JP3835201B2

JP3835201B2 - Electric assist bicycle motor

Info

Publication number: JP3835201B2
Application number: JP2001136767A
Authority: JP
Inventors: 功松田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2021-05-08
Also published as: JP2002331986A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動アシスト自転車に係わり、特にアシスト自転車に搭載されるモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動アシスト自転車は２つの駆動力を備えており、その一つはペダルからの駆動力でチェーンを介してケーシングの回転側に伝達して車輪を回転させる駆動力と、他の一つはペダルにかかるトルクを検出し、そのトルクと同じ大きさのトルクでモータを回転し、減速機構を介して車輪を駆動するように構成されている。このような電動アシスト自転車は種々提案されているが、何れも駆動部にモータを配設することに伴い、その構成の小形化，軽量化を図ることを目的としてモータを高速化し、ギアやプリーによって減速して必要とするトルクを得るようにしている。
更に、駆動部とタイヤ部をチェーンおよびワンウエクラッチを介して連結しているものと、タイヤ部にモータを設けた場合でも減速機構を設けている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した駆動輪とモータ間との駆動力伝達をギアで減速しながら行うギア変速方式のものは、ギア連結のために効率が低いものとなっている。
また、モータは設置スペースの関係でそのサイズが限定されているため、効率の良いモータが適用できないものとなっている。このため、モータ効率にギア効率を乗じたものが自転車の総合効率となることから、５０％以下となっているのが現状である。
効率が５０％以下の場合には、原理的に回生制御をすることができないので、バッテリーの消費量が多くなり、一回の充電時における走行距離が短く、バッテリー寿命が短くなる等の問題を有している。
バッテリー電源がなくなり、モータ電源がオフされた状態では人力のみの走行となるが、その際、ギアの機械的損失、モータの機械的損失が大きいことにより必要とする人力駆動力が大きくなって、自転車走行にいわゆる重い感じが拭いきれないものとなっている。
【０００４】
このような問題は、駆動輪の軸部分に永久磁石を使用したアウターロータモータを配設したダイレクトドライブ方式を採用することによって解決できる。
しかし、ダイレクトドライブ方式の場合においても、設置スペースの制約によりモータの小形化が要求され、その要求に対応するためには高価な円弧状に形成された高性能希土類磁石を使用する必要がある。
また、アウターロータのために磁石装着の作業性が悪く、生産性の低下、品質確保が困難となる問題があり、コスト高となる新たな問題が発生している。更に、モータ電源オフの状態では、いわゆるコギングトルクのために自転車走行に重い感じと違和感が生じている。
【０００５】
本発明の目的は、これらの問題を解決した自転車用モータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ペダルと連動するスプロケット、及び中空部を有して円盤状に形成された継ぎ手を設け、この継ぎ手にバッテリーを電源とする駆動モータを搭載し、このモータとバッテリー間に力行，回生両方向への電力切換を可能にした電力変換装置を備えた自転車において、
前記駆動モータは、電機子間とはギャップを介して配置された前記継ぎ手の外円周側をモータの回転子ヨークとして、この回転子ヨークに永久磁石を固着したアウターロータの同期モータとし、且つこの駆動モータの回転子ヨークに磁石装着用の溝を形成し、この溝内に円周方向に向かって断面長方形状に形成された永久磁石の厚さ方向の一部を回転子鉄心間のギャップに突出させ、残り部分を回転子ヨークに埋め込んで装着すると共に、装着された長方形状永久磁石の前後位置の回転子ヨークにそれぞれ溝を設け、各溝内に補助磁石を装着したことを特徴としたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示す駆動部の断面図を示したもので、自転車の後輪に配設される。
１は車軸、２は車軸に嵌合されたベアリングで、その外側にはラチェット３を介して一体的にスプロケット４が回動自在に取り付けられている。このスプロケット４には、図示省略されているが、ペダルに連設されたチェンが張られている。５は継ぎ手で、円盤状で且つ中空部を有するように形成され、その一部はラチェット３と連結されており、また、外側には車輪のスポークが取り付けられるスポーク孔６が穿設されている。継ぎ手５の中空部は密封されるように構成され、その部内には車軸１に固着された支柱板７が延伸して配設されている。支柱板７の任意部には鍔部８が形成され、この鍔部８と継ぎ手５との間にはベアリング９が嵌挿されている。
【０００９】
また、支柱板７の先端には、円周方向に沿って固定子鉄心１０が配設され、この固定子鉄心１０には固定子巻線１１が巻装されている。固定子鉄心１０と対向した継ぎ手５の内面にはギャップＧを介して永久磁石１２が円周に沿ってＮ，Ｓ極交互に配設されて回転子となっている。１３は継ぎ手５に形成されたヨークである。これら１０〜１３によってアウタロータータイプの永久磁石式の同期モータが構成されており、このモータの回転子とタイヤ部とをスポークで張設結合することによって、減速機構を設けることなく効率よくタイヤを駆動することができる。
【００１０】
１４はプリント板で、このプリント板１４には図示省略されている電力変換部の素子やその素子を制御するための制御部の回路部品が実装されていて支柱板７にボルト等によって固定されている。１５は撓み継ぎ手で、固定側と回転側間に配設されている。
