(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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したアウターロータータイプの永久磁石式同期モータ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制御回路を介して可能にしたドライブ装置を備えた電動アシスト自転車において、
前記ドライブ装置の制御回路は、自転車の走行速度が１５ｋｍ／時間以上では一定速度に切り替えるための自動速度制御機能と、１５ｋｍ／時間以下の走行速度では一定トルクに切り替えるための自動トルク制御機能を備えて構成すると共に、前記バッテリーとドライブ装置の電路に順方向に接続されたダイオードを設け、このダイオードの負極とドライブ装置の負極間にパワー供給用のコンデンサを接続し、且つリアクトルと回生電力を制御するための第１のスイッチング素子の直列回路を設け、この第１のスイッチング素子が前記ダイオードとは逆方向となるよう直列回路とダイオードとを並列接続したことを特徴とした電動アシスト自転車の運転装置。
【請求項２】
前記バッテリーに代えてコンデンサを設け、且つ前記ダイオードはブロック用ダイオードを介して前記第１のスイッチング素子と逆並列接続し、この第１のスイッチング素子と前記ダイオードとの橋絡点と前記バッテリーに代えたコンデンサの負極間に第２のスイッチング素子を接続したことを特徴とした請求項１記載の電動アシスト自転車の運転装置。
【発明の詳細な説明】
【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、特にバッテリ容量を小さくした電動アシスト式自転車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電動アシスト式自転車は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式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ない、その構成の小形軽量化を図ることを目的として駆動モータを高速化し、ギヤーやプーリにより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、タイヤ部に駆動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】
従来の電動アシスト式自転車は、何れも減速機構を設けているためにコンパクトな機構にまとめることができず、通常の自転車の基本構造を大幅に変更する必要があってコスト的にも高価となっており、且つ、バッテリーに充電された電圧がなくなった場合には必要な人力駆動力が大きくなっている。
また、駆動モータとしては、２００Ｗ程度でモータ効率としては５０〜６０％のブラシを有する直流モータを採用し、且つ、前述のように減速機構を採用している。このため、人力駆動部とモータ駆動部との伝達機構間に設けられているワンウエクラッチ以後の伝達機構上に駆動部を設けて回生しようとしても、回生電力量が少なくて電源容量の削減効果が少ないものとなっている。更には、減速機構におけるギヤー損失などにより、アシストなしでの走行が困難となるなどの問題があり、平地走行時のアシスト力を減じることができない問題を有している。
【０００４】
本発明が目的とするところは、駆動モータに磁石式同期モータを採用し、ギヤーなどの減速機構を設けずに小容量電源で長距離走行を可能とした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】
本発明の第１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したアウターロータータイプの永久磁石式同期モータ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制御回路を介して可能にしたドライブ装置を備えた電動アシスト自転車において、
