JP2014051109A - 自転車用ダイナモ - Google Patents

Abstract

【課題】車輪の重量増加を抑制することができ、磁石の脱落を防止することが可能であり、磁石の製作や加工が容易である自転車用ダイナモを提供する。
【解決手段】車輪３と共に回転自在なヨーク部１８と、ハブ軸１５に固定された鉄芯部１９とを有し、鉄芯部１９は、第一および第二鉄芯２１，２２と、両鉄芯２１，２２間に挟まれた二極の磁石２３およびコイル２４とを有し、第一および第二鉄芯２１，２２は周方向において所定間隔おきに複数の第一および第二極片２１ａ，２２ａを有し、第一および第二極片２１ａ，２２ａは径方向において所定の空隙２９をあけて対向し、ヨーク部１８は周方向において所定間隔おきに複数のヨーク極片１８ａを有し、ヨーク極片１８ａは、車輪３の回転方向において、第一極片２１ａと第二極片２２ａとの間に出入り自在である。
【選択図】図２

Description

本発明は、自転車に備えられるダイナモに関する。

従来、この種の自転車用ダイナモとしては、例えば、下記特許文献１に、永久磁石と二つのステータコアとコイル等を自転車の前車輪のハブ体の内側に設けたものが開示されている。

これによると、ダイナモを構成する部品がハブ体に内蔵されているため、ダイナモを交換する場合、前車輪を取り外した後、ハブ体を分解する必要があるため、作業が面倒であった。

これを解決するものとして、図１５に示すように、自転車の前車輪１０１と前ホーク１０２との間に設けられるハブダイナモ１０３がある。このハブダイナモ１０３では、固定側ハウジング１０４がロックナット１０５により車軸１０６に固定され、固定側ハウジング１０４の内側にコイル１０７が配設されている。また、前車輪１０１のスポーク１０８には回転側ハウジング１０９が取付けられ、回転側ハウジング１０９の内部に磁石１１０が設けられている。

コイル１０７は車軸１０６を取り囲むように円環状に形成されている。また、磁石１１０は、Ｎ極とＳ極とが分極着磁された複数の磁石片を、隣接する磁石片との極性が互いに異なるように円環状に固着した多極構造を有しており、コイル１０７の外周側を取り囲むように配置されている。

これによると、前車輪１０１が回転すると、前車輪１０１と共に磁石１１０が固定されたコイル１０７の周囲を回転し、コイル１０７に作用する磁束が変化するので、コイル１０７に電磁誘導による起電力が発生して電流が流れる。

尚、上記のような構成のハブダイナモ１０３については下記特許文献２に記載されている。

特許第３９６３６３４号 特開平１０−１０８４２８号公報

しかしながら上記図１５に示したハブダイナモ１０３では、磁石１１０がコイル１０７の外周側を取り囲むように円環状に配置されているため、磁石１１０の外径が大型化して重さが増す。このように重い磁石１１０を前車輪１０１に取り付けるため、前車輪１０１の重量が増加し、走行時におけるペダルの踏力が大きくなるといった問題がある。また、磁石１１０は前車輪１０１と一体に回転するため、回転による振動等で、磁石１１０が回転側ハウジング１０９から脱落する虞がある。

また、磁石１１０は複数の磁石片を円環状に固着した多極構造のものであるため、磁石１１０の構造が複雑化し、磁石１１０の製作や加工に手間を要するといった問題がある。
本発明は、車輪の重量増加を抑制することができ、磁石の脱落を防止することが可能であり、磁石の製作や加工が容易である自転車用ダイナモを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本第１発明は、ハブ軸の軸心方向における車輪とホークとの間に設けられる自転車用ダイナモであって、
車輪側に取り付けられて車輪と共に回転自在なヨーク部と、車輪のハブ軸側に固定された鉄芯部とを有し、
鉄芯部は、ハブ軸の軸心方向において対向する第一および第二鉄芯と、これら両鉄芯間に挟まれて固定された筒状の二極の磁石およびコイルとを有し、
磁石は、Ｎ極が第一および第二鉄芯のいずれか一方の鉄芯に当接し、Ｓ極が第一および第二鉄芯のいずれか他方の鉄芯に当接し、
第一鉄芯は周方向において所定間隔おきに形成された複数の第一極片を有し、
第二鉄芯は周方向において所定間隔おきに形成された複数の第二極片を有し、
第一極片と第二極片とはそれぞれ車輪の径方向において所定の空隙をあけて対向しており、
ヨーク部は周方向において所定間隔おきに形成された複数のヨーク極片を有し、
ヨーク極片は、第一極片と第二極片との間に挿入され、車輪の回転方向において第一極片と第二極片との間に出入り自在であるものである。