【００１１】
図２はモータの部分拡大図を示したもので、ヨーク１３には予め溝１６が設けられ、その溝１６に永久磁石１２が装着される。永久磁石１２は断面が長方形に形成されている。断面長方形に形成することによって、ギャップＧ面の磁束分布は完全なる正弦波分布は得られないが、電機子が内側で円弧状を有しているアウターロータ形状の特殊性を利用して、ギャップ長と磁石厚さ、幅を適切に選ぶことにより磁石面が平面でも特性的にはほとんど遜色のない正弦波状に近い磁束分布のものが得られる。したがって、長方形状の磁石１２と溝１６の深さを適宜組み合わせることによって、コストの安い作業性の容易な長方形状磁石を使うことで製品の量産化が実現できる。特にアウターロータの場合には、ヨークの内径に磁石を配置するために後着磁が難しく、どうしても着磁した磁石の装着作業となる。この装着作業は接着剤を使うため困難を極め、磁石の位置ずれが起きやすく品質確保も困難であった。
なお、モータは最もコギングトルクの少ない２０極１８スロット構成となっている。
【００１２】
図６，７はコギングトルクの発生メカニズムを説明すためのもので、図７は従来のモータを示す図である。磁石２１の図の上部側は、円弧状に形成されるヨーク内面に密着させるために円弧状に形成され、また、図の下部側はギャップの磁束密度を正弦波状にするために円弧状に形成されている。
コギングトルクは電機子スロット開口部２３と磁石端部が重なった位置になったとき駆動方向と反対の方向にトルクが発生することによって起こる。磁石２０より発生する磁束は、電機子スロット端に向かうＡとヨーク２１に漏れる磁束Ｂとがあり、磁束Ａを小さくすればコギングは軽減できる。磁束ＡとＢの大きさは磁石端とスロット端間の距離と、磁石端とヨーク間距離の長さに反比例する。図７で示す従来のものはＡの方が大きくなっており、コギングトルクの発生が大となっている。
【００１３】
図６で示す本発明のものは、磁石を装着するためにヨーク１３に溝１６を設け、その溝内に磁石を装着したことによりヨーク１３の位置が高くなって磁束Ｂの方が大きくなり、相対的に磁束Ａを軽減している。したがって、コギングトルクも軽減して人の感覚では感じ得ない程度にまで軽減される。
【００１４】
図３，４，５は、磁石１２の回転方向の前後に補助磁石１７，１８を設けて磁束分布を改善した方法を示したものである。補助磁石１７，１８は、それぞれヨーク１３に設けられた溝にそれぞれ装着されるもので、装着角度を任意にすることにより所望の磁束波形とするものである。
【００１５】
以上のように構成された駆動部は、電力変換部を介してバッテリーに接続されるが、電力変換部は力行，回生両方向への電力の授受が可能となるよう構成されているので、力行時にはペダルを踏み込むことによりスプロケット４、ラチェット３および継ぎ手５に駆動力が伝達され、それらは各ベアリング２、９によって支承されながら回転する。この回転によって継ぎ手５（ヨーク１３）に装着された永久磁石１２も回転し、回転する永久磁石１２と固定子巻線１１との間で発生する吸引力と反発力を利用して回転子位置によって固定子巻線１１に流れる電流方向を切り替えることにより回転を継続させ、所定のアシスト率で自転車は走行する。
また、長い下り坂等では回生状態が発生し、電力は電力変換部を介してバッテリーに供給し、このバッテリーを充電する。
【００１６】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、自転車の駆動モータをアウターロータータイプの永久磁石式同期モータとし、そのモータの磁石を長方形状にしてヨークに設けられた溝に装着するように構成したものであるから、コストの安い磁石の使用が可能となり、しかも、作業性がよくなって量産が実現でき、動力アップの目的でモータ径を大きくした場合でも、磁石が円弧状でないので同一磁石がそのまま使用できるものである。
また、コギングトルクが軽減され、モータ電源オフの場合でも自転車走行時には重さや違和感は生じないものである。
更には、永久磁石を使用することによって、励磁成分電流を永久磁石で置換しているのでモータ電流はトルク成分電流のみとなって高効率で運転ができる。
また、下り坂などにより走行速度が設定された速度以上となったときやブレーキ操作時に回生制動をかけることができ、走行中に自然とバッテリーが充電されるので、バッテリーの充電間隔を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す駆動部の構成図。
【図２】本発明の実施形態を示すモータの部分拡大図。
【図３】本発明の他の実施形態を示すモータの部分拡大図。
【図４】本発明の他の実施形態を示すモータの部分拡大図。
【図５】本発明の他の実施形態を示すモータの部分拡大図。
【図６】コギングトルクの説明図（本発明）
【図７】コギングトルクの説明図（従来）。
【符号の説明】
１…車軸
２，９…ベアリング
３…ラチェット
４…スプロケット
５…継ぎ手
６…スポーク孔
７…支柱板
８…鍔部
１０…固定子鉄心
１１…固定子巻線
１２…永久磁石
１３…ヨーク
１６…溝
１７，１８…補助磁石[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrically assisted bicycle, and more particularly to a motor mounted on an assist bicycle.
[0002]
[Prior art]
