DE10219332B4

DE10219332B4 - Motorunterstütztes Fahrrad

Info

Publication number: DE10219332B4
Application number: DE10219332A
Authority: DE
Inventors: Kazumi Wako Shibata; Kunihiko Wako Tanaka; Kaoru Wako Hatanaka
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2022-05-01
Also published as: JP4662220B2; NL1020257C2; DE10219332A1; JP2002356190A; NL1020257A1; CN1389359A; CN1251900C; TW530773U

Abstract

Motorunterstütztes Fahrrad, bei dem ein Motor zum Unterstützen einer durch Menschenkraft erzeugten Antriebskraft in ein Rad eingebaut ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Motor eine bürstenlose Struktur aufweist, die einen Rotorkern (321) enthält, der mittels eines magnetischen Körpers gebildet ist und in eine Nabe des Rades integriert ist, sowie einen Stator (38), der gegenüberliegend dem Rotorkern (321) angeordnet ist;
mehrere Öffnungsabschnitte im Rotorkern (321) ausgebildet sind, derart, daß sie in Axialrichtung des Rades offen sind und in vorgegebenen Intervallen in Umfangsrichtung des Rades voneinander beabstandet sind;
ein Paar von Permanentmagneten (351N, 351S, 352N, 352S) in jedem der Öffnungsabschnitte enthalten ist, derart, daß sie voneinander durch einen Spalt (322D) beabstandet sind, der an einem Zentralabschnitt des Öffnungsabschnitts in Umfangsrichtung des Rades angeordnet ist, wobei ein Spalt (322E, 322F) an einem Abschnitt auf der Statorseite des Öffnungsabschnitts angeordnet ist;
ein Kommutationspol (323), der von einem Teil des Rotorkerns...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein motorunterstütztes Fahrrad, und insbesondere auf ein motorunterstütztes Fahrrad, das ein komfortables Fahren verwirklichen kann durch Miniaturisierung eines Motors, der als eine Hilfsantriebsquelle verwendet wird, und durch Reduzieren einer magnetischen Reibung des Motors.

Aus der EP 1 104 077 A2 ist ein Motorroller bekannt, bei dem ein Rad an einer Antriebseinheit vom Schwingentyp angebracht ist, welche einen Verbrennungsmotor und einen Elektromotor als Starter-Generator mit einer bürstenlosen Struktur besitzt.

Aus der DE 44 18 454 A1 ist ein Außenläufer einer Synchronmaschine bekannt, welcher einen gegossenen Kurzschlusskäfig aufweist und dessen Läuferblechpaket von einem Rückschlussmantel umgeben und mit die Magnetpole des Läufers bildenden Dauermagneten bestückt ist, wobei zwischen den Magnetpolen Pollücken bestehen.

Aus der DE 299 06 379 U1 ist ein GS-Motor ohne Kohlebürsten für elektrische Fahrräder bekannt, welcher in eine Nabe einer Fahrradfelge eingebaut ist.

Es sind motorunterstützte Fahrräder eines Typs bekannt, der ein Menschenkraft-Antriebssystem zum Übertragen einer durch Menschenkraft auf die Pedale ausgeübten Kraft, d. h. einer Beinkraft, auf ein Hinterrad, sowie ein Motorantriebssystem enthält, das das Menschenkraft-Antriebssystem in Reaktion auf die Beinkraft durch eine Unterstützungskraft ergänzen kann. Das japanische Patent Nr. JP 2829808 B2 offenbart ein motorunterstütztes Fahrrad eines Typs, bei dem ein Motor, der als eine Hilfsantriebsquelle eines Motorantriebssystems verwendet wird, in eine Nabe eine Hinterrades eingebaut ist. Gemäß diesem motorunterstützten Fahrrad wird zum Zeitpunkt des Fahrens ohne Unterstützungskraft, z. B. zum Zeitpunkt des Fahrens auf einem Gefälle, die Rotation der Magnetpole gestoppt, während die Rotation eines Ankers in Verbindung mit der Rotation des Hinterrades aufrechterhalten wird, mit dem Ergebnis, daß der Motor als ein Generator wirkt, um durch einen Wiedergewinnungsbetrieb des Motors einer Batterie Strom zuzuführen.

Das obenbeschriebene motorunterstützte Fahrrad weist jedoch das Problem auf, daß, da der Anker zusammen mit dem Hinterrad selbst dann gedreht wird, wenn kein Wiedergewinnungsbetrieb vorliegt, z.B. während einer Hochgeschwindigkeitsfahrt, eine magnetische Reibung auftritt. Im allgemeinen ist bei größerem Motordrehmoment die magnetische Reibung größer. Wenn dementsprechend beabsichtigt ist, die magnetische Reibung einfach zu reduzieren, kann nicht wunschgemäß das Motordrehmoment erhöht werden. Um dieses Problem zu lösen, wird das obenbeschriebene motorunterstützte Fahrrad mit einem Untersetzungsmechanismus zum Verbessern des Motordrehmoments versehen; in diesem Fall tritt jedoch das weitere Problem auf, daß die Struktur des Fahrrades kompliziert und vergrößert wird. Es soll daher mit einer einfachen Struktur eine magnetische Reibung reduziert werden, ohne Auftreten eines großen Drehmomentverlustes.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein motorunterstütztes Fahrrad zu schaffen, das eine magnetische Reibung ohne Auftreten eines großen Drehmomentverlustes reduzieren kann, während die Struktur des Fahrrades vereinfacht und miniaturisiert wird.

Um die obige Aufgabe zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein motorunterstütztes Fahrrad geschaffen, bei dem ein Motor zum Unterstützen einer durch Menschenkraft erzeugten Antriebskraft in ein Rad eingebaut ist, wobei der Motor eine bürstenlose Struktur aufweist, die einen Rotorkern enthält, der mittels eines magnetischen Körpers gebildet ist und in eine Nabe des Rades integriert ist, sowie einen Stator, der gegenüberliegend dem Rotorkern angeordnet ist; mehrere Öffnungsabschnitte im Rotorkern ausgebildet sind, derart, daß sie in Axialrichtung des Rades offen sind und in vorgegebenen Intervallen in Umfangsrichtung des Rades voneinander beabstandet sind; ein Paar von Permanentmagneten in jedem der Öffnungsabschnitte enthalten ist, derart, daß sie voneinander durch einen Spalt beabstandet sind, der an einem Zentralabschnitt des Öffnungsabschnitts in Umfangsrichtung des Rades angeordnet ist, wobei ein Spalt an einem Abschnitt auf der Statorseite des Öffnungsabschnitts angeordnet ist; ein Kommutationspol, der von einem Teil des Rotorkerns gebildet wird, zwischen zwei benachbarten Öffnungsabschnitten angeordnet ist; und eine Polarität eines Paares der Permanentmagneten, das in einem der zwei benachbarten Öffnungsabschnitte enthalten ist, verschieden ist von einer Polarität eines weiteren Permanentmagneten, der in dem anderen der zwei benachbarten Öffnungsabschnitte enthalten ist.

Gemäß diesem Merkmal ist es möglich, eine Reduzierung der magnetischen Leckflüsse zu den Kommutationspolen und ferner eine Erhöhung der Magnetflüsse, die in Richtung senkrecht zu einem Luftspalt zwischen dem Rotorkern und dem Stator fließen, zu bewirken durch Ausbilden der Spalte an beiden Enden aller Permanentmagnete, wodurch ein Generatormoment des Motors erhöht wird.

Darüber hinaus ist es zusätzlich zu einer Erhöhung der magnetischen Flüsse mittels der Kommutationspole möglich, eine weitere Verengung der magnetischen Pfade von den Permanentmagneten zur Statorseite zu bewirken durch die Spalten, die an Abschnitten auf der Statorseite der Permanentmagneten vorgesehen sind, um die starken magnetischen Kräfte zu schwächen, wodurch eine übermäßige magnetische Reibung reduziert wird, die während einer Hochgeschwindigkeitsfahrt hervorgerufen wird.

