JP4738066B2

JP4738066B2 - 電動自転車

Info

Publication number: JP4738066B2
Application number: JP2005170232A
Authority: JP
Inventors: 聡安見; 真光枝常; 亮松尾; 雄美上田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: JP2006341773A

Description

本発明は電動自転車、特に電動モータを備えた電動自転車に関する。

ブラシレスの電動モータとして、従来から用いられている、ロータの表面部に永久磁石を配置した表面磁石形モータ（ＳＰＭモータと称す）に代えて、このＳＰＭモータよりも出力特性（高トルク特性（高加速性））および効率（トルク変換効率）が良い長所を有する内部磁石形モータ（ＩＰＭモータと称す）が空気調和機の圧縮機や工作機械などにおいて用いられつつある。

このＩＰＭモータは、ロータの内部に永久磁石を埋め込む配置としたもので、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクを発生できる性質を有することにより、上記長所を発揮可能である。そして、特許文献１等にも開示されているように、モータのロータの位置および回転数を検出して、回転数検出信号のレベルに応じて、前記位置検出信号の位相を進角させた、いわゆる進角制御を行うことで、前記長所を良好に引き出すことができる。

ところで、ペダルからの人の踏力による人力駆動力に、電動モータの補助駆動力を加えることで、坂道などでも楽に走行できるように構成した電動自転車は既に知られている。なお、電動モータを内蔵したモータ駆動ユニットは、ペダルからの踏力を、モータ駆動ユニット内部に設けられたトルクセンサにより検出し、この踏力に応じて補助駆動力を出力し、これらの人力駆動力と補助駆動力とを合わせてチェーンなどを介して後輪側に伝達するように構成している。

この電動自転車の電動モータとして、従来から用いられているＳＰＭモータに代えて、上述したＩＰＭモータを用いるとともに進角制御を行うことで、電動自転車の電動モータとして、出力特性や効率を向上させることが考えられる。
特開２００２−２７２１６５号公報

しかしながら、電動自転車は、その発進時や低速時にふらつき易くて速度の変動も大きな不安定な状態となる自転車としての特性を有し、また、ペダルへの踏力も大きく変動する場合が多いので、電動自転車の電動モータとしてＩＰＭモータを採用して常に進角制御を行う構成とすると、自転車の発進時や低速時に、速度の変動に伴って電動モータの回転数が急激に変動する場合が多く、進角制御における予測が困難であることも影響して、実際の走行状態に適した制御を行い難かった。そして、このような電動自転車の発進時や低速時には、進角制御による効率の向上効果や出力特性の向上効果を得られないだけでなく、電動モータの共振や異常信号の発生などにより電動モータの回転が安定せずに不自然な状態で振動することがあり、この場合には、電動自転車の乗り心地が悪くなったり、搭乗者の足に負担をかけたりする不具合を生じていた。

本発明は上記不具合を改善するもので、電動モータに対して進角制御を行いながら、乗り心地が悪くなったり、搭乗者の足に負担をかけたりすることを防止できる電動自転車を提供することを目的とするものである。

上記不具合を解消するために本発明の電動自転車は、人力駆動力に加える補助駆動力を発生するＩＰＭモータからなる電動モータと、電動モータのロータの位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段で検出した位置検出信号の位相を進角させる進み角度を設定する進角値設定部と、走行速度を検出する速度検出手段と、走行速度が所定速度以下の場合に前記進角値設定部で設定した進み角度を０にして進角制御を行わないように変更する進角値変更手段とを備え、前記進角値設定部において、加速時に進角制御を開始する第１の設定速度よりも、減速時に進角制御を停止する第２の設定速度を、小さく設定していることを特徴とする。

この構成により、走行速度が小さい場合、すなわち電動自転車の発進時や低速時には、進角値設定部で設定した進み角度が０に設定されて進角制御を行わないように変更されるため、進角制御を行うことに起因する不自然な振動の発生などを抑制することができて、これにより、乗り心地が悪くなったり、搭乗者の足に負担をかけたりする不具合を最小限に抑えたり、不具合が生じないようにしたりすることができる。一方、所定の速度に達すると、進角値設定部で設定した進み角度による進角制御が行われるため、電動モータの出力特性や効率を向上させることができる。

