent magnet is accommodated and a complementary pole is formed by the rotor core between the openings, and the polarity of the permanent magnet is different between adjacent openings. There are features.
[0006]
Further, according to the present invention, the permanent magnets accommodated in the openings have a gap in the center and are distributed and arranged in the circumferential direction of the wheel, and the permanent magnets and the inner periphery of the openings There is a second feature in that a gap is also formed between a part of the stator side.Further, according to the present invention, the opening has a gap formed at both ends along the circumferential direction of the wheel, and a permanent magnet is accommodated from the inner peripheral side of the rotor core. A third feature is that notches extending toward both corners are formed.
[0007]
According to the first feature, the gap formed at both ends of the permanent magnet can reduce the leakage magnetic flux to the auxiliary pole, and increase the magnetic flux orthogonal to the air gap between the rotor core and the stator. Can do. Therefore, the generated torque of the motor can be increased.
[0008]
According to the second feature, the magnetic path from the permanent magnet to the stator side is narrowed by a part of the gap provided on the stator side of the permanent magnet while the magnetic flux is increased by the supplementary pole, and a strong magnetic force is generated. Is reduced, and excessive magnetic friction during high-speed driving is reduced.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a side view of a battery-assisted bicycle having a control device according to an embodiment of the present invention. The body frame 1 of the battery-assisted bicycle includes a head pipe 2 positioned in front of the vehicle body, a down pipe 3 extending rearwardly downward from the head pipe 2, a rear fork 4 connected to the down pipe 3 and extending rearward, and a down pipe 3 And a seat post 5 that rises upward from the lowermost end.
[0010]
A front fork 6 is rotatably supported on the head pipe 2. A front wheel 7 is pivotally supported at the lower end of the front fork 6, and a steering handle 8 is attached to the upper end of the front fork 6. The steering handle 8 is provided with a brake lever 9, and a cable 10 drawn from the brake lever 9 is connected to a front wheel brake 11 fixed to the front fork 6. Similarly, a brake lever for a rear wheel brake is also provided on the steering handle 8, but is not shown. The brake lever 9 is provided with a brake sensor (not shown) that senses that the brake lever 9 has been operated.
[0011]
A pair of left and right stays 12 connected to the upper end of the seat post 5 extend rearwardly downward and are coupled to the rear fork 4 in the vicinity of the lower end. A rear wheel 13 is supported on a member formed by coupling the rear fork 4 and the stay 12, and a motor 14 serving as an auxiliary power source is provided coaxially with the hub of the rear wheel 13 supported by the member. The motor 14 is preferably a three-phase brushless motor having high torque and low friction. The specific structure and control of the motor 14 will be described later.
[0012]
A support shaft 16 having a seat 15 at the upper end is attached to the seat post 5 so that the height of the seat 15 can be adjusted. A battery 17 that supplies electric power to the motor 14 is provided below the seat 15 and between the seat post 5 and the rear wheel 13. The battery 17 is held by a bracket 18 that is fixed to the seat post 5. The bracket 18 is provided with a power supply unit 19, and the power supply unit 19 is coupled to the motor 14 with an electric wire (not shown) and connected to an electrode of the battery 17. The upper portion of the battery 17 is supported by the seat post 5 with a fastener including a band 20 and a buckle fitting 21.
[0013]
A crankshaft 22 extending to the left and right of the vehicle body is supported at the intersection of the down pipe 3 and the seat post 5, and a pedal 24 is coupled to the crankshaft 22 via a crank 23. A driving sprocket 25 is connected to the crankshaft 22 via a pedaling force sensor (not shown), and the pedaling force applied to the pedal 24 is transmitted to the driving sprocket 25 via the pedaling force sensor. A chain 27 is stretched between the drive sprocket 25 and a driven sprocket 26 provided on the hub of the rear wheel 13. The tight side of the chain 27 and the drive sprocket 25 are covered with a chain cover 28. The crankshaft 22 is provided with a rotation sensor for the crankshaft 22 (not shown). As the rotation sensor, a known sensor such as a sensor used for detecting crankshaft rotation of an automobile engine can be used.
[0014]
Next, the pedaling force detection device mounted on the crankshaft 22 will be described. 3 is a cross-sectional view around the crankshaft 22, and FIG. 4 is a view taken along the line AA in FIG. Ball bearings 102L and 102R are respectively inserted between the caps 101L and 101R screwed at both ends of the support pipe 100 fixed to the down pipe 3 and the step formed on the crankshaft 22, and the crankshaft 22 is It is supported rotatably.
