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技術 移動体

出願人 日本電産コパル株式会社
発明者 新條達俊深作良範野口ひろ康細田貴之岩瀬将人渡辺正和
出願日 2015年8月28日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2015-169864
公開日 2017年3月2日 (3年3ヶ月経過) 公開番号 2017-043334
状態 特許登録済
技術分野 車両の乗手推進、伝動装置 電動機の停止 車両の電気的な推進・制動
主要キーワード 電動駆動ユニット 高速度域 低速度域 自起動領域 全波整流方式 補助駆動力 動作方式 整流方式
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年3月2日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

高速度域でも搭乗者に違和感を生じさせない電動アシスト自転車などの移動体を提供する。

解決手段

車輪と、前記車輪の回転速度を検知するセンサと、回転軸を有するロータを備え、与えられた電力で前記ロータを回転することで前記車輪に駆動力を与え、または前記車輪により前記ロータが回転されることで回生電力を発生するモータと、半波整流または全波整流により、印加電力整流して前記モータに電力を与え、または前記モータで発生した前記回生電力を整流する整流回路と、前記センサの検出結果に基づき、前記整流回路の半波整流または全波整流の動作を切り替える制御部と、前記整流回路に電力を与え、または前記整流回路により整流された前記回生電力により充電されるバッテリと、を備える移動体(自転車)を採用する。

概要

背景

従来、電動駆動ユニットが搭載された自転車などの移動体において、電動機の自起動領域を超える高速度域走行した場合、電動機は発電機として動作し、回生動作となる。電動機が回生動作となっているときには、車輪の回転には負荷が生じ、搭乗者は走行に違和感を覚えることがある。これに対して、特許文献1には、電動機内部にワンウェイクラッチを搭載させた自転車について開示されている。この自転車では、電動機が回生動作しているときにはワンウェイクラッチにより電動機とロータとの連結が遮断されることで車輪の回転に対する負荷が開放され、これにより搭乗者は走行に違和感を覚えることがなくなる。また、特許文献2にも同様の技術が開示されている。

概要

高速度域でも搭乗者に違和感を生じさせない電動アシスト自転車などの移動体を提供する。車輪と、前記車輪の回転速度を検知するセンサと、回転軸を有するロータを備え、与えられた電力で前記ロータを回転することで前記車輪に駆動力を与え、または前記車輪により前記ロータが回転されることで回生電力を発生するモータと、半波整流または全波整流により、印加電力整流して前記モータに電力を与え、または前記モータで発生した前記回生電力を整流する整流回路と、前記センサの検出結果に基づき、前記整流回路の半波整流または全波整流の動作を切り替える制御部と、前記整流回路に電力を与え、または前記整流回路により整流された前記回生電力により充電されるバッテリと、を備える移動体(自転車)を採用する。

目的

これにより、例えば、高速度域では車輪に回転負荷が生じにくい半波整流方式で整流された電力をモータに印加するよう制御することなどが可能となり、回生動作時であっても違和感のない走行が可能な移動体を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

車輪と、前記車輪の回転速度を検知するセンサと、回転軸を有するロータを備え、与えられた電力で前記ロータを回転することで前記車輪に駆動力を与え、または前記車輪により前記ロータが回転されることで回生電力を発生するモータと、半波整流または全波整流により、印加電力整流して前記モータに電力を与え、または前記モータで発生した前記回生電力を整流する整流回路と、前記センサの検出結果に基づき、前記整流回路の半波整流または全波整流の動作を切り替える制御部と、前記整流回路に電力を与え、または前記整流回路により整流された前記回生電力により充電されるバッテリと、を備える移動体

請求項2

前記制御部は、前記センサの検出結果に基づき、移動速度が所定の速度より速くなった場合に前記整流回路の動作を全波整流から半波整流に切り替える請求項1に記載の移動体。

請求項3

前記所定の速度が25km/h前後の速度である請求項2に記載の移動体。

技術分野

0001

本発明の一態様は、速度制御装置を備える電動アシスト自転車などの移動体に関する。

背景技術

0002

従来、電動駆動ユニットが搭載された自転車などの移動体において、電動機の自起動領域を超える高速度域走行した場合、電動機は発電機として動作し、回生動作となる。電動機が回生動作となっているときには、車輪の回転には負荷が生じ、搭乗者は走行に違和感を覚えることがある。これに対して、特許文献1には、電動機内部にワンウェイクラッチを搭載させた自転車について開示されている。この自転車では、電動機が回生動作しているときにはワンウェイクラッチにより電動機とロータとの連結が遮断されることで車輪の回転に対する負荷が開放され、これにより搭乗者は走行に違和感を覚えることがなくなる。また、特許文献2にも同様の技術が開示されている。