以上のように本発明によれば、発進時や低速時において、乗り心地が悪くなったり、搭乗者の足に負担をかけたりする不具合を最小限に抑えることができて、搭乗者に対して良好な乗り心地で、違和感を与えない状態で良好に補助駆動力を付加してアシストすることができ、また、振動に起因して搭乗者の足に負担を与えるようなこともなくなる。さらに、より安定した出力を得られるので、電動自転車のふらつきを防止することもできる。また、速度が上昇して、電動自転車の姿勢も安定した状態では、進角制御が良好に行われるので、同じモータ負荷トルクで、より高速なモータ出力を得ることができて高速化することができ、良好なモータ特性を得たり、同じ速度である場合でも、モータ電流を少なくできて、走行距離を伸ばすことができたり、電動モータの発熱量も低減したりすることができる。

以下、本発明の実施の形態に係る電動自転車について、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、電動自転車は、前輪１および後輪２がそれぞれ回転自在に取り付けられた車体３と、人力駆動力（踏力）が加えられるペダル４がクランク５を介して取り付けられたクランク軸６と、このクランク軸６を回転自在に支持するとともに、補助駆動力を発生するＩＰＭモータ（内部磁石形モータ）からなる電動モータ７や減速機構（図示せず）、補助駆動力を出力する駆動スプロケット９などが設けられたモータ駆動ユニット１０と、モータ駆動ユニット１０に給電するバッテリユニット１１と、クランク軸６に連結されたクランクスプロケット１２や後輪２の中央軸部分に組み付けられた後輪スプロケット１３や、クランクスプロケット１２からの人力駆動力および駆動スプロケット９からの補助駆動力を後輪スプロケット１３に伝達するチェーン１５からなる駆動力伝達機構などとを備えている。

また、モータ駆動ユニット１０内には、図２に簡略的に示すように、各種制御動作を行うプリント基板などからなる制御部２０や、電動モータ７を駆動させるインバータ回路などを含むモータ駆動回路部１６や、ペダル４からクランク軸６に伝達された踏力に基づくトルクを検出するトルクセンサ８、電動モータ７の電流量を検知する電流検知センサ１７などが設けられている。モータ駆動ユニット１０は、ペダル４からの踏力をトルクセンサ８により検出し、この踏力に応じて補助駆動力を駆動スプロケット９から出力し、これらの人力駆動力と補助駆動力とを合わせてチェーン１５を介して後輪２側に伝達するように動作し、これにより搭乗者が坂道などでも楽に走行できるようになっている。なお、制御部２０やモータ駆動回路部１６を、モータ駆動ユニット１０以外の箇所に配設しても差し支えない。

図２に簡略的に示すように、電動モータ７にはホール素子などからなる複数（図２においては簡略的に１つだけを示しているが、例えば、３箇所に配設される）の回転位置検出センサ２１が内蔵され、電動モータ７のロータ部の位置（姿勢）が検出されるようになっている。また、制御部２０には、前記回転位置検出センサ２１からの信号を入力して、電動モータ７のロータ部の位置（位相）を検出して判定する回転位置検出部２２と、この回転位置検出部２２で検出した回転位置データから電動モータ７の回転数を算出する回転数演算部２３と、回転数演算部２３を介して位置検出部２２からの位置データの信号を入力するとともに、この回転数演算部２３で算出した電動モータ７の回転数データなどに基づいて、電動自転車の走行速度を算出し、走行速度に応じて進角値を設定する進角値設定部２４と、電動モータ７の電流量データ、回転位置データ、回転数データおよび進角値データに基づいて、電動モータ７のＰＷＭ制御の出力パターン（デューティ比）を算出して、これに対応するＰＷＭパルス等を出力する進角値変更手段としても機能するモータ出力制御部２５とが設けられている。