Da gemäß der Erfindung ein Teil der Nabe des Hinterrades als Rotorkern des Motors verwendet wird, kann das Hinterrad direkt vom Motor angetrieben werden, wobei während einer Verzögerung des Fahrzeugs eine Stromquelle des Motors durch einen Wiedergewinnungsbetrieb des Motors aufgeladen werden kann. Da ferner der Motor eine bürstenlose Struktur aufweist, kann ein ausreichendes Drehmoment erzeugt werden mittels einer Kombination aus dem Kommutationspol, der zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten ausgebildet ist, die im Rotorkern enthalten sind, und den Spalten, die zwischen jedem Permanentmagneten und dem Rotorkern enthalten sind, der die Permanentmagneten hält. Dementsprechend kann das Hinterrad vom Motor angetrieben werden ohne Verwendung einer komplizierten Struktur, wie z.B. eines Untersetzungsmechanismus.

Genauer, gemäß der Erfindung ist es während eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs ohne Erregung und ohne Wiedergewinnungsbetrieb des Motors aufgrund einer Reduzierungsmöglichkeit einer magnetischen Reibung durch die durch den Rotorkern laufenden magnetischen Leckflüsse möglich, nicht nur eine Eigenschaft des bürstenlosen Motors mit großem Drehmoment zu nutzen, sondern auch eine magnetische Reibung eines Hochgeschwindigkeitsbetriebes, d. h. zum Zeitpunkt der Nichterregung des Motors, zu reduzieren.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines Motors, der für ein motorunterstütztes Fahrrad gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
2 eine Seitenansicht des motorunterstützten Fahrrades gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine Schnittansicht eines wesentlichen Abschnitts eines Menschenkraft-Antriebsabschnitts, der eine Beinkrafterfassungseinheit enthält;
4 eine Ansicht längs der Linie A-A der 3;
5 eine vergrößerte Schnittansicht eines in 3 gezeigten wesentlichen Abschnitts;
6 eine Schnittansicht längs einer Ebene senkrecht zu einer Welle, die einen wesentlichen Abschnitt des Motors zeigt;
7 eine Vorderansicht eines Rotorkerns zum Halten von Permanentmagneten;
8 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts des Rotorkerns;
9 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts des Rotorkerns in einem Zustand, in dem der Rotorkern die Permanentmagneten hält.
10 eine Ansicht, die Funktion der Spaltabschnitte darstellt, die im Rotorkern vorgesehen sind (zum Zeitpunkt der Motorantriebsoperation);
11 eine Ansicht, die Funktion der Spaltabschnitte darstellt, die im Rotorkern vorgesehen sind (zum Zeitpunkt der Wiedergewinnungsoperation);
12 eine vergrößerte Ansicht eines in 10 gezeigten wesentlichen Abschnitts;
13 eine vergrößerte Ansicht eines in 11 gezeigten wesentlichen Abschnitts;
14 eine Vorderansicht eines Rotorkerns eines Motors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
15 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts, die einen Zustand zeigt, in dem ein Permanentmagnet in einem in 14 gezeigten Öffnungsabschnitt gehalten wird;
16 eine Vorderansicht eines Rotorkerns eines Motors gemäß einer dritten Ausführungsform;
17 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts, die einen Zustand zeigt, in dem ein Permanentmagnet in einem in 16 gezeigten Öffnungsabschnitt gehalten wird;
18 eine Vorderansicht eines Rotorkerns eines Motors gemäß einer vierten Ausführungsform;
19 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts, die einen Zustand zeigt, in dem ein Permanentmagnet in einem in 18 gezeigten Öffnungsabschnitt gehalten wird;
20 eine Vorderansicht eines Rotorkerns eines Motors gemäß einer fünften Ausführungsform;
21 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts, die einen Zustand zeigt, in dem ein Permanentmagnet in einem in 20 gezeigten Öffnungsabschnitt gehalten wird;
22 eine Vorderansicht eines Rotorkerns eines Motors gemäß einer sechsten Ausführungsform;
23 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts, die einen Zustand zeigt, in dem ein Permanentmagnet in einem in 22 gezeigten Öffnungsabschnitt gehalten wird;
24 eine Schnittansicht längs einer Ebene senkrecht zu einer Welle, die einen wesentlichen Abschnitt eines Motors gemäß einer siebten Ausführungsform zeigt;
25 ein Diagramm, das eine Steuerschaltung eines Motors zeigt;
26 ein Zeitablaufdiagramm, das einen Steuerungszeitablauf des Motors zeigt;
27 eine Vorderansicht eines Motors gemäß einer Modifikation; und
28 eine vergrößerte Ansicht eines in 27 gezeigten wesentlichen Abschnitts.
Im folgenden wird mit Bezug auf die Zeichnungen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 2 ist eine Seitenansicht eines motorunterstützten Fahrrades mit einer Steuereinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Körperrahmen 1 des motorunterstützten Fahrrades enthält ein Kopfrohr 2, das an einer Vorderseite eines Fahrzeugkörpers angeordnet ist, ein Abwärtsrohr 3, das sich vom Kopfrohr 2 nach hinten und nach unten erstreckt, eine hintere Gabel 4, die mit dem Abwärtsrohr 3 verbunden ist und sich von diesem nach hinten erstreckt, und ein Sattelrohr, das sich vom untersten Ende des Abwärtsrohres 3 nach oben erstreckt.
Eine Vordergabel 6 ist drehbar durch das Kopfrohr 2 unterstützt. Ein Vorderrad 7 ist drehbar durch die unteren Enden der Vordergabel 6 unterstützt. Ein Lenker 8 ist an einem oberen Ende der Vordergabel 6 montiert. Ein Bremshebel 9 ist am Lenker 8 vorgesehen. Ein Seil 10, das sich vom Bremshebel 9 ausgehend erstreckt, ist mit einer Vorderradbremse 11 verbunden, die an der Vordergabel 6 befestigt ist. Obwohl nicht gezeigt, ist in ähnlicher Weise ein Bremshebel für eine Hinterradbremse am Lenker 8 vorgesehen. Ein (nicht gezeigter) Bremssensor zum Erfassen der Betätigung des Bremshebels 9 ist am Bremshebel 9 vorgesehen.
Ein Paar linker und rechter Stützen 12, die mit einem oberen Ende des Sattelrohrs 5 verbunden sind, erstrecken sich nach hinten und nach unten und sind mit Abschnitten nahe den unteren Enden der hinteren Gabel 4 verbunden. Ein Hinterrad 13 wird durch das Verbindungselement unterstützt, das durch Verbinden der Stützen 12 mit der hinteren Gabel 4 ausgebildet wird, wobei ein Motor 14 als Unterstützungskraftquelle durch das Verbindungselement unterstützt wird, derart, daß er koaxial zu einer Nabe des Hinterrades 13 angeordnet ist. Der Motor 14 ist vorzugsweise als dreiphasiger bürstenloser Motor mit hohem Drehmoment und geringer Reibung konfiguriert. Eine genaue Struktur des Motors 14 und die Steuerung des Motors 14 werden später genauer beschrieben.
Ein Unterstützungsschaft 16, der an seinem oberen Ende einen Sattel 15 aufweist, ist in das Sattelrohr 5 eingesetzt, derart, daß eine Höhe des Sattels 15 eingestellt werden kann. Eine Batterie 17 zum Zuführen von Strom zum Motor 14 ist unter dem Sattel 15 an einer Position zwischen dem Sattelrohr 5 und dem Hinterrad 13 vorgesehen. Die Batterie 17 wird durch eine Klammer 18 unterstützt, die am Sattelrohr 5 befestigt ist. Ein Stromzuführungsabschnitt 19 ist an der Klammer 18 vorgesehen. Der Stromzuführungsabschnitt 19 ist mit dem Motor 14 über einen (nicht gezeigten) Elektrodraht verbunden und ferner mit einer Elektrode der Batterie verbunden. Ein oberer Abschnitt der Batterie 17 wird durch das Sattelrohr 5 über eine Klemmvorrichtung unterstützt, die ein Band 20 und eine Schnalle 21 umfaßt.
