JP2004088812A - 自転車用ダイナモの過電圧防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自転車用ダイナモによって発電された高電圧が負荷側の素子等に作用するのを防止する。
【解決手段】この装置１は、ダイナモ２で発電された電圧が供給される負荷３に対して過電圧が作用するのを防止する装置であって、ツェナーダイオードＤ２，Ｄ３を含む電圧モニタ回路５と、サイリスタＴＹ１，ＴＹ２を含む電流バイパス回路６とを備えている。ツェナーダイオードは、ダイナモ２の発電電圧が降伏電圧を越えた場合にブレークダウンし、サイリスタのゲートに電流を供給する。サイリスタは、ダイナモ２とダイナモ負荷３との間に設けられ、ツェナーダイオードからの電流をそのゲートに受けて、ダイナモ出力の両端の間で電流をバイパスし、負荷に供給される電流を制御する。
【選択図】　　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過電圧防止装置、特に、自転車用ダイナモで発電された電圧が供給される負荷に対して過電圧が作用するのを防止する自転車用ダイナモの過電圧防止装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、自転車においても自動変速装置が提供されている。このような自転車においては、電動変速機が用いられ、この電動変速機を駆動するために、ダイナモとダイナモで発電された電圧を充電するための充電システムとが設けられている。そして、このようなシステムにおけるダイナモは、一般的に自転車の速度（車輪の回転）に比例してその発電電圧が大きくなり、高速になると発電電圧が１００Ｖを越えるような場合がある。したがって、充電システムを構成する素子や、その他のダイナモの発電電圧によって駆動される素子について、高電圧に耐え得るような仕様のものが必要になる。しかし、高電圧に耐え得るような素子は汎用性が乏しく、しかもコストが高い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、前述のような自転車用のダイナモが抱える問題点について、以下に詳細に説明する。
通常、ダイナモが発生する電圧は、図１に示すように、ダイナモ負荷の抵抗値及び車速の増加に伴って増加する。そして、例えば、高速走行時にダイナモとダイナモ負荷との接続が遮断された場合、非常に高い電圧を発生する場合があり、ダイナモ負荷側を構成する素子の耐圧が低い場合には、素子が破壊されるおそれがある。
【０００４】
また、ダイナモを回転させるためのトルク（以下、単に回転トルクと記す）について検討すると、通常は、この回転トルクはダイナモ負荷の抵抗値の変化に伴って増減する特性を有している。すなわち、図２に示すように、ダイナモ負荷の抵抗値が非常に高い場合（ダイナモとの接続が遮断もしくはそれに近い場合）には、ダイナモの回転速度に比例して回転トルクが増加する傾向にあり、ダイナモ負荷の抵抗値が非常に低い場合（ダイナモとの接続が短絡もしくはそれに近い場合）には、ダイナモの回転速度に反比例して回転トルクが減少する傾向にある。このような傾向を示す原因は、主にダイナモ内部で発生する渦電流損にある。
【０００５】
図２から明らかなように、例えば、ダイナモとダイナモ負荷との接続を遮断したダイナモ負荷の抵抗値が非常に高い状態で高速走行すると、ダイナモが高電圧を発生するためにダイナモとダイナモ負荷とを遮断する回路等に高電圧に耐え得る素子が必要になるだけでなく、乗り手側の自転車をこぐ負荷が、速度が増すにつれて増加するという問題が発生する。
【０００６】
本発明の課題は、自転車用ダイナモによって発電された高電圧が負荷側の素子等に作用するのを防止することにある。