これによると、車輪が回転すると、車輪と共にヨーク部が回転し、車輪の回転方向においてヨーク極片が第一極片と第二極片との間に出入りする。この際、車輪の回転に応じて、ヨーク極片が第一極片と第二極片との間に入り込んでいると、磁石の磁束は、Ｎ極から第一鉄芯を通り、第一極片からヨーク極片を介して第二極片に至り、第二鉄芯を通ってＳ極へ到達する。

また、車輪の回転に応じて、ヨーク極片が第一極片と第二極片との間から退出していると、第一極片と第二極片との間にヨーク極片の存在しない空隙が形成されるため、磁石の磁束は、第一極片と第二極片との間で遮断され、第一極片から第二極片へ殆ど通らない。

このように、車輪の回転に応じて、磁束が磁石のＮ極から各極片を通ってＳ極へ到達する状態と途中で遮断されて到達しない状態とが交互に繰り返し発生するため、コイルに電流が発生し、発電される。

磁石は、車輪側に設けられず、第一鉄芯と第二鉄芯との間に挟まれて固定されているため、車輪の重量増加を抑制することができる。また、磁石は第一鉄芯と第二鉄芯との間に挟まれて固定されているため、磁石が車輪と共に回転することは無く、磁石の脱落を防止することができる。さらに、筒状の二極の磁石を用いているため、磁石を二極よりも多い多極構造にする必要は無く、磁石の構造が簡素化されて、磁石の製作が容易になる。

本第２発明における自転車用ダイナモは、第一および第二鉄芯は外径の異なった円盤状の部材であり、
第一極片は第一鉄芯の外周部に形成され、
第二極片は第二鉄芯の外周部に形成され、
ハブ軸が第一および第二鉄芯に挿通され、
磁石は、第一および第二極片よりも径方向内側において、ハブ軸を取り囲むように配置され、
コイルは、径方向において、磁石と第一および第二極片との間に配置されているものである。

本第３発明における自転車用ダイナモは、第一極片は第一鉄芯の外周部からハブ軸の軸心方向へ屈曲されて形成され、
第二極片は第二鉄芯の外周部からハブ軸の軸心方向へ屈曲されて形成され、
ヨーク極片は円環状のヨーク部の内周部からハブ軸の軸心方向へ屈曲されて形成され、
第一極片と第二極片とヨーク極片とがそれぞれ同数形成されているものである。

本第４発明における自転車用ダイナモは、鉄芯部に、外側を覆うカバーが設けられているものである。
これによると、鉄芯部の外側がカバーにより保護される。

以上のように本発明によると、磁石は、車輪側に設けられず、第一鉄芯と第二鉄芯との間に挟まれて固定されているため、車輪の重量増加を抑制することができる。これにより、走行時におけるペダルの踏力が小さくなる。

また、磁石が車輪と共に回転することは無いので、磁石の脱落を防止することができる。さらに、筒状の二極の磁石を用いているため、磁石を二極よりも多い多極構造にする必要は無く、磁石の構造が簡素化されて、磁石の製作や加工が容易になる。

本発明の実施の形態における自転車用ダイナモを搭載した自転車の前部側面図 同、自転車用ダイナモの断面図 同、自転車用ダイナモの側面図（図２におけるＸ−Ｘ矢視図） 図２におけるＹ−Ｙ矢視図 同、自転車用ダイナモの鉄芯部の断面図 図５におけるＸ−Ｘ矢視図 図５におけるＹ−Ｙ矢視図 同、自転車用ダイナモのヨーク部の断面図 図８におけるＸ−Ｘ矢視図 同、自転車用ダイナモのヨーク極片が第一極片と第二極片との間に入り込んでいる状態を示す拡大図 図１０におけるＸ−Ｘ矢視図 同、自転車用ダイナモのヨーク極片が第一極片と第二極片との間から退出している状態を示す拡大図 図１２におけるＸ−Ｘ矢視図 同、自転車用ダイナモの鎖交磁束と起電力とのグラフ 従来の自転車用ダイナモの断面図

以下、本発明における実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１に示すように、１は自転車であり、前ホーク２（ホークの一例）と、前車輪３（車輪の一例）と、前ホーク２に取り付けられた前照灯４と、前照灯４に電力を供給するダイナモ５等を有している。

