JP2006008005A - 電動アシスト三輪自転車とそのボディーフレーム - Google Patents

Abstract

【課題】ペダル部の踏み込み力による駆動力とアシストモータによる駆動力とを後輪に伝達して走行する電動アシスト三輪自転車においては、減速機効率が悪くて回生エネルギーの吸収が十分でない。
【解決手段】ペダル部と後輪の回転シャフトとの間にアウターロータータイプの同期モータを有する駆動部を配置する。駆動部のアウターローター部と一体的にスプロケットとリアギアを設け、ペダル部とスプロケット間にフロントチェーンを張設し、リアギアと回転シャフトに設けられたデファレンシャル間にリアチェーンを張設する。ブレーキレバーの操作によって後輪にブレーキをかけて回生運転を可能とし、平坦地走行時においても回生エネルギーの吸収を可能とした。
また、ボディーフレームをパイプ材にて構成することにより、製造の容易化を図った。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動アシスト三輪自転車と自転車用フレームに関するものである。

電動アシスト式の自転車は、人力によるペダルからの駆動力でチェーンを介して回転側に伝達して車輪を駆動する力と、ペダルにかかるトルクを検出してそのトルクと同じ大きさのトルクでモータを回転し、減速機構を介して車輪を駆動する２つの駆動力を備えている。このような電動アシスト自転車としては、特許文献１等が知られている。
特許文献１のものは、２つの駆動力のうち、一方の駆動力はペダル及びクランク軸から一方向クランク、駆動軸、一方向クラッチを経て後輪軸に伝達している。また、他方の駆動力は、クランク軸後の一方向クラッチと駆動軸間で人力による踏み込み力を検出し、この検出力に対応したトルクをアシストモータに出力して一方向クラッチ、減速機を経て駆動軸に伝達し、この駆動軸において人力と合力させるような構成となっている。
なお、この他、ペダル部の人力踏力に対応して、前輪に設けたモータのトルクを制御するものもある。
特許番号２６２３４１９号公報

上述した従来の電動アシスト自転車では、モータを高速回転させてその出力を減速機を介して取り出すことによって高トルクを得ている。このため、人力駆動軸（人力駆動部）とモータ駆動部との伝達機構間にそれぞれ一方向クラッチが設けられている伝達機構上、後輪の回転力がモータに伝達されないことから回生運転はできないことになる。
すなわち、車両の慣性をモータの回生運転によって電源である電池に吸収し、それを使用する場合には、減速機効率が悪くて十分に吸収できない問題を有している。

ところで、近年、観光地等において電動アシスト三輪自転車にお客様を乗せての観光巡り等が行われている。これらの用途に電動アシスト自転車を適用して三輪車とする場合、アシスト機能が十分に発揮でき、電池はできる限り長時間使用できることが望ましい。この条件を達成するためには、回生電力量が多くて車体が軽量であることが必要となるが、従来のように減速機構を有するものでは軽量，コンパクト化、及び回生電力の吸収等において問題を有している。

そこで、本発明が目的とするところは、下り坂走行時や平地走行時でも慣性走行時にはモータを回生運転することで電源電池を充電し、電池容量の削減による小型化と回生制動力による安全性の向上を図ると共に、三輪自転車フレームの軽量化、製造の容易性等を図った電動アシスト三輪自転車とそのフレームを提供することにある。

本発明の第１は、ブレーキレバーを有するハンドルによって前輪方向を操作し、ペダル部の踏み込み力による駆動力とアシストモータによる駆動力とを後輪に伝達して走行する電動アシスト三輪自転車において、
前記ペダル部と後輪の回転シャフトとの間にアウターロータータイプの同期モータを有する駆動部を配置し、この駆動部のアウターローター部と一体的にスプロケットとリアギアを設け、ペダル部とスプロケット間にフロントチェーンを張設し、前記回転シャフトに設けられたデファレンシャルとリアギア間にリアチェーンを張設すると共に、前記ブレーキレバーの操作によって後輪にブレーキをかけるためのブレーキを備えたことを特徴としたものである。