[0015]
The cranks 23 are respectively fixed to the left and right ends of the crankshaft 22 by nuts 103C that fit the bolts 103B (only the right side is shown). An inner ring 105 of the one-way clutch 104 is fixed between the crank 23 and the support pipe 100. A drive sprocket 25 is rotatably supported on the outer periphery of the inner ring 105 via a bush 105A. The thrust direction position of the drive sprocket 25 is regulated by the nut 106A and the plate 106B.
[0016]
The drive sprocket 25 is integrally provided with a lid 107, and a transmission plate 108 is disposed in a space surrounded by the drive sprocket 25 and the lid 107. The transmission plate 108 is coaxial with the drive sprocket 25 and is supported so that a predetermined amount of deviation is allowed in the rotational direction about the crankshaft 22.
[0017]
A plurality (six in this case) of windows 109 are formed across the drive sprocket 25 and the transmission play 108, and compression coil springs 110 are accommodated inside the windows 109, respectively. The compression coil spring 110 acts so as to generate a drag force against the displacement when the rotational displacement occurs between the drive sprocket 25 and the transmission plate 108.
[0018]
A ratchet tooth 111 as an outer ring of the one-way clutch 104 is formed on the inner periphery of the hub of the transmission plate 108. The ratchet tooth 111 is supported by the inner ring 105 and is urged by a spring 112 in the radial direction. Engage with the claw 113. The one-way clutch 104 is provided with a dust-proof cover 114.
[0019]
The transmission plate 108 is provided with a locking hole 116 with which a pedal force transmission projection 115 fixed to the pedal force transmission ring 124 is engaged. The drive sprocket 25 is provided with a window 117 for allowing the protrusion 115 to engage with the locking hole 116, and the protrusion 115 passes through the window 117 and fits into the locking hole 116. Is done.
[0020]
A plurality (three in this case) of small windows different from the window 109 are formed across the drive sprocket 25 and the transmission plate 108, and compression coil springs 118 are accommodated inside the small windows, respectively. . The compression coil spring 118 is disposed so as to bias the transmission plate 108 toward the rotation direction 119 side. That is, it acts in a direction that absorbs backlash at the joint between the drive sprocket 25 and the transmission plate 108, and functions so that the displacement of the transmission plate 108 is transmitted to the drive sprocket 25 with good responsiveness.
[0021]
A sensor portion (stepping force sensor) 47 of the pedaling force detection device is mounted on the drive sprocket 25 near the vehicle body, that is, on the down pipe 3 side. The pedal force sensor 47 includes an outer ring 120 fixed to the drive sprocket 25, and a sensor body 121 that is rotatably provided to the outer ring 120 and forms a magnetic circuit.
[0022]
The outer ring 120 is made of an electrically insulating material and is fixed to the drive sprocket 25 with a bolt (not shown). A cover 122 is provided on the drive sprocket 25 side of the outer ring 120, and is fixed to the outer ring 120 with a set screw 123.
[0023]
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the sensor body 121. A coil 125 is provided concentrically with the crankshaft 22, and a pair of cores 126 A and 126 B are provided on both sides of the coil 125 in the axial direction and project in the outer circumferential direction of the coil 125. In addition, an annular first derivative 127 and a second derivative 128 are provided between the cores 126A and 126B. The first derivative 127 and the second derivative 128 can be displaced from each other in the circumferential direction in accordance with the pedaling force transmitted from the pedaling force transmission ring 124, and due to this displacement, the overlapping between the cores 126 A and 126 B. Configured to vary in quantity. As a result, when the coil 125 is energized, the magnetic flux of the magnetic circuit including the cores 126A and 126B, the core collar 129, and the first derivative 127 and the second derivative 128 changes according to the treading force. Therefore, it is possible to detect a pedaling force by detecting a change in inductance of the coil 125, which is a function of the magnetic flux. In FIG. 5, reference numerals 130 and 131 are support members of the sensor main body 121, reference numeral 132 is a bearing, and reference numeral 133 is a lead wire drawn from the coil 125.
[0024]
The pedal force sensor is described in more detail in the specification of a prior application (Japanese Patent Application No. 11-251870) by the present applicant. The pedal force sensor is not limited to the one having the above structure, and a known sensor can be used.
