JP2011201385A - 電動補助動力装置付自転車 - Google Patents

Abstract

【課題】 電動機を設けていない自転車と同じ踏力で走行可能かつ回生機能も実現できる電動補助動力装置付自転車を提供すること。
【解決手段】 電動機７０を回転駆動させる電動機駆動手段９０２と、電動機７０を発電モードで制御する電動機回生手段９０５と、速度検出手段８０が検出した走行速度が所定走行速度以上である際、速度検出手段８０が検出する走行速度に対応し、少なくとも電動機７０を備えることにより増える踏み込みトルクと同等の駆動力を発生するよう電動機駆動手段９０２に指示する電動機出力決定手段９０１と、電動機出力決定手段９０１の指示により、電動機駆動手段９０２により電動機７０を回転駆動、または電動機回生手段９０５により電動機７０を発電モードにするいずれかの状態に切り替えるスイッチ９０３とを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、人力走行に加えて電動補助動力装置からの動力の補助を受けて走行する電動補助動力装置付自転車に関するものである。

上り坂等での走行時に電動機を中心とした電力補助動力装置から動力を供給して、人力走行を助けるようにした電動補助動力装置付自転車が広く知られている。そして、クランク軸に伝達される回転トルク、つまりクランクに取り付けられたペダルを踏み込むことによって生じる踏み込みトルク（以下、踏力と呼ぶ）の大きさに応じて電動機の出力を増減する。このように、踏力に応じた動力を補助することで人力走行を助けるようにしている。

近年、下り坂やブレーキをかけた時などに、車輪の回転により電動機を回転させ電力を発電し、発電した電力でバッテリを充電するいわゆる回生機能付き電動補助動力装置付自転車も商品化されている。

また、この電動補助動力装置付自転車は、安全上の理由により、速度が１０ｋｍ／ｈから増えるにつれて徐々に動力補助の割合を減らし、速度が２４ｋｍ／ｈ以上になった場合、踏力に応じた動力の補助は行わない。そして、補助動力を供給する電動機は、電動機固定部を車輪の軸部分と共有し車輪ハブ内部に構成するインホイール電動機が多く使われている。

このような構成において、走行速度が２４ｋｍ／ｈ以上になり、電力補助装置による補助を行わない電動機出力が０の場合を考える。この時、車輪が回転することにより、電動機の軸も回転するため、電動機を空転させることになり鉄損が発生する。この影響により、車輪の回転を妨げる力が発生し、電動機の無い自転車を走行させるより大きな踏力が必要となる。

この問題を解決するために、従来の電動補助動力装置付自転車では、ハブ内の電動機から車輪に動力を伝達する部分にワンウェイクラッチを配備している。そうすることにより、電動機の駆動を行わない場合には、例え車輪が回転しても電動機の軸は回転せず、踏力が増加することがない（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１２６２７号公報

しかしながら、従来の技術では、回生機能を実現しようとした場合、ワンウェイクラッチにより車輪の回転が電動機の軸に伝達されないため、回生機能を実現できないという課題がある。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、電動機を設けていない自転車と同じ踏力で走行可能かつ回生機能も実現できる電動補助動力装置付自転車を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、走行速度を検出する速度検出手段が接続され、電動機を回転駆動させる電動機駆動手段と、電動機を発電モードで制御する電動機回生手段と、速度検出手段が検出した走行速度が所定走行速度以上である際、速度検出手段が検出する走行速度に対応し、少なくとも電動機を備えることにより増える踏み込みトルクと同等の駆動力を発生するよう電動機駆動手段に指示する電動機出力決定手段と、電動機出力決定手段の指示により、電動機駆動手段により電動機を回転駆動、または電動機回生手段により電動機を発電モードにするいずれかの状態に切り替えるスイッチとを有することを特徴とする。

本発明の上記構成により、自転車の速度が所定速度以上となった場合、電動機の回転によって発生する鉄損などの影響による踏み込みトルクの増加分を電動機に発生させるので、電動機を設けていない自転車と同じ踏力で走行可能かつ回生機能も実現できる電動補助動力装置付自転車を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る電動補助動力装置付自転車の全体構成を説明する図 本発明の実施の形態に係る電動補助制御装置を示すブロック図 本発明の実施の形態に係る動力補助用の電動機に対する制御のイメージを説明する図

