JP2006136165A - 自転車用発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が簡単で、かつユーザにかかる負荷を軽減することができる自転車用発電機を提供する。
【解決手段】 自転車２に適用される自転車用発電機１であって、ケーシング９、入力軸１０、ロータ１１、およびステータ１２を備える発電機本体７と、外周部の一部を自転車２の車輪３の側面に接触させて当該車輪３と共に回転される回転体８とを備えており、ロータ１１が、その周方向にＮ極およびＳ極を交互に着磁した永久磁石から形成されており、ステータ１２が、ロータ１１の外周面を非接触で覆うようにロータ１１の磁極のそれぞれに対向してロータ１１の周方向に所定の離隔間隔で配置された複数の鉄心１５と、当該複数の鉄心１５の外周部１５ａに支持される環状の巻線コイル１４とを備えており、ロータ１１の磁極数が８極以上１６極以下に設定されてなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、自転車用電灯などに適用される自転車用発電機に関する。

従来より、自転車用電灯などに用いられる小容量の電源として、発電機（ダイナモ）や電池などが用いられている。発電機の場合、メンテナンスなどを気にすることなく使用することができるが、当該発電機を駆動させるトルクが大きいために自転車のペダルを介してユーザの足にかかる負担が大きいという問題がある。電池の場合、発電機のように自転車走行時にユーザの足に負担をかけることはないが、電池の残りの容量を常に気にかける必要がある。また電池の場合、電圧が低いため、例えばＬＥＤなどを直列に配置することができず、電池の電圧に応じてＬＥＤを並列配置しなければならない。そのため各ＬＥＤに流れる電流が偏らないように、各ＬＥＤの上流に電流制限抵抗などを設ける必要があり、装置が複雑になるという問題がある。

ところでかかる先行技術は、文献公知発明に係るものでないため、記載すべき先行技術文献情報はない。

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、構造が簡単で、かつユーザの足に掛かる負担を軽減することができる自転車用発電機を提供することを目的とする。

本発明に係る自転車用発電機は、自転車に適用される自転車用発電機であって、ケーシング、当該ケーシングに回転自在にその両端が支持された入力軸、前記ケーシングに同心的に内蔵され前記入力軸に対して同軸に設けられたロータ、および、前記ケーシングに内蔵され前記ロータの外側に当該ロータと同軸に配置されたステータを備えた発電機本体と、当該発電機本体の前記ケーシングの外側に突出された入力軸の入力端部に同軸に取り付けられて、その外周部の一部を前記自転車の車輪の側面に当接させて当該車輪と共に回転される回転体とを備えており、前記ロータが、その周方向にＮ極およびＳ極を交互に着磁した永久磁石から形成されており、前記ステータが、前記ケーシングの内側に取り付けられた、前記ロータの外周面を非接触で覆うように当該ロータの磁極のそれぞれに対向して当該ロータの周方向に所定の離隔間隔で配置された複数の鉄心と、当該複数の鉄心の外周部に支持される環状の巻線コイルとを備えており、前記発電機本体の磁極数を８極以上１６極以下に設定してなる。

この構成では、発電機本体の磁極を多極にしているので、発電効率を高くすることが可能となる。ここで発電効率は、発電機本体の発電（出力）量を、発電機本体（入力軸）への入力量で割ったものである。この入力量は、ユーザが自転車のペダルを回転させることによって与えられる。つまりユーザが足で自転車のペダルを回転させることによって生成される動力が自転車の車輪に伝達される。この動力が当該車輪を通じて当該車輪に当接する前記回転体に伝達される。さらにこの動力は回転体を通じて前記入力軸に伝達される。この入力軸に伝達された動力（入力軸を回転させるトルク）が上述した発電機本体（入力軸）への入力量である。以上より、自転車用発電機の発電効率を向上させることによって、前記入力量を自転車用発電機の発電効率が向上した分だけ小さくすることができる。その結果、ユーザの足に掛かる負担を小さくすることが可能となる。

本発明では、発電機本体の磁極数を８極以上１６極以下にしている。これは、発電機本体の磁極数が８極未満である場合、発電機の発電効率が著しく低下するので実用上好ましくないからである。また発電機本体の磁極数が１６極を超える場合、ロータが大きくなり、発電機本体自体が大型化して、自転車用発電機として適さず、また磁極数が１６極を超えると発電機本体の製作が困難になるからである。さらに言えば、発電機本体の発電効率および製作容易性を考慮すると、発電機本体の磁極数を１２極にするのが好ましい。

