(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ体(12)の内側に永久磁石(14)が配置され、ハブ軸(10)には、永久磁石(14)の磁極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(16)(17)と、該ステータコア(16)(17)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において、
ステータコア(16)(17)は、ハブ軸側で、筒状のコア(18)によって磁気的に結合されており、該コア(18)の外周面には、ハブ軸(10)と平行な向きで且つ内向きに複数のスリット(24)(26)を開設し、
コイルボビン(20)には、内向きにリブ(28)が突設されており、該リブ(28)を、コア(18)の外周面に形成された前記スリット(24)(26) に嵌合することによって、コア(18)は、コイルボビン(20)に対して位置決めされることを特徴とする自転車用ハブダイナモ。
【請求項２】
コア(18)に開設されるスリットのうち、１つのスリット(26)を、コア(18)の内面まで達し、コア(18)の一部分において周方向に切り離している請求項１に記載の自転車用ハブダイナモ。
【請求項３】
コア(18)は、粉末焼結材又は純鉄系電磁軟鉄材から作製される請求項１又は請求項２に記載の自転車用ハブダイナモ。
【請求項４】
前輪又は後輪に上記請求項１乃至請求項３の何れかに記載のハブダイナモ(30)を搭載し、該ハブダイナモ(30)を前照灯(46)及び／又は尾灯と電気的に接続した自転車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自転車の発電用ハブダイナモのコアの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自転車の発電用ハブダイナモとして、特開平７−２９１１６６号公報(Ｂ６２Ｊ６／１２)には、図７に示すように、自転車の前輪又は後輪のハブ軸(10)に、一対のステータコア(90)(91)を配備し、該ステータコア(90)(91)の内部に発電コイル(22)を巻回したコイルボビン(20)を収容してステータを構成し、ハブ軸(10)に対して回転自由に支持されたハブ体(12)に、前記ステータに対向して永久磁石(14)を配してロータを構成したハブダイナモ(93)が開示されている。永久磁石(14)は、周方向にＮ極とＳ極とを交互に並べて構成され(図２参照)、ステータコア(90)(91)は、夫々の外周にＮ極又はＳ極の一方と対向する磁極片を、永久磁石(14)の極のピッチで突設している。従って、一方のステータコア(90)が永久磁石(14)のＮ極に対向しているとき、他方のステータコア(91)はＳ極に対向し、Ｎ極→ステータコア(90)→ハブ軸(10)との連結部→ステータコア(91)→Ｓ極の磁路を形成する。
発電コイル(22)の電気的端部は、リード線(72)等を介して、自転車のランプ(図示せず)に接続されている。
【０００３】
ハブダイナモ(93)の発電は、以下の要領で行なわれる。
即ち、車輪を回転させると、車輪と一体回転するハブ体(12)に取り付けられた永久磁石(14)が回転する。永久磁石(14)から出た磁束は、対向するステータコア(90)(91)の一方がＮ極、他方がＳ極となる状態と、一方がＳ極、他方がＮ極となる状態を交互に繰り返して磁路中に交番磁束を発生させる。発電コイル(22)の内側で発生したこの交番磁束により、発電コイル(22)に電流が流れて発電が行なわれる。
【０００４】
ステータコア(90)(91)に生ずる交番磁束は、図７中、矢印で示すように、ステータコア(90)(91)を一周する。
ステータコア(90)(91)は、中心部、即ち、ハブ軸(10)との固定側で互いに連結されているため、ステータコア(90)(91)の連結部分で磁気抵抗が大きい問題があった。そこで、上記公報では、ステータコア(90)(91)間の磁気抵抗を小さくするために、ステータコア(90)(91)の連結部分に、図７に示すように筒状の補助コア(94)を配し、ステータコア(90)(91)の連結部分における磁気抵抗の低減を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ステータコア(90)(91)には、交番磁束の通過に伴って、渦電流が発生する。渦電流は、発電効率を低下させるものであるため、できるだけ渦電流の発生を抑える必要があるが、上記構成のハブダイナモ(93)では、ステータコア(90)(91)の連結部分にて、交番磁束の通過量が多くなった分、発生する渦電流も大きくなり、十分な発電効率の向上を図ることができなかった。
