轮毂发电机以及具有轮毂发电机的自行车的制作方法
【专利摘要】一种轮毂发电机和自行车，所述轮毂发电机能够使转子顺畅地旋转。轮毂发电机(10)包括：固定于车轴(18)且呈柱状的作为定子的磁体部(20)；呈以车轴为中心的筒状且包围定子的外周面的作为转子的线圈部(17)；以及以使线圈部(17)相对于磁体部(20)以车轴(18)为中心旋转的方式将车轮的轮毂(15)的旋转传递至线圈部(17)的传递机构。磁体部(20)包括配置为形成圆筒状的多个柱状磁体。线圈部(17)包括以形成筒状的方式卷绕有导线的无芯线圈。也可以是定子由线圈部(17)构成，且转子由磁体部(20)构成。
【专利说明】
轮毂发电机以及具有轮毂发电机的自行车
技术领域
[0001]本发明涉及一种轮毂发电机以及具有该轮毂发电机的自行车。
【背景技术】
[0002]作为安装于自行车的发电机，已知有一种轮毂发电机。例如，专利文献I所述的轮毂发电机是一种产生三相交流电的发电机，其具有:固定于自行车的前轮叉的车轴(专利文献I中是“轮毂轴”)；可自由旋转地保持在车轴上的旋转体(专利文献I中是“发电机壳体”);用粘接剂固定于旋转体内周面的转子(专利文献I中是“转子单元”)；固定于轮毂轴的定子(专利文献I中是“定子单元”)；以及将交流电流转换为直流电流的整流电路。在专利文献I所述的轮毂发电机中，定子具有卷绕于层叠铁芯的铁边的线圈，且转子具有磁体。
[0003]专利文献I所述的轮毂发电机以如下方式安装于自行车:如果自行车行进时等车轮旋转，那么旋转体与转子一体地以轮毂轴为中心相对于定子进行旋转。由此，随着自行车车轮的旋转，定子所包含的线圈就会流有三相交流电流。该三相交流电流通过整流电路转换成直流电流后，流向自行车的头灯等负荷。
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:日本专利特开2012-182961号公报
【发明内容】
[0006]发明所要解决的技术问题
[0007]在上述专利文献I的结构中，定子具有的铁芯使得来自转子具有的磁体的磁通集磁，所以，如果转子运动，那么因转子具有的磁体而形成的磁场就会变化。由此，当转子运动时，就会产生由作用于磁体与铁芯之间的磁吸引力引起的齿槽转矩。该齿槽转矩会阻碍转子的顺畅旋转。
[0008]本发明是鉴于这种情况而完成的，目的是提供一种轮毂发电机和具有该轮毂发电机的自行车，该轮毂发电机能够使转子顺畅地旋转。
[0009]解决技术问题所采用的技术方案
[0010]为了达成上述目的，本发明第一方面的轮毂发电机具有:定子，其呈柱状，且固定于车轴;转子，其呈以所述车轴为中心的筒状，且包围所述定子的外周面；以及传递机构，其以使所述转子相对于所述定子以所述车轴为中心旋转的方式，将车轮的轮毂的旋转传递至所述转子，所述定子和所述转子中的一方是以形成为筒状的方式配置的磁体部，所述定子和所述转子中的另一方是线圈部，该线圈部包含以形成为筒状的方式卷绕有导线的无芯线圈。
[0011]为了达成上述目的，本发明第二方面的自行车具有本发明第一方面的轮毂发电机。
[0012]发明效果
[0013]根据本发明，能够顺畅地旋转转子。
【附图说明】
[0014]图1是本发明一实施方式的轮毂发电机的剖视图。
[0015]图2是本发明一实施方式的轮毂发电机的分解主视图。
[0016]图3是本发明一实施方式的轮毂发电机的分解立体图。
[0017]图4是本发明一实施方式的轮毂发电机的分解立体图。
[0018]图5是本发明一实施方式的传递机构的立体图。