本発明の別の課題は、自転車用ダイナモを備えたものにおいて、高速走行時におけるダイナモを回転させるために要するトルクを軽減することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る自転車用ダイナモの過電圧防止装置は、自転車用ダイナモで発電された電圧が供給される負荷に対して過電圧が作用するのを防止する装置であって、電圧検出手段と、電流バイパス回路とを備えている。電圧検出手段は、自転車用ダイナモの発電電圧を検出し、検出電圧が所定のしきい値を越えた場合に制御信号を出力する。電流バイパス回路は、ダイナモとダイナモ負荷との間に設けられ、電圧検出手段からの制御信号を受けてダイナモ出力の両端の間で電流をバイパスし、負荷に供給される電流を制御する。
【０００８】
この装置では、車速が増加し、ダイナモの発電電圧が所定のしきい値を越えた場合は、ダイナモから負荷に供給される電流がバイパスされ、負荷側への供給電流が制御される。したがって、負荷側に過電圧が印加されるのを抑えることができ、負荷側の素子等を高耐圧用のものにする必要がなく、コストを低減できる。また、車速が増加してダイナモの両出力端間で電流がバイパスされた後は、回転トルク特性が図２において「ダイナモの負荷の抵抗値が非常に低い場合」の特性となり、したがって高速走行においてもダイナモの回転トルクが軽減される。
【０００９】
請求項２に係る自転車用ダイナモの過電圧防止装置は、請求項１の装置において、電圧検出手段はダイナモ出力の周波数により発電電圧を検出する。
ダイナモの発電電圧はダイナモ出力の周波数に比例するので、このダイナモ出力周波数を検出することによって発電電圧を検出することができる。
請求項３に係る自転車用ダイナモの過電圧防止装置は、請求項１又は２の装置において、電圧検出手段はダイナモの両出力端の間に接続されたツェナーダイオードを含む。
【００１０】
この装置では、ダイナモ発電電圧がツェナーダイオードの降伏電圧を越えると、ツェナーダイオードを介して電流が流れるようになる。したがって、ツェナーダイオードの降伏電圧をしきい値として、ダイナモ発電電圧がこのしきい値を越えるか否かを検出することができる。
この場合は、安価な素子でしかも発熱を伴うことなく発電電圧を検出することができる。
【００１１】
請求項４に係る自転車用ダイナモの過電圧防止装置は、請求項３の装置において、電流バイパス回路は、ダイナモの両出力端の間に接続されツェナーダイオードを通過した電流がゲートに入力されるサイリスタを含む。
この装置では、ダイナモ発電電圧がツェナーダイオードの降伏電圧を超えると、ツェナーダイオードを介して電流が流れ、この電流がサイリスタのゲートに入力される。すると、それまで阻止状態（オフ）であったサイリスタが導通状態（オン）となり、これにより、ダイナモの両出力端の間が短絡される。したがって、前述のように、ダイナモ負荷側に過電圧が印加されるのが防止され、また、高速走行時の回転トルクが増加するのを防止できる。
【００１２】
ここでは、安価な素子で電流バイパス回路を構成でき、また発熱を伴うことなく電流をバイパスさせることができる。
請求項５に係る自転車用ダイナモの過電圧防止装置は、請求項１から４のいずれかの装置において、電圧検出手段及び電流バイパス回路はダイナモ負荷の内部に配置されている。
【００１３】
ここでは、各構成要素がダイナモ負荷の内部に配置されているので、従来に比較して装置全体の占有スペースが大きくなるのを防ぐことができる。
請求項６に係る自転車用ダイナモの過電圧防止装置は、請求項１から４のいずれかの装置において、電圧検出手段及び電流バイパス回路はダイナモとダイナモ負荷との間に配置されている。
【００１４】
ここでは、従来の過電圧防止装置を備えていないシステムに対して本装置を後付けし、ダイナモ負荷側の素子を保護することができる。また、高速走行時の回転トルクを減少させることができる。
請求項７に記載の自転車用ダイナモの過電圧防止装置は、請求項１から４のいずれかの装置において、電圧検出手段及び電流バイパス回路はダイナモの内部に配置されている。
【００１５】
ここでは、各構成要素がダイナモの内部に配置されているので、従来に比較して装置全体の占有スペースが大きくなるのを防ぐことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図３、図４及び図５に本発明の一実施形態による自転車用ダイナモの過電圧防止装置１を示す。この装置１は、ダイナモ２により発電された電圧が印加される負荷３に対して、過電圧が作用するのを防止するための装置であり、この実施形態では、ダイナモ負荷３の内部に配置されている。
