專利名稱：電動助力自行車的電源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動助力自行車的電源裝置，特別是涉及在具有再生功能的電動助力自行車上使用雙層電容器的電源裝置。
雖然這種電動助力自行車進行了種種設(shè)計，但是任何設(shè)計都伴隨著把電動機配置在驅(qū)動部，以謀求減小尺寸減輕重量為目的從而提高驅(qū)動電動機速度，制成為靠齒輪或皮帶輪減速而得到所需的轉(zhuǎn)矩。
進而，如果是經(jīng)由鏈條和單向離合器來連接驅(qū)動部和輪胎部者，則即使把驅(qū)動電動機設(shè)在輪胎部也設(shè)有減速機構(gòu)。
現(xiàn)有的電動助力自行車因為設(shè)有某種減速機構(gòu)故無法成為緊湊的機構(gòu)，有必要大幅度變更通常的自行車的基本結(jié)構(gòu)而成本上也成為高價的，而且，因為齒輪等減速機構(gòu)引起的損失很大故蓄電池壽命縮短，并且在用盡充電于蓄電池的電壓的場合自行車變得很重。
因而，存在著為了使長距離行駛成為可能而有必要加大蓄電池容量等問題。
本發(fā)明的第1方面的電動助力自行車的電源裝置，該電動助力自行車在電源與驅(qū)動電動機之間備有構(gòu)成為使電流沿正反方向流動的電力變換裝置，其特征在于，把前述驅(qū)動電動機取為外轉(zhuǎn)子式永磁同步電動機，并且把前述電源取為電氣雙層電容器。
本發(fā)明的第2方面的電動助力自行車的電源裝置，其特征在于，與前述電氣雙層電容器并聯(lián)連接備用電源，此一備用電源是其容量小于電氣雙層電容器容量的輔助電源，在此一輔助電源與前述電氣雙層電容器之間設(shè)置由電抗器和開關(guān)元件組成的升壓電路。
本發(fā)明的第3方面的電動助力自行車的電源裝置，其特征在于，把前述自行車的至少5km/h一下速度時的助力率取為1.0以上。
圖2是表示本發(fā)明的另一個實施例的電路構(gòu)成圖。
圖3是助力率-速度特性圖。
圖4是對平路驅(qū)動力比-坡度特性圖。
圖5是助力率-對平路驅(qū)動力比特性圖。
圖6是驅(qū)動部的構(gòu)成圖。
電氣雙層電容器1例如把12個300F、2.7V者疊層而以25F、32.4V構(gòu)成，充電到電容器的直流電壓靠電力變換裝置變換成交流后作為24V交流電壓加在助力電動機上。
8是備用電源，此一電源8雖然不一定是必要的，但是包括由具有小于電容器1的電壓的容量的鉛電池組成的輔助電源9，電抗器10，開關(guān)元件11、12和與開關(guān)元件12反向并聯(lián)連接的二極管D，分流電阻SH。再者，由其中的電抗器10和開關(guān)元件11來形成升壓電路。此一升壓電路雖然在輔助電源9為24V時是不需要的，但是在為了減小輔助電源9的容量從而謀求減輕重量時最好配備它。
電氣雙層電容器1和此一備用電源8與后述的電動機一起搭載于自行車，充電時用連接器C、C部分與充電裝置2連接而充電，行駛時從此一連接器C、C部分分離。
如果在電容器1已充電的狀態(tài)下運行電動助力自行車，則在平地或爬坡時等電動機成為驅(qū)動狀態(tài)，在電動機驅(qū)動時電力從電氣雙層電容器1供給到電動機。如果電容器1的電壓降低，則通過對形成升壓電路的開關(guān)元件11進行通斷控制，使2A電流從蓄電池9流入電容器1而進行充電，把電容器1的電壓保持在24～30V。
在自行車順坡道下坡時或成為進行制動的狀態(tài)時，電動機成為發(fā)電機而產(chǎn)生電壓。在電動機成為再生狀態(tài)時，電流流入電氣雙層電容器1，給此一電容器1充電。
也就是說，雖然電氣雙層電容器1在電動機驅(qū)動時供給動力，在再生時被充電，但是一般來說，因為供給狀態(tài)持續(xù)較多所以電容器1的電壓慢慢降低而成為需要充電狀態(tài)。
在充電時把電容器1經(jīng)由連接器C、C連接于100V的交流電源AC，雙層電容器1通過對開關(guān)元件5進行通斷控制而被充電。此時，電容器1的容量如果是上述的25F/32.4V，則施加100V電壓，借此用5A給電容器充電，如果開關(guān)元件5的切換頻率為大約40kHz，用充電電壓30V進行充電，則在達到30V的時間為150sec左右的短時間內(nèi)充電結(jié)束。
這里，在連接著備用電源8的場合，靠未畫出的檢測器來檢測電氣雙層電容器1的電壓已成為30V，通過控制開關(guān)元件12經(jīng)由電抗器10給輔助電源9充電。此時的充電電流取為2A左右的恒電流，例如達到28V時充電結(jié)束。