The electric assist bicycle has two driving forces, one of which is the driving force from the pedal, which is transmitted to the rotating side of the casing through the chain to rotate the wheel, and the other is the pedal. Such a torque is detected, the motor is rotated with a torque having the same magnitude as that torque, and the wheels are driven via a speed reduction mechanism. Various types of such electrically assisted bicycles have been proposed. In any case, as the motor is arranged in the drive unit, the motor is increased in speed, gears and pulleys for the purpose of reducing the size and weight of the configuration. Therefore, the required torque is obtained by decelerating.
Further, a speed reduction mechanism is provided even when the drive part and the tire part are connected via a chain and a one-way clutch and when a motor is provided in the tire part.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The gear transmission system that performs transmission of the driving force between the driving wheel and the motor while decelerating with the gear is low in efficiency because of the gear connection.
Moreover, since the size of the motor is limited due to the installation space, an efficient motor cannot be applied. For this reason, the product of the motor efficiency multiplied by the gear efficiency is the overall efficiency of the bicycle, so the current situation is 50% or less.
When the efficiency is 50% or less, regenerative control cannot be performed in principle, so the battery consumption increases, the mileage at the time of one charge is short, and the battery life is shortened. Have.
In the state where the battery power is lost and the motor power is turned off, it will run only by human power, but at that time, the mechanical power loss required by the mechanical loss of the gear and the mechanical loss of the motor is increased, So-called heavy feelings cannot be wiped off when riding a bicycle.
[0004]
Such a problem can be solved by adopting a direct drive system in which an outer rotor motor using a permanent magnet is disposed in the shaft portion of the drive wheel.
However, even in the case of the direct drive system, a reduction in the size of the motor is required due to installation space limitations, and it is necessary to use an expensive high-performance rare earth magnet formed in an arc shape in order to meet the requirement.
Moreover, because of the outer rotor, there is a problem that the workability of mounting the magnet is poor, the productivity is lowered, and it is difficult to ensure the quality, and a new problem that increases the cost has occurred. Furthermore, when the motor power is off, the bicycle running feels heavy and uncomfortable due to the so-called cogging torque.