[0025]
FIG. 1 is a cross-sectional view of the motor 14. A cylinder 30 incorporating a transmission is supported by a shaft 31 on a plate 29 projecting rearward from the joint between the rear end of the rear fork 4 and the lower end of the stay 12. A wheel hub 32 is fitted on the outer periphery of the cylinder 30. The wheel hub 32 is an annular body having an inner cylinder and an outer cylinder, and the inner peripheral surface of the inner cylinder abuts on the outer periphery of the cylinder 30. A connecting plate 33 protruding from the cylinder 30 is fixed to the side surface of the wheel hub 32 by bolts 34. Neodymium magnets 35 constituting the rotor-side magnetic poles of the motor 14 are arranged at a predetermined interval on the inner periphery of the outer cylinder of the wheel hub 32. That is, the outer cylinder forms a rotor core that holds the magnet 35.
[0026]
A bearing 36 is fitted to the outer circumference of the inner cylinder of the wheel hub 32, and a stator support plate 37 is fitted to the outer circumference of the bearing 36. A stator 38 is disposed on the outer periphery of the stator support plate 37 and is attached by bolts 40. The stator 38 is arranged so as to have a predetermined slit and a rotor core, that is, an outer cylinder of the wheel hub 32, and a three-phase coil 39 is wound around the stator 38.
[0027]
An optical sensor 41 is provided on the side surface of the stator support plate 37. When the wheel hub 32 rotates, the optical sensor 41 intermittently blocks the optical path by the ring-shaped member 42 provided on the wheel hub 32, and as a result, outputs a pulse waveform signal. The ring-shaped member 42 has a regular rectangular tooth shape so that the optical path of the optical sensor 41 can be interrupted intermittently during rotation. Based on the pulse waveform signal, a position signal of the wheel hub 32 as a rotor is detected. The optical sensor 41 is provided at three locations corresponding to each phase of the motor 14 and functions as a magnetic pole sensor and a rotation sensor of the motor 14.
[0028]
Further, a control board 43 is provided on the side surface of the stator support plate 37, and energization control to the three-phase coil 39 is performed according to a position signal from the optical sensor 41 as a magnetic pole sensor. On the control board 43, a control element such as a CPU or FET is mounted. The control board 43 can be integrated with the mounting board for the optical sensor 41.
[0029]
A spoke 44 connected to a rim of a rear wheel (not shown) is fixed to the outer periphery of the wheel hub 32. Further, a bracket 46 is fixed by a bolt 45 on the side of the stator support plate 37 opposite to the side on which the control board 43 is mounted, and the bracket 46 is coupled to the plate 29 of the vehicle body frame by a bolt (not shown). The
[0030]
The wheel hub 32 is provided with a window in which a transparent resin (clear lens) 32A is fitted, and the fixed cover 37A fixed to the stator support plate 37 is also provided with a window in which the clear lens 37B is fitted. These clear lenses 32A and 37B allow the inside of the motor 14 to be seen from the outside, so that an extraordinary aesthetic effect is obtained, and the weight of the wheel hub 32 and the fixed cover 37A is partially made of resin. A reduction effect can also be obtained.
[0031]
Thus, the three-phase brushless motor 14 composed of the stator and the rotor arranged coaxially with the shaft 31 of the rear wheel 13 is provided, and auxiliary power added to the human power transmitted by the chain 17 and the driven sprocket 26 is provided. appear. Needless to say, the motor 14 may be provided on the front wheel.
[0032]
6 is a cross-sectional view of the main part of the motor 14 on a plane orthogonal to the shaft 31, FIG. 7 is a front view of the rotor core holding the magnet 35, FIG. 8 is an enlarged view of the main part of the rotor core, and FIG. It is a principal part enlarged view of this rotor core. As described above, the motor 14 of the present embodiment includes the stator 38 and the wheel hub 32 as an outer rotor that rotates on the outer periphery of the stator 38.
[0033]
The rotor core 321 that holds the magnet 35 has an annular shape, and is inserted into the inner periphery of the outer cylinder portion of the outer rotor 32. The rotor core 321 is formed by laminating thin sheets of silicon steel, and a total of 12 openings (slots) 322 are provided at 30 ° intervals in the circumferential direction. The magnet 35 inserted into the opening 322 is made of ferrite, and N poles (35N) and S poles (35S) are alternately arranged. A space between adjacent openings 322 functions as an auxiliary pole portion 323. As shown in FIGS. 6 and 9, the magnet 35 has a drum-like cross-sectional shape with a thick central portion (center convex).
[0034]
Similarly to the rotor core 321, the stator 38 is configured by laminating thin silicon steel plates, and includes a stator core 381 and a stator salient pole 382. A stator winding 383 (corresponding to the three-phase coil 39) is wound around each stator salient pole 382 by a single pole concentration method.