再者，輔助電源9的充電放電電流的累計靠與鉛電池串聯(lián)連接的分流電阻SH來檢測從而進行放電率監(jiān)視。
在連接著此一備用電源8的場合，如果在自行車的行駛中電氣雙層電容器1放電而其電位降低，則通過通斷控制與電抗器10一起形成升壓電路的開關(guān)元件11來給電容器1充電，把此一電容器電壓保持在24～30V。
也就是說，通過接通開關(guān)元件11使電流從輔助電源9流過電抗器10、開關(guān)元件11和分流電阻SH。通過在此一放電過程中切斷開關(guān)元件11，從而靠儲存在電抗器10中的能量而升壓并使電流流過電抗器10、二極管D、電氣雙層電容器1、分流電阻SH和輔助電源9，電容器1被充電。
圖2示出另一個實施例，在

圖1的電路上追加了電壓保持電路13。電壓保持電路13包括電抗器14，開關(guān)元件15、16，與開關(guān)元件16反向并聯(lián)連接的二極管D和電容器18。
再者，由電抗器14和開關(guān)元件15來構(gòu)成升壓電路并具有與備用電源8的升壓電路同樣的功能。
在本實施例中，在電氣雙層電容器1充電時，通過控制開關(guān)元件16來進行。
如果在電氣雙層電容器1和電容器18已經(jīng)充電的狀態(tài)下向電動助力電動機供給電力，則電荷從電容器18被釋放，電容器18的電壓降低。此時，為使電容器18的電壓保持恒定而接通控制開關(guān)元件15，借此電流經(jīng)由電容器1、電抗器14、開關(guān)元件15流入電抗器14。如果在此一電流流過的狀態(tài)下切斷開關(guān)元件15，則儲存在電抗器中的能量經(jīng)由電抗器14、二極管D、電容器18、電容器1給電容器18充電，提高此一電容器18的電壓而保持于恒定值。此一動作在助力電動機驅(qū)動期間進行。
現(xiàn)在，如果自行車行駛在下坡，其行駛速度被加速到超過自行車的設(shè)定速度，則將要使助力電動機作為發(fā)電機工作的電力變換裝置作為變換器工作，把交流變換成直流給電容器18充電，使電容器電壓上升。
如果電容器電壓上升則開關(guān)元件16進行接通動作，經(jīng)由電抗器17給電氣雙層電容器1充電。此一動作進行到電容器18的電壓成為設(shè)定值為止，電容器1的充電電力作為電動自行車的制動力發(fā)揮作用。
可是，可以設(shè)想僅靠電氣雙層電容器1的充電電壓不能保持電容器18的電壓的場合。例如，自行車在長的坡道上爬坡行駛這種場合，電容器1的電壓就極端地降低，無法保持驅(qū)動力。在這種場合，與圖1同樣地通過控制開關(guān)元件11給電容器1充電。
圖3示出電動助力自行車中的助力率與行駛速度的關(guān)系。如虛線所示直到時速15km的助力率為1，在15～20km漸減，在24km以上助力率為零。
圖4以與在平路上行駛時的所需驅(qū)動力之比示出體重60kg的人用自行車在坡路行駛時的所需驅(qū)動力，可以理解坡路行駛時的所需驅(qū)動力加大而增加了人的負(fù)擔(dān)。
在電動助力自行車中，必須減輕此一負(fù)擔(dān)、而且有效控制蓄電池能量的消耗。這里，總驅(qū)動力可以用下式來表達，總驅(qū)動力＝人力驅(qū)動力+助力驅(qū)動力＝人力驅(qū)動力(1+助力率)圖5示出把助力電動機的驅(qū)動力取為平路行駛時的驅(qū)動力的6倍的場合的助力率。在此一場合，因為有時把最大總驅(qū)動力取為平路驅(qū)動力的兩倍，所以成為最大驅(qū)動力＝2(1+3)＝8倍。
根據(jù)圖4以平路行駛時的兩倍的踩踏力就可以在7.3度的坡道上行駛。
另一方面，從蓄電池的消耗量來看，如令電動機消耗能量為P，電動機發(fā)生轉(zhuǎn)矩為τ，電動機轉(zhuǎn)速為N，則成為P＝kτN也就是說，如果轉(zhuǎn)速降低則消耗能量也減少?？紤]這一點而進行控制者是圖3的實線所示的助力率控制，它一面有效控制蓄電池的能量消耗，一面特別是在從上坡路起動自行車時這種場合，輕易的行駛成為可能。
這里，把助力率3的范圍取為5km/h以下的理由是考慮到確保自行車的適用范圍，及用以15km/h的速度在平路上行駛時的消耗能量可以以5km/h的速度在7.3度的坡道上爬坡的緣故。進而，在行駛速度為15km/h以上的減助力區(qū)中如果人力驅(qū)動力為零而進行制動操作，則進行保持其速度的再生運行從而由蓄電池把制動能量吸收充電，防止下坡時的高速行駛而謀求確保安全。
