CN100564143C

CN100564143C - 自行车用发电装置

Info

Publication number: CN100564143C
Application number: CNB2007101023833A
Authority: CN
Inventors: 北村智
Original assignee: Shimano Inc
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2007-04-30
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2027-04-30
Also published as: US20080100183A1; JP4326553B2; CN101172498A; EP1918186A1; EP1918186B1; DE602007006885D1; JP2008110643A; TW200819342A

Abstract

在自行车用发电装置中，即便与发光二极管连接，也可在低速区域和中高速区域这两种情况下改善发光二极管的输出。轮毂发电机(10)是能连接到具有发光二极管(61a、61b)的前灯(14)上的装置，具有发电部(19)和控制部(50)。发电部，具有根据自行车的行进而旋转的转子、和包括可借助转子的旋转而以匝数不同的多个输出状态进行输出的线圈(44)的定子。控制部，根据发电部的旋转状态而切换控制发电部的多个输出状态并进行输出。

Description

自行车用发电装置

技术领域

本发明涉及发电装置，特别涉及能连接到具有发光二极管的照明装置上的自行车用发电装置。

背景技术

在自行车的前灯或尾灯等的自行车用照明装置中，公知有为了减少灯泡烧毁的故障等而使用发光二极管的照明装置(例如，参照专利文献1)。在以往的照明装置中，通过由配置在车轮中的轮毂发电机发出的电力来点亮发光二极管。发光二极管设置有两个，以相互成为反向的方式并联连接。由此，无需对从轮毂发电机输出的交流电力进行整流就可使用。

轮毂发电机具有发电部，该发电部包括：具有设置在轮毂轴上的线圈的定子、和固定在轮毂壳上且具有磁体的转子。在该定子的线圈的两端产生具有与自行车的速度(轮毂壳的转速)对应的电压的交流电力，并将其供给到照明装置。

专利文献1：特开2005-329737号公报

若将轮毂发电机用作电源并将发光二极管用作光源，则与灯泡相比只能得到非常低的输出。其原因认为是由于灯泡和发光二极管这两者作为负载的特性不同。在灯泡这样的电阻负载时，一般而言，按照欧姆定律，灯泡中流过的电流与电压成比例。但是，在发光二极管负载时，在2～4伏特左右的电压下电流急剧地流出。由于负载的不同而使电流-电压特性不同，与灯泡相比，发光二极管若以轮毂发电机为电源则只能得到较低的输出。

在以作为电阻负载的灯泡为光源时，通过与电阻负载对应地设定线圈的匝数，可得到相对于发电部的旋转状态来说接近于理想的输出。因此，考虑应用这一点而与发光二极管的特性对应地设定线圈的匝数。但是，即便这样设定线圈的匝数，在发光二极管的情况下，也无法满足发电部的低旋转时的输出和中高速旋转时的输出这两种情况。例如，若设定为重视低速时的输出的匝数，则中高速时的输出减少，若设定为重视高速时的输出的匝数，则低速时的输出减少。

发明内容

本发明的目的在于，在自行车用发电装置中，即便与发光二极管连接，也可在低速区域和中高速区域这两种情况下改善发光二极管的输出。

技术方案1的自行车用发电装置，是能连接到具有发光二极管的照明装置上的装置，具有发电部和控制部。发电部，具有根据自行车的行进而旋转的转子、和包括能借助转子的旋转而以匝数不同的多个输出状态进行输出的线圈的定子。控制部，根据发电部的旋转状态，切换控制发电部的多个输出状态而进行输出。

在该发电装置中，若发电部的转子旋转，则控制部根据发电部的旋转状态而切换为线圈的匝数不同的多个输出状态中的某一个，并以切换后的输出状态输出电力。在此，由于可切换多个输出状态，所以可与发电部的旋转状态和发光二极管的输出特性对应而选择最佳的匝数的输出状态。因此，即便与发光二极管连接，也可在低速区域和中高速区域这两种情况下改善发光二极管的输出。