本発明の第２は、前記駆動部の同期モータ電源回路は、順・逆変換機能を有するドライブ装置と、このドライブ装置と並列に設けられた電気二重層コンデンサ及びバッテリーを有することを特徴としたものである。

本発明の第３は、前記バッテリーの充電は、前記コンデンサの充電後に実施されることを特徴としたものである。

本発明の第４は、ブレーキレバーを有するハンドルによって前輪方向を操作し、ペダル部の踏み込み力による駆動力とアシストモータによる駆動力とを後輪に伝達して走行する電動アシスト三輪自転車において、
前記三輪自転車のシャシに、ボディーフレームを取り付け取り外し自在に設けると共に、このボディーフレームを鉄材よりなるパイプで形成したことを特徴としたものである。

本発明の第５は、前記ボディーフレームは、シャシに取り付ける基部枠と、基部枠の両側面に固着された側枠と、基部枠の前面から基部枠の後部にまで延伸され、且つ側枠の高さより高い位置になるよう配設された天上枠を有し、この天上枠と側枠間に支柱を配設したことを特徴としたものである。

本発明の第６は、前記ボディーフレームはシートで覆われ、前記第１乃至３の発明の何れかに使用されることを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、アシスト用にアウターロータータイプの同期モータを使用したものであるから、従来のような減速機を不要として軽量化が図れ、且つ回生制動による安全性の向上と回生エネルギーの吸収・使用ができるため、長距離運転が可能となると共に、構造が簡単なことから保守性に優れた構成となるものである。
また、ボディーフレームをパイプ材によって構成したことにより、加工が容易で
あることによってデザインの変更が簡単にでき、また、軽量化が図れることでボディーフレームの取り外しが容易となり、保守性、コスト的にも優れたものである。

図１は、本発明の実施例を示す電動アシスト三輪自転車のシャシ部分の側面図、図２は上面図を示したものである。シャシ部分は、前フレーム部１と後フレーム部２より構成されている。１０はフロントフレームで、その前部にはステー１１を介して前輪１２が回動自在に取り付けられる。フロントフレーム１０は水平軸１０ａとハンドルシャフト１４を支持するためのハンドルポスト１０ｂを有している。１３は三輪自転車のハンドルで、ハンドルシャフト１４及びユニバーサルジョイント等の連結体を介してトップブリッジ１５に固着されている。なお、ハンドル１３にはブレーキレバーが配設されている。１６は一端側がトップブリッジの左右に連結されたフロントフォークで、その他端側はそれぞれアクスルシャフト１７に固定される。前輪１２を支えるステー１１の一端は、車輪軸の左右においてベアリング介在して配設されるが、各ステー１１の他端は、それぞれアクスルシャフト１７の両端に連結されている。

したがって、ハンドル１３を例えば右方向に向けたときにはハンドルシャフト１４、トップブリッジ１５、フロントフォーク１６、アクスルシャフト１７及びステー１１を介して前輪１２は右方向に向けられ、また、ハンドルを左に切ったときには前輪１２も左方向に向けられる。１８はペダル部で、フロントフレーム１０の水平軸１０ａに回転自在に取り付けられると共に、ペダル部のクランク軸にはフロントギヤ１９が取付けられている。２０はフロントチェーンで、フロントギヤ１９と後フレーム部２に設けられるスプロケット間に張設される。運転者は、シート１８に着座してペダル部１８を踏み込むことにより、その駆動力をチェーン２０を通して後フレーム部２に伝達する。２１は取付部で、後述するボデーフレームをこの取付部２１にボルト等によって取付けられる。そして、これら１０〜２１によって前フレーム部１が構成されている。