[0005]
An object of the present invention is to provide a bicycle motor that solves these problems.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a sprocket that is linked to a pedal, and a joint that has a hollow portion and is formed in a disk shape. A drive motor that uses a battery as a power source is mounted on the joint, and power running and regeneration are performed between the motor and the battery. In a bicycle equipped with a power conversion device that enables power switching in both directions,
The drive motor is an outer rotor synchronous motor having a permanent magnet fixed to the rotor yoke, with the outer circumferential side of the joint disposed between the armatures via a gap as a rotor yoke of the motor, and A groove for attaching a magnet is formed in the rotor yoke of this drive motor, and a part of the permanent magnet formed in a rectangular shape in the circumferential direction in the groove in the thickness direction is a gap between the rotor cores. The remaining portion is embedded in the rotor yoke and mounted, and grooves are provided in the rotor yoke at the front and rear positions of the mounted rectangular permanent magnet, and auxiliary magnets are mounted in the grooves. It is a thing.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a sectional view of a drive unit showing an embodiment of the present invention, and is arranged on a rear wheel of a bicycle.
Reference numeral 1 denotes an axle, and reference numeral 2 denotes a bearing fitted to the axle, and a sprocket 4 is rotatably attached integrally to the outside via a ratchet 3. Although not shown, the sprocket 4 is stretched with a chain connected to the pedal. Reference numeral 5 denotes a joint, which is formed in a disk shape and has a hollow portion, a part of which is connected to the ratchet 3, and a spoke hole 6 to which a wheel spoke is attached is formed on the outside. . A hollow portion of the joint 5 is configured to be sealed, and a column plate 7 fixed to the axle 1 is extended and disposed in the portion. A flange 8 is formed at an arbitrary portion of the column plate 7, and a bearing 9 is inserted between the flange 8 and the joint 5.
[0009]
Further, a stator core 10 is disposed at the tip of the support plate 7 along the circumferential direction, and a stator winding 11 is wound around the stator core 10. On the inner surface of the joint 5 facing the stator core 10, permanent magnets 12 are alternately arranged with N and S poles along the circumference via a gap G to form a rotor. Reference numeral 13 denotes a yoke formed on the joint 5. These 10 to 13 constitute an outer rotor type permanent magnet type synchronous motor. By connecting the rotor of the motor and the tire portion with spokes, the tire can be efficiently manufactured without providing a speed reduction mechanism. Can be driven.
[0010]
Reference numeral 14 denotes a printed board, on which an element of a power conversion unit (not shown) and a circuit component of a control unit for controlling the element are mounted, and are fixed to the column board 7 with bolts or the like. Yes. Reference numeral 15 denotes a bending joint, which is disposed between the fixed side and the rotating side.
[0011]
FIG. 2 shows a partially enlarged view of the motor. A groove 16 is provided in the yoke 13 in advance, and the permanent magnet 12 is mounted in the groove 16. The permanent magnet 12 has a rectangular cross section. By forming a rectangular cross-section, the magnetic flux distribution on the gap G plane cannot obtain a complete sine wave distribution, but by utilizing the special characteristics of the outer rotor shape in which the armature has an arc shape inside, the gap By appropriately selecting the length, the magnet thickness, and the width, a magnetic flux distribution having a nearly sinusoidal shape with almost the same characteristics can be obtained even if the magnet surface is flat. Therefore, by combining the rectangular magnet 12 and the depth of the groove 16 as appropriate, mass production of a product can be realized by using a rectangular magnet that is inexpensive and easy to work with. In particular, in the case of the outer rotor, since the magnet is arranged on the inner diameter of the yoke, post-magnetization is difficult, and it is necessary to install the magnetized magnet. This mounting operation is extremely difficult because of the use of an adhesive, and the position of the magnet is liable to be displaced, making it difficult to ensure quality.
The motor has a 20 pole 18 slot configuration with the least cogging torque.
[0012]
FIGS. 6 and 7 are diagrams for explaining the cogging torque generation mechanism, and FIG. 7 shows a conventional motor. The upper side of the figure of the magnet 21 is formed in an arc shape so as to be in close contact with the inner surface of the yoke formed in an arc shape, and the lower side of the figure is formed in an arc shape in order to make the magnetic flux density of the gap sinusoidal. Has been.