前照灯４には光センサーと振動センサーが搭載されており、走行時に周囲が暗くなると、光センサーの検知に基づいて、自動的に前照灯４が点灯するように構成されている。前ホーク２は左右一対のホーク足７を有している。前車輪３は、回転中心部に設けられたハブ９と、ハブ９から放射状に設けられた複数本のスポーク１０と、スポーク１０の外周端に設けられた円環状のリム１１と、リム１１に外嵌されたタイヤ１２とを有している。

図２に示すように、ハブ９は、両端部につば１３を備えた円筒状のハブ体１４と、ハブ体１４に挿通されたハブ軸１５とを有している。ハブ体１４は軸受を介して回転自在にハブ軸１５に支持されている。ハブ軸１５は、両端部に螺合されたハブナット１６により、前ホーク２の両ホーク足７の下端部間に取付固定されている。これにより、前車輪３が前ホーク２に回転自在に取付けられる。

ダイナモ５は、ハブ軸１５の軸心方向Ａにおける前車輪３と前ホーク２との間すなわちハブ９のいずれか一方のつば１３と一方のホーク足７の下部との間に設けられている。また、ダイナモ５は、前車輪３側に取り付けられて前車輪３と共に回転自在なヨーク部１８と、ハブ軸１５側に固定された鉄芯部１９とを有している。

図２，図５〜図７に示すように、鉄芯部１９は、軸心方向Ａにおいて対向する第一および第二鉄芯２１，２２と、これら両鉄芯２１，２２間に挟まれて固定された永久磁石２３およびコイル２４とを有している。このうち、第一鉄芯２１は、中央部に貫通孔２６を有する円盤状の部材であり、外周部に複数の第一極片２１ａを有している。これら第一極片２１ａは、周方向において所定間隔おきに櫛歯状に設けられ、第一鉄芯２１の外周部から軸心方向Ａへ内側に屈曲されている。

また、第二鉄芯２２は、中央部に貫通孔２８を有する円盤状の部材であり、外周部に複数の第二極片２２ａを有している。これら第二極片２２ａは、周方向において所定間隔おきに櫛歯状に設けられ、第二鉄芯２２の外周部から軸心方向Ａへ外側に屈曲されている。

第二鉄芯２２の外径は第一鉄芯２１の外径よりも小さく、第二極片２２ａは前車輪３の径方向Ｂにおいて第一極片２１ａよりも内方に配置され、第一極片２１ａと第二極片２２ａとは径方向Ｂにおいて所定の空隙２９をあけて対向し重なるように位置決めされている。

ハブ軸１５の一端部は第一および第二鉄芯２１，２２の両貫通孔２６，２８に挿通され、一方のホーク足７の下部と第一鉄芯２１との間に挟まれてハブ軸１５の一端部に螺合された鉄芯固定ナット３０によって第一および第二鉄芯２１，２２がハブ軸１５に固定されている。尚、鉄芯固定ナット３０は漏洩磁束を抑制する非磁性体材料で加工されている。

ハブ軸１５の一端部の外周面と両貫通孔２６，２８の内周面との間には、漏洩磁束を抑制する非磁性体材料で加工された円環状の鉄芯ワッシャ３１が嵌め込まれている。この鉄芯ワッシャ３１は外周から径方向Ｂの外側へ張り出した鍔部３１ａを全周にわたり有しており、この鍔部３１ａは第一鉄芯２１の内周部と第二鉄芯２２の内周部との間に挟み込まれている。

永久磁石２３は、第一および第二極片２１ａ，２２ａよりも径方向Ｂの内側において、ハブ軸１５を取り囲むように円筒状に形成されている。また、永久磁石２３は、軸心方向Ａにおける外側表面がＮ極、内側裏面がＳ極である二極構造であり、Ｎ極が第一鉄芯２１（一方の鉄芯の一例）に当接し、Ｓ極が第二鉄芯２２（他方の鉄芯の一例）に当接している。

コイル２４は、コイルボビン３３を介して巻かれており、径方向Ｂにおいて、永久磁石２３と第一および第二極片２１ａ，２２ａとの間に配置されている。尚、コイル２４の一端は第一鉄芯２１又は第二鉄芯２２に挟み込まれて電気的に接続され、ハブ軸１５を介して自転車１の車体にアースされている。また、図５，図６に示すように、コイル２４の他端２４ａは、第一鉄芯２１の外側に引き出され、出力端子４１に接続されている。尚、出力端子４１は、端子取付ねじ４２によってコイルボビン３３に取り付けられ、第一鉄芯２１とは絶縁されている。出力端子４１と前照灯４とはコード４３を介して電気的に接続されている。