２２はリアフレームで、このリアフレーム２２は台形状に形成された連結部２２ａと日状に形成された後輪取付部２２ｂを有している。前フレーム部１の水平軸１０ａと後フレーム部２の連結部２２ａとは、連結部２２ａの前面中間位置において溶接等により一体的に結合されて自転車のシャシが形成され、その結合部近辺に駆動部４が配設され、その駆動部にはスプロケット２３が設けられて前フレーム部との間にチェーンが張られている。このスプロケット２３とは車軸を介した対向位置にリアギヤ２４が配設されている。２５は回転シャフトで、ベアリング２６を介して後輪取付部２２ｂに取付けられ、その左右両端に後輪２７が固着されている。２８はデファレンシャルで、そのギヤ部とリアギヤ２４との間にはリアチェーン２９が張られている。３０はブレーキ部で、ハンドル１３に配設されたブレーキレバーを握ることにより連結体を介してこのブレーキ３０が操作される。３１は後部シート、３２はボディーフレーム３の取付孔である。

ボディーフレーム３は三輪自転車のシャシを覆って配置されるが、図３で示すように、鉄材よりなるパイプの曲げ及び溶接加工によって構成される。同図において、３３がフロント枠で、ボディーフレーム３には図示省略されたシートによって覆われて風雨等を遮るよう構成されるが、フロント枠３３の部位は透明なシートとされる。３４は前面側固定片で、この固定片３４は図１で示す取付部２１と係合してボルト等によって固定される。この他、ボディーフレーム３には、後フレーム部に設けられた取付孔３２と係合する突起部を有している。３５は基部枠で、この基部枠の左右にはそれぞれ側枠３６固着されている。３７は天上枠で、この天上枠３７は前面から後部シート後ろにまで至る曲線を有して形成され、後部においては直接基部枠３５に固着される。また、この天上枠は、側枠３６とは支柱３８及び前面支柱３９を介し多少の上下差をもって基部枠３５に固着されている。フロント枠３４は、この天井枠３７と溶接によって固着されている。

本発明において、ボディーフレーム３にパイプ材を使用したことは次の理由による。すなわち、パイプ材は安価な材料で且つ軽量化が図れると共に、主として曲げ加工のみであるので製造が容易であることにより、デザインの変更が簡単にできる。また、軽量であることにより、保守時には固定片３４と取付孔３２のボルト等の取付部材を取外すことにより簡単にボディーフレームを取り除くことが可能となることによる。

図４は駆動部４の構成を示したものである。４０は車軸、４１は車軸に嵌合されたベアリングで、その外周にはクラッチ４２を介して一体的にスプロケット２３が回動自在に取り付けられている。このスプロケット２３にはフロントチェーン２０が張設される。４３は継ぎ手で、円盤状で且つ中空部を有して形成され、その一部はクラッチ４２，４４に連結されている。継ぎ手４３の中空部内には、車軸４０に固着された支持版４６が延伸して配設されており、その先端円周に沿って巻線４８を有した固定鉄心４７が配設されている。また、この固定鉄心４７とはキャップＧを介して永久磁石４９が円周に沿ってＮ，Ｓ極交互にに配設されて回転子となっている。すなわち、４７〜４９によってアウタロータータイプの同期モータＳＭが構成される。また、クラッチ４２，継ぎ手４３，永久磁石４９及びクラッチ４４によってアウタローター部が形成される。
５０はプリント板で、このプリント板にはドライブ装置を構成する変換部や制御部の回路部品が実装され、取り付けボルトによって支持板４６に固着されている。５１は継ぎ手４３と支持板４６間に介挿されたベアリングである。なお、ベアリング４４には、リアギア２４が固着されている。また、図示省略されているが、制御用のＡ相，Ｂ相の位置検出信号を得るために、回転するクラッチ４２には磁石が配置され、この磁石と対向する支持板にはホール素子が配置されている。

上記のように構成された駆動部４は、ペダルを踏み込むことにより、その駆動部はフロントチェーンを介してスプロケット２３、クラッチ４２、継ぎ手４３及びリアギア２４に伝達され、それらは各ベアリング４１，４４，５１によって支承されながら回転する。継ぎ手４３の回転により、継ぎ手に固着された永久磁石４９も回転し、回転する永久磁石４９と固定子巻線４８との間で吸引力と反発力が発生する。これを利用して回転子位置に応じて固定子巻線４８に流れる電流方向を切り換えることにより回転を継続させ、その駆動力を後輪側に伝達する。