Eine Kurbelwelle 22, die sich in Breitenrichtung des Fahrzeugkörpers erstreckt, wird durch einen Querabschnitt zwischen dem Abwärtsrohr 3 und dem Sattelrohr 5 unterstützt. Pedale 24 sind über Kurbeln 23 mit der Kurbelwelle 22 verbunden. Ein Antriebsritzel 25 ist über einen (nicht gezeigten) Beinkraftsensor mit der Kurbelwelle 22 verbunden, wobei eine auf die Pedale ausgeübte Beinkraft über den Beinkraftsensor auf das Antriebsritzel 25 übertragen wird. Eine Kette 27 ist um das Antriebsritzel 25 und ein Abtriebs ritzel 26 geführt, das an der Nabe des Hinterrades 13 vorgesehen ist. Eine gestreckte Seite der Kette 27 und das Antriebsritzel 25 sind mittels einer Kettenabdeckung 28 abgedeckt. Ein (nicht gezeigter) Rotationssensor zum Erfassen der Rotation der Kurbelwelle 22 ist an der Kurbelwelle 22 vorgesehen. Als Rotationssensor kann ein bekannter Sensor verwendet werden, der z. B. zum Erfassen der Rotation einer Kurbelwelle eines Motors für ein Kraftfahrzeug verwendet wird.
Eine an der Kurbelwelle 22 montierte Beinkrafterfassungseinheit wird im folgenden beschrieben. 3 ist eine Schnittansicht der Kurbelwelle 22 und ihrer Umgebung, während 4 eine Schnittansicht längs einer Linie A-A der 3 ist. Die Kappen 101L und 101R sind in die beiden Enden eines Unterstützungsrohres 100 geschraubt, das am Abwärtsrohr 3 befestigt ist. Ein Kugellager 102L ist zwischen der Kappe 101L und einem gestuften Abschnitt eingesetzt, der an einer linken Seite der Kurbelwelle 22 ausgebildet ist, während ein Kugellager 102R zwischen der Kappe 101R und einem gestuften Abschnitt eingesetzt ist, der an einer rechten Seite der Kurbelwelle 22 ausgebildet ist. Die Kurbelwelle 22 wird durch diese Kugellager 102L und 102R drehbar unterstützt.
Die Kurbelwellen 23 sind an den linken und rechten Enden der Kurbelwelle 22 mittels Muttern 103C befestigt, die auf die Bolzen 103B geschraubt sind. Es ist zu beachten, daß nur die rechte Kurbel 23 in 3 gezeigt ist. Ein Innenring 105 einer Freilaufkupplung 104 ist zwischen der Kurbel 23 und dem Unterstützungsrohr 100 befestigt. Das Antriebsritzel 25 ist drehbar am Außenumfang des Innenrings 105 über eine Büchse 105A unterstützt. Eine Position des Antriebsritzels 25 in Schubrichtung wird durch eine Mutter 106A und eine Platte 106B begrenzt.
Ein Deckel 107 ist am Antriebsritzel 25 integriert, wobei eine Übertragungsplatte 108 in einem Raum angeordnet ist, der vom Antriebsritzel 25 und dem Deckel 107 umgeben ist. Die Übertragungsplatte 108 ist durch das Antriebsritzel 25 koaxial unterstützt, derart, daß ein vorgegebener Versatz zwischen der Übertragungsplatte 108 und dem Antriebsritzel 25 in Drehrichtung um die Kurbelwelle 22 zugelassen wird.
Sowohl im Antriebsritzel 25 als auch in der Übertragungsplatte 108 sind mehrere (in dieser Ausführungsform sechs Stück) Fenster 109 ausgebildet. Eine Kompressionsschraubenfeder 110 ist in jedem Fenster 109 vorgesehen. Wenn ein Versatz zwischen dem Antriebsritzel 25 und der Übertragungsplatte 108 in Drehrichtung auftritt, bewirken die Kompressionsschraubenfedern 110 die Erzeugung einer Reaktionskraft entgegen dem Versatz zwischen diesen.
Die Ratschenzähne 111 dienen als Außenring der Freilaufkupplung 104 und sind am Innenumfang einer Nabe der Übertragungsplatte 108 ausgebildet. Indessen werden die Ratschenklauen 113 durch den Innenring 105 der Freilaufkupplung 104 unterstützt, derart, daß Sie durch eine Feder 112 radial vorbelastet sind. Die Ratschenzähne 111 sind mit den Ratschenklauen 113 in Eingriff. Die Freilaufkupplung 104 ist mit einer staubdichten Abdeckung 114 versehen.
Ein Verriegelungsloch 116 ist in der Übertragungsplatte 108 vorgesehen. Ein vorstehender Abschnitt 115 für die Übertragung einer Beinkraft, der am Beinkraftübertragungsring 124 befestigt ist, ist im Verriegelungsloch 116 in Eingriff. Ein Fenster 117, das dem vorstehenden Abschnitt 115 erlaubt, im Verriegelungsloch 116 verriegelt zu sein, ist im Antriebsritzel 25 vorgesehen. Der vorstehende Abschnitt 115 reicht durch das Fenster 117, um im Verriegelungsloch 116 eingesetzt zu werden.
Mehrere (in dieser Ausführungsform drei Stück) kleine Fenster, die sich vom Fenster 109 unterscheiden, sind sowohl im Antriebsritzel 25 als auch in der Übertragungsplatte 108 ausgebildet. Eine Kompressionsschraubenfeder 118 ist in jedem der kleinen Fenster vorgesehen. Die Kompressionsschraubenfedern 118 sind so angeordnet, daß sie die Übertragungsplatte 108 in Drehrichtung 119 vorbelasten, d. h. in Richtung der Beseitigung eines Spiels des Verbindungsabschnitts zwischen dem Antriebsritzel 25 und der Übertragungsplatte 108. Genauer dienen die Kompressionsschraubenfedern 118 dazu, eine Verschiebung der Übertragungsplatte 108 mit einem guten Ansprechverhalten auf das Antriebsritzel 25 übertragen zu können.
Ein Sensorabschnitt 47 (Beinkraftsensor) der Beinkrafterfassungseinheit ist an einem Abschnitt an der Fahrzeugkörperseite, d. h. an der Seite des Abwärtsrohres 3 des Antriebsritzels 25 montiert. Der Beinkraftsensor 47 besitzt einen Außenring 120, der am Antriebsritzel 25 befestigt ist, und einen Sensorhauptkörper 121, der drehbar am Außenring 120 vorgesehen ist, um einen magnetischen Kreis zu bilden.
Der Außenring 120 ist aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt und mittels eines (nicht gezeigten) Bolzens am Antriebsritzel 25 befestigt. Eine Abdeckung 122 ist an einem Abschnitt an der Seite des Antriebsritzels 25 des Außenrings 120 vorgesehen, und ist am Außenring 120 mittels einer Einstellschraube 123 befestigt.
5 ist eine vergrößerte Schnittansicht des Sensorhauptkörpers 121. Eine Spule 125 ist konzentrisch zur Kurbelwelle 22 vorgesehen, wobei ein Paar von Kernen 126a und 126b an beiden Seiten der Spule 125 in Axialrichtung vorgesehen sind, derart, daß sie in Außenumfangsrichtung der Spule 125 hervorstehen. Ein erster Induktor 127 und ein zweiter Induktor 128, die jeweils eine ringförmige Form aufweisen, sind zwischen den Kernen 126a und 126b vorgesehen. Der erste Induktor 127 und der zweite Induktor 128 können in Umfangsrichtung verschoben werden, in Abhängigkeit von einer vom Beinkraftübertragungsring 124 übertragenen Beinkraft. Ein Überlappungsmaß des ersten und des zweiten Induktors 127 und 128 zwischen den Kernen 126a und 126b wird verändert durch Verschiebungen des ersten und des zweiten Induktors 127 und 128. Wenn somit die Spule 125 mit einem Strom beaufschlagt wird, wird ein magnetischer Fluß, der in einem magnetischen Kreis fließt, der von den Kernen 126a und 126b, einem Kernkragen 129 und dem ersten und dem zweiten Induktor 127 und 128 gebildet wird, in Abhängigkeit von einer Beinkraft geändert. Eine Beinkraft kann somit erfaßt werden durch Messen einer Änderung der Induktivität der Spule 125, wobei diese Änderung eine Funktion des magnetischen Flusses ist. In 5 bezeichnen die Bezugszeichen 130 und 131 Unterstützungselemente des Sensorhauptkörpers 121, während 132 ein Lager ist und 133 ein Leitungsdraht ist, der sich ausgehend von der Spule 125 erstreckt.
Der obenbeschriebene Beinkraftsensor wurde vollständig beschrieben in der Spezifikation der früheren Anmeldung, eingereicht vom vorliegenden Anmel der (japanische Patentanmeldung Nr. Hei 11-251870 = JP 2001-071984 A). Es ist zu beachten, daß der Beinkraftsensor nicht auf denjenigen beschränkt ist, der oben beschrieben worden ist, sondern unter bekannten Typen geeignet ausgewählt werden kann.