【０００６】
本発明の目的は、ステータコアの磁気抵抗を低減すると共に、渦電流の発生を抑えて、発電効率の向上を図ることのできる自転車用ハブダイナモ及びこれを搭載した自転車を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の自転車用ハブダイナモ(30)は、
ハブ体(12)の内側に永久磁石(14)が配置され、ハブ軸(10)には、永久磁石(14)の磁極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(16)(17)と、該ステータコア(16)(17)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において、
ステータコア(16)(17)は、ハブ軸側で、筒状のコア(18)によって磁気的に結合されており、該コア(18)の外周面には、ハブ軸(10)と平行な向きで且つ内向きに複数のスリット(24)(26)を開設し、コイルボビン(20)には、内向きにリブ(28)が突設されており、該リブ(28)を、コア(18)の外周面に形成された前記スリット(24)(26)に嵌合することによって、コア(18)を、コイルボビン(20)に対して位置決めしたものである。
【０００８】
また、本発明の請求項２に記載の自転車用ハブダイナモ(30)は、コア(18)に開設されるスリットのうち、１つのスリット(26)を、コア(18)の内面まで達し、コア(18)の一部分において周方向に切り離したものである。
【０００９】
本発明の請求項３に記載の自転車用ハブダイナモ(30)は、コア(18)を粉末焼結材又は純鉄系電磁軟鉄材から作製したものである。
【００１３】
本発明の請求項４に記載の自転車(40)は、前輪又は後輪に上記請求項１乃至請求項３の何れかに記載のハブダイナモ(30)を搭載し、該ハブダイナモ(30)を前照灯(46)及び／又は尾灯と電気的に接続したものである。
【００１４】
【作用及び効果】
本発明の請求項１に記載の自転車用ハブダイナモ(30)は、コア(18)の外周面にスリット(24)(26)が開設されているから、コア(18)は、スリット(24)(26)によって周方向に電気的に絶縁される。このため、コア(18)の周方向に流れる渦電流をスリット(24)(26)によって断つことができ、発電効率の向上を達成できる。従って、ハブダイナモ(30)の小型化及び軽量化を達成でき、さらに、発電に要するトルクを小さくすることができる。
さらに、コア(18)をハブ軸(10)又はコイルボビン(20)に直接固定するのではなく、コイルボビン(20)の内面に突設されたリブ(28)とスリット(24)及び／又はスリット(26)とを嵌合させて、コア(18)を位置決めしているから、自転車の振動によってコア(18)に衝撃が加わっても、コア(18)をハブ軸(10)に直接固定した場合に比べて、リブ(28)で衝撃力が吸収され、コア(18)へ力が加わりにくく、コア(18)の破損は防止される。特に、粉末焼結材によってコア(18)を作製した場合、粉末焼結材は、硬くて脆いが、コア(18)に生ずる応力を抑えることによって、効果的に破損を防止できる。
【００１５】
本発明の請求項２に記載の自転車用ハブダイナモ(30)は、筒状のコア(18)を１つの貫通スリット(26)によって切り離すことによって、コア(18)の周方向の電気的な絶縁を完全なものとすることができる。従って、コア(18)の周方向に流れる渦電流の発生が大幅に低減され、発電効率の更なる向上を達成できる。
【００１６】
また、本発明の請求項３に記載の自転車用ハブダイナモ(30)は、コア(18)を磁気抵抗が小さい粉末焼結材又は純鉄系電磁軟鉄材から作製することによって、交番磁束の減衰を抑えることができるから、発電効率を向上できる。
【００１９】
本発明の請求項４に記載の自転車は、上記発電効率にすぐれるハブダイナモ(30)を発電機として搭載しており、発電に必要なトルクが小さく、また、ハブダイナモ(30)の小型化が可能であることから、自転車の軽量化と発電に必要な自転車の踏み込み力を小さくできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明のハブダイナモ(30)のハブ軸方向を含む断面図であり、図２は、図１の線II−IIに沿う断面図、図３(ａ)は、ステータコア(16)(17)の側面図、図３(ｂ)は、ステータコアの正面図、図４(ａ)は、コア(18)の側面図、図４(ｂ)は、コア(18)の正面図、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。