[0019]图6是本发明一实施方式的整流部以及线圈部的立体图。
[0020]图7是本发明一实施方式的整流部以及线圈部的分解立体图。
[0021]图8是本发明一实施方式的电刷部的立体图。
[0022](符号说明)
[0023]10 轮毂发电机
[0024]16 外部壳体
[0025]17 线圈部
[0026]20 磁体部
[0027]30 齿轮机构
[0028]31 第一轮毂帽
[0029]32a 第一传递机构
[0030]32b 第二传递机构
[0031]40 整流机构
[0032]41 电刷部
[0033]41a 电刷
[0034]42 整流部
[0035]42a 换向器
[0036]50 第二轮毂帽
【具体实施方式】
[0037]以下，参照附图来说明本发明一实施方式的轮毂发电机。
[0038]轮毂发电机10是大致圆柱状的部件，如图1的剖视图所示，例如安装于自行车前轮的轮毂15。轮毂15大致具有两端有开口的大致圆筒状的主体部和延伸设置于主体部两端的肋。所述肋上设有多个用于固定前轮轮辐的孔。
[0039](结构)
[0040]如图1至图4所示，轮毂发电机10包括自行车的前轮的车轴18、固定于车轴18的大致中央的大致圆柱状的磁体部20、以包围磁体部20的外周面的方式设置的圆筒状的线圈部17、设于线圈部17的一端部附近的齿轮机构30、设于线圈部17的另一端部附近的整流机构40、固定于轮毂15的第一轮毂帽31以及第二轮毂帽50。以下说明的轮毂发动机10的所有零件都以车轴18能够插通的方式构成。
[0041]车轴18的两端附近固定于从自行车的车把(未图示)延伸的叉部(未图示)。例如，车轴18的两端附近具有螺纹牙，并通过利用螺母等紧固而固定于叉部。
[0042]线圈部17是转子的一个例子，是以包围磁体部20的外周面的方式设置的圆筒状的部件。线圈部17相对于作为定子的一个例子的磁体部20以车轴18为中心能够旋转地设置。磁体部20以及线圈部17收容于外部壳体16。磁体部20以及线圈部17、齿轮机构30、整流机构40沿车轴18排列地收容于轮毂15的贯通孔。第一轮毂帽31以阻塞位于齿轮机构30附近的轮毂15的开口的方式设置。第二轮毂帽50以阻塞位于整流机构40附近的轮毂15的开口的方式设置。第一轮毂帽31以及第二轮毂帽50是旋转体的一个例子。
[0043]线圈部17通过利用树脂等固定由多个导线卷绕而成的无芯线圈而形成。用于形成无芯线圈的导线的卷绕方法可以采用现有的方法，例如，优选采用所谓的六角形卷绕(hexagonal winding)等由美国专利第3441761号公开的卷绕方法。本实施方式中，无芯线圈由6根导线卷绕而形成，因此，从线圈部17延伸出共计6根连接线17a。
[0044]磁体部20在固定于车轴18的大致圆柱状部件的外周面例如用粘接剂等固定有多个柱状磁体。多个磁体组合成从车轴方向观察呈大致环状。在本实施方式中，示出了由四个磁体组成的磁体部20的例子。具体而言，磁体部20是在沿磁体部20的周向以N极和S极交替的方式磁化四个磁体的结构。利用磁体部20所包含的多个磁体，在配置有线圈部17所包含的无芯线圈的空间里形成磁场。因此，从车轴方向观察，在磁体部20的周围如果线圈部17旋转，线圈部17所包含的无芯线圈的各部分的交链磁通就会变化，且会在无芯线圈中产生反电动势。反电动势的产生结果会导致形成无芯线圈的各导线流有电流。另外，磁体部20的形态只要随着线圈部17的旋转使线圈部17产生反电动势就好，不限于上述形态。
[0045]如图2所示，齿轮机构30包括齿轮单元32、中央齿轮33以及第一轮毂帽31。