1 ist eine Schnittansicht des Motors 14. Eine Platte 29 steht nach hinten vom Verbindungselement hervor, das von den hinteren Enden der hinteren Gabel 4 und den unteren Enden der Stützen 12 gebildet wird. Ein Zylinder 30, in welchem ein Übersetzungsgetriebe eingebaut ist, ist auf der Platte 29 mittels eines Schafts 31 unterstützt. Eine Radnabe 32 ist um einen Außenumfang des Zylinders 30 aufgesetzt. Die Radnabe 32 besitzt die Form eines ringförmigen Körpers mit einem Innenzylinder und einem Außenzylinder. Eine innere Umfangsfläche des Innenzylinders der Radnabe 32 kommt mit dem Außenumfang des Zylinders 30 in Kontakt. Eine Verbindungsplatte 33, die vom Zylinder 30 hervorsteht, ist an einer Seitenfläche der Radnabe 32 mittels eines Bolzens 34 befestigt. Neodym-Magnete 35, die als Rotorseite-Magnetpole des Motors 14 dienen, sind am Innenumfang des Außenzylinders der Radnabe 32 angeordnet, derart, daß sie in spezifischen Intervallen voneinander beabstandet angeordnet sind. Das heißt, der Außenzylinder der Radnabe 32 bildet einen Außenrotor zum Halten der Magneten 35.
Ein Lager 36 ist an einem Außenumfang des Innenzylinders der Radnabe 32 angesetzt, wobei eine Statorunterstützungsplatte 37 auf einen Außenumfang des Lagers 36 aufgesetzt ist. Ein Stator 38 ist an einem Außenumfang der Statorunterstützungsplatte 37 angeordnet und daran mittels eines Bolzens 40 montiert. Der Stator 38 ist mit einem spezifischen feinen Spalt angeordnet, der zwischen dem Außenrotor, d. h. dem Außenzylinder der Nabe 32, und dem Stator 38 angeordnet ist. Eine dreiphasige Spule 39 ist um den Stator 38 gewickelt.
Ein optischer Sensor 41 ist an einer Seitenfläche der Statorunterstützungsplatte 37 vorgesehen. Wenn die Radnabe 32 gedreht wird, wird ein optischer Pfad des optischen Sensors 41 intermittierend durch ein ringähnliches Element 32 unterbrochen, das an der Radnabe 32 vorgesehen ist, so daß der optische Sensor 41 ein Impulssignal ausgibt. Das ringähnliche Element 42 besitzt die Form von regelmäßigen rechtwinkligen Zähnen, um den optischen Pfad des optischen Sensors 41 intermittierend zu unterbrechen. Ein Positionssignal der Radnabe 32, die als Rotor dient, wird auf der Grundlage des obenbeschriebenen Impulssignals erfaßt. Der optische Sensor 41 ist an jeder der drei Positionen angeordnet, die den drei Phasen des Motors 14 entsprechen, und dient als Magnetpolsensor und Rotationssensor des Motors 14.
Eine Steuerplatine 43 ist an einer Seitenfläche der Statorunterstützungsplatte 37 vorgesehen. Die Steuerplatine 43 steuert die Zuführung eines Stroms zur Dreiphasen-Spule 39 auf der Grundlage der Positionssignale von den optischen Sensoren 41, die als Magnetpolsensoren dienen. Steuerelemente, wie z. B. eine CPU und FETs, sind auf der Steuerplatine 43 montiert. Es ist zu beachten, daß die Steuerplatine 43 in eine Platine für die Montage der optischen Sensoren 41 integriert sein kann.
Speichen 44, die mit einer Felge des (nicht gezeigten) Hinterrades zu verbinden sind, sind an einem Außenumfang der Radnabe 32 befestigt. Eine Klammer 46 ist an einer Seitenfläche, gegenüberliegend der Seitenfläche, auf der die Steuerplatine 43 und dergleichen montiert sind, an der Statorunterstützungsplatte 37 mittels eines Bolzens 45 befestigt. Die Klammer 46 ist mit der Platte 29 des Körperrahmens mittels eines (nicht gezeigten) Bolzens verbunden.
Ein Fenster, in welchem eine Klarlinse 32A aus transparentem Harz eingesetzt ist, ist in der Radnabe 32 vorgesehen. Ein Fenster, in das eine Klarlinse 37B eingesetzt ist, ist ferner in einer festen Abdeckung 37A vorgesehen, die auf der Statorunterstützungsplatte 37 befestigt ist. Da das Innere des Motors 14 von außen durch die Klarlinsen 32A und 37B zu sehen ist, ist es möglich, eine deutliche Verbesserung des äußeren Erscheinungsbildes zu erhalten, wobei es möglich ist, da die Radnabe 32 und die feste Abdeckung 37A teilweise aus Harz gefertigt sind, eine Reduzierung des Gewichts der Radnabe 32 und der festen Abdeckung 37A zu erreichen.
Der dreiphasige bürstenlose Motor 14 umfaßt somit sowohl den Stator als auch den Rotor, die koaxial zur Welle 31 des Hinterrades 13 angeordnet sind. Der Motor 14 erzeugt eine Unterstützungskraft, die eine über die Kette 17 und das Abtriebsritzel 26 übertragene Menschenkraft ergänzt. Es ist zu beachten, daß der Motor 14 auch am Vorderrad vorgesehen sein kann.
6 ist eine Schnittansicht längs einer Ebene senkrecht zur Welle 31, die einen wesentlichen Abschnitt des Motors 14 zeigt, während 7 eine Vorderansicht eines Rotorkerns zum Halten der Magneten 35 ist, 8 eine vergrößerte Ansicht ist, die einen wesentlichen Abschnitt des Rotorkerns zeigt, und 9 eine vergrößerte Ansicht ist, die einen wesentlichen Abschnitt des Rotorkerns in einem Zustand zeigt, in dem der Rotorkern die Magneten hält. Der Motor 14 gemäß dieser Ausführungsform enthält, wie oben beschrieben worden ist, den Stator 38 und die Radnabe 32, die als Außenrotor dient und sich längs eines Außenumfangs des Stators 38 dreht.
Ein Rotorkern 321 zum Halten der Magneten 35 ist in einer ringförmigen Form ausgebildet und in einen Innenumfang des Außenzylinders des Außenrotors, d. h. der Radnabe 32, eingesetzt. Der Rotorkern 321 wird von einem Laminat von Siliciumstahlblechen gebildet und besitzt 12 Öffnungsabschnitte (Schlitze) 322, die in Intervallen von 30° in Umfangsrichtung des Rotorkerns 321 voneinander beabstandet angeordnet sind. Der Magnet 35, der in jeden Öffnungsabschnitt 322 eingesetzt ist, ist aus einem Ferrit gefertigt. Die als N-Pole dienenden Magneten 35 sind mit dem Bezugszeichen 35N bezeichnet, während die als S-Pole dienenden Magneten 35 mit dem Bezugszeichen 35S bezeichnet sind, wobei diese Magneten alternierend angeordnet sind. Ein Abschnitt zwischen zwei benachbarten Öffnungsabschnitten 322 des Rotorkerns 321 dient als ein Kommutationspolabschnitt 323. Wie in den 6 und 9 gezeigt, ist der Magnet 35 im Querschnitt in einer Trommelform mit einem dicken Zentralabschnitt ausgebildet.
Ähnlich dem Rotorkern 321 wird der Stator 38 von einem Laminat von Siliciumstahlblechen gebildet und enthält einen Statorkern 381 und vorstehende Statorpole 382. Eine Statorwicklung 383 (entsprechend der dreiphasigen Spule 39) ist vorgesehen durch Wickeln einer Spule um jeden vorstehenden Statorpol 382 in einer Einzelpolkonzentration-Weise.
Eine Form des Öffnungsabschnitts 322 ist nicht gleich einer Querschnittsform des Magneten 35. In dem Zustand, in welchem der Magnet 35 in den Öffnungsabschnitt 322 eingesetzt ist, ist ein erster Spalt 322A an jedem der beiden Seitenabschnitte des Magneten 35 in Umfangsrichtung des Rotorkerns 321 ausgebildet, wobei ein zweiter Spalt 322B an jeder der zwei Ecken auf der Seite des Stators 38 des Magneten 35 ausgebildet ist (siehe 6 und 9).
Eine Funktion jedes der Spalte 322A und 322B, die zwischen dem Öffnungsabschnitt 322 und dem darin eingesetzten Magnet 35 ausgebildet sind, wird im folgenden mit Bezug auf die 10 und 11 beschrieben. 10 ist eine Ansicht, die eine magnetische Flußdichteverteilung zu dem Zeitpunkt zeigt, zu dem von der Batterie 17 ein Strom zum Motor 14 zugeführt wird, während 11 eine Ansicht ist, die eine magnetische Flußdichteverteilung zu dem Zeitpunkt zeigt, zu dem der Motor 14 dem Wiedergewinnungsbetrieb unterliegt.
Wenn ein Erregungsstrom von der Batterie 17 jeder Statorwicklung 383 über die Steuerplatine 43 zugeführt wird, wie in 10 gezeigt ist, laufen die Magnetkraftlinien, die vom vorstehenden Statorpol 382N radial im N-Pol erzeugt werden, durch den S-Pol-Magnet 35S in Richtung von einer vorderen Oberfläche auf der Statorseite des S-Pol-Magneten 35S zur hinteren Oberfläche desselben, d. h. in Auswärtsrichtung. Ein Großteil der magnetischen Kraftlinien läuft durch einen Außenzylinder 32b der Radnabe 32 (Außenrotor), den Kommutationspolabschnitt 323, den vorstehenden Statorpol 382S, der zu einem S-Pol angeregt wird, welcher neben dem Kommutationspolabschnitt 323 liegt, und den Statorkern 381, um somit zum vorstehenden Statorpol 382N zurückzukehren, der zu einem N-Pol angeregt wird.
