JP6963941B2 - ハブダイナモ - Google Patents
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Description
一般に、ハブダイナモは、車輪側に永久磁石を備えたロータを配設し、そのロータが、ハブ軸側に設けたステータの周囲にて回転することで、ステータに備わるコイルで発電する。
さらに、コイルボビンの第1フランジにより軸方向一端側を保持した第1ヨークの外周側磁極部の軸方向他端側に延ばした先端を、コイルボビンの第2フランジの軸方向外側に配置された第1ホルダで支持することができる。また、コイルボビンの第2フランジにより軸方向他端側を保持した第2ヨークの外周側磁極部の軸方向一端側に延ばした先端を、コイルボビンの第1フランジの軸方向外側に配置された第2ホルダで支持することができる。つまり、外周側磁極部の先端を保持するホルダは、各ヨークが配置された側と反対側にコイルボビンのフランジと別体に配置されている。そのため、コイルボビンのフランジの加工精度に拘わらず、ホルダの精度を確保しさえすれば、ヨークの外周側磁極部の先端を密着状態で安定保持することができる。
図1は、ハブダイナモ10の取付概要図である。なお、以下の説明では、本発明に係るハブダイナモ10を自転車1のハブ軸11に取り付け、自転車1の前照灯4に電力を供給する場合について説明する。この前照灯4には、ランプとして、フィラメント式の電球ではなく、LEDランプが使用されている。
図1に示すように、自転車1の前輪5は、フレームの一部を構成するフロントフォーク3によりハブ軸11を介して回転可能に軸支されている。ハブ軸11は、両側がフロントフォーク3にナット(不図示)等により回転不能に締結固定されている。ハブ軸11の軸方向中央の大部分には、ハブダイナモ10が、ハブ軸11と同軸に取り付けられている。このハブダイナモ10は、前輪5の側方に配置された前照灯4に電力を供給するものとして設けられている。
以下、ハブ軸11の中心軸線Oの軸方向を単に軸方向といい、軸方向に直交する方向を径方向といい、中心軸線O周りに沿った方向を周方向という。なお、ハブ軸11のうち、少なくともステータ101(後述)が取り付けられた部分よりも軸方向外側に位置する部分には、フロントフォーク3にハブダイナモ10を固定するための雄ねじ部(不図示)が形成されている。
図2は、ハブダイナモ10の外観斜視図である。図3は、ハブダイナモ10の断面図である。
図2、図3に示すように、ロータ20は、ハブシェル30を主体に構成されている。ハブシェル30は、略有底円筒状に一体成形された円筒状の胴部(筒部)31および胴部31の軸方向他方Q側(図3における右側)の第2のエンドプレート33と、胴部31の軸方向一方P側(図3における左側)の開口を塞ぐ第1のエンドプレート32と、からなる。第1のエンドプレート32は、胴部31に圧入固定されている。
支持孔34aには、図1に示すように、前輪5のリム5aから内径側に延在する複数のスポーク2の内側端部が係合されている。なお、左右のフランジ部34の支持孔34aは、半ピッチ分だけ周方向に位相がずれて配置されている。
図4〜図7に示すように、ステータ101は、その軸方向両端部に配したワッシャ(プレート部材)41,43,49を介し、スリーブナット42および締付ナット44(いずれも単に「ナット」ということもある)によりハブ軸11に位置決め固定されている。これらハブ軸11およびステータ101などにより、ステータユニット100が構成されている。
次に、ステータ101の詳細について説明する。
図8は、ステータ101の構成を示す斜視図である。図9は、ステータ101の構成を示す分解斜視図である。図10は、ステータ101の主要部であるステータ本体101Aの分解斜視図である。
ここで注意すべき点は、第1ホルダ160Aは、軸方向他方Q側に配置されており、後述する軸方向一方P側に配置された第1ヨーク120Aの軸方向他方Q側に延びた先端121aを保持していることである。また、第2ホルダ160Bは、軸方向一方P側に配置されており、後述する軸方向他方Q側に配置された第2ヨーク120Bの軸方向一方P側に延びた先端121aを保持していることである。
図11は、コイルボビンの斜視図である。
同図に示すように、コイルボビン110は、外周にコイル140(図10参照)が巻回される円筒状の胴部111と、胴部111の軸方向一方P側および軸方向他方Q側の端部外周に径方向外方に張り出すように設けられた第1フランジ112Aおよび第2フランジ112Bと、を有している。
