電動アシスト自転車の開発ＰＪ（5）

 「インホイール（ハブ）モータの調査」

ミッドシップ型に続き、インホイール型についても市販モデルの仕様について現状を見てみたい。ヤマハ、Bosch、シマノなど大手メーカはインホイールタイプを出していないが、国産では唯一ブリジストンが製品化している。（昔はサンヨーも前輪インホイールモータ方式を市販していた）ブリジストンは、Dual　Drive と２輪駆動を売りにしている。(後輪を人力で駆動し、前輪をモータで駆動するという意味） 前輪のインホイールモータで減速時のエネルギー回生をするのがこのシステムの売りである。

海外では中華のメーカがDIY用の後付け部品として大々的に販売しており、どれもかなり安いし、手軽に改造出来そうである。その中でも大手のBAFANG社製の製品の仕様を下図にまとめた。重量は2.4Kgとそれ程重くないし、最大トルク30Nm（ホイール軸基準）はミッドシップ型（35～85Nm)に比べて小さく見えるが、通常走行でのクランク軸とホイール軸の増速率（1.2～3.5）を考慮するとそれほど細すぎるものでもない。自転車の走行抵抗曲線の上にプロットしてみると、ホイール軸基準で30Nmあれば殆どの坂は軽々上れることが判る。（実際はモータトルクに人力トルクが加算される）


インホイールモータは「軽量電動アシスト自転車」のモータとして、ひとつの候補であり、30NmのBAFANG社製モータを使って実際の走行試験をしてみる価値はありそうである。BAFANG社では走行速度によりギヤを切り替えるバージョンもあり、この場合は低速トルクがさらに大きくなる。上図に示すモデルでは最高アシスト速度を25Km/h付近に設定しており、日常の使用範囲では十分な性能である。

下図にブリジストン社のインホイールモータの構造図を示す。インホイールモータは内部に２段式の遊星ギヤを配置して減速（減速比は１５程度）するのが常套であり、どのメーカも殆ど同じ構造である。ブリジストンは最近（２０２２年末）この方式の販売を打ち切るとアナウンスした。構造トラブルか、または供給トラブル（中華製だった？）か不明。新しい形式はまだ発表されていない。（２０２3年１月時点）


インホイールモータのもう一つの形態として、エコランやソーラーカーのレースで使われるギヤなしのモータ直接駆動型がある。ギヤロスがないことから、効率は90％を上回り、電費を気にするエコランの用途にはぴったりである。この方式も「軽量電動アシスト自転車」のモータ型式として一つの有力候補である。下図のミツバ社製のモータはホイール込みで3.5Kgであるが、もともとホイール重量が700ｇ前後なので、モータ単体は2.8Kg程度である。（もう少しぜい肉を落としたら使い物になりそうである。）


（次回に続く）


コメント

コメントを投稿

このブログの人気の投稿

電動アシスト自転車の開発ＰＪ（10）

イメージ
 「アキシアルフラックスコアレスモータ（Axial Flux Coreless Motor）」の検討 今回はソーラーカーなどに採用されているAxial Flux Coreless Motorを電動アシスト自転車のインホイールモータとして適用する場合の性能（重量、トルク特性）について検討する。Axial Flux Coreless Motorに関しては、かなり多くの研究論文が出ており、基本的な特性はこれらの論文を参考にすることにより計算できる。最終的には試作機を製作して実測データで検証する必要があるが、初期検討の段階では論文の計算式で大まかな傾向は掴めるし、精度的にも十分と思われる。今回の検討には主に次の３論文の記述を参考にした。特に①の論文は色々な巻線タイプの性能と重量が計算できる数式が紹介されており有用である。 ①Kamper,M.J.,Wamg,R.J.,Rossouw,G.G.(2008)'Analysis and performance of axial flux permanent magnet machine with air-cored non-overlapping concentrated stator windings',IEEE Transactions on Industry Applications,44(5):1495--1504,Setember/October 2008; ②Kirsten P. Duffy,'Optimizing Power Density and Efficiency of a Double-Halbach Array Permanent-Magnet Ironless Axial-Flux Motor'University of Toledo / NASA GRC ③森下明平、横山修一、奥山涼太、「デュアルハルバッハ配列界磁の磁束密度分布簡易計算法」、電気学会論文誌D（産業応用部門誌） 1）計算モデル 5㎜X5㎜四角で長さ20㎜のネオジウムマグネットを図に示すようにハルバッハ配列で並べて４本で一組のペアポールを作り、これを円周上に並べてリングを形成する。相対するリングは４㎜のギャップで配置する。永久磁石のリング（これが回転ロータとなる）の直径はポール数で決まることになる。直線の立方...
続きを読む

