CN101741201A - 爪极式发电机及自行车用发电轮毂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有折弯的轭铁外周部的爪极式发电机及使用其的自行车用发电轮毂，使轭铁外周部不与磁铁接触。爪极式发电机(20)的轭铁(46)具有配置在线圈(44)和永磁铁之间的定子轭铁(47)，定子轭铁具有第一及第二层叠轭铁(60、61)。第一及第二层叠轭铁具有至少两块板状片(62)，该板状片具有配置在线圈的单侧的连结部(62a)及从连结部的外周面折弯并在线圈和永磁铁之间在圆周方向上隔开间隔配置的多个轭铁外周部(62b)，在第一及第二层叠轭铁中，连结部沿线圈的轴心方向层叠，轭铁外周部沿线圈的径向层叠，距离永磁铁近的轭铁外周部长。
Description
技术领域
本发明涉及一种爪极式发电机及使用其的自行车用发电轮毂。
背景技术
公知有在自行车的发电轮毂上使用爪极式发电机的情况。在现有的爪极式发电机中，以层叠板状片的多组第一及第二层叠轭铁来构成轭铁是公知的。在以层叠轭铁来构成的现有的爪极式发电机中，板状片具有圆板部及轭铁外周部(例如参照专利文献1)，该轭铁外周部从圆板部周边呈放射状形成并在与圆板部交叉的方向上折弯。多个板状片的轭铁外周部的长度是越向内侧越长，其前端的径向位置对齐。
在现有的发电机中，第一及第二层叠轭铁中层叠的板状片圆板部在线圈的两端沿轴向排列安装在轮毂上，第一及第二层叠轭铁中层叠的板状片的轭铁外周部前端朝向相反地交错配置。
在现有的发电机中，为了提高发电效率，层叠轭铁的板状片的轭铁外周部与固定在轮毂壳上的永磁铁隔开细微间隔配置。以这样交错配置的第一及第二层叠轭铁来构成轭铁，则可以降低涡电流引起的损耗而改善输出性能。
[专利文献1](日本)特开2004-229403号公报
[专利文献2](日本)实开平3-117357号公报
[专利文献3](日本)实公昭32-8026号公报
在现有的发电机中，轭铁外周部的折弯角度即使微小但也不同，也会有轭铁的外周面不整齐的可能性。在现有的发电机中，因为层叠轭铁的外周部与磁铁隔开细微间隔配置，如果轭铁的外周面不整齐，则突出的板状片的外周部有与磁铁接触的可能性。
发明内容
本发明的目的在于在具有折弯的轭铁外周部的爪极式发电机及使用其的发电轮毂中不使轭铁外周部与磁铁接触。
发明1的爪极式发电机具有永磁铁和内侧固定组件。永磁铁配置在圆周上。内侧固定组件具有配置在永磁铁内周侧的环状线圈、以及围绕线圈周围而配置的轭铁，并被配置为可与永磁铁相对转动。轭铁具有配置在线圈和永磁铁之间的定子轭铁、以及与定子轭铁磁性结合并配置在线圈内周的芯轭铁。定子轭铁具有隔着线圈而配置的第一及第二层叠轭铁。第一及笫二层叠轭铁至少具有两块板状片，该板状片具有配置在线圈的单侧且实质为圆板状的连结部、以及从连结部的外周面折弯并在线圈和永磁铁之间在圆周方向上隔开间隔配置的多个轭铁外周部，在第一及第二层叠轭铁中，连结部沿线圈的轴心方向层叠，轭铁外周部沿线圈的径向层叠，距离永磁铁近的轭铁外周部的长度长。
在该爪极式发电机中，永磁铁与定子轭铁相向，并通过使它们相对转动而在芯轭铁产生交变磁通。由此，电流在线圈流动从而发电。具体而言，第一层叠轭铁的轭铁外周部为N极、第二层叠轭铁的轭铁外周部为S极的状态，以及第一层叠轭铁的轭铁外周部为S极、第二层叠轭铁的轭铁外周部为N极的状态交替变化而产生交变磁通。该发电时，除交变磁通外，还产生涡电流，但因为是通过层叠板状片来形成轭铁的，所以可抑制涡电流的生成。在此，在涡电流的生成较少的爪极式的定子轭铁的至少两块板状片中，距离永磁铁近的轭铁外周部的长度最长。所以，只要使距离永磁铁近的轭铁外周部与永磁铁的内周部之间的间隙维持一定，则可保证与永磁铁之间的间隙。因此，层叠至少两块板状片的第一及第二层叠轭铁的轭铁外周部与永磁铁的间隙即使狭窄，轭铁也难与永磁铁接触。