前記ドライブ装置の制御回路は、自転車の走行速度が１５ｋｍ／時間以上では一定速度に切り替えるための自動速度制御機能と、１５ｋｍ／時間以下の走行速度では一定トルクに切り替えるための自動トルク制御機能を備えて構成すると共に、前記バッテリーとドライブ装置の電路に順方向に接続されたダイオードを設け、このダイオードの負極とドライブ装置の負極間にパワー供給用のコンデンサを接続し、且つリアクトルと回生電力を制御するための第１のスイッチング素子の直列回路を設け、この第１のスイッチング素子が前記ダイオードとは逆方向となるよう直列回路とダイオードとを並列接続したことを特徴としたものである。
【０００６】
本発明の第２は、前記バッテリーに代えてコンデンサを設け、且つ前記ダイオードはブロック用ダイオードを介して前記第１のスイッチング素子と逆並列接続し、この第１のスイッチング素子と前記ダイオードとの橋絡点と前記バッテリーに代えたコンデンサの負極間に第２のスイッチング素子を接続したことを特徴とした
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示すものである。１は駆動モータで、この駆動モータ１は、アウターロータタイプの永久磁石式同期モータが使用される。２はドライブ装置で、順方向および逆方向ので変換機能を有してトランジスタなどより構成される。３はバッテリー、４はトランジスタなどよりなるスイッチング素子、５はリアクトル、６はコンデンサ、７，８はそれぞれダイオードである。
この回路におけるバッテリー３の充電は、図示省略された充電用電源から先ずコンデンサ６が充電され、その電圧が例えば３０Ｖに到達したときスイッチング素子４をオンしてバッテリーを充電する。充電電圧が例えば２８Ｖに達した時に充電完了するが、自転車の走行時にはコンデンサ６からパワーを供給し、コンデンサ６の電圧が低下したときにはバッテリー３からダイオード７を介して供給される。駆動モータ１が力行状態時にはドライブ装置２はインバータとなり、コンデンサ６，ドライブ装置２を通してモータ１に電流がながれる。
【０００８】
自転車が下り坂走行となり、駆動モータ１が発電機として動作するとにはドライブ装置２はコンバータとなり、加速エネルギーをモータ１、ドライブ装置２を通してコンデンサ６を充電し、その充電電圧が一定値以上となったとき、スイッチング素子４をオンすることによりリアクトル５を介してバッテリ３を充電する。このようにして加速エネルギーを電源に吸収させ、制動トルクを発生させると共に、電源を充電することによって、電源であるバッテリー容量が小さくとも長距離走行が可能となる。
また、バッテリーの充電電流は大きな回生電流があるときでも、コンデンサ６で一度エネルギーを貯えた後、スイッチング素子４の制御により定電流充電することで過大電流充電は行われない。
【０００９】
図２は他の実施形態を示したもので、図１と相違するところはバッテリー３に代えてコンデンサ１０を用い、充電用電源から充電することに伴いブロック用のダイオード１１，１２を設けると共に、第２のスイッチング素子９を設けたものである。充電用電源としては、１００Ｖの交流電源より整流器によって整流され、直流に変換されたものがダイオード１２に印加され、第１のスイッチング素子４がオンになったことを条件にダイオード１２，スイッチング素子４，ダイオード７を介してコンデンサ６が充電されると共に、リアクトル５を介してコンデンサ１０も充電される。
自転車走行時にはコンデンサ６からパワーを供給し、コンデンサ６の電圧が低下したときにはスイッチング素子９をオンオフ制御することによって、コンデンサ１０，リアクトル５，ダイオード７を介して供給し、コンデンサ６の電圧を２４〜３０Ｖに保持する。
【００１０】
図３は自転車の後輪に設置される駆動部の構成図を示したもので、２０は車軸、２１は車軸に嵌合されたベアリングで、その外側にはクラッチ２２を介して一体的にスプロケット２３が回動自在に取り付けられている。このスプロケット２３には、図示省略されているが、ペダルに連設されるチェーンが張られる。２４は第２の継ぎ手で、円盤状で且つ中空部を有するように形成され、その一部はクラッチ２２に連結されており、その外側には車輪のスポークが取り付けられるスポーク孔２５が設けられている。継ぎ手２４の中空部内には、車軸２０に固着された支持板２６が延伸して配設されており、その先端円周に沿って固定子鉄心２７が配設され、この固定子鉄心２７には巻線２８が巻装されている。固定子鉄心２７とはギャップＧを介して永久磁石２９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。この２７〜２９によって図１で示すアウタロータータイプの永久磁石式同期モータ１が構成されている。