Da zu diesem Zeitpunkt die ersten Spalte 322A an beiden Seitenabschnitten des Magneten 35 in Umfangsrichtung ausgebildet werden, werden die magnetischen Leckflüsse von den Seitenabschnitten des Magneten 35 zum Kommutationspolabschnitt 323 reduziert, und folglich fließt ein Großteil der magnetischen Kraftlinien vom Magneten 35 zum Außenzylinder 32b des Außenrotors 32 und läuft durch den Kommutationspolabschnitt 323, um die Seite des Stators 38 zu erreichen. Da die vertikalen Komponenten der magnetischen Flüsse, die durch einen Luftspalt zwischen dem Rotorkern 321 und dem vorstehenden Statorpol 382 laufen, erhöht sind, ist es folglich möglich, im Vergleich zu einer Rotorstruktur, bei der die ersten Spalte 321a nicht vorgesehen sind, ein größeres Drehmoment zu erzeugen. Da ferner die Magnetpfade längs der inneren Umfangsseite des Rotorkerns 321 durch die zweiten Spalte 322B begrenzt sind, werden auch die magnetischen Leckflüsse, die durch die innere Umfangsseite des Rotorkerns 321 laufen, reduziert.
12 zeigt schematisch die in 10 gezeigten Magnetkraftlinien in einem großen Maßstab. Wie in 12 mit Bezug auf einen magnetischen Fluß B1 gezeigt ist, der vom Kommutationspolabschnitt 323 zum vorstehenden Statorpol 382S fließt, wird ein Abschnitt des magnetischen Flusses B1 (mit einer gestrichelten Linie gezeigt), der längs eines Innenumfangs 324 des Rotorkerns 321 austritt, durch einen der zweiten Spalte 322B (3220B) reduziert. Dementsprechend kann der magnetische Fluß B1 effektiv zum vorstehenden Statorpol 382S fließen. Der andere (3221B) der zweiten Spalte 322B verhindert, daß ein vom Magnet 35N zum Innenumfang 324 des Rotorkerns 321 fließender magnetischer Fluß B2 zur Seite des Kommutationsabschnitts 323 austritt. Dementsprechend kann der magnetische Fluß B2 effizient zum vorstehenden Statorpol 382S fließen. Da die vertikalen Komponenten der magnetischen Flüsse, die durch den Luftspalt zwischen dem Rotorkern 321 und dem Stator 38 laufen, weiter erhöht werden, ist es folglich möglich, das Motorantriebsdrehmoment zu erhöhen.
Wenn sich der Motor 14 im Wiedergewinnungsbetrieb befindet, wie in 11 gezeigt ist, bilden die von jedem Magneten 35 erzeugten magnetischen Flüsse geschlossene magnetische Pfade in Kooperation mit dem vorstehenden Statorpol und dem Statorkern, so daß die Statorwicklung 383 in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors Strom erzeugen kann.
Zusätzlich kann ein Regler zum Begrenzen einer Wiedergewinnungsspannung des Motors 14 auf einem vorgegebenen Wert vorgesehen sein. Wenn in diesem Fall die Wiedergewinnungsspannung eine Regelspannung (z. B. 14,5 V) des Reglers erreicht, können die Leistungs-FETs einer Ausgangssteuerschaltung des Motors 14 (wie später beschrieben wird) auf der Masseseite kurzgeschlossen werden. Als Ergebnis fließt ein Kurzschlußstrom in jeder Statorwicklung 383 mit einer Verzögerungsphase, so daß die magneti schen Kraftlinien, die durch den Stator 38 laufen, reduziert werden und die magnetischen Leckflüsse zwischen den benachbarten Magneten 35 erhöht werden, mit dem Ergebnis, daß eine magnetische Reibung des Motors 14 reduziert werden kann.
13 zeigt schematisch die in 11 gezeigten magnetischen Kraftlinien in einem größeren Maßstab. Wie in 13 gezeigt, werden die magnetischen Flüsse B3, B4, B5 und B6 zwischen den benachbarten Magneten 35S und 35N erzeugt. Der magnetische Fluß B3 läuft durch einen äußeren Umfangsabschnitt 325 des Rotorkerns 321, während der magnetische Fluß B4 durch den Kommutationspolabschnitt 323 des Rotorkerns 321 läuft, der magnetische Fluß B5 durch den inneren Umfangsabschnitt 324 des Rotorkerns 321 läuft und der magnetische Fluß B6 durch den inneren Umfangsabschnitt 324 des Rotorkerns 321, den Luftspalt und den vorstehenden Statorpol 382N läuft.
Da wie oben beschrieben im Motor 14, bei dem gemäß dieser Ausführungsform jeder Kommutationspolabschnitt 323 zwischen zwei benachbarten Magneten 35 im Rotorkern 321 gehalten wird, die Spalte 322A und 322B zwischen dem Magneten 35 und dem Rotorkern 321 vorgesehen sind, werden die magnetischen Leckflüsse zwischen den benachbarten Magneten 35 reduziert und die magnetischen Flüsse in Richtung senkrecht zum Luftspalt zwischen dem Rotorkern 321 und dem Stator 38 werden erhöht. Dementsprechend ist es möglich, ein Generatormoment des Motors 14 zu erhöhen und zu verhindern, daß eine magnetische Reibung zum Zeitpunkt des Wiedergewinnungsbetriebes des Motors 14 erhöht wird.
14 ist eine Vorderansicht eines Rotorkerns gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, während 15 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts des Rotorkerns ist, der Magneten hält. In diesen Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in den 7 und 9 gleiche oder ähnliche Teile. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist ein Öffnungsabschnitt 322 eines Rotorkerns 321 in einer näherungsweise trapezförmigen Form ausgebildet, wobei ein Magnet 35 in einer rechtwinkligen Form im Querschnitt ausgebildet ist und in den Öffnungsabschnitt 322 eingesetzt ist. Ein erster Spalt 322A zum Verhindern magnetischer Leckflüsse zwischen zwei benachbarten Magneten 35 ist an jedem der kurzseitigen Abschnitte des rechtwinkligen Magneten 35 vorgesehen. Ein zweiter Spalt 322B zum Begrenzen der magnetischen Pfade längs einer Innenumfangsseite des Rotorkerns 321 ist an jeder der zwei Ecken an der Statorseite des Magneten 35 ausgebildet.
16 ist eine Vorderansicht eines Rotorkerns gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, während 17 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts des Rotorkerns ist, der Magneten hält. In diesen Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in den 7 und 9 gleiche oder ähnliche Teile. Gemäß der dritten Ausführungsform ist ein Öffnungsabschnitt 322 eines Rotorkerns 321 in einer unregelmäßigen Trommelform ausgebildet, wobei ein Magnet 35 im Querschnitt in einer Trommelform mit einem dicken Zentralabschnitt ausgebildet ist und in den Öffnungsabschnitt 322 eingesetzt ist. Ein erster Spalt 322A zum Verhindern von magnetischen Leckflüssen zwischen zwei benachbarten Magneten 35 ist an jedem der zwei Seitenabschnitte des Magneten 35 in Umfangsrichtung des Rotorkerns 321 ausgebildet. Der erste Spalt 322A ist größer als derjenige, der in jeder der vorangehenden Ausführungsformen beschrieben worden ist. Ein zweiter Spalt 322B zum Begrenzen der magnetischen Pfade längs einer Innenumfangsseite des Rotorkerns 321 ist an jeder der zwei Ecken an der Statorseite des Magneten 35 ausgebildet.
18 ist eine Vorderansicht eines Rotorkerns gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, während 19 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts des Rotorkerns ist, der Magneten hält. In diesen Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in den 7 und 9 gleiche oder ähnliche Teile. Gemäß der vierten Ausführungsform ist ein Öffnungsabschnitt 322 des Rotorkerns 321 in einer unregelmäßigen Trommelform mit Ausschnitten an seinen beiden Seiten ausgebildet, wobei ein Magnet 35 im Querschnitt in einer Trommelform ausgebildet ist und in den Öffnungsabschnitt 322 eingesetzt ist. Ein erster Spalt 322A zum Verhindern magnetischer Leckflüsse zwischen zwei benachbarten Magneten 35 ist an jedem der beiden Seitenabschnitte des Magneten 35 in Umfangsrichtung des Rotorkerns 321 ausgebildet. Ein zweiter Spalt 322B zum Begrenzen der magnetischen Pfade längs einer Innenumfangsseite des Rotorkerns 321 ist an jeder der zwei Ecken auf der Statorseite der Magneten 35 ausgebildet. In der vierten Ausführungsform ist der erste Spalt 322A durchgehend bis zum zweiten Spalt 322B ausgebildet, wobei der zweite Spalt 322B eine relativ große Größe aufweist.