以下、本発明の実施の形態の電動補助動力装置付自転車１００について図面を用いて説明する。

まず、電動補助動力装置付自転車１００の全体構造について、図１に基づき説明する。

メインフレーム１は、前部に設けられたヘッドパイプ２、サドル３から下方に設けられたシートチューブ４と連結する。また、メインフレーム１には、シートチューブ４と連結する部分に人力によって回転するペダル５が取り付けられている。ペダル５を踏み込むことによって生じる踏力がクランクに伝達され、駆動輪である後輪１０に伝えられる。

前輪１１は、ハンドル８の動きに連動し、ハンドル８操作によって走行方向を定めると同時に、動力を補助する電動機７０を備える。

前スプロケット６は、ペダル５の回転とともに回転し、チェーン７が掛けられている。そうすることで、前スプロケット６の回転を後輪１０の車軸に設けた後スプロケット９に動力を伝達する。

バッテリ６０は、電動機７０の電力の供給源であり、２４Ｖのニッカド電池やリチウムイオン充電池を使う。また、バッテリ６０は、取り外し可能とし、充電の際には屋内で充電するようにしてもよい。

ブレーキ１２は、前輪１１と後輪１０の回転を摩擦によって走行速度を低下させる。ブレーキ１２は、ブレーキレバー１３とワイヤーなどで連結されており、ブレーキレバー１３の動作量に応じて走行速度を調節する事ができる。また、ブレーキレバー１３の操作は電気信号に変換され、後述する電動補助制御装置９０に伝達される。

速度検出手段８０は、電動機７０内部に収められ、前輪の回転速度から速度を測定する。測定結果は、電気信号に変換され、電動補助制御装置９０に伝達される。

トルク検出手段５０は、ペダル５の軸に収められ、踏力によりペダル５を回転させる時に発生するトルクを測定する。測定結果は、電気信号に変換し、電動補助制御装置９０に伝達する。なお、トルク検出手段５０、バッテリ６０、電動機７０、および電動補助制御装置９０を含む、動力の補助がない通常の自転車に存在しない部分が図２の２点破線ｂの範囲で示す電動補助動力装置１００である。

電動補助制御装置９０について、図２を用いて具体的な構成について説明する。

電動補助制御装置９０は、点線ａの範囲のブロックであり、前述したようにトルク検出手段５０、バッテリ６０、電動機７０、速度検出手段８０、およびブレーキレバー１３が接続されている。

電動機駆動手段９０２は、後述する電動機出力決定手段９０１の指示により、バッテリ６０の電力を使い、電動機７０を回転駆動させる。

スイッチ９０３は、電動機７０を電力回生に使用するときと回転駆動に使用するときで電流の方向を切り替える。すなわち、スイッチ９０３は、電動機７０を回転駆動する場合は、バッテリ６０から電動機駆動手段９０２に電流が流れるように制御し、ブレーキレバー１３を操作した時など電動機７０で発生する電力を回生する場合は、後述する電力充電手段９０４からバッテリ６０に電流が流れるように切り替える。

電動機回生手段９０５は、電力回生時に電動機７０を発電モードで制御する。

電力充電手段９０４は、電動機回生手段９０５が電動機７０を発電モードで制御している時、バッテリ６０に充電するため電動機７０により回生された電力を直流に変換する。電力充電手段９０４の出力は、スイッチ９０３を経由してバッテリ６０に供給される。

電動機出力決定手段９０１は、電動補助や回生時の全体を制御する。具体的には、電動機出力決定手段９０３は、ブレーキレバー１３が引かれた事が知らされると回生モードとするようスイッチ９０３および電動機回生手段９０５に指示する。この場合、スイッチ９０３は、電動機回生手段９０５が発電モードで電動機７０を制御し、電力充電手段９０４を介して、バッテリ６０に供給するよう電流の方向を制御する。

また、電動機出力決定手段９０１は、ブレーキレバー１３が引かれたとの通知が無い時は、速度検出手段８０と、トルク検出手段５０の検出結果に応じて電動機７０を駆動するよう電動機駆動手段９０２に指示する。同時に、スイッチ９０３にも電流の方向をバッテリ６０からの電力を電動機駆動手段９０２に供給するよう指示する。

次に、電動機出力決定手段９０１の電動補助動作時の動作について、図３に基づいて説明する。

図３において、Ａはペダル５を人力で回転させる事によって、後輪１０に発生するクランク回転出力を示している。Ｂは電動機出力決定手段９０１の指令により、電動機７０が前輪１１に発生させる駆動補助出力を示している。網掛け部Ｃは、自転車が２４ｋｍ／ｈ以上の場合に、電動機７０の鉄損、機械ロスなどによって発生する負荷をペダル５における踏み込みトルクの増加分としたものである。