【００１１】
３０はプリント板で、このプリント板３０には変換部４や制御部６の回路部品が実装されていて支持板２６にボルト等によって固定されている。３１は第１の継ぎ手で、クラッチ２２の側面に固着され、且つ、第２の継ぎ手２４との間に撓み継ぎ手３２を介在させている。３３は支持板２６に配設されたホール素子で、このホール素子３３と対向した面の第１継ぎ手３１には磁石が配設されてＡ相用の位置検出が行われる。３４はＢ相用位置検出の磁石である。３５，３６はそれぞれベアリングである。
【００１２】
図３のように構成された駆動部は、ペダルを踏み込むことによりスプロケット２３、クラッチ２２および第２の継ぎ手２４に駆動力が伝達され、それらは各ベアリング２１、３５、３６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２４に固着された永久磁石２９も回転し、回転する永久磁石２９と固定子巻線２８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２８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る。
【００１３】
ところで、アシスト式自転車においては、図４で示すように時速１５ｋｍまではモータトルクによるアシスト率は１以下と規定され、１５〜２４ｋｍ／ｈの間は暫減トルクとし、２４ｋｍ／ｈ以上ではアシストが禁止されている。
この規定に基づきドライブ装置２の制御回路では、図示省略されているが、速度検出部によって１５ｋｍ／ｈ以上では一定速度に切り替えるためのＡＳＲ（自動速度制御）機能を有しており、また、トルク指令演算部においては、１５ｋｍ／ｈ以下では一定トルクに切り替えるためのＡＴＲ（自動トルク制御）機能を有している。
【００１４】
上記規定にしたがって、登坂および下り坂走行時のエネルギーを算出すると、登坂走行時は必要電力の１／２を駆動モータ１で補助することになる。
また、下り坂での加速エネルギーは、登坂走行時に必要な電力から転がり抵抗による損失と人体などに受ける風損を減じたものとなる。
すなわち、モータ１およびドライブ装置２の効率を無視すると、登坂時には５０％で、下り坂では１００％近くの電力節約が可能となり、平地走行時のアシストをなくすることにより電動アシスト自転車の電池電源容量を極めて小さくすることが出来る。
【００１５】
以上の観点から本発明においては駆動部を図３のように構成し、減速機構を設けずに、しかも人力駆動力ともチェーン、ワンウェイクラッチ、および撓み継ぎ手を介して結合するアウターロータタイプのモータをアシストモータとしたものであるから、人力駆動力、モータ駆動力共に極めて少ない損失で走行タイヤにその駆動力を伝達することができる。したがって、平地走行においては始動時及び加速時を除き、小さな人力駆動のみで走行ができ、下り坂走行時では駆動モータを発電機として動作させることにより下り坂での加速エネルギーを図１，図２の回路によって電源に吸収させて制動トルクを発生させると共に、電源バッテリー（又はコンデンサ）を充電する。これにより小さなバッテリー容量でも長距離走行が可能となる。
【００１６】
次ぎに、上記運転方法を採用したときの具体的なバッテリー容量とコンデンサ容量につてい検討して見る。
ＪＩＳＤ９２０７に規定するところによると、定速度到達後の走行抵抗Ｆ（Ｎ）は次式としている。
【００１７】
Ｆ（Ｎ）＝Ｒ＋０．０２７Ｖ2＋９．８Ｗｓｉｎθ
ただし、Ｖ：速度（ｋｍ／ｈ）、Ｗ：等価慣性質量の標準値（ｋｇ）、θ：登坂角度（°）、Ｒ：転がり抵抗（Ｎ）で、シャシーダイナモメータのローラ上に設置しない車輪１本当たりの転がり抵抗を２．６としている。０．０２７：空気抵抗係数［Ｎ／（ｋｍ／ｈ）2］
図５は走行抵抗を算出するためのパターン（Ｗ＝９０ｋｇ）を示したもので、一般路では、