20 ist eine Vorderansicht eines Rotorkerns gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, während 21 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts des Rotorkerns 321 ist, der Magneten hält. In diesen Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in den 7 und 9 gleiche oder ähnliche Teile. Gemäß der fünften Ausführungsform ist ein Öffnungsabschnitt 322 eines Rotorkerns 321 in einer unregelmäßigen Trommelform ausgebildet, wobei ein Magnet 35 in einer Trommelform im Querschnitt ausgebildet ist und in den Öffnungsabschnitt 322 eingesetzt ist. Ein erster Spalt 322A zum Verhindern von magnetischen Leckflüssen zwischen zwei benachbarten Magneten 35 ist an jedem der beiden Seitenabschnitte des Magneten 35 in Umfangsrichtung des Rotorkerns 321 ausgebildet.
Gemäß der fünften Ausführungsform ist anstelle des zweiten Spaltes 322B, der in jeder der vorangehenden Ausführungsformen beschrieben worden ist, ein Ausschnitt 322C ausgebildet, derart, daß er sich von einer Innenumfangsseite des Rotorkerns 321 zu jeder der zwei Ecken auf der Statorseite des Magneten 35 erstreckt. Der Ausschnitt 322C begrenzt die magnetischen Pfade längs einer Innenumfangsseite des Rotorkerns 321, weshalb der Ausschnitt 322C die gleiche Funktion hat wie der zweite Spalt 322B.
22 ist eine Vorderansicht eines Rotorkerns gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, während 23 eine vergrößerte Ansicht eines wesentlichen Abschnitts des Rotorkerns ist, der Magneten hält. In diesen Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in den 7 und 9 gleiche oder ähnliche Teile. Gemäß der sechsten Ausführungsform ist ein Öffnungsabschnitt 322 eines Rotorkerns 321 in einer unregelmäßigen Trommelform ausgebildet, während ein Magnet 35 im Querschnitt in einer Trommelform ausgebildet ist und in den Öffnungsabschnitt 322 eingesetzt ist. Ein erster Spalt 322A zum Verhindern magnetischer Leckflüsse zwischen zwei benachbarten Magneten 35 ist an jedem der beiden Seitenabschnitte des Magneten 35 in Umfangsrichtung des Rotorkerns 321 ausgebildet. Ein zweiter Spalt 322B zum Begrenzen der magnetischen Pfade längs einer Innenumfangsseite des Rotorkerns 321 ist an jeder der zwei Ecken auf der Statorseite des Magneten 35 ausgebildet.
24 ist eine vordere Schnittansicht eines wesentlichen Abschnitts eines Motors 14 gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen der 6 gleiche oder ähnliche Teile. Gemäß der siebten Ausführungsform ist ein Magnet, der in einem Rotorkern 321 gehalten wird, in zwei Teile unterteilt. Mit anderen Worten, zwei Magneten mit gleicher Polarität werden als ein Satz genommen. Wie in 24 gezeigt, sind mehrere (in dieser Ausführungsform acht) der Sätze von Magneten in Intervallen von 45° in Umfangsrichtung des Rotorkerns 321 beabstandet voneinander angeordnet. Es folgt eine beispielhafte Beschreibung der Magneten 351S und 352S, die in 24 gezeigt sind. Die zwei Magneten 351S und 352S, von denen jeder in einer rechtwinkligen Form im Querschnitt ausgebildet ist, weisen die gleiche Polarität (S-Pol) auf und sind jeweils als Neodym-Magnet konfiguriert. Ein dritter Spalt 322D ist zwischen diesen Magneten 351S und 352S vorgesehen. Ein vierter Spalt 322 ist an einem Abschnitt auf der Statorseite 38 des Magneten 351S ausgebildet, während ein vierter Spalt 322E an einem Abschnitt auf der Statorseite 38 des Magneten 352S ausgebildet ist. Ein Endabschnitt an der Seite des dritten Spalts 322d jedes Magneten 351S und 352S ist versetzt zu einem Außenumfang des Rotorkerns 321. Es ist zu beachten, daß ähnlich den vorangehenden Ausführungsformen ein Kommutationspolabschnitt 323 zwischen zwei benachbarten Magnetsätzen der mehreren Magnetsätze vorgesehen ist.
Im folgenden wird ein Formationsmodus der magnetischen Flüsse im Rotor 14 gemäß dieser Ausführungsform beschrieben. Der Neodym-Magnet ist sehr stark, weshalb zum Reduzieren einer magnetischen Reibung unter den magnetischen Flüssen von jedem Magneten diejenigen, die durch einen Brückenabschnitt 322BR zwischen dem dritten Spalt 322D und dem vierten Spalt 322E laufen, für die Drehmomenterzeugung verwendet werden. Zum Beispiel laufen die magnetischen Flüsse B10 von den N-Pol-Magneten 351N und 352N durch die Brückenabschnitte 322BR und einen Luftspalt zwischen dem Rotorkern 321 und dem Stator 38, um die vorstehenden Statorpole 382Sa und 382Sb zu erreichen. Die magnetischen Flüsse B10 laufen ferner durch den vorstehenden Statorpol 382N und die Brückenabschnitte 322BR, um die S-Pol-Magneten 351S und 352S zu erreichen. Die magnetischen Flüsse B11, die durch die S-Pol-Magneten 351S und 352S in der Richtung von einer vorderen Fläche zu einer hinteren Fläche des Rotorkerns 321 gelaufen sind, d. h. in Richtung zu einer äußeren Umfangsseite des Rotorkerns 321, erreichen indessen den vorstehenden Statorpol 322Sb über den Kommutationspolabschnitt 323. Zu diesem Zeitpunkt tritt ein Teil der magnetischen Flüsse B11, die durch die S-Pol-Magneten 351S und 352S in der Richtung von der vorderen Fläche zur hinteren Fläche des Rotorkerns 321 gelaufen sind, zum benachbarten N-Pol-Magneten 251N aus, wie durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist.
Wie oben beschrieben worden ist, laufen magnetische Kraftlinien, die von den N-Pol-Magneten 351N und 352N über den Luftspalt zur Seite des Stators 38 geflossen sind, durch die Brückenabschnitte 322BR, die jeweils von den an ihren beiden Seiten angeordneten Spalten umgeben sind, wobei dementsprechend die magnetischen Flüsse reduziert werden. Als Ergebnis ist es während einer Hochgeschwindigkeitsfahrt ohne mit Erregung und ohne Wiedergewinnungsbetrieb des Motors 14 möglich, eine magnetische Reibung zu reduzieren. Wenn andererseits ein Strom dem Motor 14 zugeführt wird, kann ein Motordrehmoment durch die magnetischen Flüsse B11 (die durch den Kommutationspolabschnitt laufen) erhöht werden.
Ähnlich allen vorangehenden Ausführungsformen bilden zum Zeitpunkt der Ausgabe einer Wiedergewinnungsleistung die magnetischen Flüsse, die von jedem Magneten erzeugt werden, geschlossene magnetische Pfad in Kooperation mit dem vorstehenden Statorpol und dem Statorkern, so daß die Statorwicklung 383 einen Strom in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors erzeugen kann.
25 ist ein Schaltbild, das die Ausgangssteuerung des Motors 14 zeigt, während 26 ein Diagramm ist, das einen Stromführungszeitablauf und ein Stromführungstastverhältnis zeigt. In 25 besitzt ein Vollwellengleichrichter 71 FETs (im allgemeinen einzelne Schaltelemente (71a, 71b, 71c, 71d, 71e und 71f), die mit der dreiphasigen Statorspule 39 verbunden sind. Die Zuführung eines Stroms zu jedem der FETs 71a bis 71f wird von einem Treiber 72 gesteuert. Das Stromführungstastverhältnis wird gesetzt von einem Tastverhältniseinstellabschnitt 73 auf der Grundlage eines Befehls, der von einem Motordrehmoment-Berechnungsabschnitt 64 zugeführt wird und in den Treiber 72 eingegeben wird. Um eine Antriebskraft zu erzeugen, die einem aktuellen Fahrzustand des Fahrzeuges entspricht, berechnet die Motordrehmoment-Berechnungseinheit 64 ein Drehmoment, das für den Motor 14 benötigt wird, auf der Grundlage einer Fahrzeuggeschwindigkeit, eines Ausgangssignals des Beinkraftsensors 47, der Drehzahl des Motors 14 und dergleichen. Es ist zu beachten, daß ein Beispiel eines Verfahrens zur Berechnung eines benötigten Motordrehmoments mittels der Motordrehmoment-Berechnungseinheit 64 beschrieben worden ist in der Patentanmeldung mit dem Titel "Control Unit for Motor-Assisted Bicycle", die bereits vom vorliegenden Anmelder vorgeschlagen worden ist (siehe japanische Patentanmeldung Nr. 2001-55399).