[0035]
The shape of the opening 322 and the cross-sectional shape of the magnet 35 are not the same. When the magnet 35 is inserted into the opening 322, the first gap 322A is formed on both sides along the circumferential direction of each magnet 35. Furthermore, a second gap 322B is formed on the stator 38 side at both ends of each magnet 35 (see FIGS. 6 and 9).
[0036]
Next, the operation of the gaps 322A and 322B of the opening 322 formed with the magnet 35 will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is a diagram showing a magnetic flux density distribution when power is supplied to the motor 14 from the battery 17, and FIG. 11 is a diagram showing a magnetic flux density distribution when the motor 14 is regeneratively operated.
[0037]
When an exciting current is supplied from the battery 17 to each stator winding 383 through the control board 43, as shown in FIG. 10, the magnetic lines of force generated in the radial direction from the stator salient poles 382N excited to the N pole are S pole magnets 35S. Most of them pass through the outer surface 32B of the wheel hub (outer rotor) 32 and the auxiliary pole portion 323, and the stator salient poles 382S and the stator core 381 excited by the adjacent south poles. To the stator salient pole 382N excited on the north pole.
[0038]
At this time, since the first gap 322A is formed on both sides along the circumferential direction of the magnet 35, the leakage magnetic flux from the side portion of each magnet 35 to the auxiliary pole portion 323 is reduced, and the line of magnetic force is increased. The portion passes from the magnet 35 to the outer cylindrical portion 32B of the outer rotor 32, and further reaches the stator 38 side via the auxiliary pole portion 323. As a result, since the vertical component of the magnetic flux passing through the air gap between the rotor core 321 and the stator salient pole 382 increases, the generated torque can be increased compared to the case where the first gap 322A is not provided. Furthermore, since the magnetic path along the inner peripheral side of the rotor core 321 is limited by the second air gap 322B, the leakage magnetic flux passing through the inner peripheral side of the rotor core 321 is also reduced.
[0039]
FIG. 12 shows an enlarged schematic diagram of the magnetic lines of force in FIG. In FIG. 12, the magnetic flux B 1 from the auxiliary pole portion 323 toward the stator salient pole 382 S is reduced by the amount leaked along the inner circumference 324 of the rotor core 321 by the one 3220 B of the second gap 322 B. B1 is efficiently guided to the stator salient pole 382S. Further, the other (3221B) of the second air gap 322B prevents the magnetic flux B2 passing through the inner periphery 324 of the rotor core 321 from the magnet 35N from leaking to the auxiliary pole portion 323 side, thereby efficiently supplying the magnetic flux B2 to the stator salient pole 382S. It works to guide you well. As a result, the vertical component of the magnetic flux passing through the air gap between the rotor core 321 and the stator 38 is further increased, and the driving torque as a motor can be further increased.
[0040]
On the other hand, when the motor 14 performs a regenerative operation, as shown in FIG. 11, the magnetic flux generated from each magnet 35 forms a closed magnetic path together with the stator salient poles and the stator core, so that the generated current according to the rotational speed of the rotor Can be generated in the stator winding 383.
[0041]
A regulator for limiting the regenerative voltage of the motor 14 to a predetermined value is provided, and when the regenerative voltage reaches a regulated voltage (for example, 14.5 V) of the regulator, a power FET of an output control circuit (described later) of the motor 14 Among them, the grounded one can be short-circuited. As a result, a short current flows through each stator winding 383 in a lagging phase, the lines of magnetic force passing through the stator 38 are reduced, and the leakage magnetic flux connecting the adjacent magnets 35 is increased, so that the magnetic friction of the motor 14 is reduced. .
[0042]
FIG. 13 shows an enlarged schematic diagram of the lines of magnetic force in FIG. In FIG. 13, between the adjacent magnets 35 S and 35 N, the magnetic flux B 3 that passes through the outer circumferential portion 325 of the rotor core 321, the magnetic flux B 4 that passes through the auxiliary pole portion 323 of the rotor core 321, and the inner peripheral portion 324 of the rotor core 321. The magnetic flux B5 passing through the inner circumferential portion 324 of the rotor core 321, the air gap and the stator salient pole 382N are generated.
[0043]
As described above, according to the present embodiment, in the motor 14 having the auxiliary pole portion 323 between the magnets 35 held by the rotor core 321, the gaps 322A and 322B are provided between the magnet 35 and the rotor core 321. The leakage magnetic flux between the adjacent magnets 35 is reduced, and the magnetic flux orthogonal to the air gap portion between the rotor core 321 and the stator 38 is increased. Therefore, the torque generated by the motor 14 can be increased, and the magnetic friction can be prevented from increasing when the motor 14 performs regeneration.