θ＝０においてはＶ＝１５ｋｍ／ｈでＦ＝８．７（Ｎ）
θ＝２°においてはＶ＝１０ｋｍ／ｈでＦ＝３６．１（Ｎ）
θ＝−２°においてはＶ＝１５ｋｍ／ｈでＦ＝−２２．１（Ｎ）
θ＝４°の坂路走行（Ｖ＝１０ｋｍ／ｈ）時では、
登坂時  Ｆ＝２．６＋０．０２７×１０2＋９．８×９０ｓｉｎ４＝６６．８（Ｎ）
下り時  Ｆ＝２．６＋０．０２７×１０2＋９．８×９０ｓｉｎ（−４）＝    −５６．２（Ｎ）
走行電力Ｐは、
Ｐ＝１．０２７ｎ×１／９．８Ｆ×γ
ここで、ｎは車輪回転数で、
ｎ１５＝１５０００ｍ／６０（π×２６×０．０２５４）＝１２０．５（ｒｐｍ）ｎ１０＝８０．４（ｒｐｍ）
また、γは車輪半径で、タイヤ径２６インチでは
γ２６＝２６×０．２５４／２＝０．３３（ｍ）
（１）駆動時にはアシスト比を１とするので、必要容量を１／２としたときの一般走行路における走行電力は、
θ＝０°時の走行電力
Ｐθ０＝（１．０２７×１２．０５×１／９．８×８．７×０．３３）×１／２＝１８．２Ｗ
θ＝２°時の走行電力
Ｐθ２°＝（１．０２７×８０．４×１／９．８×３６．１×０．３３）×    １／２＝５０．２Ｗ
θ＝−２°時の走行電力
Ｐθ−２°＝１．０２７×１２０．５×１／９．８×（−２２．１）×０．３３＝９２Ｗ
（２）電源容量を算出する。電源容量算出にあたってはモータおよびドライブ装置の効率を勘案する必要があるので、ここではモータ効率ηＭ＝０．８２、ドライブ装置の変換効率ηＳ＝０．９３とする。
【００１８】
駆動時    ＰＡ＝Ｐθ／ηＭ・ηＳより
Ｐθ０Ａ＝１８．２／０．８２×０．９３＝２４Ｗ
Ｐθ２°Ａ＝５０．２／０．８２×０．９３＝６６Ｗ
吸収時    ＰＢ＝Ｐθ×ηＭ・ηＳより
Ｐθ−２°Ｂ＝９２×０．８３×０．９３＝−７１Ｗ
したがって、一般走行路での消費電力Ｐは、上記した値に走行時間を掛けたものであるから
Ｐ＝（２４×１／１５Ｈ）×３＋６６×１／１０Ｈ−７１×１／１５Ｈ＝６．６Ｗ／Ｈ
（３）θ＝４°の走行路における登坂時の電力は、
ＰＡ（θ＝４）＝（１．２７×８０．４×１／９．８×６６．８×１．３３）×１／２×１／０．８２×１／０．９３＝１２２Ｗ
下り時の電力は、
ＰＢ（θ＝−４°）＝１．０２７×１２０．５×１／９．８×（−５６．２）×０．３３×０．８２×０．９３＝１７８Ｗ
したがって、４°勾配での消費電力は、
Ｐ＝１２２Ｗ×１／１０−１７８×１／１５＝０．３３Ｗ／Ｈ
となる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、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て電力回生するようにしたものであるから、減速機構をなくして小形化を可能とし、極めて少ない損失で駆動力を走行タイヤに伝達することができる。したがって、平地走行においては始動時及び加速時を除き、小さな人力駆動のみで走行ができるから、平地での定常走行時のアシストをなくすることで極めて小さな電源容量でよいことになる。
また、下り坂走行時では駆動モータを発電機として動作させることによって下り坂での加速エネルギーを電源に吸収させ、制動トルクを発生させると共にバッテリーを充電する。
以上のことから小さなバッテリー容量で長距離走行が可能な電動アシスト自転車を得ることができる。また、電気二重層コンデンサを電源とすることも可能で、長寿命，短時間充電が可能な極めて利便性のよい電動アシスト自転車が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図。
【図２】本発明の他の実施形態を示す構成図。
【図３】本発明の駆動部の構成図。
【図４】アシスト率−速度特性図。
【図５】走行抵抗算出パターン図。
【符号の説明】
１…駆動モータ
２…ドライブ装置
３…バッテリー
４…第１のスイッチング素子
５…リアクトル
６…コンデンサ
７，８，１１，１２…ダイオード
９…第２のスイッチング素子
１０…コンデンサ
【図１】
0003849452.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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