JP2001037108A - 自転車用発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自転車用発電機の出力特性をコストアップを
抑えつつ改善する。 【解決手段】 ヨーク１２に収容されてハブ軸１に固定
された発電コイル２２と、ハブ軸１に対し回転自在に設
けられ内周面にマグネット３を配設したケーシング２を
備え、発電コイル２２の外側をマグネット３が回転する
ことにより発電を行う。コの字型に形成された磁性体か
らなるヨーク片１７を積層して積層ユニット１８とし、
これを円周方向に間隔を置いて複数配設してヨーク１２
を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自転車用発電機に
関し、特に、車輪のハブに発電機を内蔵させたいわゆる
ハブダイナモと呼ばれる自転車用発電機に適用して有効
な技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より自転車においては、付設された
ライト等に電力を供給するため、車輪の回転を利用して
発電を行うタイプの発電機が広く用いられている。ま
た、近年このような自転車用発電機として、車輪を支持
する車軸部分に発電機を配設したいわゆるハブダイナモ
と呼ばれる装置が普及してきている。

【０００３】このハブダイナモは、一般に、車輪側にマ
グネットを備えたロータを配設し、それをハブ軸側に設
けたコイルの周囲にて回転させ発電作用を行うようにな
っている。図８, ９は、このようなハブダイナモ型の従
来の自転車用発電機（以下、発電機と略記する）におけ
る主要部の構成を示す説明図である。

【０００４】図８の発電機では、車輪側に取り付けられ
たケーシング（ハブ体）５１の内周にマグネット５２が
配される。ケーシング５１内にはリングヨーク５３が取
り付けられており、マグネット５２はその内周に固着さ
れる。ケーシング５１は、図示しないベアリングによっ
てハブ軸５４に対し回転自在に支承されている。

【０００５】マグネット５２の内側にはコイルユニット
５５が配設される。コイルユニット５５は、ハブ軸５４
にスペーサ５６を介して固着され、その外側にはヨーク
５７が配設される。ヨーク５７の外周とマグネット５２
の内周との間には空隙が形成されている。ヨーク５７
は、軸方向に２個のヨーク部材５７ａと５７ｂが組み合
わされた形となっており、各ヨーク部材５７ａ, ｂはそ
れぞれ、底面部５８と側片５９とから構成されている。
側片５９は、底面部５８から曲げ加工によって形成さ
れ、対向するヨーク部材５７ａ, ｂの側片５９同士がそ
れぞれ互い違いに組み合わされて、コイルユニット５５
の外周を覆うようになっている。

【０００６】一方、図９の発電機では、ケーシング５１
側の構成は図８と同様であるが、ヨーク５７の形態が前
述のものとは異なっている。つまり、図９の場合には、
各ヨーク部材５７ａ, ｂには、絞り加工によって屈曲形
成されたコイル保持部６０が設けられている。そして、
コイルユニット５５は、このコイル保持部６０によって
支持されてヨーク５７内に収容され、図８におけるスペ
ーサ５６は省かれている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ここで、発電機におけ
る磁路形成に際し、ヨークの板厚が不足すると磁束密度
が飽和してしまう箇所が発生する。かかる箇所が生じる
とマグネットからの磁束が有効に利用できず、出力電圧
を向上させる妨げとなる。これに対し磁束の飽和を防止
すべく板厚を大きくすると、高速時においてヨーク内部
に発生する渦電流損が大きくなり出力電圧が低下してし
まう。従って、ヨークの板厚をバランス良く設定するこ
とがヨーク設計の際に大きな問題となる。

【０００８】しかしながら、図８, ９のような従来の発
電機では、ヨークに曲げや絞り加工部が存在するため、
板厚設定の自由度が小さく、また、加工により板厚が変
化して全体を均一な厚さに形成できないという問題があ
った。

【０００９】さらに、曲げや絞り加工を行った部分には
塑性加工による残留応力が存在するため、これが磁気の
流れを妨げて磁束の有効活用が図れないという問題も生
じる。この場合、かかる残留応力はヨークを焼鈍するこ
とで低減可能であるが、その際、焼鈍工程が加わること
によるコストアップは避けられない。また、焼鈍時の熱
によりヨークの寸法が変化するため、そのまま使用する
と出力電圧にバラツキが生じるという問題がある。一
方、それを再修正すればバラツキは低減するが、修正工
程の分だけコストが上昇するという新たな問題が生じ
る。