Cogging torque is generated when torque is generated in a direction opposite to the driving direction when the armature slot opening 23 and the magnet end overlap each other. The magnetic flux generated from the magnet 20 includes an A toward the armature slot end and a magnetic flux B leaking to the yoke 21. If the magnetic flux A is reduced, cogging can be reduced. The magnitudes of the magnetic fluxes A and B are inversely proportional to the distance between the magnet end and the slot end and the length between the magnet end and the yoke. In the conventional example shown in FIG. 7, A is larger, and the generation of cogging torque is larger.
[0013]
In the present invention shown in FIG. 6, a groove 16 is provided in the yoke 13 for mounting the magnet, and the position of the yoke 13 is increased by mounting the magnet in the groove, so that the magnetic flux B becomes larger. The magnetic flux A is relatively reduced. Therefore, the cogging torque is also reduced to a level that cannot be felt by human senses.
[0014]
3, 4, and 5 show a method in which auxiliary magnets 17 and 18 are provided before and after the rotation direction of the magnet 12 to improve the magnetic flux distribution. The auxiliary magnets 17 and 18 are respectively mounted in grooves provided in the yoke 13, and have a desired magnetic flux waveform by setting an arbitrary mounting angle.
[0015]
The drive unit configured as described above is connected to the battery via the power conversion unit, but the power conversion unit is configured to be able to transfer power in both the power running and regenerative directions. By depressing the pedal, a driving force is transmitted to the sprocket 4, the ratchet 3 and the joint 5, which rotate while being supported by the bearings 2 and 9. Due to this rotation, the permanent magnet 12 mounted on the joint 5 (yoke 13) also rotates, and depending on the rotor position using the attractive force and the repulsive force generated between the rotating permanent magnet 12 and the stator winding 11. By switching the direction of the current flowing through the stator winding 11, the rotation is continued, and the bicycle travels at a predetermined assist rate.
In addition, a regenerative state occurs on a long downhill or the like, and electric power is supplied to the battery via the power conversion unit to charge the battery.
[0016]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the bicycle drive motor is an outer rotor type permanent magnet synchronous motor, and the motor magnet has a rectangular shape and is mounted in a groove provided in the yoke. As a result, it is possible to use magnets at low cost, and workability is improved and mass production can be realized. Even when the motor diameter is increased for the purpose of increasing power, the magnet is not arc-shaped, so the same magnet can be used as it is. It can be done.
In addition, the cogging torque is reduced, and even when the motor power is off, there is no weight or discomfort when riding a bicycle.
Furthermore, by using a permanent magnet, the excitation component current is replaced with a permanent magnet, so that the motor current becomes only the torque component current and can be operated with high efficiency.
In addition, regenerative braking can be applied when the traveling speed exceeds the set speed due to downhills, etc. or when the brake is operated, and the battery is charged naturally during traveling, so the battery charging interval should be increased. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a drive unit showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partially enlarged view of a motor showing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a partially enlarged view of a motor showing another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a partially enlarged view of a motor showing another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a partially enlarged view of a motor showing another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of cogging torque (the present invention).
FIG. 7 is an explanatory diagram of cogging torque (conventional).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Axle 2, 9 ... Bearing 3 ... Ratchet 4 ... Sprocket 5 ... Joint 6 ... Spoke hole 7 ... Strut plate 8 ... Saddle 10 ... Stator core 11 ... Stator winding 12 ... Permanent magnet 13 ... Yoke 16 ... Groove 17, 18 ... Auxiliary magnet

Claims

A sprocket that is linked to the pedal, and a joint that is hollow and has a disk shape, and a drive motor that uses a battery as a power source is mounted on this joint, and power is supplied between the motor and the battery in both power running and regenerative directions. In a bicycle equipped with a power conversion device that enables switching,
The drive motor is an outer rotor synchronous motor having a permanent magnet fixed to the rotor yoke, and the outer circumferential side of the joint disposed between the armatures via a gap as a rotor yoke of the motor, and A groove for attaching a magnet is formed in the rotor yoke of this drive motor, and a part of the permanent magnet formed in a rectangular shape in the circumferential direction in the groove in the thickness direction is a gap between the rotor cores. The remaining portion is embedded in the rotor yoke and mounted, and grooves are provided in the rotor yoke at the front and rear positions of the mounted rectangular permanent magnet, and auxiliary magnets are mounted in the grooves. motor-assisted bicycle motor was.