发明2的爪极式发电机是在发明1所述的发电机中，距离永磁铁近的轭铁外周部与配置于其内侧的轭铁外周部的长度相同。此时，即使使用1mm以下厚度的薄板材料作为构成轭铁外周部的板状片，也可通过其内侧的轭铁外周部加强距离永磁铁近的轭铁外周部。因此，板状片即使使用薄板材料，也可以维持轭铁外周部的强度。
发明3的爪极式发电机是在发明1或2所述的发电机中，轭铁外周部从连结部实质上以90度的角度折弯。此时，因为轭铁外周部是从连结部实质上以90度的角度折弯的，从而确保最外周的轭铁外周部与永磁铁的外周部相向，使轭铁外周部更难于接触永磁铁。
发明4的爪极式发电机是在发明1至3任一所述的发电机中，芯轭铁是与第一层叠轭铁及第二层叠轭铁分体形成的，连结部与芯轭铁磁性相连。此时，因为芯轭铁是分体的，所以易于制造板状片。
发明5的爪极式发电机是在发明1至4任一所述的发电机中，还具备绕线管，该绕线管具有在轴向上延伸的筒状部、以及设置在筒状部轴向两端的一对法兰部，在筒状部的外周卷绕有线圈。此时，因为线圈卷绕在绕线管上，所以易于排列线圈的绕线。另外，使用绕线管可易于定位第一及第二层叠轭铁。
发明6的发电轮毂是一种设置在安装于自行车车架的车轮的中心部的发电轮毂，具有轮毂轴、轮毂壳、轴承及爪极式发电机。轮毂轴是安装在车架的轴。轮毂壳是配置在轮毂轴的外周侧的筒状物。轴承用来支承使轮毂壳可相对于轮毂轴自由转动。爪极式发电机是发明1至5任一所述的爪极式发电机，具有配置在轴承之间并在轮毂壳内周面设置为圆周状的永磁铁、以及配置在永磁铁的内周侧并固定于轮毂轴的内侧固定组件。
在该发电轮毂中，车轮转动而永磁铁与内侧固定组件相对转动时，因为永磁铁与轭铁外周部相向，所以在芯轭铁产生交变磁通。具体而言，第一层叠轭铁的轭铁外周部为N极、第二层叠轭铁的轭铁外周部为S极的状态，以及第一层叠轭铁的轭铁外周部为S极、第二层叠轭铁的轭铁外周部为N极的状态交替变化而产生交变磁通。该发电时，除交变磁通外，虽然还产生涡电流，但因为是通过层叠板状片来形成轭铁的，所以可抑制涡电流的生成。在此，涡电流的生成少的爪极式定子轭铁的板状片的轭铁外周部的长度，从接近永磁铁的一侧向相反的一侧逐渐变短。因此，只用最外周侧的轭铁外周部与永磁铁相向，从而易于维持最外周侧的轭铁外周部与永磁铁内周部之间的间隙为一定。所以，层叠多块板状片的第一及第二层叠轭铁的轭铁外周部与永磁铁的间隙即使狭窄，轭铁也难与永磁铁接触。
根据本发明，在涡电流的生成少的爪极式定子轭铁的至少两块板状片中，距离永磁铁近的轭铁外周部的长度最长。所以，只要使距离永磁铁近的轭铁外周部与永磁铁的内周部之间的间隙维持一定，则可保证与永磁铁之间的间隙。因此，层叠至少两块板状片的第一及第二层叠轭铁的轭铁外周部与永磁铁的间隙即使狭窄，轭铁也难与永磁铁接触。
附图说明
图1是采用本发明一个实施例的自行车的侧视图。
图2是作为本发明一个实施例的发电轮毂的半截面图。
图3是上述发电轮毂的侧视图。
图4是内侧固定组件的立体图。
图5是绕线管的截面侧视图。
图6是绕线管的主视图。
图7是第一层叠轭铁的主视图。
图8是第二层叠轭铁的主视图。
图9是图8的IX-IX截面图。
图10是用于制造板状片的薄板材料的平面图。
图11是显示弯曲了薄板材料的状态的平面图。