ここで、進角値設定部２４には記憶部が設けられており、この記憶部には、予め、走行速度に対応する各回転数（回転数×ギア比（減速機構および後輪と後輪スプロケットとの比を含んだギア比）から走行速度と回転数を対応させている）と、電動モータ７の負荷状態に対応する電動モータ７の各駆動電流量との２つのパラメータに対して、それぞれ適した進角値が記録されている進角値テーブルが記憶されている。また、前記記憶部には、加速時に進角制御を開始する第１の設定速度に対応する第１の設定回転数である進角ＯＮ回転数と、減速時または速度維持時に進角制御を停止する第２の設定速度に対応する第２の設定回転数である進角ＯＦＦ回転数とが記憶されている。ここで、進角ＯＮ回転数は、例えば、５００ｒｐｍ（走行速度５ｋｍ／ｈに対応）とされ、進角ＯＦＦ回転数は進角ＯＮ回転数よりも低い回転数、例えば、２５０ｒｐｍ（走行速度２．５ｋｍ／ｈに対応）とされている。

制御部２０は、図３に示すような制御動作を行う。
すなわち、まず、ステップＳ１、Ｓ２で、走行速度に対応するモータ回転数を検出するとともに、電動モータ７の負荷状態に対応するモータ電流値を検出する。なお、この際の回転数の検出データや電流値の検出データとして、移動平均値を用いてもよい。また、ステップＳ３で、電動モータ７の回転数と電流とに基づいて進角値テーブルに基づいて、進角値を設定（または算出するように構成してもよい）する。

次に、ステップＳ４で、現在の回転数と以前の回転数とに基づいて電動自転車が加速中であるか、そうでない（減速中または速度変化０）かを判定し、加速中である場合には、ステップＳ５に進んで、現在の電動モータ７の回転数が、進角ＯＮ回転数に達しているかどうかを判定する。そして、ステップＳ５において、電動モータ７の回転数が、進角ＯＮ回転数に達している場合には、ステップＳ６に進んで、前記設定進角値で進角制御を行う。一方、ステップＳ５において、電動モータ７の回転数が、進角ＯＮ回転数にまだ達していない場合には、ステップＳ７に進んで、進角値を０に設定して、進角制御を行わない。これにより、加速中において、進角ＯＮ回転数に達していない場合（すなわち、例えば、走行速度が５ｋｍ／ｈに達していない場合）には、進角制御が行われない。

また、ステップＳ４で、加速中でない状態、すなわち、速度を維持した状態、または減速中である状態であると判定された場合には、ステップＳ８に進んで、現在の電動モータ７の回転数が、進角ＯＦＦ回転数以下となったかどうかを判定する。そして、ステップＳ８において、電動モータ７の回転数が、まだ、進角ＯＦＦ回転数よりも大きい場合には、ステップＳ９に進んで、前記設定進角値で継続して進角制御を行う一方、ステップＳ８において、電動モータ７の回転数が、進角ＯＦＦ回転数以下となった場合には、ステップＳ１０に進んで、進角値を０に設定して、進角制御を停止する。これにより、減速中において、進角ＯＦＦ回転数に達した場合、すなわち、例えば、走行速度が２．５ｋｍ／ｈに減速された場合には、進角制御が停止される。

この制御動作により、走行速度が小さい場合、すなわち電動自転車の発進時や低速時では、電動モータ７の進角制御の進み角度が０に減少されて進角制御が行われないため、進角制御を行うことに起因する不自然な振動の発生などが生じない。したがって、進角制御を行うことに起因して、電動モータ７から不自然な振動が発生し、電動自転車の乗り心地が悪くなったり、搭乗者の足に負担をかけたりする不具合は、生じなくなる。

一方、進角ＯＮ回転数に対応する第１の設定速度に達すると、進角制御の進み角度を０とする抑制制御が解除されるため、電動モータ７の出力特性や効率を向上させることができる。ここで、図４は、進角制御を行った場合と、進角制御を行わない場合との、回転数とモータ負荷トルクの関係を表す。図４に示すように、進角制御を行うことにより、同じモータ負荷トルクで、より高速なモータ出力を得ることができて高速化することができ、良好なモータ特性を得ることができる。また、進角制御を行うことにより、同じ回転数である場合でも、モータ負荷トルクすなわち、モータ電流を少なくできて、良好な効率となり、その分だけ、同じバッテリユニット１１での走行距離を伸ばすことができる。また、モータ駆動ユニット１０内での電動モータ７の発熱量も低減することができるため、モータ駆動ユニット１０の発熱に関する信頼性も向上する。