[0046]如图3所示，第一轮毂帽31具有阻塞轮毂15开口的盖部和固定于盖部且沿车轴方向延伸的短筒状部。第一轮毂帽31的筒状部的外周面设有与设于轮毂15的阴螺纹螺合的阳螺纹，并且内周面设有内齿轮31a。
[0047]第一轮毂帽31的盖部嵌入有供车轴18插入设置的轴承37，由此，能够以车轴18为中心顺畅地旋转。
[0048]此外，在第一轮毂帽31的盖部，为了防止轴承37脱落、轴承37的位置偏移等而从外侧嵌入有防脱部36。
[0049]第一轮毂31与防脱部36—起通过对与车轴18螺合的螺栓12c、12d进行紧固而被预定的力按压于齿轮单元32，从而固定沿车轴18的位置。
[0050]第一轮毂帽31通过与设于所述轮毂15的阴螺纹螺合而固定于轮毂15。因此，随着自行车的移动，车轮旋转，第一轮毂帽31就会从与车轮一起旋转的轮毂15受力而旋转。这样的第一轮毂帽31是从外部受力而旋转的旋转体的一个例子。
[0051]如图5所示，齿轮单元32包括第一传递机构32a、第二传递机构32b以及设置第一传递机构32a、第二传递机构32b的基板35。另外，齿轮单元32的齿轮全部是平齿轮。
[0052]基板35是中央设有供车轴18插通的孔的圆盘状的部件。基板35例如利用螺钉固定于外部壳体16。
[0053]第一传递机构32a包括第一齿轮体51至第四齿轮体54。第一齿轮体51至第四齿轮体54分别设于基板35与外部壳体16之间，且以与车轴18平行的旋转轴为中心旋转。
[0054]第一齿轮体51具有与第一轮毂帽31的内齿轮31a啮合且以旋转轴为中心旋转的齿轮。第一齿轮体51的齿数比第一轮毂帽31的内齿轮31a的齿数要少。因此，如果第一轮毂帽31旋转，那么第一齿轮体51就会以比第一轮毂帽31更高的旋转速度旋转。
[0055]第二齿轮体52具有以共用的旋转轴为中心旋转的小径齿轮52a以及大径齿轮52b。小径齿轮52a啮合于第一齿轮体51，且小径齿轮52a的齿数比第一齿轮体51的齿数要少。因此，如果第一齿轮体51旋转，那么第二齿轮体52就会以比第一齿轮体51更高的旋转速度旋转。
[0056]第三齿轮体53具有以共用的旋转轴为中心旋转的小径齿轮53a以及大径齿轮53b。小径齿轮53a啮合于大径齿轮52b，且小径齿轮53a的齿数比大径齿轮52b的齿数要少。因此，如果第二齿轮体52旋转，那么第三齿轮体53就会以比第二齿轮体52更高的旋转速度旋转。
[0057]第四齿轮体54具有以共用的旋转轴为中心旋转的小径齿轮54a以及大径齿轮54b。小径齿轮54a啮合于大径齿轮53b，且小径齿轮54a的齿数比大径齿轮53b的齿数要少。因此，如果第三齿轮体53旋转，那么第四齿轮体54就会以比第三齿轮体53更高的旋转速度旋转。
[0058]大径齿轮54b与插通有车轴18的中央齿轮33所具有的齿部33b啮合。
[0059]根据这样的第一传递机构32a，能够使第一轮毂帽31的旋转速度增速。因此，能够以比第一轮毂帽31高的旋转速度来旋转中央齿轮33。
[0060]第二传递机构32b具有与第一传递机构32a大致相同的结构，从车轴方向观察，配置成与第一传递机构32a关于车轴18对称。
[0061 ] S卩，在本实施方式中，第一传递机构32a以及第二传递机构32b沿线圈部17的旋转方向以180°的间隔，即以等角度间隔配置。更具体而言，例如，第一传递机构32a的第一齿轮体51设于相对第二传递机构32b的第一齿轮体51离开180°的位置。