また発電機本体の磁極数を多極にすることにより、発電機本体の交流出力を例えばブリッジダイオードで整流するだけで、非常に滑らかな直流電流を得ることもでき、またちらつきのほとんどない発光が可能となる。

さらに巻線コイルを環状にすることにより、多ターン巻きを可能にしている。その結果、発電機本体の出力性能を高電圧高インピーダンスにすることが可能となる。これにより、例えば比較的高い電圧を要するＬＥＤなどの発光体などは、従来は並列配置されかつ電流制限抵抗を必要としていたが、その必要性が無くなった。つまり高電圧を実現することでＬＥＤなどを直列に配置することが可能となり、高インピーダンスを実現することで電流を均一に分配するための電流制限抵抗を設ける必要がなくなった。これにより、発電機本体の構造を簡素化することが可能となった。

ところで巻線コイルの巻数は、電灯など電源供給先の電圧に応じて適宜設定される。例えば自転車用電灯に使用する場合、巻線コイルの巻数は４０００以上５０００以下であることが望ましい。これにより適切な電圧が得ることが可能となる。しかしこれに限定するものではない。

また以上のように巻線コイルの巻数を多ターンにするとともに発電機本体の磁極数を多極にすることにより、発電機本体の電圧の立ち上がりが非常に速くなる。その結果、例えば２．５ｋｍ／ｈという自転車を押して歩く速度でも、自転車用電灯を点灯させることが可能となる。つまり自転車が走行し始めると同時に自転車用電灯を点灯させることが可能となる。これに対して従来のダイナモでは磁極数が２極であるため、発電機の電圧の立ち上がりが遅く、本発明のような作用効果は得られなかった。

前記回転体が、前記ケーシングより大きな直径を有してなることが好ましい。

上述した入力軸を回転させるトルクは、前記回転体の回転半径と当該回転体および車輪の接触抵抗力との積で表現される。従って、前記入力軸を同一トルクで回転させる場合、前記回転体の回転半径が大きいほど前記回転体と車輪との接触抵抗力を小さくすることができるといえる。また自転車の車輪を回転させるトルクは前記接触抵抗力と、車輪の回転半径との積で表すことができる。従って、前記接触抵抗力が小さくなった分だけ、自転車の車輪を回転させるトルクを小さくすることができる。これにより、ユーザが自転車のペダルを回転させて発生させるトルクも小さくすることができる。その結果、ユーザの足にかかる負担を軽減することが可能となる。これに対して、従来の発電機（ダイナモ）は、磁極数が２極であるために、所定の発電量を得るために本発明の回転体に相当する回転部分を高速に回転させる必要があり、当該回転部分の直径がケーシングより小さくなっている。その結果、この回転部分と自転車の前輪との接触抵抗力が本発明の回転体と自転車の前輪との接触抵抗力より大きく、従来の発電機はユーザの足に大きな負担を掛けるものとなっている。

本発明に係る自転車用発電機によれば、構造を簡単にすることができ、ユーザの足にかかる負担を軽減することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、自転車に装着された本発明の実施形態に係る自転車用発電機の側面図である。ここでは、本実施形態に係る自転車用発電機が自転車用電灯に適用される場合を一例として説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る自転車用発電機１は、自転車２の前輪３を支持するフレーム４に取付具５を介して取り付けられている。この取付具５には、自転車２の進行方向を照らす自転車用電灯６もその照射面が自転車２の進行方向に向くように取り付けられている。そして本実施形態に係る自転車用発電機１は、前記自転車用電灯６に電気供給可能に接続されている。

図２は、本発明の実施形態に係る自転車用発電機の構造図であり、（ａ）は部分破断側面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ矢視の部分断面図である。

図２（ａ）に示すように、本実施形態に係る自転車用発電機１は、発電機本体７と、自転車２を走行させるときに前記前輪３の側面に当接して回転する回転体８とを備える。

発電機本体７は、ケーシング９と、このケーシング９に回転自在にその両端が支持された入力軸１０と、前記ケーシング９に同心的に内蔵され前記入力軸１０に対して同軸に設けられたロータ１１と、前記ケーシング９に内蔵され前記ロータ１１の外側に同軸に配置されるステータ１２とを備える。