附图标记说明
10发电轮毂；15轮毂轴；16、17轴承；18轮毂壳；20发电机构(爪极式发电机的一例)；41永磁铁；42内侧固定组件；44线圈；45轭铁；47定子轭铁；48芯轭铁；55绕线管；57、58法兰部；60、61第一及第二层叠轭铁；62、162板状片；62b轭铁外周部；62a连结部；102a前叉(车架的一例)；106前轮(车轮的一例)。
具体实施方式
<自行车的结构>
图1中，采用本发明的一个实施例的自行车101具有：拥有前叉102a的车架102、把手104、由链条或脚踏板等构成的驱动部105、具有轮辐99的前轮(车轮)106、后轮107。该自行车101的前轮106的中心部设置有发电轮毂10，通过电源线13向附带光传感器的前照灯14供应所产生的电力。
<发电轮毂的结构>
图2所示的发电轮毂10与自行车前轮106共同安装在前叉102a的前端。该发电轮毂10具有两端部固定在前叉102a的轮毂轴15、由配置在轮毂轴15外周侧的一对轴承16、17支承于轮毂轴15而自由转动的轮毂壳18、配置在轮毂轴15和轮毂壳18之间的发电机构(爪极式发电机的一个例子)20、以及用于将发电机构20所产生的电力提供给外部的例如前照灯14等电气设备的连接器22。连接器22上连接有电源线13。
如图2及图4所示，在轮毂轴15的外周面上，形成有在两端形成的第一阳螺纹部15a、15b、以及形成在第一阳螺纹部15a、15b之间并且比第一阳螺纹部15a、15b直径更大的第二阳螺纹部15c。另外，从发电机构20的安装部分到第一阳螺纹部15b的端部，在轮毂轴15的外周面上，形成有用于穿通连接发电机构20与连接器22的内部配线30的配线插通槽15d。轮毂轴15由螺纹接合在第一阳螺纹部15a、15b上的固定螺母24、25而不可转动地固定在前叉102a。
轮毂壳18具有壳本体31、及覆盖壳本体一端(图2右端)的盖部件32。壳本体31是在轮毂轴15的轴向上延伸形成的筒状部件，在轴向的一端侧(图2右侧)具有与另一端部相比向外周侧突出的膨胀突出部31a。在壳本体31两端部的外周面，形成有一对轮毂法兰部33a、33b。轮毂法兰部33a、33b上，在圆周方向上以相同间隔错开半个相位的形式形成有用于分别安装轮辐99内侧端部的多个安装孔34a、34b。盖部件32具有与壳本体31的膨胀突出部31a内表面螺纹接合的螺纹筒部32a、及可自由转动地安装在轮毂轴15上的圆板状的转动支承部32b。盖部件32通过螺纹筒部32a旋入壳本体31而固定。
具有壳本体31及盖部件32的轮毂壳18，通过作为分别与轮毂轴15的第一阳螺纹部15a、15b螺纹接合的轴承16、17的内圈的锥体16a、17a，固定在轮毂轴15上。这些锥体16a、17a被锁定螺母35、36定位并被锁定。右侧的锁定螺母36在锁定锥体17a的同时，将连接器22固定在轮毂轴15上。
<发电机构的结构>
发电机构20是爪极式的发电机构，具有固定在轮毂壳18的盖部件32的螺纹筒部32a内周面上的永磁铁41、及与永磁铁41的内周部相向配置并固定在轮毂轴15且可相对永磁铁41转动配置的内侧固定组件42。永磁铁41固定在轮毂壳18的壳本体31的膨胀突出部31a内表面，由在圆周方向等间隔分割为多个(例如4个)的磁铁体构成。该永磁铁41上等间隔地交替励磁有N极和S极，分别与下述的轭铁46的外周部相向。
<内侧固定组件的结构>
如图2及图3所示，内侧固定组件42具有配置在永磁铁41内周侧的环状线圈44、及围绕线圈44周围而设置的轭铁46。这些线圈44和轭铁46被与第二阳螺纹部15c相螺纹接合的一对安装螺母38a、38b夹着，不可转动地固定在轮毂轴15，并且在轴向上被定位成收容于膨胀突出部31a内的位置关系。