技术方案2的自行车用发电装置，在技术方案1所述的装置中，线圈具有第1线圈和与第1线圈连接的第2线圈。此时，可借助第1线圈和第2线圈简单地得到匝数不同的两个输出状态。例如，若串联连接两个线圈，则可得到某一个线圈的匝数和两个线圈的合计匝数这两个输出状态，若并联连接两个线圈，则可得到与两个线圈的匝数对应的输出状态。

技术方案3的自行车用发电装置，在技术方案2所述的装置中，第2线圈与第1线圈串联连接。此时，可得到某一个线圈的匝数和两个线圈的合计匝数这两个输出状态。因此，与并联连接两个线圈的情况相比可减少线圈的总匝数。

技术方案4的自行车用发电装置，在技术方案2或3所述的装置中，第2线圈的匝数与第1线圈的匝数不同。此时，可通过两个线圈设定对于与旋转状态对应的发光二极管的输出而言最佳的匝数。

技术方案5的自行车用发电装置，在技术方案2至4中的任一项所述的装置中，还包括分别与第1线圈和第2线圈连接的第1开关以及第2开关、检测发电部的旋转状态的旋转状态检测部，控制部，根据由旋转状态检测部检测出的旋转状态而接通第1开关以及第2开关中的某一个。此时，由于根据检测到的旋转状态而切换两个线圈，所以可实时地进行输出的改善。

技术方案6的自行车用发电装置，在技术方案1所述的装置中，线圈具有固定端子和使匝数可变化的可变端子，控制部，根据转子的旋转状态而控制线圈的可变端子，切换控制多个的输出状态而进行输出。此时，通过控制可变端子，可与发光二极管的输出特性对应而选择最佳的输出状态。

技术方案7的自行车用发电装置，在技术方案1至6中的任一项中所述的装置中，旋转状态是转子的旋转速度。此时，可根据转子的旋转速度切换输出状态。

根据本发明，由于可切换线圈的多个输出状态，所以可与发电部的旋转状态和发光二极管的输出特性对应而选择最佳匝数的输出状态。因此，即便与发光二极管连接，也可在低速区域和中高速区域这两种情况下改善发光二极管的输出。

附图说明

图1是采用本发明的第1实施方式的自行车的侧视图。

图2是作为本发明的第1实施方式的自行车用发电装置的轮毂发电机的半剖视图。

图3是其控制框图。

图4是其控制流程图。

图5是第1实施方式的变形例的相当于图3的图。

图6是第2实施方式的相当于图3的图。

图7是第2实施方式的相当于图4的图。

图8是表示双方向连接发光二极管情况下的令线圈的匝数变化时的发光二极管的输出和转子的转速的关系的图表。

图9是使用整流电路时的相当于图8的图表。

图10是表示本发明的发光二极管的输出曲线的图表。

附图标记说明：

10、210 轮毂发电机(自行车用发电装置的一例)

14、114 前灯(照明装置的一例)

19、219 发电部

41 转子

42 定子

44 线圈

44a 第1线圈

44b 第2线圈

50 控制部

51 第1开关

52 第2开关

53 旋转状态检测部

61 发光二极管

61a、61b 第1发光二极管以及第2发光二极管

244 可变线圈(具有可变端子和固定端子的线圈的一例)

具体实施方式

<第1实施方式>

在图1中，采用本发明的第1实施方式的自行车101包括：具有前叉102a的车架102、把手104、由链条和踏板等构成的驱动部105、具有辐条99的前轮(车轮)106、后轮107。在该自行车101的前轮106上组装入在内部具有交流输出的发电部19(图2)的轮毂发电机(自行车用发电装置的一例)10，发电后的电力经由电源线13供给到前灯(照明装置的一例)14。

本发明的第1实施方式的轮毂发电机10，如图2所示，是与自行车的前轮106一起安装在前叉102a的末端的部件。该轮毂发电机10具有：两端部固定在前叉102a上的轮毂轴12、配置在轮毂轴12的外周侧且借助一对的轴承16、17旋转自如地支承在轮毂轴12上的轮毂壳18、配置在轮毂轴12和轮毂壳18之间的发电部19、用于控制发电部19的控制组件20、用于将由发电部19产生的电力供给到外部的例如前灯14中的连接器22。在该连接器22上连接有电源线13。