先行技術

0003

特開2012−201163号公報
特開2009−012627号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、上記従来の構成の自転車では、構成が複雑になってしまい、耐久性及び重量増加などの課題が生じていた。

課題を解決するための手段

0005

本発明は、上記課題を解決するために次のような手段を採る。なお、以下の説明において、発明の理解を容易にするために図面中の符号等を括弧書きで付記するが、本発明の各構成要素はこれらの付記したものに限定されるものではなく、当業者が技術的に理解しうる範囲にまで広く解釈されるべきものである。

0006

本発明の一の手段は、
車輪と、
前記車輪の回転速度を検知するセンサ速度センサ50)と、
回転軸を有するロータを備え、与えられた電力で前記ロータを回転することで前記車輪に駆動力を与え、または前記車輪により前記ロータが回転されることで回生電力を発生するモータ(40)と、
半波整流または全波整流により、印加電力整流して前記モータに電力を与え、または前記モータで発生した前記回生電力を整流する整流回路(60)と、
前記センサの検出結果に基づき、前記整流回路の半波整流または全波整流の動作を切り替える制御部(10)と、
前記整流回路に電力を与え、または前記整流回路により整流された前記回生電力により充電されるバッテリ(30)と、を備える
移動体(自転車)である。

0007

上記構成の移動体(自転車)によれば、モータに印加する電力を生成するための整流方式を、半波整流または全波整流に切り替えることが可能となる。これにより、例えば、高速度域では車輪に回転負荷が生じにくい半波整流方式で整流された電力をモータに印加するよう制御することなどが可能となり、回生動作時であっても違和感のない走行が可能な移動体を提供することができる。

0008

上記移動体(自転車)において、好ましくは、
前記制御部は、前記センサの検出結果に基づき、移動速度が所定の速度より速くなった場合に前記整流回路の動作を全波整流から半波整流に切り替える。

0009

上記構成の移動体(自転車)によれば、高速度域では、モータに与える電力を、全波整流から半波整流で整流された電力に切り替えるように制御部が制御する。これにより、高速度域においても、搭乗者が違和感を覚えることなく移動体(自転車)を走行させることが可能となる。

0010

上記移動体(自転車)において、好ましくは、
前記所定の速度が25km/h前後の速度である。

0011

上記構成の移動体(自転車)によれば、移動体の速度が25km/hよりも速いときに、モータに与える電力を全波整流から半波整流に切り替える制御を行う構成としているため、25km/hの速度において、搭乗者が違和感を覚えることなく移動体(自転車)を走行させることが可能となる。

図面の簡単な説明

0012

電動アシスト自転車の外観を示す図。
電動アシスト自転車の電動駆動ユニットの機能的構成を示す図。
電動アシスト自転車の電動駆動ユニットの動作例を示すフローチャート
全波整流で動作する際の整流回路の波形を示す図。
半波整流で動作する際の整流回路の波形を示す図。
電動アシスト自転車における速度と発生トルクとの関係を示す図。

実施例

0013

本発明に係る実施形態について、以下の構成に従って図面を参照しながら具体的に説明する。ただし、以下で説明する実施形態はあくまで本発明の一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定的に解釈させるものではない。なお、各図面において、同一の構成要素には同一の符号を付しており、その説明を省略する場合がある。
1.実施形態
(1)自転車の構成例
(2)電動駆動ユニットにおける動作例
2.補足事項

0014

<1.実施形態>
本実施形態の電動アシスト自転車は、電動駆動ユニットがモータに印加する電力の整流方式を全波整流方式と半波整流方式とで切り替え可能に構成されており、自転車が高速で動作しているときには半波整流方式で動作するよう制御している点に特徴がある。以下、本実施形態の電動アシスト自転車について、図面を参照しながら具体的に説明する。

0015

<(1)自転車の構成例>
図1は、本実施形態の電動アシスト自転車の外観を示す図である。図2は、本実施形態の電動アシスト自転車における特徴部分である電動駆動ユニット部分の機能的構成を示す図である。図1及び図2に示されるように、本実施形態の電動アシスト自転車の電動駆動ユニットは、特徴的な構成として、制御部10、トルクセンサ20、バッテリ30、モータ40、速度センサ50、及び整流回路60を含んで構成される。本実施形態の電動アシスト自転車は、これらの特徴的な構成以外にも、車輪、車体、ペダル、およびチェーンなどの、通常の電動アシスト自転車が備える構成を備えているが、本発明の特徴部分ではないためこれらの構成については説明を省略する。

