JP2013099121A

JP2013099121A - 補助動力装置

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Publication number: JP2013099121A
Application number: JP2011239885A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Terazono; 和徳寺薗
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2013-05-20
Anticipated expiration: 2031-11-01
Also published as: JP5851800B2

Abstract

【課題】磁力の作用を利用し、一対の電磁石間で移動子を往復ピストン運動させ、往復ピストン運動を補助動力として効率よく出力できる、簡易な補助動力装置を提供する。
【解決手段】往復作動部110、回転部130、間欠スイッチ部140と、電源部150を備え、往復作動部は、支持ベース101上に一対の電磁石111U，111Dを配置すると共に、一対の電磁石間に往復動する移動子(磁石)112を配置し、移動子は、電磁石111Uに相対する側をＮ極および電磁石111Dに相対する側をS極とし、各電磁石は、移動子のＮ極に相対する側をＳ極および移動子のＳ極に相対する側をＮ極とし、回転部130は、軸受131間にクランク軸132を回転自在に支持すると共に、クランク軸の自由端および移動子の従動軸122間を連結部材134により連結し、間欠スイッチ部140は、クランク軸132の回転に連動して電源部150から各コイル118に流れる電流の遮断と供給を間欠的に繰り返し、移動子を往復動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の電磁石と同電磁石間の隙間に配置した磁石又は磁性体からなる移動子との間に生じる磁力の作用を利用して、同移動子を往復ピストン運動させ、回転力に変換して動力を取り出せるようにした、補助動力装置に関するものである。

従来より、動力装置として電動モーターが知られている。電動モーターは、回転する回転子（ロータ）と、回転子と相互作用して回転モーメントを発生させる固定子（ステータ）を備え、回転子に巻かれたコイルに電流が流れると、固定子に配置された磁石との相互作用により電磁力が発生して、電磁力により回転子を回転させ、回転力を動力として出力させる仕組みになっている。電動モーターに関しては、例えば特開平５−１７６５０９号公報や実開平６−３６３７３号公報に開示のものが知られている。

一方、かかる電動モーターを電動アシスト自転車の駆動装置に利用する例が、例えば特開２００７−３２７５６９号公報に開示されている。

特開平５−１７６５０９号公報実開平６−３６３７３号公報特開２００７−３２７５６９号公報

しかしながら、上記いずれの例も、固定子に対する回転子の回転運動を動力として出力するものであるが、装置全体が大きく嵩張り、また、電力消費量が大きくて大容量のバッテリーを必要とし、効率的に力を取り出せないという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、一対の電磁石と同電磁石間に配置した磁石又は磁性体からなる移動子との間に生じる磁力の作用を利用し、間欠的に電流を流しながら、移動子を往復ピストン運動させ、同ピストン運動を動力として効率よく出力できる、補助動力装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、装置の小型化を図りつつ、動力の出力増大を容易に図ることができる補助動力装置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、本発明に係る補助動力装置は、支持ベースに設置された往復作動部、回転部、間欠スイッチ部と、電源部を備えてなり、
往復作動部は、支持ベース上に、一定間隔を隔てて上下または左右に一対の電磁石を配置すると共に、前記一対の電磁石間に相互の隙間を往復動する磁石または磁性体からなる移動子を配置し、
移動子は、一方の電磁石に相対する側をＮ極および他方の電磁石に相対する側をS極とすると共に、各電磁石は、移動子のＮ極に相対する側をＳ極および移動子のＳ極に相対する側をＮ極とし、
回転部は、支持ベース上の一対の軸受間にクランク軸を回転自在に支持すると共に、クランク軸の自由端および移動子の従動軸を連結部材により互いに連結し、
間欠スイッチ部は、クランク軸の回転に従い往復動する移動子の動きに連動して電源部から各コイルに流れる電流の遮断と供給を間欠的に繰り返す、ことを主要な特徴とする。