在轮毂轴12的外周面上，形成有在两端形成的第1阳螺纹部12a、12b、和形成在第1阳螺纹部12a、12b之间且比第1阳螺纹部12a、12b直径大的第2阳螺纹部12c。此外，从发电部19的安装部分到第1阳螺纹部12b的端部，在轮毂轴12的外周面上，形成用于令连接发电部19、控制组件20和连接器22的内部配线30通过的配线插通槽12d。轮毂轴12，借助螺纹结合在第1阳螺纹部12a、12b上的固定螺母24、25而不能旋转地固定在前叉102a上。

轮毂壳18，具有带阶梯的筒状的壳体主体31、和旋入并固定在壳体主体31的右端的盖部件32。壳体主体31，是在轮毂轴12的轴方向上延伸而形成的金属制部件，在轴方向的一端侧(图2右侧)具有与另一端部相比向外周侧鼓出的鼓出部31a。在壳体主体31的两端设置有一对轮毂凸缘33、34。一对轮毂凸缘33、34一体地形成在壳体主体31的轴方向两端部的外周面上，在这些轮毂凸缘33、34上，分别在圆周方向上以相等的角度间隔形成用于安装辐条99的内侧端部的多个安装孔33a、34a。轮毂壳18，借助分别螺纹结合在轮毂轴12的第1阳螺纹部12a、12b上的轴承16、17的内圈即滚珠推压件16a、17a而固定在轮毂轴12上。这些滚珠推压件16a、17a被锁定螺母35、36定位并锁定。右侧的锁定螺母36锁定滚珠推压件17a，并且将连接器22固定在轮毂轴12上。

发电部19是爪极式的发电机，具有由固定在轮毂壳18的内周面上的永久磁体构成的转子41、和与转子41的内周部对置地配置且固定在轮毂轴12上的定子42。转子41，固定在轮毂壳18的壳体主体31的鼓出部31a的内表面上，由圆周方向上等间隔地分开的例如4个永久磁体构成。该转子41的4个永久磁体，等间隔且交替地磁化为N极和S极，分别与后述的第1磁轭46a以及第2磁轭46b的外周部对置。

定子42，具有可借助转子41的旋转而以匝数不同的多个(例如两个)输出状态进行输出的环状的线圈44。线圈44，具有环状的第1线圈44a和与第1线圈44a串联连接的第2线圈44b。第1线圈的匝数为例如200，第2线圈44b的匝数为例如350。因此，作为线圈44的整体的匝数为550。在第1以及第2线圈44a、44b上以包围其周围的方式设置有第1磁轭46a以及第2磁轭46b。而且，这些线圈44a、44b以及磁轭46a、46b被螺纹结合在第2阳螺纹部12c上的一对安装螺母48a、48b夹持而不能旋转地固定在轮毂轴12上，并且被定位成在轴方向上收纳在鼓出部31a内的位置关系。另外，控制组件20也被一对安装螺母48a、48b夹持而被固定。

第1以及第2线圈44a、44b分别卷绕在第1以及第2绕线管49a、49b上。第1以及第2绕线管49a、49b是带凸缘的筒状部件，具有在外周卷绕第1以及第2线圈44a、44b的筒部、和形成在筒部的两端的一对凸缘部。第1线圈44a的第1端与轮毂轴12电气地连接，第1线圈44a的第2端经由内部配线30而与第2线圈44b的第1端和控制组件20电气地连接。第2线圈44的第2端经由内部配线30与控制组件20电气地连接。

第1磁轭46a以及第2磁轭46b是层叠爪极式的磁轭，具有对置地配置且在周方向上隔开间隔地配置的多组(例如14组)的层叠磁轭。

控制组件20，设置在不能旋转地安装于轮毂轴12的例如垫圈状的电路基板21上。控制组件20如图3所示，具有：根据发电部19的旋转状态而切换控制发电部19的多个输出状态并进行输出的控制部50、分别连接在第1线圈44a和第2线圈44b上的第1开关51以及第2开关52、检测发电部19的旋转状态的旋转状态检测部53、向控制部50供给直流的定电压的电路电源部54。