[0044]
FIG. 14 is a front view of a rotor core according to the second embodiment of the present invention, FIG. 15 is an enlarged view of a main part of the rotor core holding a magnet, and the same reference numerals as those in FIGS. 7 and 9 are the same or equivalent parts. . In the second embodiment, the opening 322 of the rotor core 321 has a substantially trapezoidal shape, and a magnet 35 having a rectangular cross section is inserted into the opening 322. A first gap 322 A for preventing leakage magnetic flux between adjacent magnets 35 is formed on the short side of the magnet 35 having a rectangular cross section. In addition, a second gap 322 B is formed in the stator side corner portion of the magnet 35 in order to limit the magnetic path along the inner peripheral side of the rotor core 321.
[0045]
FIG. 16 is a front view of a rotor core according to a third embodiment of the present invention, FIG. 17 is an enlarged view of a main part of the rotor core holding a magnet, and the same reference numerals as those in FIGS. 7 and 9 are the same or equivalent parts. . In the third embodiment, the opening 322 of the rotor core 321 has an irregular drum shape, and a drum 35 having a drum shape (medium protrusion) is inserted into the opening 322. On both sides of the magnet 35 in the circumferential direction of the rotor core 321, a first gap 322 A that is larger than that of each of the above-described embodiments is formed to prevent leakage magnetic flux between adjacent magnets 35. In addition, a second gap 322 B is formed in the stator side corner portion of the magnet 35 in order to limit the magnetic path along the inner peripheral side of the rotor core 321.
[0046]
18 is a front view of a rotor core according to a fourth embodiment of the present invention, FIG. 19 is an enlarged view of a main part of the rotor core holding a magnet, and the same reference numerals as those in FIGS. 7 and 9 are the same or equivalent parts. . In the fourth embodiment, the opening 322 of the rotor core 321 has an irregular shape in which notches are provided on both sides of the drum-shaped portion, and a drum-shaped magnet 35 is inserted into the opening 321. A first gap 322A for preventing leakage magnetic flux between adjacent magnets 35 is formed on both sides of the magnet 35 in the circumferential direction of the rotor core 321. Further, a second air gap 322B is formed at the stator side corner of the magnet 35 in order to limit the magnetic path along the inner peripheral side of the rotor core 321. In the fourth embodiment, the first gap 322A and the second gap 322B are integrally connected, and the second gap 322B is set to be relatively large in size.
[0047]
20 is a front view of a rotor core according to a fifth embodiment of the present invention, FIG. 21 is an enlarged view of a main part of a rotor core 321 holding a magnet, and the same reference numerals as in FIGS. 7 and 9 are the same or equivalent parts. is there. In the fifth embodiment, the opening 322 of the rotor core 321 has an irregular drum shape, and a drum-shaped magnet 35 is inserted into the opening 322. First gaps 322A for preventing leakage magnetic flux between adjacent magnets 35 are formed on both sides of the magnet 35 in the circumferential direction of the rotor core 321.
[0048]
Furthermore, in the fifth embodiment, notches 322C extending from the inner peripheral side of the rotor core 321 toward both corners of the magnet 35 are formed instead of the second gap 322B. This notch 322C can restrict the magnetic path along the inner peripheral side of the rotor core 321 and fulfills the same function as the second gap 322B.
[0049]
22 is a front view of a rotor core according to a sixth embodiment of the present invention, FIG. 23 is an enlarged view of a main part of the rotor core holding a magnet, and the same reference numerals as in FIGS. 7 and 9 are the same or equivalent parts. . In the sixth embodiment, the opening 322 of the rotor core 321 has an irregular drum shape, and a drum-shaped magnet 35 is inserted into the opening 322. First gaps 322A for preventing leakage magnetic flux between adjacent magnets 35 are formed on both sides of the magnet 35 in the circumferential direction of the rotor core 321. In addition, a second air gap 322 B for limiting the magnetic path along the inner peripheral side of the rotor core 321 is formed at the stator side corner of the magnet 35.