【００１０】本発明の目的は、自転車用発電機の出力特
性をコストアップを抑えつつ改善することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の自転車用発電機
は、磁性体からなるヨークに収容されてハブ軸に固定さ
れた発電コイルと、前記ハブ軸に対し回転自在に設けら
れ、その内周面に永久磁石を配設したハブ体を備え、前
記発電コイルの外側を前記永久磁石が回転することによ
り発電を行う自転車用発電機であって、前記ヨークは、
磁性体からなる板状部材を積層して形成されることを特
徴とする。

【００１２】これにより、本発明の自転車用発電機で
は、ヨーク設計上の自由度が大きくなり、磁束の飽和状
態を適宜改善することが可能となる。従って、界磁磁束
を有効活用することができ、出力向上や装置の小型化を
図ることが可能となる。また、ヨークの積層化に伴い、
渦電流損が低減し高速時の出力特性を改善することが可
能となる。さらに、曲げ加工等を省くことができると共
に、熱処理や寸法修正等の後処理も不要となり、部品コ
ストを抑えることが可能となる。加えて、内部歪みの残
留等による鉄損を低減でき、無負荷時における回転抵抗
を軽減することが可能となる。

【００１３】一方、前記板状部材を、対向する二辺とそ
れらを接続する一辺とを備えたコの字型に形成し、前記
二辺部分が前記発電コイルの外周側および内周側に延在
するようにしても良い。また、前記板状部材を複数枚積
層して積層体を形成し、それを円周方向に間隔を置いて
複数配設して前記ヨークを形成するようにしても良い。

【００１４】さらに、前記発電コイルの内周側に、前記
積層体間を接続する磁性体からなるスペーサを設けた
り、前記ハブ軸と前記ヨークとの間に、磁性体からなる
円筒部材を積層して形成したブッシュを介設したりして
も良く、これらにより磁路が強化され、さらに出力特性
が改善される。

【００１５】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、本発明の
実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、
本発明の実施の形態１である発電機の構成を示す断面図
である。図１の発電機は、自転車の車輪を支持するハブ
軸１に配設されるハブダイナモ形式となっており、ハブ
軸１側が固定子となり発電コイル２２が配設される。一
方、ハブ軸１には回転子としてケーシング（ハブ体）２
が回転自在に設けられており、その内周側にはマグネッ
ト（永久磁石）３が取り付けられている。

【００１６】ケーシング２の図１において左端側にはベ
アリング４が取り付けられている。ベアリング４の内周
側にはナット５が挿入されており、ナット５はハブ軸１
の外周に形成されたねじ１ａにねじ込まれている。これ
により、ケーシング２の左端側は、ベアリング４を介し
てハブ軸１に回転自在に支持されることになる。ナット
５にはフランジ５ａが形成されており、ベアリング４は
このフランジ５ａとケーシング２内の段部２ａとによっ
て軸方向に抜け止めされる。ナット５の外側にはさらに
ナット６が配設され、ナット５の緩み止めが施されてい
る。

【００１７】ケーシング２の図１において右端側にはパ
ネル７がはめ込まれており、パネル７の中央部にはベア
リング８が取り付けられている。ベアリング８の内周側
にはナット９が挿入されており、ナット９はハブ軸１の
外周に形成されたねじ１ａにねじ込まれている。これに
より、ケーシング２の右端側は、パネル７に取り付けら
れたベアリング８を介してハブ軸１に回転自在に支持さ
れる。なお、ナット９にもフランジ９ａが形成されてお
り、ベアリング８はこのフランジ９ａとパネル７内の段
部７ａとによって軸方向に抜け止めされる。また、ナッ
ト９の外側にはさらにナット１０が配設され、ナット９
の緩み止めが施されている。

【００１８】ケーシング２の内周側には、鉄等の磁性材
料によって形成された円筒形状のリングヨーク１１が取
り付けられている。また、リングヨーク１１の内側に
は、界磁子として複数個のマグネット３が配設されてい
る。