図２，図４，図８，図９に示すように、ヨーク部１８は、一方および他方の取付ブラケット３５，３６と複数のヨーク取付ねじ３７とによって、前車輪３のスポーク１０に取り付けられている。また、ヨーク部１８は、円環状の部材であり、内周部に複数のヨーク極片１８ａを有している。これらヨーク極片１８ａは、周方向において所定間隔おきに櫛歯状に設けられ、ヨーク部１８の内周部から軸心方向Ａへ外側に屈曲されて第一極片２１ａと第二極片２２ａとの間に挿入され、図１０，図１２に示すように前車輪３の回転方向Ｃにおいて第一極片２１ａと第二極片２２ａとの間に出入り自在である。

ヨーク極片１８ａと第一極片２１ａと第二極片２２ａとはそれぞれ同数個（同数極）ずつ設けられており、一例として、図７，図９では、１８個（１８極）の極片１８ａ，２１ａ，２２ａが設けられている。

一方および他方の取付ブラケット３５，３６はそれぞれ、円環状の部材であり、軸心方向Ａにおける両側からスポーク１０を挟むようにして設けられている。一方の取付ブラケット３５はハブ体１４のつば１３に外嵌され、ヨーク部１８は一方の取付ブラケット３５に当て付けられている。ヨーク部１８と一方および他方の取付ブラケット３５，３６とがヨーク取付ねじ３７によって連結固定されている。

図２，図３に示すように、第一鉄芯２１には、軸心方向Ａにおける外側と第一極片２１ａの外周とを覆うカバー３８が設けられている。カバー３８は、鉄芯固定ナット３０に外嵌されて、前ホーク２のホーク足７と第一鉄芯２１との間に挟まれた状態で、複数のカバー取付ねじ３９によって第一鉄芯２１に固定されている。

尚、カバー３８は出力端子４１を覆う端子カバー部３８ａを有し、コード４３は端子カバー部３８ａの下部開口部３８ｂを通じて出力端子４１に接続されている。
以下、上記構成における作用を説明する。

自転車１を走行させて前車輪３が回転すると、図１０〜図１３に示すように、前車輪３と共にヨーク部１８が回転し、前車輪３の回転方向Ｃにおいてヨーク極片１８ａが第一極片２１ａと第二極片２２ａとの間に出入りする。この際、図１０，図１１に示すように、前車輪３の回転に応じて、ヨーク極片１８ａが第一極片２１ａと第二極片２２ａとの間に入り込んでいると、永久磁石２３の磁束は、矢印で示すように、Ｎ極から第一鉄芯２１を通り、第一鉄芯２１の第一極片２１ａからヨーク極片１８ａを介して第二鉄芯２２の第二極片２２ａに至り、第二鉄芯２２を通ってＳ極へ到達する。

また、図１２，図１３に示すように、前車輪３の回転に応じて、ヨーク極片１８ａが第一極片２１ａと第二極片２２ａとの間から退出していると、第一極片２１ａと第二極片２２ａとの間にヨーク極片１８ａの存在しない空隙２９が形成される。このため、永久磁石２３の磁束は、第一極片２１ａと第二極片２２ａとの間で遮断され、第一極片２１ａから第二極片２２ａへ殆ど通らない。

このように、前車輪３の回転に応じて、磁束が永久磁石２３のＮ極から各極片１８ａ，２１ａ，２２ａを通ってＳ極へ到達する状態（図１０，図１１参照）と途中で遮断されて到達しない状態（図１２，図１３参照）とが交互に繰り返し発生するため、コイル２４に電流が発生し、発電される。このようにしてコイル２４に発生した電流はコード４３を流れて前照灯４に供給され、周囲の明るさに応じて前照灯４が自動的に点灯する。

尚、図１４（ａ）は鎖交磁束の変化を示すグラフであり、（ｂ）は発生する起電力の変化を示すグラフである。図１４（ａ）において、範囲Ｄ１は図１０，図１１に示したようにヨーク極片１８ａが第一極片２１ａと第二極片２２ａとの間に入り込んでいるときに相当し、範囲Ｄ２は図１２，図１３に示したようにヨーク極片１８ａが第一極片２１ａと第二極片２２ａとの間から退出して磁束が遮断されたときに相当する。また、図１４（ｂ）に示すように、起電力は鎖交磁束の変化により発生するので、鎖交磁束の周期よりずれて発生する。

図２に示すように、ダイナモ５の構成において、永久磁石２３は、前車輪３に設けられず、第一鉄芯２１と第二鉄芯２２との間に挟まれて固定されているため、前車輪３の重量増加を抑制することができる。これにより、走行時におけるペダルの踏力が小さくなる。

また、永久磁石２３は第一鉄芯２１と第二鉄芯２２との間に挟まれて固定されているため、永久磁石２３が前車輪３と共に回転することは無く、永久磁石２３の脱落を防止することができる。