[0050]
FIG. 24 is a front sectional view of an essential part of the motor 14 according to the seventh embodiment of the present invention, and the same reference numerals as those in FIG. 6 denote the same or equivalent parts. In the seventh embodiment, the magnets held by the rotor core 321 are arranged separately in two. That is, two sets of magnets having the same polarity are used as one set, and a plurality of sets (8 sets) are arranged at 45 ° intervals along the circumferential direction of the rotor core 321. For example, in FIG. 24, attention is focused on magnets 351S and 352S. The two magnets 351S and 352S having a rectangular cross-sectional shape have the same polarity (S pole), and both are neodymium magnets. A third gap 322D is provided between the two magnets 351S and 352S, and fourth gaps 322E and 322F are formed on the stator 38 side of the two magnets 351S and 352S, respectively. The magnet 351S and the magnet 352S are biased toward the outer periphery of the rotor core 321 on the third gap 322D side. In addition, it is the same as that of each above-mentioned embodiment that the complement pole part 323 is provided between each set of magnets.
[0051]
The aspect of magnetic flux formation by the above configuration will be described. Since neodymium magnets are very powerful, in order to reduce magnetic friction, the magnetic flux from each magnet that passes through the bridge-shaped portion 322BR between the third gap 322D and the fourth gap 322E contributes to torque generation. Let For example, the magnetic flux B10 from the N-pole magnets 351N and 352N passes through the bridge portion 322BR, passes through the air gap between the rotor core 321 and the stator 38, and reaches the stator salient poles 382Sa and 382Sb. Then, via the stator salient pole 382N, the bridge portion 322BR reaches the S pole magnets 351S and 352S. Further, the magnetic flux B11 that passes through the S-pole magnets 351S and 352S and escapes to the back surface (the outer peripheral side of the rotor core 321) reaches the stator salient pole 382Sb through the auxiliary pole portion 323. A part of the magnetic flux B11 penetrating through the S-pole magnets 351S and 352S to the back surface becomes a leakage flux (indicated by a dotted line) to the adjacent N-pole magnet 351N.
[0052]
Thus, the magnetic lines of force that flow from the N-pole magnets 351N and 352N through the air gap and flow into the stator 38 pass through the bridge portion 322BR surrounded by the gaps on both sides, so that the magnetic flux is small. For this reason, the magnetic friction can be reduced during high-speed travel in which the motor 14 is neither energized nor regenerated. On the other hand, when the motor 14 is energized, torque is increased by the magnetic flux (complementary magnetic flux) B11.
[0053]
Further, at the time of regenerative output, as described above, the magnetic flux generated from each magnet forms a closed magnetic path together with the stator salient pole and the stator core, so that a generated current corresponding to the rotational speed of the rotor can be generated in the stator winding 383. What can be done is the same as in the previous embodiments.
[0054]
FIG. 25 is an output control circuit diagram of the motor 14, and FIG. 26 is a diagram showing energization timing and energization duty. In FIG. 25, a full-wave rectifier 71 has FETs (generally individual switching elements) 71a, 71b, 71c, 71d, 7e, 71f connected to a three-phase stator coil 39, and these FETs 71a-71f are drivers. The energization is controlled by 72. The energization duty is set by the duty setting unit 73 based on an instruction supplied from the motor torque calculation unit 64 and input to the driver 72. For example, the motor torque calculation unit 64 calculates the torque required for the motor 14 based on the vehicle speed, the output of the pedal force sensor 47, the rotation speed of the motor 14 and the like so that the driving force according to the actual running resistance of the vehicle can be generated. To do. An example of a method for calculating the required motor torque by the motor torque calculation unit 64 is described in the specification of a patent application (Japanese Patent Application No. 2001-55399) related to a control device for a battery-assisted bicycle previously proposed by the present applicant. ing.
[0055]
At the drive timing for applying the auxiliary power, the duty setting unit 73 supplies the driver 72 with the energization duty, and the driver 72 energizes the FETs 71 a to 71 f and supplies the current from the battery 17 in accordance with this energization duty. On the other hand, when the regenerative current is generated, the energization duty is supplied from the duty setting unit 73 to the driver 72 at the regenerative timing deviated by 180 degrees in electrical angle from the drive timing, and the driver 72 follows the energization duty and the FETs 71a to 71f. Energize. When the FETs 71 a to 71 f are energized at the regeneration timing, the current generated in the stator coil 39 is rectified by the FETs 71 a to 71 f and supplied to the battery 17.
[0056]
Whether the drive timing or the regeneration timing is reached is determined by the torque determination unit 74 based on the requested motor torque T supplied from the motor torque calculation unit 64. When the required value T of the motor torque is positive, the energization timing is set at the drive timing, and when the required value T of the motor torque is negative, the energization timing is set at the regeneration timing.