図５は駆動部の回路構成の一例を示したものである。ＳＭは駆動モータで、図４で示す４７〜４９によって構成されたアウタロータータイプの同期モータである。Ｄｒはドライブ装置で、順方向及び逆方向の変換機能と制御機能を有してトランジスタや他の回路素子等により構成され、それらは駆動部４のプリント板 ５０に実装されている。Ｂばバッテリー、Ｃはコンデンサで電気二重層コンデンサが使用される。ＦＥＴはメーンスイッチ、ＣＰはヒステリシス付きのコンパレータ、Ｔｒ１，Ｔｒ２はトランジスタ、Ｓ１は電圧検出器、Ｒ１〜Ｒ６抵抗、Ｌはリアクトル、Ｄ１，Ｄ２はそれぞれダイオードである。
この回路におけるバッテリーＢの充電は、充電用電源から先ずコンデンサＣが充電され、その電圧が所定値に達したときにメーンスイッチＦＥＴをオンする。
メーンスイッチＦＥＴのオンによりコンデンサＣからリアクトルＬ、バッテリーＢ及びメーンスイッチＦＥＴの閉ループが形成されてバッテリーＢが充電され、充電電圧が所定値に到達したときに充電が完了する。

この状態をさらに詳述する。コンデンサＣの両端電圧を抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧して電圧検出器Ｓ１に出力する。電圧検出器Ｓ１は、入力された電圧が検出レベル以上となったとき出力を発生してトランジスタＴｒ１のベースに電流が流れてＴｒ１をオンし、抵抗Ｒ４，Ｒ５を介してメーンスイッチＦＥＴをオンしてバッテリーＢを充電する。コンデンサＣが放電し、コンデンサＣの電圧よりバッテリーＢの電圧が高くなると、その差電圧△ＶでリアクトルＬを経由してコンデンサＣを充電する。この時、ｉ＝△Ｖ／Ｌ・ｔで電流ｉが流れるが、電流検出器Ｉｄによって検出された電流ｉがコンパレータＣＰのオンレベル値以上となるとコンパレータＣＰの出力はハイレベルとなり、抵抗Ｒ６を経てトランジスタＴｒ２をオンする。この結果、メーンスイッチＦＥＴがオフし、バッテリーＢからのコンデンサＣへの充電は中断する。
電流の中断に伴ってリアクトルＬに蓄えられたエネルギーは、コンデンサＣ、電流検出器Ｉｄ、ダイオードＤ２の閉ループを流れて減衰する。この電流がコンパレータＣＰのオフレベルにまで減少すると、コンパレータＣＰの出力はローレベルとなってトランジスタＴｒ２がオフし、再びメーンスイッチＦＥＴがオンする。以下このような動作を繰り返すことにより、コンデンサＣとバッテリーＢが充電される。

一方、駆動モータＳＭの力行状態時には、ドライブ装置Ｄｒはインバータとなり、コンデンサＣ、ドライブ装置Ｄｒを通してモータＳＭに電流が流れる。
三輪自転車が下り坂走行となり、駆動モータが発電機として動作したときには、ドライブ装置Ｄｒはコンバータとなり、加速エネルギーをモータＳＭ、ドライブ装置Ｄｒを通してコンデンサＣを充電し、その充電電圧が一定値以上となったとき前述の動作によってバッテリーＢを充電する。
このように本発明は、加速エネルギーを電源に吸収して制動トルクを発生させる共に、電源を充電するものであるから、電源であるバッテリー容量が小さくても長距離走行が可能となる。
特に、本発明においては、ハンドル１３の近傍に配置されるブレーキレバー（図１では図示省略）を操作することにより、後輪の回転シャフト２５に配置されたブレーキ部３０を介してブレーキをかけるよう構成されているため、平坦地走行時においても、このブレーキ操作時に駆動モータＳＭは回生運転状態となり、回生によって生じたエネルギーをコンデンサやバッテリーに吸収することができ、しかも、駆動モータと後輪間はリアチェーン２９により繋がっているため、減速機に比べて損失が少なく、回生運転による電源バッテリーの充電効率を良くしてより長距離走行が可能となるものである。