【００１９】ハブ軸１側には、発電コイル２２がヨーク
１２に収容された状態で固定されている。ハブ軸１には
大径部１ｂが形成されており、その外周にはヨーク１２
が取り付けられ、その内側に発電コイル２２のコイルユ
ニット２３が収容されている。ヨーク１２の外周はマグ
ネット３と若干の間隙を空けて対向しており、ヨーク１
２および発電コイル２２の外側をマグネット３が回転す
るようになっている。なお、発電コイル２２には配線１
９が設けられており、この配線１９はナット９に設けら
れた配線孔９ｂから発電機外部へと引き出されている。

【００２０】ヨーク１２の軸方向外側にはそれぞれヨー
ク保持板１３, １４が取り付けられている。ヨーク保持
板１３の外側（図１において左側）にはナット１５が取
り付けられている。また、ヨーク保持板１４の外側（図
１において右側）にはナット１６が取り付けられる。そ
して、両ナット１５, １６によってヨーク１２は大径部
１ｂ上に保持、固定される。

【００２１】また、ナット１６は、その図１において右
端側がナット９の左端と接するようにハブ軸１に取り付
けられる。これにより、ケーシング２内におけるハブ軸
１の位置が決まり、発電コイル２２とマグネット３との
間の位置関係が決定される。すなわち、マグネット３が
位置ずれなく発電コイル２２の外側を回転するように、
ケーシング２とハブ軸１とが組み付けられる。

【００２２】ここで、当該発電機におけるヨーク１２
は、鉄等の磁性体からなる板状のヨーク片（板状部材）
１７から構成される。図２は、ヨーク片１７の構成を示
す斜視図である。このヨーク片１７は、プレス等にて鉄
板を打ち抜き成形したものであり、従来の装置のよう
に、ヨーク形成に際し曲げ加工や絞り加工は必要ない構
成となっている。ヨーク片１７は、図２に示したように
略コの字型の鉄片であり、対応する二辺をなす外周部１
７ａと内周部１７ｂと、それらを接続する一辺となる胴
部１７ｃから構成される。また、胴部１７ｃには係合突
起１７ｄが設けられている。

【００２３】ヨーク片１７は、複数枚積層されて積層ユ
ニット（積層体）１８として用いられる。図３は、積層
ユニット１８の構成およびその配設状態を示す説明図で
ある。図３に示したように、積層ユニット１８は、ヨー
ク片１７の外周部１７ａが外径側に来るようにハブ軸１
の大径部１ｂに取り付けられる。そして、この積層ユニ
ット１８を周方向に間隔を置いて複数配設することによ
りヨーク１２が形成される。

【００２４】また、積層ユニット１８は、図３に示した
ようにハブ軸１の前後方向（図１において左右方向）か
ら交互に配設される。この場合、発電コイル２２のコイ
ルユニット２３両端面には、積層ユニット１８の幅に形
成された図示しないヨーク取付溝が形成されている。そ
して、コイル前後にて異なる位置の溝に積層ユニット１
８を挿入することにより、発電コイル２２の周囲に積層
ユニット１８が交互に配設されることになる。

【００２５】このように本発明による発電機では、ヨー
ク片１７を積層させてヨーク１２を形成しているため、
ヨーク片１７の形状や積層枚数を変えることにより磁気
回路構成や磁路の断面積を適宜変えることができる。こ
のため、磁束が飽和しがちな部分の断面積を増加させる
など、磁束状態に応じてヨーク形状やその厚さ等を適宜
変更することが容易にでき、磁束飽和状態を任意に改善
することが可能となる。

【００２６】また、ヨーク製造に際し曲げ加工や絞り加
工が不要なため、部品の加工工程を削減でき、さらに、
残留応力を除去するための熱処理等も不要となり、部品
コストの低減を図ることが可能となる。

【００２７】一方、ヨーク１２の形成に際し、ヨーク片
１７の係合突起１７ｄは、ヨーク保持板１３, １４に設
けられた係合溝（図示せず）に嵌め込まれる。すなわ
ち、両者を嵌合させることにより、発電コイル２２を取
り囲む形で配設された積層ユニット１８にヨーク保持板
１３, １４を取り付ける。そして、ヨーク保持板１３,
１４をナット１５, １６を締め付けることにより、発電
コイル２２およびヨーク１２はハブ軸１上に固定され
る。