さらに、筒状の二極の永久磁石２３を用いているため、永久磁石２３を二極よりも多い多極構造にする必要は無く、永久磁石２３の構造が簡素化されて、永久磁石２３の製作や加工が容易になる。また、カバー３８によって、出力端子４１を含んだ鉄芯部１９の外側が保護される。

また、ダイナモ５を交換する場合、先ず、両ハブナット１６をハブ軸１５の両端部から取り外し、前車輪３を前ホーク２から取り外す。その後、鉄芯固定ナット３０をハブ軸１５から取り外すことにより、鉄芯部１９一式をハブ軸１５から取り外すことができる。また、ヨーク取付ねじ３７を外すことにより、ヨーク部１８と両取付ブラケット３５，３６とをまとめて前車輪３から取り外すことができる。これにより、ダイナモ５を容易に交換することができる。

上記実施の形態では、図２に示すように、ダイナモ５を前車輪３と前ホーク２の一方のホーク足７との間に設けたが、後車輪と後ホークの一方のホーク足との間に設けてもよい。

上記実施の形態では、永久磁石２３のＮ極を第一鉄芯２１に当接させ、Ｓ極を第二鉄芯２２に当接させたが、Ｎ極を第二鉄芯２２に当接させ、Ｓ極を第一鉄芯２１に当接させてもよい。

上記実施の形態では、図７，図９に示すように、ヨーク極片１８ａと第一極片２１ａと第二極片２２ａとをそれぞれ１８個（１８極）設けたが、１８個以外の複数個（複数極）であってもよい。尚、各極片の個数（極数）を増やすほど発電周波数が増えるため、点灯時における前照灯４のちらつきを抑制することができる。

本発明は、ダイナモで発電された電気を前照灯に給電しているが、前照灯以外の電気機器（例えば尾灯等）に給電してもよい。

１ 自転車
２ 前ホーク（ホーク）
３ 前車輪（車輪）
５ ダイナモ
１５ ハブ軸
１８ ヨーク部
１８ａ ヨーク極片
１９ 鉄芯部
２１ 第一鉄芯
２１ａ 第一極片
２２ 第二鉄芯
２２ａ 第二極片
２３ 永久磁石
２４ コイル
２９ 空隙
３８ カバー
Ａ 軸心方向
Ｂ 径方向
Ｃ 回転方向

Claims (4)

1. ハブ軸の軸心方向における車輪とホークとの間に設けられる自転車用ダイナモであって、
   車輪側に取り付けられて車輪と共に回転自在なヨーク部と、車輪のハブ軸側に固定された鉄芯部とを有し、
   鉄芯部は、ハブ軸の軸心方向において対向する第一および第二鉄芯と、これら両鉄芯間に挟まれて固定された筒状の二極の磁石およびコイルとを有し、
   磁石は、Ｎ極が第一および第二鉄芯のいずれか一方の鉄芯に当接し、Ｓ極が第一および第二鉄芯のいずれか他方の鉄芯に当接し、
   第一鉄芯は周方向において所定間隔おきに形成された複数の第一極片を有し、
   第二鉄芯は周方向において所定間隔おきに形成された複数の第二極片を有し、
   第一極片と第二極片とはそれぞれ車輪の径方向において所定の空隙をあけて対向しており、
   ヨーク部は周方向において所定間隔おきに形成された複数のヨーク極片を有し、
   ヨーク極片は、第一極片と第二極片との間に挿入され、車輪の回転方向において第一極片と第二極片との間に出入り自在であることを特徴とする自転車用ダイナモ。
2. 第一および第二鉄芯は外径の異なった円盤状の部材であり、
   第一極片は第一鉄芯の外周部に形成され、
   第二極片は第二鉄芯の外周部に形成され、
   ハブ軸が第一および第二鉄芯に挿通され、
   磁石は、第一および第二極片よりも径方向内側において、ハブ軸を取り囲むように配置され、
   コイルは、径方向において、磁石と第一および第二極片との間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の自転車用ダイナモ。
3. 第一極片は第一鉄芯の外周部からハブ軸の軸心方向へ屈曲されて形成され、
   第二極片は第二鉄芯の外周部からハブ軸の軸心方向へ屈曲されて形成され、
   ヨーク極片は円環状のヨーク部の内周部からハブ軸の軸心方向へ屈曲されて形成され、
   第一極片と第二極片とヨーク極片とがそれぞれ同数形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の自転車用ダイナモ。
4. 鉄芯部に、外側を覆うカバー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項に記載の自転車用ダイナモ。

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