Zu einem Antriebszeitpunkt zum Abgeben einer Unterstützungskraft wird ein Stromführungstastverhältnis von einem Tastverhältniseinstellabschnitt 73 dem Treiber 72 zugeführt. Auf der Grundlage des Stromführungstastverhältnisses erregt der Treiber 72 die FETs 71a bis 71f, um einen Strom von der Batterie 17 zuzuführen. Im Fall der Erzeugung eines Wiedergewinnungsstroms zu einem Wiedergewinnungszeitpunkt, der gegenüber dem Antriebszeitpunkt um einen elektrischen Winkel um 180° versetzt ist, wird ein Stromführungstastverhältnis vom Tastverhältniseinstellabschnitt 73 dem Treiber 72 zugeführt. Auf der Grundlage des Stromführungstastverhältnisses erregt der Treiber 72 die FETs 71a bis 71f. Wenn die FETs 71a bis 71f zum Wiedergewinnungszeitpunkt erregt werden, wird ein in der Statorspule 39 erzeugter Strom von den FETs 71a bis 71f gleichgerichtet und der Batterie 17 zugeführt.
Von einer Drehmomententscheidungseinheit 74 wird auf der Grundlage eines benötigten Motordrehmoments T, das vom Motordrehmoment-Berechnungsabschnitt 64 zugeführt wird, entschieden, ob ein Stromführungszeitpunkt ein Antriebszeitpunkt oder ein Wiedergewinnungszeitpunkt ist. Wenn der benötigte Wert T des Motordrehmoments positiv ist, wird der Stromführungs zeitpunkt auf den Antriebszeitpunkt gesetzt, während dann, wenn der benötigte Wert T des Motordrehmoments negativ ist, der Stromführungszeitpunkt auf den Wiedergewinnungszeitpunkt gesetzt wird.
In 26 ist jeder der FETs 71a bis 71f mit einem Stromführungswinkel erregt, der auf einen elektrischen Winkel von 120° gesetzt ist. 26 zeigt einen Stromführungszeitpunkt, der als Antriebszeitpunkt genommen wird. Zu einem Wiedergewinnungszeitpunkt ist der Zeitpunkt jedes der FETs 71a, 71c und 71e auf der "Hoch"-Seite vom Antriebszeitpunkt um einen elektrischen Winkel von 180° versetzt.
In jeder der obenbeschriebenen Ausführungsformen ist die vorliegende Erfindung auf den Motor 14 eines Außenrotortyps, d. h. einen Externrotationstyps angewendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern kann auf einen Motor eines Innenrotationstyps angewendet werden, in welchem ein Rotor innerhalb eines Stators rotiert.
27 ist eine Vorderansicht, die einen wesentlichen Abschnitt einer Modifikation zeigt, die einen Motor 14 eines Innenrotationstyps verwendet. Der Motor 14 enthält einen Stator 90, der in einer nahezu zylindrischen Form ausgebildet ist, und einen Rotor 80, der in einer nahezu säulenförmigen Form ausgebildet ist. Der Rotor 80 wird innerhalb des Stators 90 gedreht. Sowohl der Rotor 80 als auch der Stator 90 werden gebildet durch ein Laminat von Siliciumstahlblechen.
Eine Statorwicklung 92 wird gebildet durch Wickeln einer Spule um jeden vorstehenden Statorpol 91 des Stators 90. Zwölf Öffnungsabschnitte 811 sind im Rotor 80 vorgesehen, derart, daß sie voneinander in Intervallen von 30° in Umfangsrichtung des Rotors 80 beabstandet sind. Ein Permanentmagnet 85, der aus einem Material auf Neodym-Basis gefertigt ist und im Querschnitt in einer nahezu zylindrischen Bogenform ausgebildet ist, ist in den Öffnungsabschnitt 811 in Axialrichtung des Rotors 80 eingesetzt. Die Magneten 85 sind so angeordnet, daß eine anschwellende Seite jedes Magneten 85 zu einem Rotationszentrum des Rotors 80 gerichtet ist. Ein Abschnitt zwischen zwei benachbarten Öffnungsabschnitten 811 des Rotors 80 dient als ein Kommutationspolabschnitt 813.
Auch in dieser Modifikation ist eine Form des Öffnungsabschnitts 811 nicht gleich einer Querschnittsform des Magneten 85. In einem Zustand, in dem der Magnet 85 in den Öffnungsabschnitt 811 eingesetzt ist, wird ein Spalt 812 an den beiden Seitenabschnitten des Magneten 85 in Umfangsrichtung des Magneten 85 ausgebildet.
Wenn bei dieser Konfiguration ein Erregungsstrom von der Batterie 17 jeder Statorwicklung 92 zugeführt wird, wie in 28 vergrößert gezeigt ist, laufen magnetische Kraftlinien, die von dem zum N-Pol erregten vorstehenden Statorpol 91(N) erzeugt werden, durch den S-Pol-Magneten 85S in Richtung von einer vorderen Fläche auf der Statorseite des S-Pol-Magneten 85S zu einer hinteren Fläche (äußere Umfangsseite) desselben. Ein Großteil der magnetischen Kraftlinien läuft durch den Kommutationspolabschnitt 813 und den vorstehenden Statorpol 91(S), der zum S-Pol erregt ist, welcher neben dem Kommutationspolabschnitt 813 angeordnet ist, um zu dem zum N-Pol erregten vorstehenden Statorpol 91(N) zurückzukehren.
Da in dieser Modifikation die Spalte 812 an den beiden Seitenabschnitten jedes Magneten 85 in Umfangsrichtung des Magneten 85 ausgebildet sind, werden die magnetischen Leckflüsse von den Seitenabschnitten des Magneten 85 zum Kommutationspolabschnitt 813 reduziert, wobei ein Großteil der magnetischen Kraftlinien vom Magneten 85 zur Seite des Stators 90 über den Kommutationspolabschnitt 813 fließt. Folglich werden die vertikalen Komponenten der Magnetflüsse, die durch einen Luftspalt zwischen den Rotor 80 und dem Stator 90 laufen, erhöht, so daß es möglich ist, ein Antriebsdrehmoment im Vergleich zu einer Rotorstruktur ohne Spalte 812 zu erhöhen.
Wenn sich andererseits der Motor 14 im Wiedergewinnungsbetrieb befindet, bilden die von jedem Magneten 85 erzeugten magnetischen Flüsse geschlossene magnetische Pfade in Kooperation mit dem vorstehenden Statorpol 91 und einem Kernabschnitt des Stators 90. Folglich kann die Statorwicklung in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors 80 einen Strom erzeugen.
Auch in dieser Ausführungsform ist der Magnet 85 als ein Magnet auf Neodym-Basis konfiguriert, der eine starke Magnetkraft aufweist. Ein solcher Magnet 85, der in einer kreisförmig gebogenen Form ausgebildet ist, ist in einer solchen Weise angeordnet, daß er in Richtung zur Mitte der Rotation des Rotors 80 hervorsteht. Da die Magnetkraft, die direkt von einer äußeren Oberfläche des Magneten 85 zum Stator 90 fließt, reduziert ist, ist es folglich möglich, eine magnetische Reibung deutlich zu reduzieren, wenn der Motor 14 als Generator verwendet wird.
Um ein motorunterstütztes Fahrrad zu schaffen, das einen in ein Hinterrad eingebauten Motor enthält, der ein großes Ausgangsdrehmoment erreichen kann ohne Verwendung irgendeines Untersetzungsmechanismus und ohne Erzeugung einer magnetischen Reibung zum Zeitpunkt ohne Erregung, weist ein Motor mit bürstenloser Struktur, der in ein Hinterrad eingebaut ist, folgende Konfiguration auf. Der Motor enthält einen Rotorkern, der aus einem magnetischen Körper gefertigt ist und in eine Nabe eines Hinterrades integriert ist, sowie einen Stator, der dem Rotorkern gegenüberliegend angeordnet ist. Mehrere Öffnungsabschnitte sind im Rotorkernausgebildet, derart, daß sie voneinander in Umfangsrichtung des Hinterrades beabstandet sind. Ein Paar von Magneten ist im Öffnungsabschnitt angeordnet, wobei ein Spalt an einen Zentralabschnitt angeordnet ist. Spalte sind an Abschnitten auf der Seite des Stators der Magneten ausgebildet. Ein Abschnitt des Rotorkerns, der zwischen zwei benachbarten Öffnungsabschnitten angeordnet ist, wird als Kommutationspolabschnitt verwendet. Von den von jedem Magneten erzeugten magnetischen Flüssen werden diejenigen, die durch einen Brückenabschnitt zwischen den Spalten und laufen, zum Erzeugen eines Drehmoments verwendet, um somit eine magnetische Reibung zu reduzieren. Die Erhöhung des Drehmoments kann verwirklicht werden durch die Funktion des Kommutationspolabschnitts.