0016

<トルクセンサ20>
トルクセンサ20は、搭乗者が自転車のペダルに与えた踏力により発生するトルクを検出するよう構成され、図1に示されるようにフロントチェーンホイールの近傍などに配置される。トルクセンサは、検出したトルク情報(踏力情報)を制御部10に出力する。なお、トルクセンサは、当該位置ではなく別の位置に配置されてもよいが、当該位置に配置すると、踏力が与えられる位置に近い位置でトルクを検出することとなり、より精度の高いトルクの検出が可能となるため好ましい。なお、トルクセンサは、ペダルに与えられた踏力をトルクとして検出する構成でも良いし、チェーンに与えられた力を検出するような構成であってもよい。

0017

<バッテリ30>
バッテリ30は、外部から与えられる電力により、またはモータ40が回生動作する際の回生電力により充電されることで蓄電し、整流回路60に対して放電することで電圧を印加するよう構成される。また、バッテリ30は、制御部10などの他の構成に対して電力を供給することもできる。バッテリ30は、電動アシスト自転車における補助駆動力電動アシスト力)を発生させるための電力源となる。

0018

<モータ40>
モータ40は、図1に示されるように自転車の前輪の中心部分に配置される。モータ40は、前輪に連結された回転軸を有するロータと、減速機を備える。本実施形態のモータ40は、例えば、三相モータで構成される。モータ40は、整流回路60から印加された電圧(電力)によりロータを回転させ、これにより前輪の回転方向推進方向)に人力に対する補助として駆動力を与えることで、前輪に対して補助駆動力を与えることができる。また、モータ40は、回生動作の際、車輪の回転によりロータが回転することで回生電力を発生し、この回生電力を整流回路60に出力する。モータ40が回生動作に際には、前輪に対して制動力ブレーキ力)が与えられる。モータ40には、速度センサ50が連結される。

0019

<速度センサ50>
速度センサ50は、モータ40に連結されて配置され、モータ40または前輪の回転速度(単位時間当たりの回転数)、または自転車の移動速度を検出する。自転車の移動速度は、前輪の回転速度に基づいて算出される。速度センサ50は、検出した前輪の回転速度などの速度情報を制御部10に出力する。なお、本実施形態において車輪の回転速度とは、単なる車輪の回転速度のみを指すものではなく、車輪の回転速度に基づき導出される自転車の速度をも含む。

0020

<整流回路60>
整流回路60は、バッテリ30の近傍またはモータ40の近傍などに配置され、印加された電力(電圧)を半波整流または全波整流のいずれかの方式で整流して出力するよう構成された電気回路である。整流回路60は、制御部10の制御によりその整流方式を半波整流または全波整流に切り替えられる。整流回路60は、バッテリ30から印加された電力を整流してモータ40に電力を与え、またはモータ40から印加された電力を整流してバッテリ30に電力を与える。整流回路60は、制御部10の制御により、所定のデューティ(Duty)の電圧をモータ40に対して印加する。

0021

<制御部10>
制御部10は、例えばトルクセンサ20の近傍など、電動アシスト自転車の車体の任意の場所に配置され、電動アシスト自転車における各種制御を行うよう構成される。本実施形態の自転車では特に、制御部10は、速度センサ50から入力される速度情報に基づき、整流回路60の動作方式を半波整流または全波整流のいずれかの方式とする。制御部10は、例えば、速度センサ50により示される電動アシスト自転車の速度情報が25km/h未満の低速度域においては整流回路60を全波整流で動作させ、速度情報が25km/h以上の高速度域においては整流回路60を半波整流で動作させる。

0022

<(2)電動駆動ユニットにおける動作例>
ここで、上記のような構成を備える本実施形態の電動アシスト自転車の電動駆動ユニットにおける動作例について、図3図6を参照しながら説明する。図3は、本実施形態の電動駆動ユニットの動作例を示すフローチャートである。

0023

<S100〜S120>
搭乗者の操作により、または搭乗者が電動アシスト自転車に搭乗したときに自動的に、電動駆動ユニットが始動すると(S100)、制御部10はトルクセンサ20により検出されるトルクを確認する(S110)。ここで、検出されるトルクが0であれば、すなわち、搭乗者がペダルを踏み込んでいなければ(S120でN)、S110からのトルク検出処理が繰り返される。

0024

<S130〜S160>
一方で、検出されるトルクが0でない、すなわち、搭乗者がペダルを踏み込んで自転車に動力を与えていたら(S120でY)、制御部10は、モータ40を起動させる(ONにする)(S130)。さらに、制御部10は検出されるトルクを確認し(S140)、検出されるトルクが0であるか否かを確認する(S150)。ここで、検出されるトルクが0であれば(S150でN)、制御部10はモータ40を停止させ(OFFにして)(S160)、S110からの処理を繰り返す。