圖6示出包括能夠再生制動的助力電動機的驅(qū)動部，此一驅(qū)動部設(shè)置于自行車的后輪。
在該圖中，20是車軸，21是配合于車軸上的軸承，鏈輪23經(jīng)由離合器22轉(zhuǎn)動自如地整體地安裝于其外側(cè)。在此一鏈輪23上，掛著雖然未畫出，但是連接設(shè)置于腳蹬的鏈條。24是第2聯(lián)軸器，形成為圓盤狀且有中空部，其一部分連接于離合器22，在其外側(cè)設(shè)有用于安裝車輪的輻條的輻條孔25。在聯(lián)軸器24的中空部內(nèi)延伸配置著固定于車軸20的支承板26，沿其前端圓周配置定子鐵心27，在此一定子鐵心27上卷繞著線圈28。永久磁鐵29經(jīng)由氣隙G對著定子鐵心27并配置成沿著圓周N、S極交替的轉(zhuǎn)子。由這些27～29來構(gòu)成外轉(zhuǎn)子式永磁同步電動機。
30是印制電路板，在此一印制電路板30上安裝著圖1或圖2中中所示的備用電源或電壓保持電路和電力變換裝置的電子零件并靠螺栓等固定于支承板26。31是第1聯(lián)軸器，固定于離合器22的側(cè)面，而且在與第2聯(lián)軸器24之間夾著撓性聯(lián)軸器32。33是配置在支承板26上的霍爾元件，在與此霍爾元件33對峙的面的第1聯(lián)軸器31上配置磁鐵來進行A相用的位置檢測。34是B相用位置檢測的磁鐵。35、36分別是軸承。
像圖6這樣構(gòu)成的驅(qū)動部，驅(qū)動力通過腳踩腳蹬而傳遞到鏈輪23、離合器22和第2聯(lián)軸器24，這些一邊靠各軸承21、35、36來支承一邊旋轉(zhuǎn)。固定于聯(lián)軸器24的永久磁鐵29也靠此一旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，利用在旋轉(zhuǎn)的永久磁鐵29與定子線圈38之間產(chǎn)生的吸引力和排斥力，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置來切換流過定子線圈28的電流方向，借此使旋轉(zhuǎn)繼續(xù)。
如以上所述，如果用本發(fā)明，則作為電動助力自行車的主電源使用電氣雙層電容器，借此可以得到減輕重量，壽命延長，而且能夠短時間內(nèi)充電的助力自行車。
因為通過與作為主電源的雙層電容器一起使用輔助電源，此一輔助電源可以是容量小的，此時充電裝置的充電間隔加長，而且通過把驅(qū)動電動機取為外轉(zhuǎn)子式永磁同步電動機而取消了減速機構(gòu)，可以以極少的損失把驅(qū)動力傳遞到輪胎，而且再生制動成為可能從而電源被充電，所以即使是小的容量，長距離行駛也成為可能。
此外，把自行車的低速行駛區(qū)(至少5km/h以下)的助力率取為1.0以上，借此以低能量消耗而在爬坡等時的起動成為可能。
權(quán)利要求
1.一種電動助力自行車的電源裝置，該電動助力自行車在電源與驅(qū)動電動機之間備有構(gòu)成為使電流沿正反方向流動的電力變換裝置，其特征在于，把前述驅(qū)動電動機取為外轉(zhuǎn)子式永磁同步電動機，并且把前述電源取為電氣雙層電容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動助力自行車的電源裝置，其特征在于，與前述電氣雙層電容器并聯(lián)連接備用電源，此一備用電源是其容量小于電氣雙層電容器容量的輔助電源，在此一輔助電源與前述電氣雙層電容器之間設(shè)置由電抗器和開關(guān)元件組成的升壓電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電動助力自行車的電源裝置，其特征在于，把前述自行車的至少5km/h一下速度時的助力率取為1.0以上。
全文摘要
提供了一種電動助力自行車的電源裝置。在電動助力自行車中,其減速機構(gòu)等的損失大,此外,因為無法再生故為了進行長距離行駛而加大蓄電池容量。通過把電源取為電氣雙層電容器,謀求電源的小型化、長壽命化,并且通過把驅(qū)動電動機取為外轉(zhuǎn)子式永磁同步電動機而省去減速機構(gòu),使再生制動成為可能。
文檔編號H02J7/34GK1382609SQ0210576
公開日2002年12月4日 申請日期2002年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月26日
發(fā)明者上符敏昭 申請人:株式會社明電舍