本発明に係る補助動力装置は、間欠スイッチ部が、移動子の往復動区間において、移動子が一対の電磁石間に進入するタイミングで電流を供給開始することを第２の特徴とする。

本発明に係る補助動力装置は、間欠スイッチ部が、移動子の往復動区間において、移動子が一対の電磁石間の中央付近を通過するタイミングで電流の供給を遮断することを第３の特徴とする。

本発明に係る補助動力装置は、間欠スイッチ部が、クランク軸の回転軸に支持された回転子と、回転子の回転面の１８０度対称位置に設けられた一対の電極板と、回転子の回転途中で各電極板に接触可能な一対の接触ブラシを備えていることを第４の特徴とする。

本発明に係る補助動力装置は、ベース上に支持部を介して下プレートが配置され、下プレートの上に一定の隙間を保持して上プレートが配置され、上プレートの上面に一方の電磁石が載置され、下プレートの下面に他方の電磁石が吊下げられていることを第５の特徴とする。

本発明に係る補助動力装置は、下プレートおよび上プレートの間に一対のガイド部材が配置され、各ガイド部材の内面に往復動方向に延びるスライド溝が設けられ、両スライド溝に一対の電磁石間の隙間に配置された移動子を保持する保持プレートが往復動方向にスライド自在に支持されていることを第６の特徴とする。

本発明に係る補助動力装置は、クランク軸の回転軸に始動レバーが取り付けられていることを第７の特徴とする。

本発明に係る補助動力装置は、ベースとして、往復作動部、回転部、間欠スイッチ部および電源部が自転車のフレームに一体に取り付けられ、自転車のペダルが始動レバーに回転自在に連結されていることを第８の特徴とする。

本発明に係る補助動力装置は、自転車のペダルを踏み込むタイミングに合わせて、電源部からコイルへ電流が供給されるように間欠スイッチ部が作動することを第８の特徴とする。

以上説明したように、本発明の補助動力装置によれば、回転するクランク軸と連動して作動する間欠スイッチ部の働きによって、一対の電磁石と同電磁石間に配置された磁石又は磁性体からなる移動子との間に生じる磁力を利用して、移動子を持続的に往復ピストン運動させるようにしており、かかる往復ピストン運動を補助動力として効率よく取り出し、自転車の補助動力その他に利用できるという優れた効果を奏する。

また、本発明の補助動力装置は、移動子を持続的に往復ピストン運動させる動力として、始動レバーによる最初のクランク軸の始動とその後のコイルへの僅かな電流の供給だけで足り、また、その後も間欠スイッチ部による電流の供給と遮断の間欠的な繰り返しにより、移動子を持続的に往復ピストン運動させるようにしており、電力消費量が極めて少なく、省エネルギー効果の高い補助動力装置を実現できる。

さらに、装置の小型化を図りつつ、動力の出力増大を容易に図ることができるという優れた効果を奏する。

以上から、同補助動力装置を自転車に設置することによって、従来の電動アシスト自転車と比べて、大容量のバッテリーが不要であり、軽量で安価なアシスト自転車を実現できるという優れた効果を奏する。

本発明の一実施形態を示す補助動力装置の平面図、図１に示す補助動力装置の側面図、図１に示す補助動力装置の背面図、（Ａ）（Ｂ）は往路における間欠スイッチ部と移動子の動きの関係を示す図、（Ａ）（Ｂ）は復路における間欠スイッチ部と移動子の動きの関係を示す図、一対の電磁石と磁石からなる移動子との間に生じる磁力の作用を示す説明図、図１に示す補助動力装置を自転車に設置した例を示す図である。

本発明を実施するための最良の形態につき、図面を参照して説明する。図１ないし図７は本発明に係る補助動力装置の一実施形態を示している。図中、符号１００は本発明に係る補助動力装置である。

補助動力装置１００は、図１および図２に示すように、ベース１０１上に、往復作動部１１０、回転部１３０、間欠スイッチ部１４０が設置され、合せて電源部１５０を備えた構成とされている。