【００２８】このようにして構成された発電機では、ケ
ーシング２が車輪側に固定され、自転車が駆動されると
車輪の回転と共に、マグネット３が発電コイル２２の外
側を回転するようになる。これにより、発電コイル２２
に起電力が発生され、この起電力が発電電力としてライ
ト等の負荷に供給される。この際、当該発電機では、ヨ
ーク１２の積層化により渦電流損が低下するため、高速
時の出力特性が改善される。また、ヨーク１２の曲げ加
工等がないため、内部歪みによる鉄損が低減され、コギ
ングトルクが減少し無負荷時における回転抵抗も軽減さ
れる。

【００２９】（実施の形態２）次に、本発明の実施の形
態２である発電機について説明する。図４は、本発明の
実施の形態２である発電機の構成を示す断面図である。
なお、実施の形態１と同様の部品等については同一の符
号を付し、その詳細は省略する。

【００３０】図４の発電機もまたハブダイナモ形式の装
置であり、その基本構成は図１の発電機と同様である。
但し、当該発電機では、図１の発電機に加えてヨーク１
２の内周側に巻ブッシュ２０が設けられており、磁路の
強化が図られている。

【００３１】ここで、巻ブッシュ２０は、鉄等の磁性体
からなる薄板材を円筒状に成形し積層したものである。
図４の発電機では、ハブ軸１の大径部１ｂが図１のもの
より小径に形成されており、大径部１ｂとヨーク１２と
の間にこの巻ブッシュ２０が挿入されている。なお、そ
の他の構成は図１の発電機と同様である。

【００３２】当該発電機では、ヨーク１２の内周面に接
して巻ブッシュ２０が配置されていることから、ヨーク
１２における磁気抵抗が低減されて磁路が強化され、出
力の向上が図られている。

【００３３】（実施の形態３）さらに、本発明の実施の
形態３である発電機について説明する。図５は、本発明
の実施の形態３である発電機の構成を示す断面図であ
る。なお、実施の形態１と同様の部品等については同一
の符号を付し、その詳細は省略する。

【００３４】図５の発電機もまたハブダイナモ形式の装
置であり、その基本構成は図１の発電機と同様である。
但し、当該発電機では、図１の発電機に加えてヨーク１
２の内周側にスペーサ２１が設けられており、磁路の強
化が図られている。なお、その他の構成は図１の発電機
と同様である。

【００３５】この場合、スペーサ２１は鉄等の磁性体か
らなるリング状部材であり、ヨーク１２の内周面に接し
て配設されている。このため当該発電機では、ヨーク１
２における磁路が強化され、出力の向上が図られてい
る。

【００３６】

【実施例】次に、図８に示した従来の発電機と、図１,
４に示した本発明による発電機の発電特性とを比較した
実験の結果について説明する。図６はこれらの実験結果
のデータを示すグラフであり、（ａ）は従来の装置、
（ｂ）は図１の装置、（ｃ）は図４の装置における実験
結果を示したものである。さらに、図７は、実験結果の
うち有負荷時における出力電圧のみをプロットしたグラ
フである。

【００３７】この場合、従来の装置と本発明による装置
では、高速時の出力特性と、無負荷時の出力特性の２点
について改善が見られた。すなわち、まず第１に、図７
からわかるように、車速１０ｋｍ／ｈ以上にて従来の発
電機よりも出力電圧が向上した。特に、図４の装置で
は、ほぼ全速域にて出力向上が見られた。また第２に、
図６からわかるように、無負荷時の実測値と計算値との
差が大きいのに対し（図６（ａ））、本発明による装置
ではそれらはほぼ一致している（図６（ｂ）,
（ｃ））。これはすなわち、無負荷時の鉄損がほとんど
ゼロに近くなったことを表し、車輪を回転させる力（ペ
ダルを踏む力）が小さくて済むことを示している。

【００３８】このように本発明による発電機では、ヨー
ク設計の自由度が大きくなると共に、鉄損の低減により
高速域や無負荷時における出力特性の改善を図ることが
可能となっている。

【００３９】以上、本発明者によってなされた発明を実
施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実
施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

【００４０】たとえば、ヨーク片１７の形状や積層枚数
は前述の例には限られず、求められる性能に基づき適宜
変更することが可能である。

【００４１】

【発明の効果】本発明の自転車用発電機は、いわゆるハ
ブダイナモ形式の自転車用発電機において、磁性体から
なる板状部材を積層してヨークを形成したことにより、
ヨーク設計上の自由度が大きくなり、磁束の飽和状態を
適宜改善することが可能となる。このためマグネットの
磁束を有効活用することができ、出力向上や装置の小型
化を図ることが可能となる。また、ヨークの積層化に伴
い、渦電流損が低減し高速時の出力特性を改善すること
が可能となる。

