JP2006034901A - Electric wheel - Google Patents
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Abstract
Description
[発明の属する技術分野]
本発明は、電動機によって駆動される、電動方式の車椅子類及び自転車類用の電動車輪に関する。[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to an electric wheel for electric wheelchairs and bicycles driven by an electric motor.
[従来の技術]
従来の電動方式の車椅子類及び自転車類の電動車輪では、一般に一個の専用電動機を車輪の回転軸に平行に装備して、直接にまたは減速装置を介してタイヤを駆動していた。[Conventional technology]
Conventional electric wheelchairs and bicycle electric wheels are generally equipped with one dedicated electric motor parallel to the wheel rotation axis and drive tires directly or via a reduction gear.
[発明が解決しようとする課題]
従来の技術により、電動機で直接タイヤを駆動する場合は、低い回転数と大きいトルクを持つ専用電動機を採用する必要があり、形状の大型化と価格の上昇を伴っていた。
また前記専用電動機の動力を減速装置を介してタイヤに伝達する場合には、やはり、低い回転数と大きいトルクを得るために、減速装置の歯車の段数が多くなる等の問題があり、同様に形状の大型化と価格の上昇を伴う結果となっていた。
さらに、専用電動機を使用しているので、仕様の変更に対応する事が困難であった。[Problems to be solved by the invention]
When a tire is directly driven by an electric motor according to a conventional technique, it is necessary to adopt a dedicated electric motor having a low rotation speed and a large torque, which is accompanied by an increase in shape and price.
In addition, when the power of the dedicated motor is transmitted to the tire via the speed reducer, there is still a problem that the number of gear stages of the speed reducer increases in order to obtain a low rotational speed and a large torque. The result was an increase in shape and price.
Furthermore, since a dedicated electric motor is used, it is difficult to cope with changes in specifications.
[課題を解決するための手段]
上記課題を解決するために、本発明では1個または複数の汎用電動機を、車輪のハブ内に、車輪の回転方向とほぼ直交する形態で収納し、1組のウオームギヤまたはベベルギヤと組み合わせて、動力を車輪のタイヤに伝達する様にした。
また、前記ウオームギヤまたはベベルギヤと車輪のハブとの間に、一方向クラッチを介在させ、前記電動機が稼動している時だけ動力の伝達が可能であり、それ以外の状況では、車輪は自由回転をする様にし、電動、非電動の両動作に対応可能となる様にした。
更に、本発明では、汎用の電動機を使用して、車輪の価格の低減を計ると共に、装着する電動機の数を変更し、車輪の仕様の変更に容易に対応出来る様にした。
電動機への電力は、パルス幅制御方式または周波数制御方式の制御電源を通じて供給するが、その制御は車椅子類または自転車類の操縦者の操作により、パルス幅または周波数を手動で制御する事によって行うか、前記操縦者が駆動輪またはペダルを駆動することによって生づる車輪の回転数または電動機に流れる電流の変化を検知して、電動機へ供給する電力を自動的に制御し、操縦者の補助を行わせる様にした。[Means for solving problems]
In order to solve the above problems, in the present invention, one or a plurality of general-purpose electric motors are accommodated in a hub of a wheel in a form substantially orthogonal to the rotational direction of the wheel, and combined with a pair of worm gears or bevel gears to Is transmitted to the wheel tires.
Further, a one-way clutch is interposed between the worm gear or bevel gear and the wheel hub so that power can be transmitted only when the electric motor is operating. In other situations, the wheel is free to rotate. In this way, both electric and non-electric operation can be supported.
Furthermore, in the present invention, a general-purpose electric motor is used to reduce the price of the wheel, and the number of electric motors to be mounted is changed so that it can easily cope with a change in wheel specifications.
Electric power is supplied to the motor through a pulse width control system or a frequency control system control power supply. Is the control performed by manually controlling the pulse width or frequency by the operator of a wheelchair or bicycle? Assisting the driver by automatically controlling the power supplied to the motor by detecting changes in the number of wheel rotations or the current flowing in the motor generated by the driver driving the driving wheel or pedal. I tried to make it.