【００２１】
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、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)や前かご(52)が取り付けられている。
【００２２】
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)を介して筒状のハブ体(12)が回転自在に配備されている。ハブ体(12)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)の外周には、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。
【００２３】
ハブ軸(10)には、ステータが配備される。ステータは、図１に示すように、筒状のコア(18)と、コイルボビン(20)、発電コイル(22)及び一対のステータコア(16)(17)から構成される。
【００２４】
コア(18)は、図４(ａ)(ｂ)に示すように、外周面から内向きにスリット(24)(26)を複数開設して構成される。コア(18)の磁気抵抗を小さくするために、コア(18)の径方向の厚さは、７〜９mmとすることが望ましく、また、フェライト等の粉末焼結材や、純鉄系電磁軟鉄材から形成することが望ましい。コア(18)を厚く形成することによって、コア(18)の断面積を大きくでき、磁気抵抗の低減を達成できる。
コア(18)に開設されるスリット(24)は、深さが６〜７mmが望ましく、１つのスリット(26)は、筒内面まで到達するよう開設して、周方向に電気的に絶縁することが望ましい。
【００２５】
コア(18)の外周には、発電コイル(22)を巻回したコイルボビン(20)が嵌められている。発電コイル(22)の電気的端部は、一方がリード線(72)を介して前照灯(46)に接続されており、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。コイルボビン(20)は、樹脂材料から作製することができ、図１に示すように、外周に向かって開口した断面がコ字状の環状体を例示できる。コイルボビン(20)の内周面には、図２に示すように、リブ(28)が１又は複数突設されており、各リブ(28)は、コア(18)のスリット(24)及び／又はスリット(26)と嵌合し、コア(18)が回り止め及び位置決めされている。
【００２６】
コア(18)の左右両側には、ステータコア(16)(17)が配備されている。ステータコア(16)(17)は、図３(ａ)(ｂ)に示すように、円盤体(80)の外周に、内向きに屈曲した磁極片(74)(75)を多数突設したものである。極片(74)は、対向する相手ステータコア(17)の極片(75)と、等間隔の隙間を存するように形成されている。ステータコア(16)(17)は、一般構造用圧延鋼材から構成することができる。
ステータコア(16)(17)の円盤体(80)には、中心から外周方向に向けて切り込み(76)を施し、ステータコア(16)(17)に生ずる渦電流の発生を抑えることが望ましい。この切り込み(76)には、発電コイル(22)から伸びるリード線(72)を通すことができる。
【００２７】
上記ステータは、ステータコア(16)(17)間にコア(18)及び発電コイル(22)を収容したコイルボビン(20)を挟み、ハブ軸(10)に通した後、ボルト(81)止めすることによって、ハブ軸(10)に取り付けすることができる。
【００２８】
ハブ体(12)には、ロータが配備されている。ロータは、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、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。
【００２９】
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、ステータに対して、ロータが回転する。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。
【００３０】
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、図１中矢印で示すように、一方のステータコア(16)の極片(74)→円盤体(80)→コア(18)→対向する他方のステータコア(17)の円盤体(80)→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(80)→コア(18)→対向するステータコア(16)の円盤体(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。
