JP4662220B2 - 電動補助自転車 - Google Patents

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

Claims (3)

1. 人力による駆動力を補助するためのモータ（１４）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（１４）が、ブラシレス構造であって、前記車輪のハブ（３２）と一体をなす磁性体のロータコア（３２１）および該ロータコアに対向配置されたステータ（３８）を具備し、
   前記ロータコア（３２１）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（３２２）が形成され、
   前記開口部（３２２）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（３２２Ａ）、および前記開口部（３２２）の両端部から前記ステータ（３８）側に向けて形成された第２の空隙（３２２Ｂ）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（３２３）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ことを特徴とする電動補助自転車。
2. 人力による駆動力を補助するためのモータ（１４）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（１４）が、ブラシレス構造であって、前記車輪のハブ（３２）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（３８）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（３２２）が形成され、
   前記開口部（３２２）には、中央部に空隙（３２２Ｄ）を有して前記車輪の周方向に振り分け配置された永久磁石（３５１Ｓ、Ｎ）が、前記ステータ側の一部にも空隙（３２２Ｅ、Ｆ）を有して収容されていて、
   前記各開口部（３２２）間に前記ロータコアで補極（３２３）が形成されているとともに、前記永久磁石（３５１Ｓ、Ｎ）の極性が、隣接する開口部間で異なっていることを特徴とする電動補助自転車。
3. 人力による駆動力を補助するためのモータ（１４）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（１４）が、ブラシレス構造であって、前記車輪のハブ（３２）と一体をなす磁性体のロータコア（３２１）および該ロータコアに対向配置されたステータ（３８）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（３２２）が形成され、
   前記開口部（３２２）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（３２２Ａ）を有して永久磁石が収容されていて、
   前記ロータコア（３２１）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（３２２Ｃ）が形成され、
   前記各開口部（３２２）間に前記ロータコアで補極（３２３）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ことを特徴とする電動補助自転車。

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