【００１７】
過電圧防止装置１は、電圧モニタ回路５と、電流バイパス回路６とを有している。電圧モニタ回路５は、ダイナモ２の発電電圧を検出する回路であり、ダイナモ２の発電電圧が所定のしきい値を越えた場合に制御信号を出力する。また、電流バイパス回路６は、ダイナモ２とダイナモ負荷３との間に設けられており、電圧モニタ回路５からの制御信号を受けてダイナモ出力の両端の間で電流をバイパスして負荷３に供給される電流を制御するものである。
【００１８】
図５に各回路の具体的な構成を示す。
ダイナモ出力は交流波形であるため、図５に示すように、この装置１は、ダイナモ出力波形が正（＋）の周期の場合に作用する正側回路１ａと、負（−）の周期の場合に作用する負側回路１ｂとから構成されている。
正側回路１ａは、それぞれダイナモの第１出力端子と第２出力端子との間に設けられたツェナーダイオードＤ２及びサイリスタＴＹ１を有している。ツェナーダイオードＤ２は、ダイナモの第１出力端子が正（＋）の場合に逆方向となるように接続されている。そして、このツェナーダイオードＤ２には、ダイオードＤ１と抵抗Ｒ１とが直列に接続されている。ダイオードＤ１は、ダイナモ２の第１出力端子とツェナーダイオードＤ２との間に、ダイナモ２の第１出力端子が正の場合に順方向となるように接続されている。また、抵抗Ｒ１はツェナーダイオードＤ２とダイナモ２の第２出力端子との間に接続されている。これらのダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１はサイリスタＴＹ１を保護するために設けられたものである。すなわち、サイリスタのゲート−カソード間の耐電圧は、小型サイリスタでは比較的低い（±１００Ｖ以内程度）ものが多く、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１はそのためのゲート保護用として機能する。また、サイリスタＴＹ１は、ダイナモ２の第１出力端子が正の場合に順方向になるように、ダイナモ２の第１及び第２出力端子間に接続されており、ツェナーダイオードＤ２を通過した電流の一部がゲート電流として入力されている。
【００１９】
また、負側回路１ｂは、正側回路１ａと全く極性が逆になるように構成されている。すなわち、負側回路１ｂは、それぞれダイナモの両出力端子間に設けられたツェナーダイオードＤ３及びサイリスタＴＹ２を有している。そして、ツェナーダイオードＤ３は、ダイナモの第２出力端子が正の場合に逆方向となるように接続されており、このツェナーダイオードＤ３には、前記同様にサイリスタＴＹ２を保護するためのダイオードＤ４及び抵抗Ｒ２が直列に接続されている。ダイオードＤ４は、ダイナモ２の第２出力端子とツェナーダイオードＤ３との間に、ダイナモ２の第２出力端子が正の場合に順方向となるように接続されている。また、抵抗Ｒ２はツェナーダイオードＤ３とダイナモ２の第１出力端子との間に接続されている。また、サイリスタＴＹ２は、ダイナモ２の第２出力端子が正の場合に順方向になるように、ダイナモ２の両出力端子間に接続されており、ツェナーダイオードＤ３を通過した電流の一部がゲート電流として入力されている。
【００２０】
以上の回路を構成する各ツェナーダイオードＤ２，Ｄ３としては、図６に示すように、ダイナモ負荷の抵抗値が非常に低い場合の特性と、ダイナモ負荷の抵抗値が非常に高い場合の特性とが交差するポイントでブレークダウン（オン）するような仕様のものを選択する。
次に動作について説明する。
【００２１】
まず、車速が低速について説明する。