往復作動部１１０は、ベース１０１上の一方側（図１の右側）に、一定間隔を隔てて上下に一対の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄが配置されると共に、一対の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄ間に相互の隙間Ｓ_０の間を水平方向に往復動する移動子１１２が配置されている。より具体的には、ベース１０１上に、一対の支持部１１３，１１３上に下プレート１１４が架設され、下プレート１１４の上方には左右のガイド部材１１５，１１５を介して上プレート１１６が隙間S_０を保持して支持されている。上プレート１１６の上面には電磁石１１１Uが載置され、下プレート１１４の下面には電磁石１１１Dが吊下げられている。

電磁石１１１U，１１１Dは、それぞれ鉄芯１１７の周囲にコイル１１８が平面視して上から下に反時計回りに巻回されると共に、上下の固定プレート１１９により、上側の電磁石１１１Ｕが上プレート１１６上面に、下側の電磁石１１１Ｄが下プレート１１４下面にそれぞれ固定されている。

左右のガイド部材１１５，１１５の内面には、図３に示すように、往復動方向に延びるスライド溝１１５Ａ，１１５Ａが設けられ、両スライド溝１１５Ａ，１１５Ａに移動子１１２を保持する保持プレート１２０がスライド自在に支持されている。保持プレート１２０は、コロやベアリングによりガイド溝１１５Ａ内を滑動自在とできる。保持プレート１２０の前端には水平姿勢で往復動方向に延びる従動軸１２１の一端が取り付けられている。従動軸１２１は支持部１１３の外側に位置する軸受１２２にスライド自在に支持されている。

保持プレート１２０に挟持された移動子１１２は、上面側がＮ極および下面側がＳ極となる磁石で、図１に示すように、平面視して往復動方向と直交する方向が長手方向となる直方体形状をなしている。移動子１１２の磁極に対応して、上側の電磁石１１１Ｕは、通電下で下面側がＳ極および上面側がＮ極となるように設定され、下側の電磁石１１１Ｄは、通電下で上面側がＮ極および下面側がＳ極となるように設定されている。

移動子１１２は、コイル１１８の巻回区間Ｌを両側で超える範囲、すなわち移動子１１２全体がコイル１１８の巻回区間Ｌを両側で超える範囲まで往復動する。この移動子１１２の往復動区間Ｍにおいて、間欠スイッチ部１４０の作動（電流供給）するタイミングとコイル１１８の巻回区間Ｌに進入するタイミングを同調させている。

回転部１３０は、ベース１０１上の他方側（図１の左側）に設置された一対の軸受１３１，１３１間に、クランク軸１３２の回転軸１３３，１３３が回転自在に支持され、クランク軸１３２の自由端側のクランクピン１３２Ａと従動軸１２１の他端が連結部材１３４により互いに連結された構成とされている。従動軸１２１の他端と連結部材１３４は連結ピン１３４Ａを介して屈曲可能に連結されている。間欠スイッチ部１４０の反対側に位置して、一方の回転軸１３３に始動レバー１３５の基端部が同軸的に連結されている。同始動レバー１３５はクランク軸１３２を回転始動させる役目をする。

間欠スイッチ部１４０は、クランク軸１３２の回転に伴い往復動する移動子１１２の動きに連動して、各電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄのコイル１１８に流れる電流の供給と遮断を一定のタイミングで間欠的に繰り返すもので、他方の回転軸１３３回りに回転子１４１が取り付けられ、回転子１４１の回転面の１８０度対称位置に一対の電極板１４２，１４２が設けられ、回転子１４１の前後一方に前記電極板１４２，１４２に所定の回転タイミングで接触し、通電を可能とする一対の接触ブラシ１４３，１４３が配置されている。接触ブラシ１４３，１４３はベース１０１上に支持されている。