電動アシスト自転車の開発ＰＪ（18）

イメージ
 「36Ｖバッテリーパックの特性試験」 前回紹介した36Ｖバッテリーパック（自称NCR18650Ｂを10Ｓ2Ｐの配列にパックしたもの）の初期テストが完了したので結果を紹介する。 要目：電池　　 NCR18650ＢＸ20セル 　　　配列 　　10Ｓ2Ｐ 　　　ＢＭＳボード　中国製メーカ不詳 　　　セルホルダー　同上 　　　電圧範囲　　42Ｖ～34Ｖ 　　　最大電流　　9.8Ａ(=4.9AX2) 　　　　　　　（NCR18650Ｂ仕様に準拠） 　　　電力容量　　180Wh 　　　　　　　　（走行テストにより実測） 　　　寸法　　　150㎜X95㎜X100㎜ 　　　重量　　　1370ｇ　 バッテリーパックのテストはAKM75のハブモータを装着したCannondaleを使い、決められたコースを周回することにより計測した。（急坂、緩坂ありの 一周11.75Km の典型的なサイクリングコースであり、走行は最大速度32～35Km/ｈ、平均速度約20Km/ｈで、途中信号停止が何回かある） 走行テスト中の電流は3A~7.5A（レベル2～レベル4）の範囲にコントロールした。（システム上は15Aまで流せるが、電池セルの許容電流（4.9Ａ）以上の過電流を流すと、BMSのコントロール範囲を逸脱してセル間のバランスが崩れることが判ったため、カタログ上の電池セルの最大電流範囲内（9.8Ａ＝4.9ＡＸ2）にとどめた） フル充電での可能走行距離を確認するため、走行テストコースで周回を重ねたが、丁度４周目で下限電圧34Ｖに近づいたため中断した。右図は電圧降下（V)と消費電力（Wh)の関係をプロットしたものであるが、最低電圧を34Vとした場合の電力容量は電圧カーブの延長線で 約180Wh と読める。（線の折れ節（丸点）が一周の開始・終点を示す） ４周のトータル走行距離は 47Km、 消費電力は 169Wh であり、平均電費は 0.278Km/Wh と言う結果になった。悪くない数値である。（日ごろ足代わりに使っているアシスタの平均電費は 0.246Km/Ｗｈ である） 一回の充電で40Km以上走行の目標を達成したことになる。（180Whまで使い切った場合、理論上50Kmまで走行できることになる） このバッテリーパックの電力容量は 180Wh と計測されたが、電池セル当たりを計算すると 9Wh／セル...
続きを読む

電動アシスト自転車の開発ＰＪ（19）

イメージ
 「25Ｖバッテリーのテスト」 これまでのテスト結果でAKM75のハブモータはギヤ比とのマッチングから、低電圧の方が効率が良さそうである事が判ってきた。そこでアシスタで使っていた古い25Vバッテリー（少々くたびれているが）を使って走行テストを実施した。 バッテリー要目 　　　型番：　P5343　          容量：　25.2V/8.7Ah 　200Wh（新品時） 　　　電圧範囲：　29V-24V 　　　電池セル：　7S4P　2200ｍAh級　LG製（？） 　　　重量：　1868ｇ 　　　実力電力容量：　170Wh　（経年劣化による） バッテリーの取り付けは、36Vバッテリーパックとの共用を考慮してサドル下に変更した。意外にこの方が収まりが良い。25Vバッテリーと36Vバッテリーを用途に応じて付け替えが出来る。 早速この25Vバッテリーをフル充電して、何時もの一周11.75Kmの周回コースを回った。25Ｖバッテリーの場合も丁度4周回れた。総走行距離は 47Ｋｍ で消費電力は 156Ｗｈ であった。平均電費は 0.301Km/Ｗｈ となり、36Ｖバッテリーの電費0 .278Km/Ｗｈ より8％ほど良い。（パワーレベルを揃えるため、25Ｖバッテリーは レベル3 、36Ｖバッテリーは レベル2 の設定で走行している） 右図は電圧と電費の関係をプロットしたものであるが、電圧の低下に伴って明らかに電費が改善される。ただし電圧の低下に伴ってアシストの上限速度がだんだん低下してくる。これは前回紹介したＡＫＭ75ハブモータの推定特性カーブの通りである。30Km/ｈ以上でのアシスト力はもともと多くは期待していないことから、供給電圧は 25Ｖ付近がベストマッチ となり そうである。 25Vバッテリーの電圧降下と電力容量の関係は右図のとおりである。すでに8年近く使用しており、バッテリーとしても使用限界に達し、完全に枯れた状態であると思われる。24Vの下限電圧での電力容量は 170Wh 程度であり、この特性は安定している。 以上の25Vバッテリーによるテストで、最適電圧はほぼ把握できたが、36VバッテリーパックにDC-DCコンバータを取り付け約5％のロスを覚悟で25Vに降圧するか、または25V仕様のバッテリパックを使うか悩むとこ...
続きを読む