[0057]
In FIG. 26, the FETs 71a to 71f are energized with the conduction angle set to an electrical angle of 120 degrees. This figure shows the energization timing at the drive timing. At the regeneration timing, the high-side FETs 71a, 71c, 71e are shifted by 180 degrees in electrical angle from the drive timing.
[0058]
In each of the above embodiments, the case where the motor 14 is the outer rotor type, that is, the outer rotation type has been described. However, the present invention is not limited to this, and the inner rotation type in which the rotor rotates inside the stator. The same can be applied to other motors.
[0059]
FIG. 27 is a front view showing an example in which the motor 14 is deformed into an inversion type, and only the main part is shown. The motor 14 includes a substantially cylindrical stator 90 and a substantially columnar rotor 80 that rotates inside the stator 90. Both the rotor 80 and the stator 90 are configured by laminating thin sheets of silicon steel.
[0060]
A stator winding 92 is wound around each of the stator salient poles 91 of the stator 90. The rotor 80 is formed with 12 openings 811 having a substantially arc shape in section and into which a permanent magnet 85 made of a neodymium material is inserted in the axial direction at intervals of 30 degrees in the circumferential direction. . The magnet 85 is arranged so that the bulging side is located at the rotation center of the rotor 80. A space between adjacent openings 811 functions as an auxiliary pole portion 813.
[0061]
Also in this modified example, the shape of the opening 811 and the cross-sectional shape of the magnet 85 are not the same, and in the state where the magnet 85 is inserted into the opening 811, a gap is formed on both sides along the circumferential direction of each magnet 85. 812 is formed.
[0062]
According to this configuration, when an excitation current is supplied from the battery 17 to each stator winding 92, the lines of magnetic force generated from the stator salient poles 91 (N) excited to the N poles as shown in an enlarged view in FIG. From the stator-side surface of the S-pole magnet 85S to the back surface (outer peripheral side), most of them pass through the auxiliary pole portion 813, and through the stator salient pole 91 (S) excited by the adjacent S-pole. Returning to the stator salient pole 91 (N) excited to the pole.
[0063]
In this modified example, air gaps 812 are formed on both sides along the circumferential direction of each magnet 85, and the leakage magnetic flux from the side of each magnet 85 to the auxiliary pole portion 813 is reduced. Reaches from the magnets 85 to the stator 90 side via the auxiliary pole portion 813. As a result, since the vertical component of the magnetic flux passing through the air gap between the rotor 80 and the stator 90 increases, the driving torque can be increased as compared with the case where the air gap 812 is not provided.
[0064]
On the other hand, when the motor 14 is regeneratively operated, the magnetic flux generated from each magnet 85 forms a closed magnetic path together with the stator salient pole 91 and the core portion of the stator 90, so that the generated current corresponding to the rotational speed of the rotor 80 is generated in the stator winding. Can be generated on the line.
[0065]
Further, a neodymium magnet having a strong magnetic force is adopted as the magnet 85, and the arc-shaped magnet 85 is arranged so as to be convex toward the rotation center, so that the magnetic force directed directly from the outer surface of the magnet 85 to the stator 90 is obtained. Therefore, the friction when functioning as a generator can be greatly reduced.
[0066]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the invention of claim 1 or 2, since a part of the hub of the rear wheel is the rotor core of the motor, the rear wheel can be driven directly by the motor, and at the time of vehicle deceleration. The motor power can be charged by the regenerative action. In addition, the motor has a brushless structure, and generates sufficient torque by the action of the auxiliary pole formed between the permanent magnets housed in the rotor core and the gap between the permanent magnet and the rotor core holding the permanent magnet. be able to. Therefore, the rear wheels can be motor-driven without using a complicated structure such as a speed reduction mechanism.
[0067]
In particular, according to the second aspect of the present invention, the magnetic friction can be reduced by the leakage magnetic flux passing between the rotor cores at the time of high speed operation in which neither motor energization nor regenerative action is performed. In addition, it is possible to reduce friction during high-speed operation, that is, when the motor is not energized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a motor used in a battery-assisted bicycle according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view of a battery-assisted bicycle according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part of a human power drive unit including a pedaling force detection device.
4 is an AA arrow view of FIG. 3;
5 is an enlarged cross-sectional view of a main part of FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part on a plane orthogonal to the motor axis.
FIG. 7 is a front view of a rotor core that holds a permanent magnet.
FIG. 8 is an enlarged view of a main part of the rotor core.
FIG. 9 is an enlarged view of a main part of the rotor core in a state where a permanent magnet is held.