間欠スイッチ部１４０は、回転子１４１の回転途中で、一対の電極板１４２，１４２が接触ブラシ１４３，１４３に同時に接触すると、その間通電し（作動オン）、電源部１５０からの電流が各コイル１１８に供給されるようになっている。また、一対の電極板１４２，１４２が接触ブラシ１４３，１４３から離間すると、その間通電が不可となり（作動オフ）、電源部１５０からの各コイル１１８への電流が遮断されるようになっている。より具体的には、移動子１１２の往復動区間Ｍにおいて、移動子１１２が一対の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄ間、すなわちコイル１１８の巻回区間Ｌに進入するタイミングで、各電極板１４２が接触ブラシ１４３に接触し、これにより電流供給が開始され、移動子１１２が一対の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄ間、すなわちコイル１１８の巻回区間Ｌの中心付近を通過するタイミングで各電極板１４２が接触ブラシ１４３から離間し、これにより電流の供給が遮断されるようになっている。

電源部１５０は、各コイル１１８に電流を供給するもので、ケーブル１５１を介して各コイル１１８の一端にプラス側が、各コイル１１８の他端にマイナス側が接続されている。ケーブル１５１の途中には電源スイッチ１５２が接続されている。電力消費量が極めて少なく、電気の消耗が少ないことから、電源部１５０には１．５Ｖ程度の乾電池や小型バッテリーを用いることができる。

図４および図５は、上記構成の補助動力装置１００において、クランク軸１３２の回転に連動して作動する間欠スイッチ部１４０に基づき、上下の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄ間の移動子１１２が持続的に往復動区間Ｍを往復ピストン運動する様子を示している。

最初に、手動で図１に示す始動レバー１３５を図２の反時計回りに回してクランク軸１３２を始動（回動）させる。往復動区間Ｍの往路において、図４（Ａ）に示すように、クランク軸１３２が始動してクランクピン１３２Ａが上死点から反時計回りに９０度を越えると、その途中で（このとき移動子１１２は上下の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄの隙間に左から進入する手前、すなわちコイル１１８の巻回区間Ｌに進入する手前に位置する）、間欠スイッチ部１４０の各電極板１４２が接触ブラシ１４３に同時に接触して通電可能となり、電源部１５０からの電流が各コイル１１８に供給開始される。

電源部１５０からの電流が各コイル１１８に流れると、上下の各コイル１１８に図６に示すように磁力線が生じ、図４（Ａ）に示すように移動子１１２を各コイル１１８，１１８間の隙間Ｓ_０に引き込む引張力Ｆ_１が生じる。すなわち、通電により、上側の電磁石１１１Ｕにはコイル１１８下側にＳ極が、下側の電磁石１１１Ｄにはコイル１１８上側にＮ極が形成され、移動子１１２の上側のＮ極とコイル１１８下側のＳ極が、移動子１１２の下側のＳ極とコイル１１８上側のＮ極がそれぞれ互いに引き合い、移動子１１２に右方向への引張力Ｆ_１すなわち往路の前進力が生じる。

次いで、図４（Ｂ）に示すように、クランク軸１３２のクランクピン１３２Ａが下死点に近づくと、その途中で（このとき移動子１１２は電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄ間の中央付近を右に通過する）、間欠スイッチ部１４０の各電極板１４２が接触ブラシ１４３から離間し、電源部１５０からの電流供給が遮断される。クランク軸１３２および移動子１１２には慣性力が働いているから、クランク軸１３２は下死点から反時計回りに回動して上死点に向かうと共に、移動子１１２は往路を電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄの隙間から外へと図４（Ｂ）の右方向へ移動する。

次いで、往復動区間Ｍの復路において、図５（Ａ）に示すように、クランク軸１３２のクランクピン１３２Ａが下死点を過ぎて９０度を越えると、その途中で（このとき移動子１１２は上下の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄの隙間に右から進入する手前、すなわちコイル１１８の巻回区間Ｌに進入する手前に位置する）、間欠スイッチ部１４０の各電極板１４２が接触ブラシ１４３に再び接触して、電源部１５０からの電流が各コイル１１８に供給される。同時に、各コイル１１８に流れる電流により、上下の各コイル１１８に磁力線が生じ、図５（Ａ）に示すように移動子１１２を各電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄ間の隙間に引き込む引張力Ｆ_２が生じる。すなわち、通電により、再び上側の電磁石１１１Ｕにはコイル１１８下側にＳ極が、下側の電磁石１１１Ｄにはコイル１１８上側にＮ極が形成され、移動子１１２の上側のＮ極とコイル１１８下側のＳ極が、移動子１１２の下側のＳ極とコイル１１８上側のＮ極がそれぞれ互いに引き合い、移動子１１２に左方向への引張力Ｆ_２すなわち復路の前進力が生じる。