図12は、ステータ本体の軸方向から見た図であり、(a)は、図10のEA矢視図、(b)は、図10のEB矢視図である。図13は、ステータ本体の第1ヨークと第2ヨークの配置角度を説明するための軸方向一方P側から見たヨークとコイルボビンの図である。図14は、第1ヨークと第2ヨークの配置角度を説明するための図で、(a)は、1組の第1ヨークと第2ヨークを組み合わせる前の状態を示す斜視図、(b)は、第1ヨークと第2ヨークを組み合わせた後の状態を示す斜視図、(c)は、図14(b)のF矢視図である。図15は、各ヨークの構成を説明するための図で、(a)は、ヨークを構成する1枚の板状部材の斜視図、(b)は、板状部材を積層して構成したヨークの斜視図、(c)は、連結部側から見たヨークの斜視図である。
ここで、図15(a)〜図15(c)に示すように、第1ヨーク120Aおよび第2ヨーク120Bの各々は、鉄等の磁性体からなる複数の平坦な板状部材130を板厚方向(コイル140の半径方向と直交する方向)に積層した積層ヨーク(積層体)として構成されている。板状部材130(積層板状部材とも言う)の材料としては、例えば、表面に酸化被膜が形成された珪素鋼板(より詳しくは無方向性珪素鋼板)が採用されている。これら板状部材130は、プレス等にて板材を打ち抜き成形したものであり、ヨーク120A、120Bの形成に際して曲げ加工は施されておらず、平坦な板体として構成されている。
各板状部材130の基本的な形状は同じであり、図15(b)および図15(c)に示すように、これら所定枚数の板状部材130を板厚方向に積層することにより、板状部材130の外周側磁極部131によりヨーク120A、120Bの外周側磁極部121が構成されている。また、板状部材130の内周側磁極部133により、ヨーク120A、120Bの内周側磁極部123が構成されている。さらに、板状部材130の連結部132によりヨーク120A、120Bの連結部122が構成されている。本例では、各ヨーク120A、120Bは、7枚の板状部材130を積層することで構成されている。
ここで、図12〜図14に示すように、各ヨーク120A、120Bが、単に半径方向に沿った平面上に配設されるのではなく、半径方向に対して傾斜した平面(後述するヨークの実配置面)上に配置されている。
同様に、1つの第2ヨーク120Bの内周側磁極部123の先端123aは、隣接する2つの第1ヨーク120Aの内周側磁極部123の先端123aに跨がって当接することになる。つまり、第1ヨーク120Aの内周側磁極部123と第2ヨーク120Bの内周側磁極部123は、1対2の関係で互いに当接することになる。
すなわち、図12および図13に示すように、コイルボビン110の第1フランジ112Aおよび第2フランジ112Bの各ガイド溝113A、113Bも、それらの延在方向が半径方向に対して同様の傾斜角度αA、αBを持つように形成されている。
そこで、それを防止するためにホルダ160A,160Bが設けられている。次にホルダ160A,160Bについて詳しく説明する。
図8および図9に示すように、第1ホルダ160Aは、第1ヨーク120Aの軸方向他方Q側に延びた先端121aを保持するために、軸方向他方Q側に位置するコイルボビン110の第2フランジ112Bの軸方向外側に配置されている。また、第2ホルダ160Bは、第2ヨーク120Bの軸方向一方P側に延びた先端121aを保持するために、軸方向他方Q側に位置するコイルボビン110の第1フランジ112Aの軸方向外側に配置されている。
両ホルダ160A,160Bは、同じ構成のものである。ホルダ160A,160Bは、円環板状のホルダ本体部161と、円環板状のホルダ本体部161の軸方向内側面の外周側に円周方向に配列され且つ軸方向内方に向けて突設された複数の押さえ壁162と、を有している。図9に示すように、第1ホルダ160Aは、押さえ壁162のある側面をコイルボビン110の第2フランジ112Bに向けて軸方向他方Q側に配置されている。また、第2ホルダ160Bは、押さえ壁162のある側面をコイルボビン110の第1フランジ112Bに向けて軸方向一方P側に配置されている。
図8および図17に示すように、このように構成されたホルダ160A,160Bの保持溝163に、各ヨーク120A,120Bの外周側磁極部121の先端121aが挿入されている。すなわち、第1ヨーク120Aの外周側磁極部121の軸方向他方Q側に延びる先端121aは、コイルボビン110の第2フランジ112Bの支持溝115Bを通過して、第2フランジ112Bの軸方向外側に配置された第1ホルダ160A上の一対の押さえ壁162,162間の保持溝163に圧入されている。これにより、当該一対の押さえ壁162,162によって、外周側磁極部121の先端121aにおける複数の板状部材130(図15参照)が積層方向に密着状態で挟持されている。