0025

<S170〜S180>
一方、検出されるトルクが0ではなく、何らかのトルクが検出されると(S150でY)、制御部10は速度センサ50により検出される車輪の回転速度から、自転車の移動速度を算出する(S170)。そして、制御部10は、検出された自転車の速度情報が25km/hより速い値を示しているか否かを確認する(S180)。

0026

<S190>
検出された自転車の速度が25km/hであるか、またはこれより遅ければ(S180でN)、制御部10は、整流回路60の動作を全波整流動作にする(S190)。

0027

<S200>
一方で、検出された自転車の速度が25km/hより速ければ(S180でY)、制御部10は、整流回路60の動作を半波整流動作にする(S200)。

0028

すなわち、制御部10は、電動アシスト自転車の速度が25km/hより速ければ整流回路60を半波整流動作にし、そうでなければ整流回路60を全波整流動作にする。つまり、制御部10は、電動アシスト自転車の速度が25km/hを超えたタイミングで、整流回路60の動作を全波整流から半波整流に切り替え、電動アシスト自転車の速度が25km/hを超えた速度から25km/h以下の速度になったタイミングで、整流回路60の動作を半波整流から全波整流に切り替える。

0029

<S210>
S190またはS200の処理の後、制御部10は、トルクセンサ20により検出されたトルク、及び速度センサ50により検出された速度に基づき、モータ40に対して与える電圧(電力)のデューティ(Duty)を決定して(S210)、S110の処理に戻る。

0030

ここで、図4は、整流回路60が全波整流で動作するときの波形を示す図である。図5は、整流回路60が半波整流で動作するときの波形を示す図である。図4及び図5において、横軸は時間、縦軸は電圧または電流を示している。図4及び図5において、上図は電圧特性を示し、下図電流特性を示している。図4及び図5から判るように、全波整流動作は印加電力を最大限活用可能な動作であり、半波整流動作は全波整流動作に対して略1/2以下の電動特性となっている。

0031

図6は、本実施形態の電動アシスト自転車における速度と、電動駆動ユニットによる発生トルクとの関係を示す図である。図6において、横軸は自転車の速度、縦軸は発生トルクを示している。

0032

図6に示されるように、電動アシスト自転車では、速度が速くなるにつれて発生するトルクが低下していき、これにより自起動領域と発電領域との境界が決定される。自起動領域とは、与えられる電力によりモータが車輪に駆動力を与える領域であり、発電領域とは、モータに与えられる回転力によりモータが発電する領域である。そして、全波整流と半波整流とでは、その特性が異なり、半波整流の方が速度に対して発生するトルクが小さくなる。本実施形態では、自転車の速度が25km/hを超えるか否かで制御部10が全波整流動作と半波整流動作とを切り替えているため、自転車が高速度域(25km/hを超える速度領域)で動作するときは、整流回路60が半波整流動作で動作することとなる。そのため、高速度域ではモータに発生するトルクが弱くなり、これに伴い自起動領域が拡大することとなる。

0033

ここで、モータが発電領域に入ると、モータが車輪の回転力により発電することとなるため、回生動作の際に車輪の回転に対する制動力が発生することとなり、これにより搭乗者は違和感を覚えることがある。そこで、上記のように、本実施形態の電動アシスト自転車では、高速度域において整流回路60を半波整流動作とし、これにより自起動領域を拡大して、搭乗者が違和感を覚えることなく自転車を動作させることができるようにしている。このような構成とすることで、電動アシスト自転車にワンウェイクラッチなどを搭載することなく、制御方式の変更のみで、高速度域での電動特性を適切に変更可能となり、搭乗者が搭乗時に覚える違和感を抑制することが可能となる。

0034

<2.補足事項
以上、本発明の実施形態についての具体的な説明を行った。上記説明は、あくまで一実施形態としての説明であって、本発明の範囲はこの一実施形態に留まらず、当業者が把握可能な範囲にまで広く解釈されるものである。

0035

上記実施形態では、電動アシスト自転車を具体例として挙げて説明したが、本実施形態の自転車が備える電動駆動ユニットは必ずしも自転車にのみ適用されるものではなく、三輪車または四輪車などにも適用可能である。

0036

また、上記実施形態では、一例として自転車の速度が25km/hを超えたことを基準に整流回路の動作方式を変化させたが、この基準速度は任意に変更可能である。

0037

また、上記実施形態では、モータ40に連結された速度センサ50を用いて車輪の回転速度を検出したが、別の構成により自転車の速度を検出する構成としてもよい。

0038

本発明は、電動アシスト自転車などとして好適に適用される。

0039

10…制御部
20…トルクセンサ
30…バッテリ
40…モータ
50…位置センサ
60…整流回路

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