控制部50，包括具有例如CPU、RAM、ROM或输入输出I/F的微型计算机，根据由旋转状态检测部53检测出的发电部19的旋转状态来接通断开第1以及第2开关51、52，由此切换发电部19的输出状态。

第1开关51与第1线圈44a的第2端连接，是用于接通断开第1线圈44a的开关。第2开关52，与第2线圈44b的第2端连接，是用于接通断开第2线圈44b的开关。这些开关51、52，如上所述那样由控制部50进行接通断开控制。第1以及第2开关51、52的输出统一经由内部配线30与连接器22连接。

旋转状态检测部53，连接在第2开关52和第2线圈44b的第2端之间，根据发电部19的输出，在发电部19的转子41每旋转1圈时，生成例如14个的脉冲信号并输出到控制部50。在控制部50中，在既定的时机读取脉冲信号，计算出转子41的旋转速度V(rpm)。

电路电源部54，连接在第2开关52和第2线圈44b的第2端之间，将发电部19的输出整流为直流，并定电压化为例如3～5伏特左右的既定直流电压而供给到控制部50。

作为自行车用照明装置的前灯14，如图1所示，固定在设置于前叉102a的灯架102b上。前灯14在前部具有透镜15a，且具有固定在灯架102b上的灯壳15。

在灯壳15的内部，如图3所示，设置照度控制部60、和作为根据照度控制部60进行接通断开控制的光源的第1以及第2发光二极管61a、61b。照度控制部60，统一地接通断开第1以及第2发光二极管61a、61b。照度控制部60，配置在第1以及第2开关51、52和第1以及第2发光二极管61a、61b之间，在周围亮的例如白天这样的亮状态时，断开第1以及第2发光二极管61a、61b，在周围暗的例如夜间这样的暗状态时，接通第1以及第2发光二极管61a、61b。

第1以及第2发光二极管61a、61b是例如3W、700mA左右的高亮度型的白色发光二极管。第1以及第2发光二极管61a、61b以极性不同的方式并联连接。即，第1发光二极管61a的阳极与第2发光二极管61b的阴极连接，第1发光二极管61a的阴极与第2发光二极管61b的阳极连接，第1以及第2发光二极管61a、61b以相互成为反向的方式配置(以下，称该配置为双方向连接)。由此，无需将来自发电部19的交流输出整流为直流就可进行使用。

<变形例的结构>

另外，作为变形例，如图5所示，也可例如在控制组件120上设置由二极管电桥形成的全波整流电路55，并利用整流后的电力接通断开前灯114的发光二极管61。此时的结构如图5所示。在图5中，第1以及第2开关51、52的输出统一地连接在全波整流电路55上。而且，全波整流电路55的输出与连接器22连接。在这样的变形例的结构中，作为前灯114的光源的发光二极管61为一个即可。因此，前灯的结构简单。

在此，在使用由二极管电桥形成的全波整流电路55而进行整流的变形例的情况下，由全波整流电路55的各二极管产生电压降低而使低速时的损耗变大，但在不使用全波整流电路55的第1实施方式中，没有产生基于全波整流电路55的损耗，与使用全波整流电路的情况相比低速时的输出变高，发光二极管61a、61b变亮。

在此，说明使用全波整流电路55的情况和双方向连接发光二极管的情况下的、令线圈的匝数变化时的发光二极管的输出(W)和转子41的转速(rpm)之间的关系。图8中表示双方向连接时的关系，图9中表示使用表示全波整流电路时的关系。