また、ハンドブレーキ操作により、モータを回生運転することにより電気制動トルクを得て減速させることでメカブレーキの制動力を減じることができる。このため、大型の重量車においても、メカブレーキ力は坂道での停止状態が保持できて、ブレーキの摩耗も少なくて済む程度のものに選定でき、ブレーキ構造を簡素化でき、且つ軽量化が図られる。
さらに、バッテリーの充電電流は大きな回生電流があるときでも、そのエネルギーをコンデンサＣに一度貯え、その後にスイッチング素子の制御によって定電流充電することで過大電流充電の防止ができるため、バッテリーの過電流耐量を小さく選定することができる。また、回生充電により走行時のバッテリー充電が可能となることからバッテリー容量を小さく選定できる。なお、コンデンサとして電気二重層コンデンサを使用するこで、緊急時には大電流による短時間充電が可能となるものである。

本発明の実施形態を示すシャシの側面図。 本発明の実施形態を示すシャシの上面図。 本発明のボディーフレームの構成図。 本発明に使用される駆動部の構成図。 駆動部の回路構成図。

符号の説明

１…前フレーム部
２…後フレーム部
３…ボディーフレーム
４…駆動部
１２…前輪
１３…ハンドル
１８…ペダル部
２０…フロントチェーン
２３…スプロケット
２４…リアギア
２９…リアチェーン
２５…回転シャフト
２７…後輪
２８…デファレンシャル
３０…ブレーキ部

Claims (6)

1. ブレーキレバーを有するハンドルによって前輪方向を操作し、ペダル部の踏み込み力による駆動力とアシストモータによる駆動力とを後輪に伝達して走行する電動アシスト三輪自転車において、
   前記ペダル部と後輪の回転シャフトとの間にアウターロータータイプの同期モータを有する駆動部を配置し、この駆動部のアウターローター部と一体的にスプロケットとリアギアを設け、ペダル部とスプロケット間にフロントチェーンを張設し、前記回転シャフトに設けられたデファレンシャルとリアギア間にリアチェーンを張設すると共に、前記ブレーキレバーの操作によって後輪にブレーキをかけるためのブレーキ部を備えたことを特徴とした電動アシスト三輪自転車。
2. 前記駆動部の同期モータ電源回路は、順・逆変換機能を有するドライブ装置と、このドライブ装置と並列に設けられた電気二重層コンデンサ及びバッテリーを有することを特徴とした請求項１記載の電動アシスト三輪自転車。
3. 前記バッテリーの充電は、前記コンデンサの充電後に実施されることを特徴とした請求項１又は２記載の電動アシスト三輪自転車。
4. ブレーキレバーを有するハンドルによって前輪方向を操作し、ペダル部の踏み込み力による駆動力とアシストモータによる駆動力とを後輪に伝達して走行する電動アシスト三輪自転車において、
   前記三輪自転車のシャシに、ボディーフレームを取り付け取り外し自在に設けると共に、このボディーフレームを鉄材よりなるパイプで形成したことを特徴とした電動アシスト自転車のボディーフレーム。
5. 前記ボディーフレームは、シャシに取り付ける基部枠と、基部枠の両側面に固着された側枠と、基部枠の前面から基部枠の後部にまで延伸され、且つ側枠の高さより高い位置になるよう配設された天上枠を有し、この天上枠と側枠間に支柱を配設したことを特徴とした請求項４記載の電動アシスト自転車のボディーフレーム。
6. 前記ボディーフレームはシートで覆われ、請求項１乃至３の何れか１項に使用されることを特徴とした請求項４又は５記載の電動アシスト自転車のボディーフレーム。
   

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