FIG. 10 is a diagram for explaining the function (during electric operation) of a gap provided in the rotor core.
FIG. 11 is a diagram for explaining the function (at the time of regeneration) of a gap provided in the rotor core.
12 is an enlarged view of a main part of FIG.
13 is an enlarged view of a main part of FIG.
FIG. 14 is a front view of a rotor core of a motor according to a second embodiment.
15 is an enlarged view of a main part in a state where a permanent magnet is inserted into the opening of FIG.
FIG. 16 is a front view of a rotor core of a motor according to a third embodiment.
17 is an enlarged view of a main part in a state where a permanent magnet is inserted into the opening of FIG.
FIG. 18 is a front view of a rotor core of a motor according to a fourth embodiment.
19 is an enlarged view of a main part in a state where a permanent magnet is inserted into the opening of FIG.
FIG. 20 is a front view of a rotor core of a motor according to a fifth embodiment.
21 is an enlarged view of a main part in a state where a permanent magnet is inserted into the opening of FIG.
FIG. 22 is a front view of a rotor core of a motor according to a sixth embodiment.
23 is an enlarged view of a main part in a state where a permanent magnet is inserted into the opening of FIG.
FIG. 24 is a cross-sectional view of main parts on a plane orthogonal to the axis of the motor according to the seventh embodiment.
FIG. 25 is a control circuit diagram of a motor.
FIG. 26 is a timing chart showing motor control timing.
FIG. 27 is a front view of a motor according to a modified example.
FIG. 28 is an enlarged view of the main part of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Body frame, 5 ... Seat post, 8 ... Steering handle, 9 ... Brake lever, 14 ... Motor, 17 ... Battery, 22 ... Crankshaft, 24 ... Pedal, 27 ... Chain, 32 ... Wheel hub (outer rotor), 35 ... Permanent magnet, 37 ... Stator support plate, 38 ... Stator core, 39 ... Stator coil, 41 ... Optical sensor, 43 ... Substrate, 47 ... Treading force sensor, 80 ... Rotor, 90 ... Stator, 321 ... Rotor core, 322 ... Opening 322A: First gap, 322B: Second gap, 323: Supplementary pole part, 382: Stator salient pole, 383: Stator winding

Claims

In the battery-assisted bicycle in which the motor (14) for assisting the driving force by human power is incorporated in the wheel,
The motor (14) has a brushless structure, and includes a magnetic rotor core (321) integral with the hub (32) of the wheel, and a stator (38) disposed opposite to the rotor core,
The rotor core (321 ) is formed with a plurality of openings (322) that open in the axial direction of the wheel and are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction of the wheel,
The opening (322) has first gaps (322A) formed at both ends along the circumferential direction of the wheel , and both ends of the opening (322) from the stator (38) side. A permanent magnet is accommodated with a second gap (322B) formed by
The battery-assisted bicycle is characterized in that an auxiliary pole (323) is formed between the openings in the rotor core, and the polarity of the permanent magnet is different between adjacent openings.

In the battery-assisted bicycle in which the motor (14) for assisting the driving force by human power is incorporated in the wheel,
The motor (14) has a brushless structure, and includes a magnetic rotor core integral with the hub (32) of the wheel, and a stator (38) disposed opposite to the rotor core,
The rotor core is formed with a plurality of openings (322) that open in the axial direction of the wheel and are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction of the wheel,
In the opening (322) , permanent magnets (351S, N) having a gap (322D) at the center and distributed in the circumferential direction of the wheel are also provided in the gap (322E ) in a part on the stator side. , F)
An auxiliary pole (323) is formed in the rotor core between the openings (322), and the polarities of the permanent magnets (351S, N) are different between adjacent openings. Electric assist bicycle.

In the battery-assisted bicycle in which the motor (14) for assisting the driving force by human power is incorporated in the wheel,
The motor (14) has a brushless structure, and includes a magnetic rotor core (321) integrated with the hub (32) of the wheel, and a stator (38) disposed opposite to the rotor core,
The rotor core is formed with a plurality of openings (322) that open in the axial direction of the wheel and are arranged at predetermined intervals in the circumferential direction of the wheel,
In the opening (322), a permanent magnet is accommodated having a gap (322A) formed at both ends along the circumferential direction of the wheel,
Notches (322C) extending from the inner peripheral side of the rotor core (321) toward both corners of the permanent magnet are formed,
A battery-assisted bicycle characterized in that a complementary pole (323) is formed in the rotor core between the openings (322), and the polarity of the permanent magnet is different between adjacent openings.