低速で走行している場合においては、ダイナモ２の発電電圧は低い。ここでは、ダイナモ２の第１出力端子が正の周期では、ツェナーダイオードＤ２及びダイオードＤ４によって電流が阻止され、また各サイリスタＴＹ１，ＴＹ２のゲートに電流が流れないので各サイリスタＴＹ１，ＴＹ２は阻止状態（オフ）となっている。また、逆の周期、すなわちダイナモ２の第２出力端子が正の周期では、ツェナーダイオードＤ３及びダイオードＤ１によって電流が阻止され、各サイリスタＴＹ１，ＴＹ２のゲートに電流が流れないので各サイリスタＴＹ１，ＴＹ２はオフとなっている。したがって、低速で走行している場合は、ダイナモ２からの電流はバイパスされることなくダイナモ負荷側に供給される。
【００２２】
このような状況では、ダイナモ２の発電電圧は低いので、これがダイナモ負荷側に印加されても素子を破壊する等の問題は生じない。また、電流はバイパス回路６においてバイパスされないので、回転トルク特性は、図７に示すように、「ダイナモ負荷の抵抗値が非常に高い場合」の特性に沿った特性となる。
一方、車速が増加し、ダイナモ２の発電電圧がツェナーダイオードＤ２，Ｄ３の降伏電圧を超えると、ダイナモ２の第１出力端子が正の周期では、正側回路１ａにおいて、ツェナーダイオードＤ２がブレークダウン（オン）してサイリスタＴＹ１のゲートに電流が流れる。すると、サイリスタＴＹ１が導通状態（オン）となり、ダイナモ２からの電流はこのサイリスタＴＹ１を通過してバイパスされてしまう。なお、このダイナモ２の第１出力端子が正の周期では、負側回路１ｂにおいては、ダイオードＤ４により電流が阻止され、サイリスタＴＹ２がオンすることはない。また、逆の周期、すなわちダイナモ２の第２出力端子が正の周期では、負側回路１ｂにおいて、ツェナーダイオードＤ３がオンしてサイリスタＴＹ２のゲートに電流が流れる。すると、サイリスタＴＹ２がオンし、ダイナモ２からの電流はこのサイリスタＴＹ２を通過してバイパスされてしまう。なお、負側回路１ａにおいては、ダイオードＤ１により電流が阻止され、サイリスタＴＹ１がオンすることはない。
【００２３】
このように、車速が高速になってダイナモ２の発電電圧がツェナーダイオードＤ２，Ｄ３の降伏電圧を越えると、電流バイパス回路６によってダイナモ２からの電流はバイパスされ、ダイナモ負荷側には供給されない。したがって、過電圧がダイナモ負荷側の素子に印加されるのを避けることができ、ダイナモ負荷側の素子を高耐圧にすることなく素子の損傷等を防止することができる。また、電流はバイパス回路６においてバイパスされるので、この電流バイパス後の回転トルク特性は、図７に示すように、「ダイナモ負荷の抵抗値が非常に低い場合」の特性に沿った特性となる。
【００２４】
以上の処理を図８にフローチャートで示す。
このフローチャートに示すように、ステップＳ１ではダイナモ２の発電電圧が設定値を越えたか否かを判断し、ステップＳ２では発電電圧が設定値以下であるか否かを判断する。これらの判断ステップＳ１，Ｓ２は、発電電圧がツェナーダイオードＤ２，Ｄ３の降伏電圧を超えたか否かに相当している。そして、発電電圧が設定値以下の場合はステップＳ３に移行し、電流バイパス回路を流れる電流値を減少させる。このステップＳ３の処理は、電流バイパス回路６において、各ツェナーダイオードＤ２，Ｄ３がブレークダウンしておらず、各サイリスタＴＹ１，ＴＹ２がオフの場合に相当している。一方、車速が高くなって電圧が設定値を越えた場合はステップＳ４に移行し、電流バイパス回路を流れる電流値を増加させる。このステップＳ４の処理は、電流バイパス回路６において、各ツェナーダイオードＤ２，Ｄ３がオンし、各サイリスタＴＹ１，ＴＹ２がオンして電流をバイパスさせている場合に相当している。
【００２５】
このように、本実施形態では、車速が高速になってダイナモ発電電圧が所定のしきい値（具体的にはツェナーダイオードの降伏電圧）より高くなると、ダイナモ２からの電流をバイパスさせてダイナモ負荷への供給を制限している。したがって、ダイナモ負荷を構成する素子の損傷を避けることができ、高耐圧の素子を採用する必要がなく、負荷側の回路を安価に構成することができる。さらに、回転トルク特性は、図７に示すように、低速領域（図７の範囲Ｌ）においては「ダイナモ負荷の抵抗値が非常に高い場合」の特性となり、また高速領域（図７の範囲Ｈ）においては「ダイナモ負荷の抵抗値が非常に低い場合」の特性となるので、全速度領域において回転トルクが小さくなり、乗り手の負担が軽減される。