在图8以及图9中，点划线所示的曲线是表示线圈的匝数为460匝时的发光二极管的输出和转速之间关系的输出曲线。接下来，依次地，粗虚线、实线、细虚线、双点划线表示的曲线是令线圈的匝数变化为430匝、400匝、345匝、300匝时的输出曲线。从图8以及图9中可知，在例如小于60rpm左右的低速区域中，优选增多线圈的匝数而施加尽可能高的电压。此外，在超过低速区域的中高速区域中，优选减少线圈的匝数而施加尽可能大的电流。进而可知，与图8的双方向连接的情况相比，在图9的使用全波整流电路的情况下，低速时的输出变小。这是由于上述那样的全波整流电路中的损耗所导致的。但是，在中低速区域中输出几乎没有变化。因此，可知具有基于匝数的变化而使输出曲线交叉的转速。因此，在本发明的第1实施方式中，可实现线圈的匝数不同的多个输出状态，并通过在交叉的旋转速度Vr(例如50～60rpm)附近借助控制部50切换输出状态而改善发光二极管的输出。

<控制部的动作>

接着，基于图4所示的控制流程图而对控制部50的切换控制动作进行说明。

若自行车101行进而使控制部50通电，则在步骤S1进行初始设定。在步骤S1中，设定切换用的旋转速度Vr等的数据。在步骤S2中，根据从旋转状态检测部53输出的表示旋转状态的脉冲信号的数据，计算出转子41的旋转速度V。在步骤S3中，判断速度V是否小于速度Vr、即低速区域和中高速区域中的输出曲线交叉处的附近的速度。

在速度V小于速度Vr时，从步骤S3转移到步骤S4。在步骤S4中，接通第2开关52，并断开第1开关51，回到步骤S2。由此，线圈44的匝数变为550，可从发电部19输出尽可能高的电压的交流电力。在速度V为速度Vr以上时，从步骤S 3转移到步骤S5。在步骤S5中，接通第1开关51，并断开第2开关52，回到步骤S2。由此，线圈44的匝数变为第1线圈44a的匝数200匝，从发电部19输出尽可能大的电流。

这样，在第1实施方式中，例如，令第1线圈44a的匝数为200匝，并令第2线圈44b的匝数为350匝，线圈44的整体的匝数为550匝。而且，在控制部50中，在例如到50～60rpm左右为止的低速行进时接通第2开关52，以较多的匝数(例如，作为第1线圈44a以及第2线圈44b的匝数的和的550匝)尽可能地提高发电电压，在这之上的中高速行进时，接通第1开关51而以较少的匝数(例如第1线圈44a的匝数200匝)尽可能地增大发电电流。此时的输出曲线如图10所示。在图10中，通过实线表示第1实施方式的输出曲线，通过粗虚线表示使用全波整流电路55后的变形例的输出曲线。

另外，在使用全波整流电路55时，上述发光二极管61为一个也可以。此外，为了比较，用点划线表示以往的在轮毂发电机(例如，具有匝数为460匝的线圈的轮毂发电机)上连接15Ω负载的灯泡时的输出曲线，用双点划线表示在以往的轮毂发电机上连接双方向连接的发光二极管时的输出曲线，用细虚线表示在以往的轮毂发电机上经由全波整流电路连接发光二极管时的输出曲线。

从图10中可知，通过在低速时和中高速时切换线圈的匝数，可得到与灯泡的输出相差不大的较大输出。此外，可知与以往的在轮毂发电机上连接发光二极管的情况相比可大幅提高输出。

<第2实施方式>

在上述第1实施方式中，构成为将两个线圈串联连接而使轮毂发电机10可以输出多个输出状态，但在第2实施方式中，能够使用可变线圈(电感)输出多个输出状态。

在图6中，轮毂发电机210的发电部219具有可变线圈244。可变线圈244具有固定端子和可变端子，通过例如使用马达和螺线管等的致动器的可变端子驱动部251驱动可变端子，由此可令可变线圈244的匝数连续地或者阶段地变化。在第2实施方式中，控制组件220具有可令可变线圈244的匝数变化的可变端子驱动部251。可变端子驱动部251由控制部250控制，与第1实施方式相同，在200匝(N1)和550匝(N2)之间切换可变线圈244的匝数。由此，发电部219，在两个输出状态下输出电力。控制组件220的其他构成以及前灯14的构成与第1实施方式相同，所以省略其说明。