[発明の実施の形態]
次に、添付図面を参照して、本発明について具体的に説明する。
[図1](a)は、本発明による電動車輪のハブ部分を側面から見た、概略的な構造図である。
図において符号1はハブを、符号2、2‘は電動機を、符号3は車輪の中心軸を示している。
また、符号4はウオームホイルを符号5,5‘はウオームを示ている。
ウオームホイル4とウオーム5、5‘は組合されて1組のウオームギヤを構成する。
さらに符号6,6‘、6“はスポークを示し、スポークは図示されていない、タイヤやチューブが装着された車輪のホーイールとハブ1を結合し、車輪を形成する。
この説明では、図示されていないタイヤホイールとハブ1は、スポークで接合される場合について説明しているが、ハブ1の径を大きくして直接接合したり、フレーム状等の接合材を使用しても、同様に機能する事は勿論である。
[図1](b)は、本発明の一実施例の車輪の中心軸を通る面で切断した、ハブ1の内部構造を示す概略図である。
図から明らかな様に、ハブ1は車輪の中心軸3に符号8及び9で示されるベアリングを介して、中心軸3の回りを自由に回転可能な状態で結合されている。
またハブ1は、ウオームホイル4と結合され、一体となって回転する。
中心軸3はその両端で図示されていない、車椅子類または自転車類のフレームに嵌合され、その上に施されているネジと、図示されていないナットによつて前記フレームに締め付けられ固定される。
符号7は、電動機支持材を示している。
支持材7は中心部で、中心軸3に固定されており、図示されていない固定材で電動機2および2‘を固定している。
ここでは、ウオームギヤを用いた場合について説明しているが、ベベルギヤの場合はウオームホイルおよびウオームの代わりに、1組のベベルギヤを装着すれば、全く同様に機能させる事が可能である。
ただし、ベベルギヤのみでは、減速率が低い場合があるので、減速歯車付きの電動機を使用する必要が生じる場合がある。
さらに、ここでは電動機を2個用いた実施例について説明しているが、電動機を1個とした場合、または6個程度まで増加しても、ハブ1の内部構造を殆ど変える事なく、同様に機能させる事が可能である。[Embodiment of the Invention]
Next, the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 (a) is a schematic structural view of a hub portion of an electric wheel according to the present invention as viewed from the side.
In the figure, reference numeral 1 denotes a hub,
Reference numeral 4 indicates a worm wheel, and
The worm wheel 4 and the
Further, reference numerals 6, 6 ′, and 6 ″ denote spokes, and the spokes, which are not shown, are combined with the wheel 1 of a wheel on which a tire or a tube is mounted and the hub 1 to form a wheel.
In this description, the tire wheel (not shown) and the hub 1 are described as being joined by spokes. However, the hub 1 may be directly joined by increasing the diameter of the hub 1 or a frame-like joining material may be used. But of course it works in the same way.
[FIG. 1] (b) is a schematic view showing the internal structure of the hub 1 cut along a plane passing through the central axis of the wheel of one embodiment of the present invention.
As is apparent from the figure, the hub 1 is connected to the central axis 3 of the wheel via bearings indicated by reference numerals 8 and 9 so as to freely rotate around the central axis 3.
The hub 1 is coupled to the worm wheel 4 and rotates together.
The center shaft 3 is fitted to a wheelchair or bicycle frame (not shown) at both ends thereof, and is fastened and fixed to the frame by screws applied thereon and nuts (not shown). .
Reference numeral 7 denotes an electric motor support material.
The support member 7 is fixed to the center shaft 3 at the center, and the
Here, a case where a worm gear is used has been described, but in the case of a bevel gear, if a pair of bevel gears are mounted instead of a worm wheel and a worm, the same function can be achieved.
However, since the reduction rate may be low with only the bevel gear, it may be necessary to use an electric motor with a reduction gear.
Furthermore, although the embodiment using two electric motors is described here, the internal structure of the hub 1 is hardly changed even when the number of electric motors is one or when the number is increased to about six. It is possible to function.