図18、図20、図21に示すように、ナット42には、締め付けフランジ部42aが設けられている。締め付けフランジ部42aの外径は、第2ホルダ160Bの内周側フランジ壁161cの外周縁の径よりも小さく設定され、潰れ突起169が配置された円周の径よりも大きく設定されている。従って、ナット42を締め付けた際に、ナット42の締め付けフランジ部42aが、第2ホルダ160Bの潰れ突起169を潰しながら内周側フランジ壁161cを押圧する。
図19、図20、図22に示すように、ナット44の締め付け方向前側には、ナット44より径の大きな金属製の第1ワッシャ43が配置されている。第1ワッシャ43の外径は、第1ホルダ160Aの内周側フランジ壁161cの外周縁の径よりも小さく設定され、潰れ突起169が配置された円周の径よりも大きく設定されている。従って、ナット44を締め付けた際に、第1ワッシャ43が、第1ホルダ160Aの潰れ突起169を潰しながら内周側フランジ壁161cを押圧する。
次に、各ヨーク120A,120Bの細部について、主に図15を参照して述べる。
ヨーク120A,120Bを円周方向に間隔をおいて軸方向から見て放射状に配列すると、隣接するヨーク120A,120Bの内周側磁極部123が密に並ぶことになり、互いに干渉する可能性が出てくる。そこで、本実施形態では、内周側磁極部123の周方向一端側または他端側の少なくとも一方に、隣接するヨーク120A,120Bの内周端同士の干渉を避ける切欠部135が設けられている。
そうした場合、ヨーク120A(120B)の傾斜方向の前方側に位置する積層板状部材(例えば、板状部材130−1)の径方向内周端の位置が、ヨーク120A(120B)の傾斜方向の後方側に位置する積層板状部材(例えば、板状部材130−7)の径方向内周端の位置よりも径方向外方にあるように、積層された板状部材130の寸法が決められている。
これにより、板状部材130−1〜130−7を積層した際に、ヨーク120A(120B)の内周側磁極部123の内周端の傾斜方向の前端に、隣のヨーク120A(120B)の内周側磁極部123の内周端との干渉を避ける切欠部135が確保される。
(発電の仕組み)
このように構成されたハブダイナモ10の発電は、以下の要領で行われる。
すなわち、前輪5が回転すると、スポーク2により前輪5に接続されたロータ20が前輪5と共にハブ軸11周りに回転し、永久磁石22がステータ101周りを回転する。
各ヨーク120A,120Bが、磁性体からなる複数枚の板状部材130(図15参照)を積層した積層ヨークとして構成されている場合、板状部材130間は接着剤により接合されているのが一般的である。しかし、板状部材130間の接合強度が足りないと、ヨーク120A,120Bの外周側で永久磁石22のN極とS極が交互に回転移動するのに伴って、異音が発生する問題が生じることがある。
例えば、図23(a)に示すように、ヨークの外周側を永久磁石22のN極が通過する際には、ヨーク120A、120Bの外周端(外周側磁極部)はS極に励磁される。すると、積層された板状部材130が全てS極に励磁されることにより、板状部材130同士間に反発力が発生し、板状部材130同士が互いに離れようとする。
離れた板状部材130がN極に励磁されると、残りのS極に励磁されている板状部材130との間に吸引力が発生し、図23(d)に示すように、離れた板状部材130が吸引されて残りの板状部材130に叩き付けられることになる。その際、衝突による異音が発生することがある。
SB1…第2ヨークの実配置面、SC…交差線
Claims (5)
- 車輪と共に回転するハブシェルおよび該ハブシェルの胴部内周に円周状に配置された永久磁石を有するロータと、
前記車輪を回転自在に支持するハブ軸に回転不能に固定されると共に、前記ハブシェルの内部に収容された状態で前記永久磁石の内周側に配置され、前記ロータの回転により交番電流を出力するリング状のコイルを有したステータと、を備えるハブダイナモにおいて、
前記ステータは、
前記リング状のコイルを包囲するように軸方向一方側と軸方向他方側に配置され、且つ、周方向に間隔をあけて放射状に配置されると共に周方向に交互に配置された複数の第1ヨークおよび複数の第2ヨークを有すると共に、
軸方向他方側に配置されて前記第1ヨークの軸方向他端側を保持する第1ホルダおよび軸方向一方側に配置されて前記第2ヨークの軸方向一端側を保持する第2ホルダを有し、
且つ、前記リング状のコイルを保持するコイルボビンを有し、
前記第1ヨークは、
前記コイルの外周側に位置して前記コイルの軸方向一端側から軸方向他端側に先端を延ばした外周側磁極部と、
前記コイルの内周側に位置して前記コイルの軸方向一端側から軸方向他端側に向けた中間位置まで先端を延ばした内周側磁極部と、
前記コイルの軸方向一端側において直線状に延在し前記外周側磁極部と前記内周側磁極部の基端同士を連結する連結部と、
を有し、
前記第2ヨークは、
前記コイルの外周側に位置して前記コイルの軸方向他端側から軸方向一端側に先端を延ばした外周側磁極部と、