【００４２】さらに、ヨークの曲げ加工等を省くことが
できると共に、熱処理や寸法修正等の後処理も不要とな
るため、部品コストを抑えることが可能となる。また、
内部歪みの残留等による鉄損を低減できることから、無
負荷時における回転抵抗を軽減することが可能となる。

【００４３】一方、発電コイルの内周側に巻ブッシュや
スペーサを設けることにより、磁路が強化され、発電機
の出力特性をさらに改善することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１である発電機の構成を示
す断面図である。

【図２】ヨーク片の構成を示す斜視図である。

【図３】積層ユニットの構成およびその配設状態を示す
説明図である。

【図４】本発明の実施の形態２である発電機の構成を示
す断面図である。

【図５】本発明の実施の形態３である発電機の構成を示
す断面図である。

【図６】実験結果を示すグラフであり、（ａ）は従来の
装置、（ｂ）は図１の装置、（ｃ）は図４の装置におけ
る実験結果を示している。

【図７】実験結果のうち有負荷時における出力電圧のみ
をプロットしたグラフである。

【図８】従来の自転車用発電機の構成を示す断面図であ
る。

【図９】従来の他の自転車用発電機の構成を示す断面図
である。

【符号の説明】

１ ハブ軸 １ａ ねじ １ｂ 大径部 ２ ケーシング（ハブ体） ２ａ 段部 ３ マグネット（永久磁石） ４ ベアリング ５ ナット ５ａ フランジ ６ ナット ７ パネル ７ａ 段部 ８ ベアリング ９ ナット ９ａ フランジ ９ｂ 配線孔 １０ ナット １１ リングヨーク １２ ヨーク １３ ヨーク保持板 １４ ヨーク保持板 １５ ナット １６ ナット １７ ヨーク片（板状部材） １７ａ 外周部 １７ｂ 内周部 １７ｃ 胴部 １７ｄ 係合突起 １８ 積層ユニット（積層体） １９ 配線 ２０ 巻ブッシュ（ブッシュ） ２１ スペーサ ２２ 発電コイル ２３ コイルユニット ５１ ケーシング ５２ マグネット ５３ リングヨーク ５４ ハブ軸 ５５ コイルユニット ５６ スペーサ ５７ ヨーク ５７ａ ヨーク部材 ５８ 側片 ５８ 底面部 ５９ 側片 ６０ コイル保持部

フロントページの続き (72)発明者 内田 誠 群馬県桐生市広沢町一丁目二六八一番地 株式会社ミツバ内 Ｆターム(参考） 5H002 AA07 AB05 AB06 AB08 AC03 AE08

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁性体からなるヨークに収容されてハブ
   軸に固定された発電コイルと、前記ハブ軸に対し回転自
   在に設けられ、その内周面に永久磁石を配設したハブ体
   を備え、前記発電コイルの外側を前記永久磁石が回転す
   ることにより発電を行う自転車用発電機であって、 前記ヨークは、磁性体からなる板状部材を積層して形成
   されることを特徴とする自転車用発電機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の自転車用発電機におい
   て、前記板状部材は対向する二辺とそれらを接続する一
   辺とを備えたコの字型に形成され、前記二辺部分が前記
   発電コイルの外周側および内周側に延在することを特徴
   とする自転車用発電機。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の自転車用発電機
   において、前記ヨークは、前記板状部材を複数枚積層し
   て形成した積層体を円周方向に間隔を置いて複数配設し
   てなることを特徴とする自転車用発電機。
4. 【請求項４】 請求項３記載の自転車用発電機におい
   て、前記発電コイルの内周側に、前記積層体間を接続す
   る磁性体からなるスペーサを設けたことを特徴とする自
   転車用発電機。
5. 【請求項５】 請求項１〜３の何れか１項に記載の自転
   車用発電機において、前記ハブ軸と前記ヨークとの間
   に、磁性体からなる円筒部材を積層して形成したブッシ
   ュを介設したことを特徴とする自転車用発電機。