[図2](a)は、本発明に用いられる、一方向クラッチの一実施例の、車輪の中心軸3に平行な面で切断した断面の部分的な概略図であり、(b)は中心軸3に直角な面で切断した断面の部分的な概略図である。
図から明らかな様に、ハブ1はウオームホイル4と分離され、ウオームホイル4の回転軸の上にハブ1の回転軸が重ねられている。
ウオームホイル4の回転軸には回転方向に符号10で示される溝が設けられ、その溝10の中に符号11で示される鋼球が嵌込まれている。
[図2](b)で明らかな様に、溝10はウオームホイル4の回転方向の先端では深くなり上下を貫く開口となり、後端では浅くなっている。
中心軸3には、符号12で示される、浅い溝が設けられ、その一部に、符号13で示される突起が設けられている。
符号14,15は中心軸3とウオームホイル4間に装着されたベアリングである。
電動機が稼動し、ウオームホイル4が図で反時計方向に回転し、鋼球11が突起13に接触すると、鋼球11は溝10の中を後方に移動し、溝10の勾配部分に乗り上げその上部が、ハブの回転軸の内面に接触し、摩擦によりさらに後方に移動し、それ以上移動出来ない点で、ウオームホイル4とハブ1を固着し、一体となって回転する様になる。
車輪が停止する時、ウオームホイル4の回転速度がハブ1の回転速度より遅くなると、鋼球11は溝10の勾配を滑り先端の開口部に落ち込み、ウオームホイル4と、ハブ1の結合は解ける。
従って、電動機が稼動していない時、ウオームホイル4とハブ1とは、完全にフリーな関係を維持し、車輪は自由回転可能となる。
ここでは、鋼球11が1個の場合に付いて説明したが、複数個の鋼球を用いる事も可能であり、更に、1個または複数の、鋼製の円柱材を用いる事も可能である。[FIG. 2] (a) is a partial schematic view of a cross section of an embodiment of the one-way clutch used in the present invention, cut along a plane parallel to the central axis 3 of the wheel. 4 is a partial schematic view of a cross section cut along a plane perpendicular to the central axis 3. FIG.
As is apparent from the figure, the hub 1 is separated from the worm wheel 4, and the rotation axis of the hub 1 is superimposed on the rotation axis of the worm wheel 4.
On the rotating shaft of the worm wheel 4, a groove indicated by
[FIG. 2] As is apparent from FIG. 2B, the
The central shaft 3 is provided with a shallow groove indicated by reference numeral 12, and a protrusion indicated by reference numeral 13 is provided at a part thereof.
Reference numerals 14 and 15 denote bearings mounted between the central shaft 3 and the worm wheel 4.
When the electric motor is activated, the worm wheel 4 rotates counterclockwise in the figure, and the
When the rotation speed of the worm wheel 4 becomes slower than the rotation speed of the hub 1 when the wheel stops, the
Therefore, when the motor is not operating, the worm wheel 4 and the hub 1 maintain a completely free relationship, and the wheels can freely rotate.
Here, the case where there is one
[図3]は、本発明の電動車輪を装備した電動車椅子類または電動自転車類を操縦者が手動で操作する場合に用いられる制御電源回路の概略図を示している。
図において、符号20は、汎用のパルス幅制御電源用集積回路を示しており、符号21は電源端子を、符号22は基準電圧端子、符号23は接地端子、符号24はCT端子(発振周波数設定用コンデンサー接続端子)、25はRT端子(発振周波数設定用抵抗器接続端子)、符号26はF/B端子(フイードバック端子)符号27は出力端子を示している。
また、符号28は電源電池、符号29は出力用パワーMOSFET、符号30、32、33は抵抗器、符号31、34は可変抵抗器、符号35はコンデンサーを示している。
集積回路20の発振周波数は抵抗器33、可変抵抗器34及びコンデンサー35の値で決まる。
また、出力パルスのON,OFF比は、F/B端子26の電圧によって決定される。
従って、可変抵抗器31及び34にレバー等を装着し、電動車椅子類または電動自転車類の操縦者によって操作させ、可変抵抗器の値を変える事により、容易にパルス幅制御または周波数制御を行う事が可能であり、電動機への供給電力を制御し、速度を制御する事が出来る。
パルス幅制御を行う時には、可変抵抗器34を固定抵抗器に、周波数制御を実施する時には、可変抵抗器31を固定抵抗器に変更すれば、誤動作を起こす恐れが減少する。
可変抵抗器31及び34は数個の固定抵抗器と、それに対応したスイッチを組み合わせ、スイッチを切り替える方法に置き換える事も可能である。
また、汎用の集積回路20は製造メーカーによって仕様が違うので、仕様に従って使用する必要がある事は言うまでもない。FIG. 3 shows a schematic diagram of a control power supply circuit used when the operator manually operates the electric wheelchairs or the electric bicycles equipped with the electric wheels of the present invention.