线圈44被卷绕在如图3、图5及图6所示的绕线管55上。绕线管55具有外周卷绕有线圈44的筒状胴体部56、及形成在胴体部56的轴向两端部的第一法兰部57和第二法兰部58。在第一及第二法兰部57、58，在轴向外侧的侧面上，沿圆周方向隔着间隔形成圆柱形状的多个(例如4个)定位突起57a、58a。定位突起57a、58a是为在轭铁46的圆周方向上定位而设置的。
如图2及图4所示，线圈44的一端(图2右端)通过经由配线插通槽15d的内部配线30，与连接器22电连接，线圈44的另一端(图2左端)通过安装螺母38a等与轮毂轴15电连接。
<轭铁的结构>
如图2所示，轭铁46拥有配置在永磁铁41与线圈44之间的定子轭铁47、以及与定子轭铁47磁性结合并配置在线圈44内周部与轮毂轴15之间的芯轭铁48。另外，本实施例中，定子轭铁47和芯轭铁48是以分体方式形成的。
图5及图6显示安装在绕线管55的轭铁46，从图7至图9显示仅取出轭铁46。如图5至图9所示，该轭铁46拥有安装在绕线管55的第一法兰部57的外侧面的第一层叠轭铁60、以及安装在绕线管55的第二法兰部58的外侧面的多个第二层叠轭铁61。多个两层叠轭铁60、61夹着线圈44配置在轴向相反侧。
如图7至图9所示，各层叠轭铁60、61通过层叠多块(例如六块)板状片62而构成。各板状片62是由表面形成有氧化覆膜的硅钢板(更详细的是无向性硅钢板)而形成的。各板状片62的基本形状相同。板状片62具有配置在线圈44外侧的连结部62a、及作为定子轭铁发挥作用的多个(例如14个)轭铁外周部62b。
连结部62a是与芯轭铁48磁性连接、实质上为圆板状的物体。连结部62a沿线圈44的轴心方向层叠。连结部62a上形成有与定位突起57a、58a相互嵌合而定位的多个(例如13个)定位孔62c。该实施例中，定位孔62c形成在轭铁外周部62b间的内周侧。另外，在14个轭铁外周部62b中的两个轭铁外周部62b之间的一个位置上未形成定位孔62c。该定位孔62c中、例如4个定位孔62c与定位突起57a、58a相互嵌合。
连结部62a的中心部形成有贯通轮毂轴15的贯通孔62d。另外，从贯通孔62d朝向定位孔62c放射状地形成窄缝62e。该窄缝62e是为冲压加工平板将板状片62弯曲成圆形而设置的。另外，窄缝62e还使随交变磁通在连结部62a的圆周方向上产生的涡电流不易流动，起到抑制涡电流产生的效果。另外，延伸至没有定位孔62c的窄缝62e一直延伸到连结部62a的外周部分。
多个轭铁外周部62b从连结部62a的外周面实质折弯90度，在线圈44和永磁铁41之间沿圆周方向隔开间隔配置。轭铁外周部62b沿线圈44的径向层叠。虽然本实施例中，轭铁外周部62b以实质相同的宽度而形成的，但也可以形成为前端较细。轭铁外周部62b的长度是从接近永磁铁41的一侧向相反的一侧逐渐变短。因此，最外周侧的轭铁外周部62b面向永磁铁41的内周面。另外，本实施例中，如图9所示，最外周侧的轭铁外周部62b1与其内周侧的轭铁外周部62b2是同样长度，其内周侧的轭铁外周部62b3是最外周的轭铁外周部62b1的3/4长度。而且其内周侧的轭铁外周部62b4的长度是最外周的轭铁外周部62b1的一半长度，其内周侧的轭铁外周部62b5及最内周的轭铁外周部62b6是最外周的轭铁外周部62b1长度的1/4长度。这样确定轭铁外周部62b的长度后，轭铁外周部62b根基侧的厚度作为整体变厚，可以高效地将交变磁通导入轭铁46内。