前記コイルの内周側に位置して前記コイルの軸方向他端側から軸方向一端側に向けた中間位置まで先端を延ばした内周側磁極部と、
前記コイルの軸方向他端側において直線状に延在し前記外周側磁極部と前記内周側磁極部の基端同士を連結する連結部と、
を有し、
前記第1ヨークおよび前記第2ヨークは、それぞれ、磁性体からなる複数の平坦な板状部材をコイルの半径方向と直交する方向に積層した積層ヨークとして構成されると共に、前記第1ヨークの前記内周側磁極部の先端と前記第2ヨークの前記内周側磁極部の先端とが前記コイルの内周側において互いに当接し、
さらに、前記第1ヨークの外周側磁極の先端が、前記第1ホルダ上に円周方向に配列された複数の押さえ壁のうちの隣り合う一対の押さえ壁の間に配置されることで、当該一対の押さえ壁によって、前記外周側磁極の先端における前記複数の板状部材が積層方向に密着状態で挟持されると共に、
前記第2ヨークの外周側磁極の先端が、前記第2ホルダ上に円周方向に配列された複数の押さえ壁のうちの隣り合う一対の押さえ壁の間に配置されることで、当該一対の押さえ壁によって、前記外周側磁極の先端における前記複数の板状部材が積層方向に密着状態で挟持されており、
前記コイルボビンは、
前記コイルが巻回された胴部と、前記胴部の軸方向一方側に配置されて前記第1ヨークの軸方向一端側を保持する第1フランジと、
前記胴部の軸方向他方側に配置されて前記第2ヨークの軸方向他端側を保持する第2フランジと、
を有し、
前記軸方向他方側に配置された第1ホルダは、
前記コイルボビンの第2フランジの軸方向外側に配置された円環板状のホルダ本体部と、
前記円環板状のホルダ本体部の軸方向内側面の外周側に円周方向に多数配列され且つ軸方向一方側に向けて突設された前記押さえ壁と、
を有し、
前記軸方向一方側に配置された第2ホルダは、
前記コイルボビンの第1フランジの軸方向外側に配置された円環板状のホルダ本体部と、
前記円環板状のホルダ本体部の軸方向内側面の外周側に円周方向に多数配列され且つ軸方向他方側に向けて突設された前記押さえ壁と、
を有し、
前記第1ホルダの円周方向に配列された複数の押さえ壁のうち、1つ置きに並んで対をなす前記押さえ壁の間に前記第1ヨークの外周側磁極部の先端が挟持され、
前記第2ホルダの円周方向に配列された複数の押さえ壁のうち、1つ置きに並んで対をなす前記押さえ壁の間に前記第2ヨークの外周側磁極部の先端が挟持されている
ことを特徴とするハブダイナモ。 - 前記第1ヨークおよび前記第2ヨークの配置に際し、前記ステータの外周面上に、周方向に間隔をおいて交互に前記第1ヨークの配置位置および第2ヨークの配置位置が設定され、
前記ハブ軸の中心軸線と前記第1ヨークの前記外周側磁極部における外周面側の周方向中央とを含む平面が前記第1ヨークの配置基準面として設定されると共に、前記第1ヨークの配置基準面に対して周方向一方側に傾斜した平面が前記第1ヨークの実配置面として設定されることにより、前記第1ヨークの実配置面上に前記第1ヨークが配置され、
前記ハブ軸の中心軸線と前記第2ヨークの前記外周側磁極部における外周面側の周方向中央とを含む平面が前記第2ヨークの配置基準面として設定されると共に、前記第2ヨークの配置基準面に対して周方向他方側に傾斜した平面が前記第2ヨークの実配置面として設定されることにより、前記第2ヨークの実配置面上に前記第2ヨークが配置され、
前記第1ヨークの実配置面と前記第2ヨークの実配置面との交差線上において、前記第1ヨークの前記内周側磁極部の先端と前記第2ヨークの前記内周側磁極部の先端とが当接している
ことを特徴とする請求項1に記載のハブダイナモ。 - 前記第1ホルダおよび前記第2ホルダの対をなす前記押さえ壁の内周側に、両押さえ壁に跨がることで両押さえ壁を連結する補強壁が設けられている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のハブダイナモ。 - 前記第1ホルダおよび第2ホルダが樹脂で構成され、前記第1ホルダおよび第2ホルダの円環板状の各ホルダ本体部の軸方向外側の内周側側面に、前記ハブ軸に螺合したナットによって前記第1ヨークおよび第2ヨークを軸方向に締め付けた際に、前記ナットにより押し潰されることで前記ナットによる締め付け力を吸収する複数の突起が設けられている
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のハブダイナモ。 - 前記円環板状のホルダ本体部の内周縁と外周縁に、それぞれ軸方向に貫通するコイル引出凹部が設けられている
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のハブダイナモ。
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