In the figure,
The oscillation frequency of the
Further, the ON / OFF ratio of the output pulse is determined by the voltage of the F /
Therefore, it is possible to easily perform pulse width control or frequency control by attaching levers or the like to the
If the
The
In addition, since the general-purpose integrated
[図4]は、本発明による電動車輪を装備した、電動車椅子類または電動自転車類の操縦者が、駆動輪またはペダルを駆動して、速度を変えた時、その速度を検出して、自動的に電動機への供給電力を制御して、操縦者の操作を補助するための制御回路の概略図である。
回路図の各部の符号の大半は[図3]と同様である。
[図4]では[図3]で用いられた可変抵抗器31及び34に代わって、符号36で示される速度検出用コイル、符号37で示される整流器、符号38で示されるコンデンサー及び符号39で示される抵抗器が追加される。
速度検出用コイル36は、例えばウオームホイル4の側面に永久磁石の小片を貼り付け、その回転面に近い電動機保持材7に巻き線を配置する事により容易に形成する事が可能である。
速度検出用コイル36に発生する電力の電圧はウオームホイル4の回転数により変化する。
その電力を整流器37で整流し、コンデンサー38に蓄積し直流電力に変換し、抵抗器32を介してF/B端子26に印加する。
整流された電力はF/B端子26の電圧を低下させる方向に働き、出力のONパルスの幅を拡大する方向に働く。
従って、操縦者が駆動輪またはペダルを駆動して速度を上げると、電動機2への供給電力が増加し、操縦者の操作を補助する様に働く。
操縦者がブレーキ等を操作して速度を下げ様とすると、逆の現象が生じ、電動機2への供給電力が減少し、同様に操縦者の操作を補助する方向に動作する。
符号39で示される抵抗器はコンデンサー38と組合されて、この回路の時乗数を決定し、回路の動作を円滑なものにする機能を持つ。
また、速度検出コイル36の発生電圧が大きくなると符号37‘で示される整流器が導通し、F/B端子26の電圧の下降は止まり、それ以上の供給電力の増大を防ぎ、最高速度制限機能を発揮する。
速度検出コイル36を含む回路を可変抵抗器34の代わりにRT端子25の回路に接続すると、ほぼ同様に、周波数を増減して、操縦者の操作を補助する様に動作させる事が可能である。
この場合、抵抗器32の下端はグランド配線に直接接続される。
ここでは、回転数検出コイル36で発生する電圧を直接F/B端子26に伝える回路に付いて説明したが、適切な特性を持つ増幅回路を介在させる事により、制御電源の動作特性を、より適切なものにする事が可能である。[FIG. 4] shows that when a driver of an electric wheelchair or an electric bicycle equipped with electric wheels according to the present invention drives a driving wheel or a pedal to change the speed, the speed is detected and automatically FIG. 3 is a schematic diagram of a control circuit for assisting a driver's operation by controlling electric power supplied to the electric motor.
Most of the reference numerals of the respective parts in the circuit diagram are the same as those in FIG.
In FIG. 4, instead of the
The
The voltage of the electric power generated in the
The electric power is rectified by the
The rectified power works in a direction to lower the voltage of the F /
Therefore, when the driver increases the speed by driving the driving wheel or the pedal, the power supplied to the
When the driver operates the brake or the like to reduce the speed, the reverse phenomenon occurs, the power supplied to the
A resistor denoted by
Further, when the voltage generated by the
When a circuit including the
In this case, the lower end of the
Here, the circuit that directly transmits the voltage generated in the rotation
[図5]は、本発明による電動車輪の電動機2に流れる電流を検出して、電動車椅子類または電動自転車類の操縦者の操作を自動的に補助するための、制御電源回路の概略図である。
図中の符号の大半が[図3]と同様である事は前項と同じである。
図において、符号40はパワーMOSFET29のソース端子と回路のグランド配線間に接続された電流検出用抵抗器を示す。
この抵抗器に流れる電流値は、電動機2に流れる電流値と同一である。
電動機2に流れる電流の値は、電動機の回転数が低い時は大きく、回転数の上昇と共に減少する。
電力は、符号41で示される整流器によって整流され、符号38で示されるコンデンサーに蓄積され、抵抗器32を介してF/B端子26へ伝えられる。
電動車椅子類または電動自転車類の操縦者が駆動輪またはペダルを駆動して加速すると、電動機2の回転数が上がり、電動機2を流れる電流が減少する。
その結果、抵抗器40に発生する電圧が低下し、F/B端子26に加わる電圧が低下し、駆動電力のONパルス幅を拡大し、電動機2に供給される電力が増大する結果となり、操縦者を補助する働きをする。
操縦者がブレーキ等を操作して減速した場合には、回路は逆に動作し、操縦者の操作を補助する事は同様である。。
符号42で示される整流器と抵抗器43は、整流器41による電圧降下を補正する機能を持つ。
また抵抗器32はF/B端子26の最低電圧を規定する機能を持ち、電動車椅子類または電動自転車類の最高速度を制限する機能を持つ。
この回路をRT端子25に接続されている抵抗器33とグランド配線間に接続すると、制御電源は周波数変調動作を行い、電動機2の電力を制御して、操縦者の補助を行う事は同様である。
ここでは電流検出抵抗器40からの電圧を直接F/B端子26に伝える回路に付いて説明したが、適当な機能を持つ増幅回路を介在させれば、より適切な制御動作を行わせる事が可能となる。[FIG. 5] is a schematic diagram of a control power supply circuit for automatically assisting an operator of an electric wheelchair or electric bicycle by detecting a current flowing through the
It is the same as the previous item that most of the reference numerals in the figure are the same as in FIG.