另外，各板状片62的厚度使用0.25～1mm的材料，0.5mm的材料从成本和性能上利用价值均较高。另外，上述的各板状片62可以在第一层叠轭铁60及第二层叠轭铁61通用。
第一层叠轭铁61及第二层叠轭铁62被第一法兰部57及第二法兰部58的各定位突起57a、58a定位，以使轭铁外周部62b在圆周方向上交替配置。
这样的板状片62被层叠，被形成在绕线管55的各法兰部57、58的定位突起57a、58a定位。另外，如图5及图6所示，最外周的轭铁外周部62b1的前端部被嵌入形成在绕线管55的相向侧的法兰部57、58的凹部57b、58b并被保持。而且，轭铁外周部62b的基端部通过在法兰部57、58的外周部与凹部57b、58b相向形成的槽部57c、58c。
芯轭铁48通过层叠多个矩形的薄板片而构成。
<板状片的制造方法>
如图10所示，板状片62是通过冲压加工从硅钢板冲裁薄板材料65而形成的。图10中，作为连结部62a的基端部分65a形成前端较细，在基端形成作为贯通孔62d的圆弧部65b。另外，基端部分65a的前端细部的两侧部成为窄缝62e。在基端部分65a之间，形成作为定位孔62c的圆形部65c。前端部分65d以相同宽度形成，在虚线部分被折弯而成为轭铁外周部62b。另外，图10显示作为最外周的轭铁外周部62b1的板状片62。
使这样形状的薄板材料65弯曲，以使基端部侧的前端细部的两侧部紧密接合，从而如图11所示的放射状地形成有轭铁外周部62b的板状片62被形成。通过90度左右折弯该板状片62的放射状部分而制成板状片62。各板状片的连结部62a的大小形成为减小大致板厚的量，成为轭铁外周部62b的部分形成为如上所述的长度。
如图2所示，根据这样的轭铁46，第一及第二层叠轭铁60、61的芯轭铁48位于线圈44的内周侧，作为定子轭铁47的轭铁外周部62b位于线圈44和永磁铁41之间。
下面，针对基于发电轮毂10的发电进行说明。
随着自行车的骑行，前轮即轮毂壳18相对于轮毂轴15转动，则永磁铁41相对于固定在轮毂轴15的内侧固定组件42转动。据此，永磁铁41在线圈44及轭铁46的轭铁外周部62b的外周侧转动。
在此，对于第一层叠轭铁60的轭铁外周部62b及第二层叠轭铁61的轭铁外周部62b，在一个从永磁铁41接受N极的磁通供给的时候，另一个接受S极的磁通供给，而在一方从永磁铁41接受S极的磁通供给的时候，另一个接受N极的磁通供给。也就是说，通过永磁铁41在第一及第二层叠轭铁60、61的轭铁外周部62b的外周侧转动，第一层叠轭铁60为N极、第二层叠轭铁61为S极的第一状态以及第一层叠轭铁60为S极、第二层叠轭铁61为N极的第二状态反复，在将两者60、61磁性结合的两层叠轭铁60、61的芯轭铁48产生交变磁通。通过在该线圈44内侧产生的交变磁通，在线圈44产生电流而发电。
这样结构的轭铁46中，作为较少产生涡电流的爪极式定子轭铁的多个板状片62中，距离永磁铁41近的轭铁外周部62b的长度变长。因此，仅最外周侧的轭铁外周部62b1与永磁铁41相向。所以，如果在最外周侧的轭铁外周部62b1与永磁铁41的内周部之间的间隙保持一定，即可确保与永磁铁41之间的间隙。因此，层叠多个板状片62的第一及第二层叠轭铁60、61的轭铁外周部62b1与永磁铁41的间隙即使缩窄，轭铁外周部62b1也难以接触永磁铁41。
