好奇心つまみ食い（知の散歩道）

 「軽量高性能モータの技術動向調査」 今回のプロジェクトは電動アシスト用に重量1Kg以内で所定の性能（クランク軸で40Nm以上＠100rpm、ホイール軸で30Nm＠200rpｍ）を発揮するモータ型式（ギヤ型式も含む）を模索するものであるが、技術の方向性を定めるため、ここで一旦中休みして、世界的に最新のモータ技術の動向がどうなっているのか調査することにした。 右図は海外の論文からの引用であるが、軽量モータ開発の動向を大まかに掴むことが出来る。通常のモータは概ね0.2Kw/Kgのレベルであり、現状の電動アシスト自転車のモータもほぼこの付近に位置する。その一つ上のクラスがEV用のモータであり、ほぼ2.0Kw/Kgの付近にある。（プリウス、リーフのモータもこのレベルである）EVのモータはいわゆる永久磁石埋込型同期モータ（IPMSM)が殆どデファクト的に主流となっている。（初期のテスラは例外的に誘導モータを使っていたが・・・これは偉大な先駆者テスラに敬意を表するためか？）現時点ではEV用モータが軽量高性能モータとしては最先端を走っており、各社とも種々の新技術を投入して高効率化、軽量化を競っている。 自動車用モータの上を行くのが航空機用モータであり、SiemensのSPシリーズモータは5Kw/Kgを達成したモータとして有名である。（かなりの高エネルギー密度のモータであるが、火災による墜落事故などで完全実用化には至っていない？）ただし、航空機用としてはこれでもまだ重過ぎるとの評価であり、NASAは究極的に13Kｗ/Kgのレベルに達しないと航空機用としては使えないと言っている。現在、このNASAの目標に向かって、種々の検討が進んでいるが、未だこの目標に到達するコンセプトが固まっていないのが現状である。ちなみにドローン用のモータはEVモータとSiemens モータの中間に位置する。 右図は各種モータの重量当たりのトルクを比較したものである。ここでも電動アシスト用モータは最下位のレベルに位置し、5Nm/Kｇ以下程度と、ソーラーカー用のモータなみである。ＥＶ用モータは10Nm/Kg弱のレベルであり、結構健闘している。航空用ではSiemens の最新版であるSP200Dは30Nm/Kgの高トルクを誇っている。このSiemens モータを上回るのが、最近日立が発表したSUV用のインホ...

「ミッドシップ型パワーユニットの構想」 前回パワーユニットおよびモータの型式について3ケースの検討をやって行くとしていたが、今回は最初に「ミッドシップ型パワーユニット」について、基本的な構想をまとめた。 １）DCモータの選定 一番肝心のモータについては、24/36V、250Wクラスの市販のDCモータを種々調査した。航空機模型用、ドロ－ン用のモータも候補に上がったが、最終的に、マブチが最近市販を始めた ブラシレスDCモータ（IS-94BZC) が電動アシスト用モータとしてはベストフィットとの結論を得た。 IS-94BZCの主要諸元 　電圧24V;　定格トルク；1.1Nm＠2250rpm（260W) 　　　　　　　　　　　　　　　　ピークトルク；2.0Nm＠1950rpm（410W) 　　　　　　　　　　  電圧36V;　定格トルク；1.0Nm＠3600rpm（380W) 　　　　　　　　　　　　　　　　ピークトルク；2.0Nm＠3250rpm（680W)　 　　　　　　　　　　 ディメンジョン；　直径X厚さ＝80㎜X45.5㎜　重量＝830ｇ このモータは外観からアウターロータ方式と思われるが、トルク特性が太く、電動アシスト専用に開発されたモータと比較しても、遜色ない性能を持っていると思われる。（各メーカのモータ単独仕様は発表されていないので、推測であるが）重量も単体で1.0Kgを切っており優秀である。また防塵仕様になっているので、自転車にそのまま装着できる点も魅力である。 このシリーズには少し小ぶりの IS-92BZC （厚さが7㎜薄く、重量は650ｇ）もあるが定格トルクが0.65Nmと小さいので、今回はIS-94BZCの方をメインに検討を進める。（最後に重量と厚さをシビアに削る必要がでた場合は再検討の可能性もある） このモータは、例えばモノタロウ等の通販で購入可能であり、価格も3万円以下と手ごろである。 ２）遊星ギヤの選定 サーボモータ用に色々な遊星ギヤが市販されているが、減速比10前後（7～13）で、2Nmの入力トルクを伝達し、且つ軸方向長さをミニマムとする遊星ギヤとなると、選択範囲はかなり狭まる。最終的にマテックス社の LGU75-7MLD を選択した。この遊星ギヤはギヤ単体での販売なので、入力軸、出力軸、およびギヤケースは購入者が用意する必要がある。...

 「軽量電動アシスト自転車の開発目標」 これまで、市販されているパワーユニット、バッテリーの仕様を調べてきたが、これらのデータから果たして「10Kgを切る電動アシスト自転車」が可能といえるのか？ 先ずは、開発目標を整理して、それぞれのパーツについて可能性・実現性を追求(FS)して行くことにしたい。 ・・・開発理念と開発目標の整理・・・ 「開発理念」　 軽量で軽やかに走る電動アシスト自転車を目指す。適度なアシスト力を比較的高速まで持続し、バッテリー容量も必要最小限として市販のe-bike的な重装備は目指さない。（最終的にはヨーロッパおよび日本の法規制を遵守するが、開発機の基本骨格はアシスト制限（トルク、速度）を考慮せずに「理想的な電動アシスト自転車」のあるべき姿を目指す。） ・・・開発目標・・・ 重量；　　　　総重量10Kg以内。（当然バッテリーを含む） 航続距離；　　50Km以上～100KmMax　　（日帰りサイクリングの用途を想定） 電費；　　　　0.5Km/Wh以上。　（現状実力の2倍以上の効率化を目指す） アシスト力；　人力：アシスト力＝1：1　　（Specialized と同じ思想である） ・・・重量配分の設定（初期設定）・・・ 先ずは10Kgの重量を 自転車本体 、 パワーユニット 、 バッテリー で下記のごとく配分する。これらは初期設定の目標であり、検討の段階でどうしても達成できない個所が出てきた場合は、それぞれ融通し合うことで全体の目標値「10Kg」の達成を目指す。 自転車本体；　　　　8.0Kg パワーユニット；　　1.0Kg バッテリー；　　　　1.0Kg　 １）ベースになる自転車本体 ベースになる自転車は最近使用していないCannondaleのSynapse（2012年製）を使用する。現況での重量は8.3Kgであり、目標の8.0Kgまであと300ｇの減量が必要であるが、これは可能と思われれる。（フロントのチェーンリングは１速で十分であるし、フロントディレイラーも不要である。ハンドル回りも軽量化の余地あり。）　もう少しお金をかければ7Kg台の自転車もあるが、これは他のパーツの軽量化が不成功に終わった場合の最後の手段に取っておく。滅茶苦茶高級な自転車ではなく、ありふれたカーボンフレームの自転車をベースとしているところに本プロジェクトの意義があ...