In the figure,
The current value flowing through the resistor is the same as the current value flowing through the
The value of the current flowing through the
The electric power is rectified by a rectifier indicated by reference numeral 41, accumulated in a capacitor indicated by
When an operator of an electric wheelchair or an electric bicycle drives and accelerates a driving wheel or a pedal, the number of revolutions of the
As a result, the voltage generated in the
When the pilot decelerates by operating a brake or the like, the circuit operates in the reverse direction, and it is the same that assists the pilot's operation. .
The rectifier and
The
When this circuit is connected between the
Here, the circuit for transmitting the voltage from the
[発明の効果]
以上説明したように、本発明によれば、1台または複数台の汎用小型電動機を車輪の回転方向に直交する様に装着する事により、限られたハブの空間を有効に利用する事が可能になり低価格高性能な電動車輪を実現する事が可能となり、かつ、電動機の数を増減する事により、装置の構造を殆ど変える事なく、容易に仕様の変更に対応出来る電動車輪を実現する事が可能となった。
また、構造が簡単で形状の小さいワンウエークラッチの採用により、電動及び非電動動作の両立が可能な電動車輪の実現が可能となった。
また、制御電源を手動で制御する事も、自動的な補助動作を行う事も可能な電動車輪の実現を可能とした。[The invention's effect]
As described above, according to the present invention, it is possible to effectively use a limited hub space by mounting one or more general-purpose small electric motors so as to be orthogonal to the rotational direction of the wheels. It is possible to realize low-priced and high-performance electric wheels, and by increasing or decreasing the number of motors, it is possible to realize electric wheels that can easily adapt to specification changes without changing the structure of the device. Things became possible.
In addition, the adoption of a one-way clutch with a simple structure and a small shape has made it possible to realize an electric wheel that can achieve both electric and non-electric operation.
In addition, it is possible to realize an electric wheel that can control the control power supply manually and can perform automatic auxiliary operation.
1・・・・・・・・・・・・ハブ
2,2‘・・・・・・・・・電動機
3・・・・・・・・・・・・中心軸
4・・・・・・・・・・・・ウオームホイル
5,5‘・・・・・・・・・ウオーム
6,6‘、6“・・・・・・スポーク
7・・・・・・・・・・・・支持材
8、9・・・・・・・・・・ベアリング
10・・・・・・・・・・・ウオームホイル回転軸に設けられた溝
11・・・・・・・・・・・鋼球
12・・・・・・・・・・・中心軸上に設けられた溝
13・・・・・・・・・・・溝12中に設けられた突起
14,15・・・・・・・・ベアリング
20・・・・・・・・・・・パルス幅制御用集積回路
21・・・・・・・・・・・電源端子
22・・・・・・・・・・・基準電圧端子
23・・・・・・・・・・・グランド端子
24・・・・・・・・・・・CT端子
25・・・・・・・・・・・RT端子
26・・・・・・・・・・・F/B端子
27・・・・・・・・・・・出力端子
28・・・・・・・・・・・電池
29・・・・・・・・・・・パワーMOSFET
30、32、33・・・・・抵抗器
31、34・・・・・・・・可変抵抗器
35、38・・・・・・・・コンデンサー
36・・・・・・・・・・・回転数検出コイル
37、37‘・・・・・・・整流器
39、43・・・・・・・・抵抗器
40・・・・・・・・・・・電流検出用抵抗器
41、42・・・・・・・・整流器1 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・
30, 32, 33 ...
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