ケーシング９は、略円筒状に形成されており、環状の胴体９ａと、この胴体９ａの軸方向左右両端の開口部をそれぞれ塞ぐ蓋９ｂとを備える。これらの蓋９ｂのそれぞれは、円盤状に形成され、その外周縁が板厚方向に略直角に折れ曲がっており、各蓋９ｂの折れ曲がった外周縁が前記胴体９ａの軸方向両端のそれぞれの外周部に外挿されるようになっている。

それぞれの蓋９ｂの中央部には、板厚方向に貫通する貫通孔を有する第一支持部９ｃが形成されている。各第一支持部９ｃの貫通孔は、前記入力軸１０の軸方向両側をそれぞれ回転可能に支持するための軸受１３が内嵌されるように形成されている。各第一支持部９ｃは、前記胴体９ａの軸方向両端のそれぞれの外周部に蓋９ｂが装着された状態で、各蓋９ｂの外面からケーシング９の軸方向外側に延びるように突出されている。

また前記蓋９ｂのそれぞれの内面９ｄには、後述の巻線コイル１４を支持する鉄心１５が設けられている。各鉄心１５は有底筒状に形成されている。各鉄心１５は、各鉄心１５の軸線がケーシング９と同軸的に配置され、各鉄心１５の底部の外面が各蓋９ｂの内面９ｄの中央部に取り付けられている。各鉄心１５の底部と反対側の端部は、開放されており、それぞれの鉄心１５が取り付けられる蓋９ｂの反対側の蓋９ｂの内面９ｄ近傍まで延びている。また図２（ｂ）に示すように、各鉄心１５の外周部１５ａは、後で詳述するロータ１１の磁極にそれぞれ対向して各鉄心１５の周方向に等間隔で６つに分割されている。この分割された外周部１５ａのそれぞれは、径方向外方から視て長板状に形成されている。前記胴体９ａの軸方向両端のそれぞれの外周部に各蓋９ｂをそれぞれ装着した状態で、各蓋９ｂに設けられた鉄心１５の外周部１５ａが周方向に交互に配置されて全体として略円筒を形成するようになっている。しかも各鉄心１５の外周部１５ａは、ロータ１１の回転を阻害しないようにロータ１１の外周部と非接触にその外周部を覆うように配置される。さらに各鉄心１５の底部の中央部には、入力軸１０が通る貫通孔が設けられている。この貫通孔は、前記第一支持部９ｃの貫通孔と略同一の大きさを有する。そして磁気回路は、鉄心１５、蓋９ｂおよび胴部９ａによって形成され、ステータ１２の一部を構成する。

図２（ａ）に示すように、前記入力軸１０は、ケーシング９の軸方向両端から突出するように配置され、前記軸受１３に回転可能に支持されている。入力軸１０には、軸方向全長または一部分に雄ねじが形成されている。

前記ロータ１１は、円筒状に形成され、その軸中心部分に軸方向に貫通する貫通孔が形成されている。この貫通孔は、前記入力軸１０を挿入することができる大きさに形成されている。ロータ１１は、前記入力軸１０の軸方向の適切な位置に固定される。ここでは、ロータ１１は入力軸１０の軸方向中央近傍に固定されている。しかしこれに限定するものではない。ロータ１１の入力軸１０への固定は、入力軸１０の雄ねじに適合する雌ねじ１０ａをロータ１１の軸方向両端から挟み込むように入力軸１０にねじ込むことによって行う。

図２（ｂ）に示すように、ロータ１１の外周部には、Ｎ極とＳ極とがロータ１１の周方向に交互に着磁されている。ここではロータ１１の磁極数は１２個であるが、これに限定するものではない。具体的にはロータ１１の磁極数としては、８極以上１６極以下が好ましい。その理由は以下の通りである。つまりロータ１１の磁極数が８極未満である場合、発電機本体７の発電効率が著しく低下するので実用上好ましくない。またロータ１１の極数が１６極を超える場合、ロータ１１が大きくなり、発電機本体７自体が大型化して、自転車用発電機として適さない。また極数が１６極を超えると製作が困難になることがある。

図２（ａ）に示すように、ステータ１２は、上述した鉄心１５と、この鉄心１５の外周部１５ａに支持される環状の巻線コイル１４とを備える。この巻線コイル１４は、胴体９ａ、鉄心１５および両蓋９ｂの間に形成される空間内に配置されている。巻線コイル１４は、多ターンコイルであって、その外面全体を絶縁するため絶縁材１４ａによって覆われている。巻線コイル１４の巻線数は、自転車用電灯６など電源供給先の電圧に応じて適宜設定される。例えば自転車用電灯６に使用する場合、巻線コイル１４の巻数は４０００以上５０００以下であることが好ましい。以上のように多ターンコイルを使用することにより、自転車用発電機１の定格電圧を電池の電圧に比べて高電圧にすることが可能となる。また高インピーダンスにすることが可能となる。