【００３１】
ステータコア(16)(17)とコア(18)を通る交番磁束によって、発電コイル(22)に電流が発生し、発電が行なわれる。
【００３２】
このとき、コア(18)を通る交番磁束によって、コア(18)に渦電流が発生するが、本発明では、コア(18)の周面に開設されたスリット(24)(26)によって、コア(18)の周方向への電流の流れは遮断されているから、コア(18)の周方向に渦電流は流れない。従って、渦電流の発生を抑えることができ、渦電流による発電効率の低下を防止できる。
【００３３】
【実施例】
開設するスリット(24)(26)の数及び材料を変えたコア(18)を作製し、夫々ハブダイナモ(30)に組み込んで、発電電圧を比較した。
コアの形状は、外径２６mm、内径９mm、長さ２１mmの円筒状のものに、図６に示すようにスリット(24)(26)を開設した。コア(18)に開設したスリット(24)(26)の数は、図６に示すように、０個(スロット１)、１個(スロット２)、２個(スロット３)、４個(スロット４)、８個(スロット５)、１２個(スロット６)とした。
コア(18)の材料は、スロット１〜スロット６について、表１に示すように、カーボン量の低い一般軟鋼材(一般構造用圧延鋼材ＳＳ４００(ＳＳ４１))から作製し、これらスロットに、焼鈍熱処理を施した。なお、スロット１は比較例である。
また、スロット１とスロット２については、更に、純鉄系電磁鋼材(電磁軟鉄ＳＵＹＢ０〜ＳＵＹＢ３)及びフェライト系粉末冶金磁性材(酸化鉄系軟質磁性材料)からコアを作製した。
【００３４】
測定条件は、以下の通りである。
・車輪の回転数：１２０rpm(２６インチの車輪で１５km/hに相当)
・ステータコア：Ｔ２.３  ＳＰＣＣ、焼鈍、切り込み(76)(図３参照)付
・発電コイル：Φ０.６５mm×３２５巻き
【００３５】
結果を表１に示す。なお、発電電圧は、フェライト系粉末冶金磁性材のスロット１を１００としたときの相対値で示している。
【００３６】
【表１】
0003963634.tif 000002
【００３７】
表１を参照すると、一般軟鋼材から作製したコアについては、スリットを開設することによって、発電電圧が向上していることがわかる。但し、スリットを１２個開設したスロット６については、スリットを８個開設したスロット５よりも劣っている。これは、スリットの開設数を多くしすぎると、磁気抵抗が大きくなってしまうためである。従って、開設するスリットの数は、１以上１２個以下が適当であり、２個以上８個以下が更に望ましいことがわかる。
特に、スリットの数を４個、８個としたスロット４、５は、純鉄系電磁鋼材とほぼ同等の性能を有している。このように、スリットの数を調節することにより、加工性にすぐれ、安価な一般軟鋼材を高性能なコアとして用いることができる。
【００３８】
純鉄系電磁鋼材及びフェライト系粉末冶金磁性材から作製したスロット１とスロット２については共に高い発電効率を発揮していることがわかる。これは、磁気抵抗が小さく、導電性の低い材料を用いることによって、交番磁束を発生させつつ、渦電流の発生を抑制できたことによるものである。
【００３９】
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のハブダイナモのハブ軸を含む断面図である。
【図２】図１の線II−IIに沿う断面図である。
【図３】  (ａ)は、ステータコアの側面図、(ｂ)は、ステータコアの正面図である。
【図４】  (ａ)は、コアの側面図、(ｂ)は、コアの正面図である。
【図５】本発明のハブダイナモを搭載した自転車の前輪部分の拡大図である。
【図６】実施例に使用したスロット１〜スロット６のコアの側面図である。
【図７】従来のハブダイナモのハブ軸を含む断面図である。
【符号の説明】
(10)  ハブ軸
(12)  ハブ体
(14)  永久磁石
(16)  ステータコア
(17)  ステータコア
(18)  コア
(20)  コイルボビン
(22)  コイル
(24)  スリット
(26)  スリット
(30)  ハブダイナモ
【図１】
0003963634.tif 000003
【図２】
0003963634.tif 000004
【図３】
0003963634.tif 000005
【図４】
0003963634.tif 000006
【図５】
0003963634.tif 000007
【図６】
0003963634.tif 000008
【図７】
0003963634.tif 000009