1: Körperrahmen,
5: Sattelrohr,
8: Lenker,
9: Bremshebel,
14: Motor,
17: Batterie,
22: Kurbelwelle,
24: Pedal,
27: Kette,
32: Radnabe (äußerer Rotor),
35: Permanentmagnet,
37: Statorunterstützungsplatte,
38: Statorkern,
39: Statorspule,
41: optischer Sensor,
43: Platine,
47: Beinkraftsensor,
80: Rotor,
90: Stator
321: Rotorkern,
322: Öffnungsabschnitt,
322A: erster Spalt,
322B: zweiter Spalt,
323: Kommutationspolabschnitt,
382: hervorstehender Statorpol,
383: Statorwicklung

Claims

Motorunterstütztes Fahrrad, bei dem ein Motor zum Unterstützen einer durch Menschenkraft erzeugten Antriebskraft in ein Rad eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor eine bürstenlose Struktur aufweist, die einen Rotorkern (321) enthält, der mittels eines magnetischen Körpers gebildet ist und in eine Nabe des Rades integriert ist, sowie einen Stator (38), der gegenüberliegend dem Rotorkern (321) angeordnet ist; mehrere Öffnungsabschnitte im Rotorkern (321) ausgebildet sind, derart, daß sie in Axialrichtung des Rades offen sind und in vorgegebenen Intervallen in Umfangsrichtung des Rades voneinander beabstandet sind; ein Paar von Permanentmagneten (351N, 351S, 352N, 352S) in jedem der Öffnungsabschnitte enthalten ist, derart, daß sie voneinander durch einen Spalt (322D) beabstandet sind, der an einem Zentralabschnitt des Öffnungsabschnitts in Umfangsrichtung des Rades angeordnet ist, wobei ein Spalt (322E, 322F) an einem Abschnitt auf der Statorseite des Öffnungsabschnitts angeordnet ist; ein Kommutationspol (323), der von einem Teil des Rotorkerns (321) gebildet wird, zwischen zwei benachbarten Öffnungsabschnitten angeordnet ist; und eine Polarität eines Paares der Permanentmagneten (351N, 352N), das in einem der zwei benachbarten Öffnungsabschnitte enthalten ist, verschieden ist von einer Polarität eines weiteren Paares der Permanentmagneten (351S, 352S), das in dem anderen der zwei benachbarten Öffnungsabschnitte enthalten ist.