【００２６】
［他の実施形態］
（ａ）電圧検出モニタ回路及び電流バイパス回路からなる本装置の設置場所については、前記実施形態に限定されない。図９に示すように、ダイナモ１とダイナモ負荷３との間に別の接続線を設けて配置しても良い。この場合は、本装置を有していない従来のシステムに本装置を後付けし、ダイナモ負荷側の素子の保護を図り、かつ回転トルクを小さくすることができる。また、図１０に示すように、ダイナモ２の内部に発電装置２ａに接続して配置しても良い。この場合は、本装置を有するシステム全体の占有スペースを小さくすることができる。
【００２７】
（ｂ）前記実施形態では、電圧を検出するための手段として、発電電圧をツェナーダイオードによって直接検出するようにしたが、発電電圧はダイナモ出力の周波数に比例するので、周波数を検出して、発電電圧が所定のしきい値を越えたか否かを判断するようにしても良い。
【００２８】
【発明の効果】
以上のような本発明によれば、自転車用ダイナモによって発電された高電圧が負荷側の素子等に作用するのを抑えることができ、しかも、高速走行時におけるダイナモを回転させるために要するトルクを軽減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各車速におけるダイナモ出力電圧比と負荷との関係を示す特性図。
【図２】ダイナモ負荷の抵抗値の違いによる回転トルク比と車速との関係を示す特性図。
【図３】本発明の一実施形態によるシステムの全体構成図。
【図４】前記実施形態における過電圧防止装置のブロック構成図。
【図５】前記過電圧防止装置の回路図。
【図６】電圧モニタ回路のしきい値を説明するための図。
【図７】前記実施形態の装置における回転トルク比と車速との関係を示す特性図。
【図８】前記実施形態の処理手順を示すフローチャート。
【図９】本発明の他の実施形態によるシステムの全体構成図。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態によるシステムの全体構成図。
【符号の説明】
１　　　過電圧防止装置
２　　　ダイナモ
３　　　ダイナモ負荷
５　　　電圧モニタ回路
６　　　電流バイパス回路
Ｄ２，Ｄ３　ツェナーダイオード
ＴＹ１，ＴＹ２　サイリスタ

Claims (7)

1. 自転車用ダイナモで発電された電圧が供給される負荷に対して過電圧が作用するのを防止する過電圧防止装置であって、
   前記自転車用ダイナモの発電電圧を検出し、検出電圧が所定のしきい値を越えた場合に制御信号を出力する電圧検出手段と、
   前記ダイナモとダイナモ負荷との間に設けられ、前記電圧検出手段からの制御信号を受けて前記ダイナモ出力の両端の間で電流をバイパスし、前記負荷に供給される電流を制御する電流バイパス回路と、
   を備えた自転車用ダイナモの過電圧防止装置。
2. 前記電圧検出手段は前記ダイナモ出力の周波数により発電電圧を検出する、請求項１に記載の自転車用ダイナモの過電圧防止装置。
3. 前記電圧検出手段は前記ダイナモの両出力端の間に接続されたツェナーダイオードを含む、請求項１又は２に記載の自転車用ダイナモの過電圧防止装置。
4. 前記電流バイパス回路は前記ダイナモの両出力端の間に接続され前記ツェナーダイオードを通過した電流がゲートに入力されるサイリスタを含む、請求項３に記載の自転車用ダイナモの過電圧防止装置。
5. 前記電圧検出手段及び前記電流バイパス回路は前記ダイナモ負荷の内部に配置されている、請求項１から４のいずれかに記載の自転車用ダイナモの過電圧防止装置。
6. 前記電圧検出手段及び前記電流バイパス回路は前記ダイナモと前記ダイナモ負荷との間に配置されている、請求項１から４のいずれかに記載の自転車用ダイナモの過電圧防止装置。
7. 前記電圧検出手段及び前記電流バイパス回路は前記ダイナモの内部に配置されている、請求項１から４のいずれかに記載の自転車用ダイナモの過電圧防止装置。

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