[0062]如图2所示，中央齿轮33是插通有车轴18且以车轴18为中心旋转的部件。中央齿轮33隔着线圈弹簧12e以及一对垫圈12f、12g设于磁体部20的侧方，并且被线圈弹簧12e向外部壳体16施力。
[0063]中央齿轮33具有收容于外部壳体16中的保持部33a和以从保持部33a穿过设于外部壳体16的孔向齿轮单元32突出的方式设置的作为平齿轮的齿部33b。
[0064]如图2所示，保持部33a包括圆板状的部分，该部分固定于线圈部17的一个端部。
[0065]齿部32b与第一传递机构32a以及第二传递机构32b的第四齿轮体54的大径齿轮54b啮合。
[0066]如图2所示，整流机构40夹着磁体部20配置于齿轮机构30的相反侧。详细而言，整流机构40包括电刷部41和整流部42。
[0067]如图8所示，电刷部41包括:一对电刷41a，该对电刷关于包含线圈部17的旋转中心轴的平面对称配置；以及一对保持部41b，该对保持部以配置于外部壳体16中的方式保持一对电刷41a。
[0068]一对电刷41a上分别连接有与头灯等负荷电连接的导线(未图示)。
[0069]保持部41b是具有供车轴18插通的孔的圆板状的部件。保持部41b以阻塞外部壳体16的开口侧(图2中的左侧端部)的方式嵌入外部壳体16中。保持部41b利用螺钉等固定于外部壳体16。保持部41b在向外部壳体16内的表面上保持一对电刷41a。
[0070 ] 如图6以及图7所示，整流部42包括换向器42a和线圈保持件42b。
[0071]线圈保持件42b是中央设有供车轴18插通的孔的大致圆盘状的部件，且固定于线圈部17的一端。线圈保持件42b在中央具有轴承44，且车轴18插通轴承44。
[0072]像这样，线圈部17的一端支撑于线圈保持件42b，线圈部17的另一端如上所述支撑于中央齿轮33。因此，线圈部17与整流部42以及中央齿轮33—起能够绕车轴18旋转。
[0073]线圈保持件42b在面向线圈部17的外侧的面上保持换向器42a。
[0074]换向器42a包含从车轴方向观察呈均匀的圆弧状的多个电极42c，多个电极42c由线圈保持件42b保持为形成以车轴18为中心的圆筒形状。
[0075]在本实施方式中，电极42c设有6个，且分别电连接于从线圈部17延伸出的6根连接线 17a。
[0076]一对电刷41a关于包含线圈部17的旋转中心轴的平面对称地设置于与多个第一电极抵接的位置。由此，6个之中的任意2个电极42c分别与不同的电刷41a接触。随着线圈部17的旋转位置变化，与各电刷41a接触的电极42c的组合会发生切换。由此，电刷部41能够使线圈部17感应出的电流作为直流电流输出。
[0077]如图1所示，外部壳体16收容线圈部17、整流机构40以及磁体部20。在这样的收容状态下，外部壳体16的开口部由第二轮毂帽50阻塞。如图2所示，第二轮毂帽50利用螺栓12b以及垫圈13紧固于电刷部41侧。第二轮毂帽50的内部设有轴承57。自行车的轮毂15固定于第一轮毂帽31与第二轮毂帽50之间。
[0078]如图1所示，在车轴18的延伸方向上的第二轮毂帽50的外侧(与外部壳体16相反的一侧)设有连接器55。连接器55利用螺栓12a紧固于第二轮毂帽50侧。在连接器55上连接有从上述电刷41a延伸的电线(未图示)。此外，连接器55经由线缆(未图示)连接于头灯等负荷。
[0079]至此，说明了本实施方式的轮毂发电机10的结构。接下来，说明本实施方式的轮毂发电机10的动作。
[0080](动作)