次いで、図５（Ｂ）に示すように、クランク軸１３２のクランクピン１３２Ａが上死点に近づくと、その途中で（このとき移動子１１２は電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄ間の中央付近を左に通過する）、各電極板１４２が接触ブラシ１４３から再び離間して、電源部１５０からの電流供給が遮断される。クランク軸１３２および移動子１１２には慣性力が働いているから、クランク軸１３２はクランクピン１３２Ａが上死点に向かいかつ上死点を越えるように反時計回りに回動し、電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄの隙間から外へと図５（Ｂ）の左方向へ移動する。

移動子１１２は、ガイド部材１１５，１１５の各内面のガイド溝１１５Ａ内にスライド自在に支持された保持プレート１２０に保持されているから、安定した水平姿勢で円滑に往復動できる。

このようにして、本発明の補助動力装置１００によると、クランク軸１３２の回転に連動して間欠的に電流の供給と遮断を行わせる間欠スイッチ部１４０の作動のタイミングと、上下の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄ間の隙間Ｓ_０に進入する移動子１１２のタイミングとを合わせることにより、移動子１１２をして上下の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄ間の隙間Ｓ_０を往復動させる磁力を断続的に移動子１１２に作用せしめ、これによって移動子１１２を持続的に往復ピストン運動させることができる。

さらに、本発明の補助動力装置１００によると、装置を小型化したまま、動力の出力増大を容易に図ることができる。すなわち、上下の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄおよび移動子１１２は、往復動方向および高さ方向に延在させることなく、図１に示すように往復動方向と直交する方向に延在させる（その結果、電磁石および移動子が左右方向に長い形状となり、コイルの巻回量も増大する）だけで、両方の磁力が増大し、移動子１１２の往復ピストン運動による動力の出力を増大させることができる。上下の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄおよび移動子１１２は、往復動方向に延在させないので、往復運動距離の範囲が長くなることがなく、装置が大型化しない。

図７は、本発明の補助動力装置１００を自転車のフレーム２００に設置した例を示している。

図７に示すように、回転軸１３３の一端に連結された始動レバー１３５の自由端には運転者の足を乗せる回転自在なペダル２０１が連結され、回転軸１３３の他端には始動レバー１３５と１８０度反対向きに補助レバー２０２が連結されている。補助レバー２０２の自由端には運転者の足を乗せる他方の回転自在なペダル（図示せず）が連結されている。このとき往復作動部１１０は、フレーム２００に沿ってサドル部（図示せず）に向けて起立するように配置してよい。

図４に示す補助動力装置１００によると、最初に電源部１５０の電源スイッチ１５２を入れ、運転者がペダル２０１をこいでクランク軸１３２を回動させると、図４に示すように、運転者がペダル２０１を強く踏み込むタイミングで、間欠スイッチ部１４０が作動し、各コイル１１８に電流が供給されて、一対の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄが、運転者のペダル２０１の踏み込み動作を助けるように移動子１１２を引っ張り、また、図５に示すように、ペダル２０１が持ち上がるタイミングで（他方のペダルを強く踏み込むタイミングでもある）、間欠スイッチ部１４０が再び作動し、各コイル１１８に電流が供給されて、一対の電磁石１１１Ｕ，１１１Ｄが、運転者のペダル２０１の踏み込み動作を助けるように移動子１１２を引っ張る。その結果、運転者が左右のペダルを踏み込む動作を常に助けるように、移動子１１２が持続的に往復ピストン運動する。

このように、移動子１１２に生じる往復ピストン運動は、従動軸１２１からクランク軸１３２の回転運動に変換され、運転者がペダルをこぐ際の補助動力として用いられる。これにより、従来の電動アシスト自転車に比べて、より軽量かつコンパクトで簡易な補助動力装置付きのアシスト自転車を安価に実現することができる。