另外，与永磁铁41近的轭铁外周部62b1的长度与其内侧的轭铁外周部62b2的长度相同。因此，即使使用1mm以下厚度的薄板材料作为构成轭铁外周部62b的板状片62，也可利用其内侧的轭铁外周部62b2加强距离永磁铁41近的轭铁外周部62b1。因此，板状片62即使使用薄板材料，也可以维持轭铁外周部62b的强度。
因为轭铁外周部62b是从连结部62a实质上以90度的角度折弯，从而确保最外周的轭铁外周部62b1与永磁铁41的外周部相向，使轭铁外周部62b1更难于接触永磁铁41。
而且，因为线圈44卷绕在绕线管55上，所以易于排列线圈44的绕线。另外，使用绕线管55可易于定位第一及第二层叠轭铁60、61。
<其他实施例>
(a)上述实施例中，虽然连结部62a的形状缩小板厚度的量，但与连结部62a的大小相同亦可。此时，也可以使放射状部分的折弯位置改变板厚度的量地折弯。此时从折弯部分向前的长度为轭铁外周部62b的长度。
(b)上述实施例中，为提高薄板材料的成品率，进一步弯曲薄板材料65而制成板状片。但板状片的制造方法并不限于上述实施例，从钢板直接冲裁具有如图11所示的放射状部分的部件亦可。
(c)上述实施例中，作为车轮举例显示了前轮，并且举例显示了安装在前轮的发电轮毂，本发明也可应用于安装在后轮的发电轮毂。
(d)上述实施例中，板状片的块数是六块，但板状片的块数只要是两块以上，则多少均可。
Claims (6)
1.一种爪极式发电机，其特征在于，包括：
配置在圆周上的永磁铁，和
配置成能够与上述永磁铁相对转动的内侧固定组件，所述内侧固定组件具有配置在上述永磁铁的内周侧的环状线圈、和围绕上述线圈周围配置的轭铁；
上述轭铁具有配置在上述线圈和上述永磁铁之间的定子轭铁、和与上述定子轭铁磁性结合并配置在上述线圈内周的芯轭铁；
上述定子轭铁具有隔着上述线圈配置的第一及第二层叠轭铁；
第一及第二层叠轭铁具有至少两块板状片，所述板状片具有配置在上述线圈的单侧且实质上为圆板状的连结部、和从上述连结部的外周面折弯并在上述线圈与上述永磁铁之间沿圆周方向上隔开间隔配置的多个轭铁外周部；
作为上述第一及第二层叠轭铁，上述连结部沿上述线圈的轴心方向层叠，上述轭铁外周部沿上述线圈的径向层叠，距离上述永磁铁近的上述轭铁外周部的长度长。
2.根据权利要求1所述的爪极式发电机，其特征在于，距离上述永磁铁近的上述轭铁外周部与配置于其内侧的上述轭铁外周部的长度相同。
3.根据权利要求1或2所述的爪极式发电机，其特征在于，上述轭铁外周部从上述连结部实质上以90度的角度折弯。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的爪极式发电机，其特征在于，上述芯轭铁与上述第一层叠轭铁及上述第二层叠轭铁以分体方式形成；
上述连结部与上述芯轭铁磁性连结。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的爪极式发电机，其特征在于，还具备绕线管，该绕线管具有在轴向上延伸的筒状部、和设置在上述筒状部的轴向两端的一对法兰部，在上述筒状部的外周卷绕有上述线圈。
6.一种设置在安装于自行车的车架上的车轮中心部的发电轮毂，其特征在于，包括：
安装在上述车架上的轮毂轴；
配置在上述轮毂轴的外周侧的筒状的轮毂壳；
将上述轮毂壳支承为能够相对于上述轮毂轴自由转动的轴承；以及
权利要求1至5中任一项所述的爪极式发电机，上述爪极式发电机具有配置在上述轴承之间并在上述轮毂壳的内周面呈圆周状设置的上述永磁铁、和配置在上述永磁铁的内周侧并固定于上述轮毂轴的上述内侧固定组件。
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