[0081 ]如图1所示，随着自行车的车轮的旋转，轮毂15以车轴18为中心旋转。随着所述轮毂15的旋转，第一轮毂帽31以及第二轮毂帽50—起旋转。第一轮毂帽31以及第二轮毂帽50的旋转经由第一传递机构32a以及第二传递机构32b被增速传递至中央齿轮33。中央齿轮33与线圈部17以及整流部42—起旋转。此时，线圈部17在磁体部20的外周旋转，由此产生磁通变化而使线圈部17感应出电流。所述电流经由整流机构40作为直流电流输出。所述直流电流经由连接器55以及线缆(未图示)向负荷供给。
[0082](效果)
[0083]根据上述说明的一实施方式的轮毂发电机10具有以下效果。
[0084](I)线圈部17是用树脂对无芯线圈进行密封而形成的。这里，在像从前一样线圈设有铁芯的结构中，会因作用于铁芯与磁体之间的磁吸引力而产生齿槽转矩。该齿槽转矩会阻碍转子的顺畅旋转。在这点上，在本实施方式中，因为采用了无芯线圈，所以能够抑制线圈部17产生的齿槽转矩。因此，能使作为转子的线圈部17顺畅地旋转。其结果为，能更稳定地驱动头灯等负荷。
[0085](2)磁体部20固定于车轴18，线圈部17相对于磁体部20旋转。像这样，由于该固定抑制磁体部20的旋转，且旋转线圈部17，所以能够抑制铁损的产生。
[0086](3)在本实施方式中，线圈部17以围绕磁体部20的外周的方式形成，作为转子采用线圈部17，作为定子采用磁体部20。与此相对，即使作为转子采用磁体部20，作为定子采用线圈部17，也能像上述一样抑制齿槽转矩，顺畅地旋转作为转子的磁体部20。但是，根据本实施方式，比起使线圈部17作为定子并收容于磁体部20中，能够使线圈部17的直径扩大。因此，即使是同样大小的轮毂发电机10，也能产生较大电力。
[0087](4)本实施方式的轮毂发电机10包括电刷部41和整流部42。由此，即使不设置使交流电转换为直流电的电路等，也能从轮毂发电机1输出直流电流。从而能使向负荷供给电力用的结构变得简单且小型化。
[0088](5)第一传递机构32a以及第二传递机构32b使与轮毂15—起旋转的第一轮毂帽31的旋转速度增速传递至线圈部17。由此，当骑手开始踩踏自行车踏板时或用手推行自行车时等，即使因为自行车以低速移动而导致第一轮毂帽31的旋转速度低，线圈部17也可以高速旋转。因此，即使在第一轮毂帽31的旋转速度低的情况下，也能够产生大的电力。
[0089](6)通过设置第一传递机构32a以及第二传递机构32b，就能够减少施加于各传递机构32a、32b的负荷。因此，不仅能够提升轮毂发电机10的耐久性，还能够减小各传递机构32a、32b的尺寸，甚至轮毂发电机10的尺寸。进一步地，通过轮毂发电机10的小型化，能够提升自行车的美观性。
[0090](7)第一传递机构32a以及第二传递机构32b沿线圈部17的旋转方向以180°的间隔配置。因此，第一传递机构32a以及第二传递机构32b能够平衡地使中央齿轮33以及线圈部17旋转。因此，能够抑制线圈部17的旋转中心轴的变动从而得到稳定的发电电力。
[0091](8)无芯线圈部17是以六角形卷绕的方式卷绕的。该六角形卷绕是能够使规定体积的线圈匝数变大的绕卷方法。因此，能够既维持轮毂发电机10的发电效率，又使线圈部17的结构变得紧凑。
[0092]以下，对本发明所包含的变形例进行说明。
[0093](变形例)
[0094]在实施方式中，虽然线圈部17的无芯线圈是用六角形卷绕(hexagonal winding)的方式绕卷的，但只要是无芯线圈，也可以采用其他卷绕方式，例如菱形卷绕、蜂窝形卷绕等。