在这样的第2实施方式中，若使控制部250通电，则在步骤S11进行初始设定。在步骤S11中，设定切换用的旋转速度Vr等的数据。在步骤S12中，根据从旋转状态检测部53输出的表示旋转状态的脉冲信号的数据，计算出转子41的旋转速度V。在步骤S13中，判断速度V是否小于速度Vr、即低速区域和中高速区域中的输出曲线交叉处的附近的速度。

在速度V小于速度Vr时，从步骤S13转移到步骤S14。在步骤S14中，驱动可变端子驱动部251而设定可变线圈244的匝数为N2即匝数550，回到步骤S12。由此，可从发电部219输出尽可能高的电压的交流电力。在速度V为速度Vr以上时，从步骤S13转移到步骤S15。在步骤S15中，驱动可变端子驱动部251而设定可变线圈244的匝数为N1即匝数200，回到步骤S12。由此，从发电部219输出尽可能大的电流。

另外，在使用可变线圈244时，也可根据旋转速度V而更精确地进行控制。当然也可根据旋转速度而连续地进行控制。此外，由于匝数可自由地变更，所以可简单地与发光二极管的特性的不同相对应，可与发光二极管的输出特性一致地选择最佳的输出状态。

<其他实施方式>

(a)在上述实施方式中，作为自行车用发电装置例示了轮毂发电机，但本发明不限定于此，也可应用在轮缘发电机、或配置在车轮的辐条和车架之间的发电装置、或配置在车轮的辐条的外侧的发电装置中。

(b)在上述实施方式中，作为能连接在发电装置上的照明装置例示了前灯，但只要是使用发光二极管的自行车用照明装置，则能连接到任意的照明装置上。例如，也能连接到闪烁地表示自行车的位置等的指示灯或尾灯上。

(c)在上述实施方式中，在速度Vr处在200匝和550匝之间切换输出状态，但这些数值是一个例子，可根据发光二极管的输出特性变化。

(d)在上述实施方式中，发电部的输出状态2在两个阶段之间变化，但也可在3阶段以上变化。

(e)在上述实施方式中，第1线圈和第2线圈串联连接，但本发明不限定于此。也可例如在并联连接两个线圈的情况和单独使用线圈的情况之间切换，也可在串联连接和并联连接之间切换。

(f)在上述实施方式中，将控制组件20配置在轮毂壳18内，但也可配置在轮毂壳外。

(g)在上述实施方式中，使用两个线圈，但也可从例如550匝的一个线圈的550匝的部分和中途的200匝的部分取出输出。

Claims

1.一种自行车用发电装置，能连接到具有发光二极管的照明装置上，所述自行车用发电装置包括具有根据自行车的行进而旋转的转子的发电部，其特征在于，

所述发电部具有包括能借助上述转子的旋转而以匝数不同的多个输出状态进行输出的线圈的定子；

所述自行车用发电装置还具有控制部，所述控制部根据上述发电部的旋转状态，切换控制上述发电部的多个输出状态而进行输出。

2.如权利要求1所述的自行车用发电装置，其特征在于，上述线圈具有第1线圈和与上述第1线圈连接的第2线圈。

3.如权利要求2所述的自行车用发电装置，其特征在于，上述第2线圈与上述第1线圈串联连接。

4.如权利要求2所述的自行车用发电装置，其特征在于，上述第2线圈的匝数与上述第1线圈的匝数不同。

5.如权利要求2所述的自行车用发电装置，其特征在于，还包括：分别与上述第1线圈和上述第2线圈连接的第1开关以及第2开关、检测上述发电部的旋转状态的旋转状态检测部，

上述控制部，根据由上述旋转状态检测部检测出的旋转状态而接通上述第1开关以及第2开关中的某一个。

6.如权利要求1所述的自行车用发电装置，其特征在于，

上述线圈具有固定端子和使匝数可变化的可变端子，

上述控制部，根据上述转子的旋转状态而控制上述线圈的上述可变端子，切换控制上述多个输出状态而进行输出。

7.如权利要求1-6的任一项所述的自行车用发电装置，其特征在于，上述旋转状态是上述转子的旋转速度。