前記回転体８は、第二支持部８ａと、自転車２の前輪３の側面に当接する当接部８ｂとを備える。

第二支持部８ａは、鋼などの剛体からなり、有底筒状をなしている。第二支持部８ａの底部の中央には、前記ケーシング９の外面から軸方向外側に突出された入力軸１０の入力端部１０ｂ（図２（ａ）の右側に位置する）を内挿する貫通孔が第二支持部８ａの軸方向に開設されている。第二支持部８ａの貫通孔に入力軸１０の入力端部１０ｂが内挿されたときに、第二支持部８ａはその軸中心線が前記入力軸１０の軸中心線と同軸に配置されるようになっている。同時に第二支持部８ａが、前記ケーシング９の軸方向片側（図２では左側）の外周部を非接触で覆うようになっている。これにより、回転体８が回転されたときに、ケーシング９と干渉することを回避することが可能となる。第二支持部８ａは、入力軸１０の雄ねじに適合する雌ねじ１０ｃを第二支持部８ａの軸方向両端から挟み込むように入力軸１０にねじ込むことによって、入力軸１０の入力端部１０ｂに固定されている。

前記当接部８ｂは、環状をなしており、前記第二支持部８ａの外周面全体を覆うように接着されている。この当接部８ｂは、自転車２の前輪３の側面との間で滑らないように、つまり前輪３の回転（動力）をほぼ完全に伝達することが可能なように、摩擦係数の大きな材料（例えば、ネオプレーンスポンジゴム）から構成される。

以上の構成によれば、回転体８の直径がケーシング９より大きいので、従来の回転体の直径がケーシングより小さい場合に比べて小さな力で回転体８を回転させることができる。その結果、車輪３を小さなトルクで回転させることができるので、自転車２のペダルを回転させる力も減少させることができる。これにより、自転車２を発進および走行させるときにユーザの足に掛かる負担を軽減することができる。

なお、上述した実施形態は一例であり、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

本発明に係る自転車用発電機は、小出力風力発電機や手回し式携帯充電器などにも適用することが可能である。

自転車に装着された本発明の実施形態に係る自転車用発電機の側面図である。 本発明の実施形態に係る自転車用発電機の構造図であり、（ａ）は部分破断側面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ矢視の部分断面図である。

符号の説明

１…自転車用発電機
２…自転車
３…前輪
４…フレーム
５…取付具
６…自転車用電灯
７…発電機本体
８…回転体
８ａ…第二支持部
８ｂ…当接部
９…ケーシング
９ａ…胴体
９ｂ…蓋
９ｃ…第一支持部
９ｄ…蓋の内面
１０…入力軸
１０ａ、１０ｃ…雌ねじ
１０ｂ…入力端部
１１…ロータ
１２…ステータ
１３…軸受
１４…巻線コイル
１５…鉄心
１５ａ…鉄心の外周部

Claims (3)

1. 自転車に適用される自転車用発電機であって、
   ケーシング、当該ケーシングに回転自在にその両端が支持された入力軸、前記ケーシングに同心的に内蔵され前記入力軸に対して同軸に設けられたロータ、および、前記ケーシングに内蔵され前記ロータの外側に当該ロータと同軸に配置されたステータを備えた発電機本体と、
   当該発電機本体の前記ケーシングの外側に突出された入力軸の入力端部に同軸に取り付けられて、その外周部の一部を前記自転車の車輪の側面に当接させて当該車輪と共に回転される回転体とを備えており、
   前記ロータが、その周方向にＮ極およびＳ極を交互に着磁した永久磁石から形成されており、
   前記ステータが、
   前記ケーシングの内側に取り付けられた、前記ロータの外周面を非接触で覆うように当該ロータの磁極のそれぞれに対向して当該ロータの周方向に所定の離隔間隔で配置された複数の鉄心と、
   当該複数の鉄心の外周部に支持される環状の巻線コイルとを備えており、
   前記発電機本体の磁極数を８極以上１６極以下に設定してなる、自転車用発電機。
2. 前記回転体が、前記ケーシングより大きな直径を有してなる、請求項１記載の自転車用発電機。
3. 前記巻線コイルの巻数が４０００以上５０００以下である、請求項１または２に記載の自転車用発電機。
   

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