さらに、図５に示すように、いわゆるヒステリシスを設けて、第１の設定速度に達した直後に、少し減速した場合でも、第２の設定速度まで減速されない場合には、引き続いて進角制御が行われるため、前記良好なモータ特性や効率を得られる状態を、長く維持できるとともに、進角制御を断続的にＯＮ・ＯＦＦするチャタリングなどの不具合を防止できて、これにより、進角制御の頻繁な切換動作に伴う乗り心地の低下などを防止することができる。つまり、電動自転車を含む自転車では、発進時よりも、減速時のほうが一般的に安定した姿勢を維持できているが、このような状態での進角制御を引き続いて行うことで、上記利点がより継続して得られる。

なお、上記の実施の形態では、第１の設定速度や第２の設定速度以下の場合には、進角制御を全く行わないように制御した場合を述べたが、これに限るものではなく、例えば、ロータ部の角度の検知時から、ロータ部の角度を計算する回路遅れの補正を行うための進角角度などに対応する比較的小さな進角角度に減少するように制御したり、低い速度ほど、小さい係数を掛けて進角制御の進み角度を減少させるように制御したりしてもよい。

なお、本実施の形態では、電動モータ７の回転数から電動自転車の速度を算出した場合を述べ、例えば、後輪スプロケット１３は後輪２のハブに対して後退方向に対しては回転が伝わらないように、フリー機構（一方向クラッチ機構）が内蔵され、また、同様に、クランクスプロケット１２とクランク軸６との間や、駆動スプロケット９と減速機構との間などにもフリー機構が内蔵されているため、ペダル４を漕ぐのを止めたときなどは、電動モータ７が回転せず、この際には、電動モータ７も駆動されないため（この際には、チェーン１５自体が止まるとともにペダル４への踏力も０となるので、これによっても電動モータ７も駆動されない）、当然ながら進角制御も行われない。これにより、電動モータ７が駆動されていないにもかかわらず、無駄に、進角制御の設定処理や算出処理が行われることを防止している。しかし、これに限るものではなく、後輪２や前輪１の回転数などから、実際の走行速度に従った速度を検出して進角制御を切り替えることも可能である。

本発明は、ペダルからの人の踏力による人力駆動力に、電動モータの補助駆動力を加えることが可能な電動自転車全般に適用できる。

本発明の実施の形態に係る電動自転車の全体図同電動自転車の制御部などを示すブロック図同電動自転車の進角制御に関する制御動作を示すフローチャート同電動自転車の進角制御を行う場合と行わない場合とにおけるトルクと速度との関係を示す図同電動自転車の速度に対する進角制御の変更状態を示す図

符号の説明

１前輪
２後輪
３車体
４ペダル
５クランク
６クランク軸
７電動モータ（ＩＰＭモータ）
８トルクセンサ
９駆動スプロケット
１０モータ駆動ユニット
１１バッテリユニット
１３後輪スプロケット
１５チェーン
１６モータ駆動回路部
１７電流検知センサ
２０制御部
２１回転位置検出センサ
２２回転位置検出部
２３回転数演算部
２４進角値設定部
２５モータ出力制御部（進角値変更手段）

Claims

人力駆動力に加える補助駆動力を発生するＩＰＭモータからなる電動モータと、電動モータのロータの位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段で検出した位置検出信号の位相を進角させる進み角度を設定する進角値設定部と、走行速度を検出する速度検出手段と、走行速度が所定速度以下の場合に前記進角値設定部で設定した進み角度を０にして進角制御を行わないように変更する進角値変更手段とを備え、
前記進角値設定部において、加速時に進角制御を開始する第１の設定速度よりも、減速時に進角制御を停止する第２の設定速度を、小さく設定している
電動自転車。
速度検出手段は、電動モータの回転数に基づいて走行速度を検出する請求項１に記載の電動自転車。