なお、移動子１１２の従動軸１２１と反対側に出力軸を設け、往復ピストン運動を出力軸により外部に出力するようにしてよい。例えばミシン針の縫製作業に応用できる。出力軸を軸受で支えることにより、従動軸側の軸受との間で移動子が水平姿勢に保持され、左右のガイド部材を不要とする。

本発明の補助動力装置は、例えば自転車、カート、芝刈り機、農業用機械、ミシン等の補助動力装置として、広く利用可能である。

１００補助動力装置
１０１ベース
１１０往復作動部
１１１Ｕ，１１１Ｄ電磁石
１１２移動子
１１３支持部
１１４下プレート
１１５ガイド部材
１１５Ａスライド溝
１１６上プレート
１１７鉄芯
１１８コイル
１１９固定プレート
１２０保持プレート
１２１従動軸
１２２，１３１軸受
１３０回転部
１３２クランク軸
１３２Ａクランクピン
１３３回転軸
１３４連結部材
１３５始動レバー
１４０間欠スイッチ部
１４１回転子
１４２電極板
１４３接触ブラシ
１５０電源部
１５１ケーブル
１５２電源スイッチ
２００自転車のフレーム
２０１自転車のペダル
２０２補助レバー
Ｌ移動子の往復動区間
Ｍコイルの巻回区間

Claims

ベースに設置された往復作動部、回転部、間欠スイッチ部と、電源部を備えてなり、
往復作動部は、ベース上に、一定間隔を隔てて上下または左右に一対の電磁石を配置すると共に、前記一対の電磁石間に相互の隙間を往復動する磁石または磁性体からなる移動子を配置し、
移動子は、一方の電磁石に相対する側をＮ極および他方の電磁石に相対する側をＳ極とすると共に、各電磁石は、移動子のＮ極に相対する側をＳ極および移動子のＳ極に相対する側をＮ極とし、
回転部は、ベース上の一対の軸受間にクランク軸を回転自在に支持すると共に、クランク軸の自由端および移動子の従動軸を連結部材により互いに連結し、
間欠スイッチ部は、クランク軸の回転に従い往復動する移動子の動きに連動して電源部から各コイルに流れる電流の遮断と供給を間欠的に繰り返すことを特徴とする補助動力装置。
間欠スイッチ部が、移動子の往復動区間において、移動子が一対の電磁石間に進入するタイミングで電流を供給開始することを特徴とする、請求項１記載の補助動力装置。
間欠スイッチ部が、移動子の往復動区間において、移動子が一対の電磁石間の中央付近を通過するタイミングで電流の供給を遮断することを特徴とする、請求項１または請求項２記載の補助動力装置。
間欠スイッチ部が、クランク軸の回転軸に支持された回転子と、回転子の回転面の１８０度対称位置に設けられた一対の電極板と、回転子の回転途中で各電極板に接触可能な一対の接触ブラシを備えていることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の補助動力装置。
ベース上に支持部を介して下プレートが配置され、下プレートの上に一定の隙間を保持して上プレートが配置され、上プレートの上面に一方の電磁石が載置され、下プレートの下面に他方の電磁石が吊下げられていることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の補助動力装置。
下プレートおよび上プレートの間に一対のガイド部材が配置され、各ガイド部材の内面に往復動方向に延びるスライド溝が設けられ、両スライド溝に一対の電磁石間の隙間に配置された移動子を保持する保持プレートが往復動方向にスライド自在に支持されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の補助動力装置。
クランク軸の回転軸に始動レバーが取り付けられていることを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の補助動力装置。
ベースとして、往復作動部、回転部、間欠スイッチ部および電源部が自転車のフレームに一体に取り付けられ、自転車のペダルが始動レバーに回転自在に連結されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の補助動力装置。
自転車のペダルを踏み込むタイミングに合わせて、電源部からコイルへ電流が供給されるように間欠スイッチ部が作動することを特徴とする、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の補助動力装置。