[0095]在实施方式中，第一传递机构32a以及第二传递机构32b沿线圈部17的旋转方向以180°的间隔配置，但传递机构的数目可以适当变更。传递机构的角度间隔能对应传递机构的数目来变更。例如，在轮毂发电机1包括3个传递机构的结构中，沿线圈部17的旋转方向以120°的间隔配置传递机构。即，为了等角度间隔地配置多个传递机构，有必要以360°除以传递机构的数目的角度间隔来配置各传递机构。
[0096]此外，各传递机构也可以不按等角度间隔配置。即使是在这种情况下，当在第一轮毂帽31以及第二轮毂帽50与中央齿轮33之间传递旋转时，设置多个传递机构也能够减小对各传递机构施加的负荷。
[0097]在实施方式中，设置有多个第一传递机构32a以及第二传递机构32b，但也可以只设一个传递机构。即使是在这种情况下，第一轮毂帽31的旋转也会将其旋转速度增速传递至线圈部17。因此，如上述(5)的效果所示，即使在第一轮毂帽31的旋转速度低的情况下，也可能产生大的电力。
[0098]在实施方式中，例举了轮毂发电机10应用于自行车(两轮自行车或三轮自行车等)，但是轮毂发电机10也可以应用于其他对象(例如，测功仪或健身脚踏车这样的固定自行车)。本说明书等所述自行车不仅包括通过骑手踩踏踏板来前进的通常的自行车，也包括固定自行车。此外，本说明书等所述的自行车不仅包括两轮自行车，也包括三轮自行车、四轮自行车等。
[0099]在实施方式中，是磁体部20固定于车轴18且线圈部17相对磁体部20能旋转的结构，但也可以是线圈部17固定于车轴18且磁体部20相对线圈部17能旋转的结构。
[0100]在实施方式中，作为定子的一个例子的磁体部20形成为圆柱状，但也可以形成为棱柱状。此外，作为转子的一个例子的线圈部17形成为圆筒状，但只要是筒状，也可以形成为多棱筒状。
[0101]本发明可以在不脱离本发明的广义精神和范围的情况下实施各种各样的实施方式及变形。此外，上述实施方式只是用于说明本发明，并不是用于限定本发明的范围。即，本发明的范围不是由实施方式表示的，而是由权利要求书来表示的。此外，在权利要求书以及与之等同的发明意义范围内实施的各种变形均属于本发明的范围内。
【主权项】
1.一种轮毂发电机，其特征在于，其包括: 定子，其呈柱状，且固定于车轴； 转子，其呈以所述车轴为中心的筒状，且包围所述定子的外周面；以及传递机构，其以使所述转子相对于所述定子以所述车轴为中心旋转的方式，将车轮的轮毂的旋转传递至所述转子， 所述定子和所述转子中的一方是磁体部，该磁体部以形成为筒状的方式配置， 所述定子和所述转子中的另一方是线圈部，该线圈部包括以形成为筒状的方式卷绕有导线的无芯线圈。2.如权利要求1所述的轮毂发电机，其特征在于，所述定子是所述磁体部， 所述转子是所述线圈部。3.如权利要求2所述的轮毂发电机，其特征在于，包括: 换向器部，其包含从车轴方向观察形成为均匀圆弧状的多个第一电极，且以形成为以所述车轴为中心的圆筒形状的方式保持所述多个第一电极，并且与所述线圈部一起旋转；电刷部，其包含一对第二电极，该一对第二电极关于包含所述转子的旋转中心轴的平面对称配置，且电刷部将所述一对第二电极固定于所述车轴， 所述多个第一电极分别电连接于所述导线， 所述一对第二电极在关于所述平面对称的位置上设于与所述多个第一电极抵接的位置。4.一种自行车，其特征在于，其具有权利要求1至3中任一项所述的轮毂发电机。
【文档编号】H02K27/30GK105978178SQ201610131740
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月9日
【发明人】吉川英邦, 舩山崇博, 和田胜
【申请人】日本电产科宝株式会社