一般的に、自転車の速度が１０ｋｍ／ｈの時は、クランク回転出力Ａと駆動補助出力Ｂの比は１：２となっている。また自転車の速度が１０ｋｍ／ｈを超える場合、徐々にクランク回転出力Ａと駆動補助出力Ｂの比は小さくなり、２４ｋｍ／ｈの時点で駆動補助出力Ｂが０となる。

自転車の速度が２４ｋｍ／ｈ以下の場合は、電動機出力決定手段９０３は、速度手段８０からの速度情報とトルク検出手段５０の入力結果から容易にクランク回転出力Ａを計算することができる。また、電動機出力決定手段９０３は、電動機７０のトルク定数、並びに、電動機駆動手段９０２の増幅率から、所定の速度においてどのような指令値を電動機駆動手段９０２に与えるか決定することができる。

また、自転車の速度が２４ｋｍ／ｈ以上の場合は、各速度における電動機７０の鉄損の発生や機械ロスなどの影響による電動補助動力装置１００の負荷をペダル５における踏み込みトルクの増加分に変換するテーブルデータをあらかじめ作成する。そして、電動機出力決定手段９０３は、そのテーブルデータを保持し、電動機駆動手段９０２に対して指令する際に用いる。

以上のようにすることで、ワンウェイクラッチを用いることなく速度が２４ｋｍ／ｈ以上になった場合でも、電動機に踏み込みトルクの増加分に相当するトルクを発生させるので、ワンウェイクラッチを用いることなく電動機を設けていない自転車と同じ踏力で走行可能かつ回生機能も実現できる。

本発明は、人力走行に加えて電動補助動力装置からの動力の補助を受けて走行する電動補助動力装置付自転車に適用することができる。

１ メインフレーム
２ ヘッドパイプ
３ サドル
４ シートチューブ
５ ペダル
６ 前スプロケット
７ チェーン
８ ハンドル
９ 後スプロケット
１０ 後輪
１１ 前輪
１２ ブレーキ
１３ ブレーキレバー
５０ トルク検出手段
６０ バッテリ
７０ 電動機
８０ 速度検出手段
９０ 電動補助制御装置
１００ 電動補助動力装置
９０１ 電動機出力決定手段
９０２ 電動機駆動手段
９０３ スイッチ
９０４ 電力充電手段
９０５ 電動機回生手段

Claims (3)

1. 人力走行に加えて電動機からの動力の補助を受けて走行する電動補助動力装置付自転車において、
   走行速度を検出する速度検出手段を接続し、
   前記電動機を回転駆動させる電動機駆動手段と、
   前記電動機を発電モードで制御する電動機回生手段と、
   前記速度検出手段が検出した走行速度が所定走行速度以上である際、前記速度検出手段が検出する前記走行速度において、少なくとも前記電動機を備えることにより増える踏み込みトルクと同等の駆動力を発生するよう前記電動機駆動手段に指示する電動機出力決定手段と、
   前記電動機出力決定手段の指示により、前記電動機駆動手段により前記電動機を回転駆動、または前記電動機回生手段により前記電動機を発電モードにするいずれかの状態に切り替えるスイッチと、
   を有する電動補助動力装置付自転車。
2. 前記電動機出力決定手段は、前記速度検出手段が検出する走行速度において、少なくとも前記電動機を備えることにより増える踏み込みトルクをテーブルデータとして保持しており、前記テーブルデータに従い前記電動機駆動手段に駆動力を発生するよう指示することを特徴とする請求項１に記載の電動補助動力装置付自転車。
3. 人力走行に加えて電動機からの動力の補助を受けて走行する電動補助動力装置付自転車に備えられる電動補助制御装置において、
   走行速度を検出する速度検出手段を接続し、
   前記電動機を回転駆動させる電動機駆動手段と、
   前記電動機を発電モードで制御する電動機回生手段と、
   前記速度検出手段が検出した走行速度が所定走行速度以上である際、前記速度検出手段が検出する前記走行速度において、少なくとも前記電動機を備えることにより増える踏み込みトルクと同等の駆動力を発生するよう前記電動機駆動手段に指示する電動機出力決定手段と、
   前記電動機出力決定手段の指示により、前記電動機駆動手段により前記電動機を回転駆動、または前記電動機回生手段により前記電動機を発電モードにするいずれかの状態に切り替えるスイッチと、
   を有する電動補助制御装置。