好奇心つまみ食い（知の散歩道）

 「ヤマハPASパワーユニットの分解調査」 前回（11回、2022年8月15日）から随分時間が空いた。その間、頭の中で試作のシュミレーションを色々行ったが、「重量10Kgを達成する電動アシスト自転車」の最適な解（モータ方式の選定）について結論は得られていない。 一方で、日常のサイクリングでは前から愛用している「アシスタ」（ヤマハのパワーユニット搭載）に少しづつ改良を加えて随分扱いやすくなってきた。変速は７段を８段に改良して、きめ細かな変速が出来るようになった。（人力とモータ負荷を細かく調節することにより電力消費を抑えることが可能である）バッテリーもオリジナルの8.7Ah（200ｗｈ相当）から15.4Ah（400Wh相当）の大容量のものに強化した。これにより一回の充電当たりの走行距離も2倍の約80Kmまで伸びた。この距離は一日のサイクリングの距離としては必要にして且つ十分である。季節が良くなったら、8.7Ahを予備バッテリーとして、東京から箱根までの100Km走行にチャレンジしてみようと考えている。アシスタ（ヤマハPAS）は日本でもっともポピュラーな（安価な） 電動アシスト自転車であるが、日常の使用上は全く問題なく、快適で不便を感じないことから、考えていた理想の軽量電動アシスト自転車の開発の意欲が少し衰えてきたと言うのが、最近の正直な心情である。（重量が22.5Kgもある事は走り出してしまえば、強力なアシストの御蔭で忘れてしまう。e-バイクは重量を気にしなくてよいと言う風説（？）は実感として説得力がある。）   この様な中、最近ヤフオクで中古のＰＡＳのパワーユニットを手に入れ、日ごろお世話になっているパワーユニットの内部がどうなっているか、分解調査を行ったので紹介する。パワーユニットの分解は基本的にはそれ程特殊な工具は必要としないが、分解方法で結構苦労した部分もあり、試行錯誤しながら完全に分解するまで約3週間を要した。（分解に懸命であったことから分解途中の写真は撮れていない。）しかし、構造が判ってしまえば実にシンプルな設計となっており、再組み立ても簡単そうである。（驚くべき合理的設計である。） 分解前の写真を撮り忘れたので、新品の外観写真を載せます。 　　　　　　　　　　　　 最初に完全に分解した全部品を示す。主要な部品の数は11とシンプルである。（...

 「リニア誘導モータ方式」の検討 今回はホイールを2次導体と見立てて、両側式リニア誘導モータでホイールを直接駆動する方式について、実現性を検討する。低速のリニア誘導 モータは地下鉄の駆動モータとしてすでに実用化されている。効率は通常の回転モータ駆動に比べて劣るが、登坂性能が優れ、車両の高さを低く設計できることから、特に地下鉄用として重宝されている。（トンネルの掘削断面が小さくできるメリットが全体の工事費低減に大きく効いてくる）地下鉄の低速リニア誘導モータは、同期速度が42.5Km/h、最高速度70.Km/h程度と比較的低速であり、この技術は同じような速度域で使われる自転車への適応性が十分に考えられる。 自転車への適用は右図に示すようにリニア誘導モータの固定子をホイール外周部に設置して、リムに固定されたアルミの円盤を電磁誘導で駆動するアイディアとなる。アルミの円盤の周速はほぼ自転車の走行速度であることから、固定子はホイール円盤を回転させると同時に、自転車の走行速度でアルミ板を駆動するリニア誘導モータと見ることができる。 実際にリニア誘導モータを設計をするとなると、電磁誘導理論の領域に深く入り込む必要があり、アマチュアにとってかなりハードルが高い。海外論文を中心に色々調査した結果、実用的な設計手順を示すものを見つけけることが出来た。この分野は、今だに電磁気学の研究対象となるほど、理論・計算方法が確立していないらしく、学術的な論文が多数出回っている。（昔は九大、東大などの日本人の論文が多かったが、現在では中国人の論文が圧倒的である。・・・先進国は本研究に興味を失った？） 最終的に下記論文を今回の試設計の参考文献として採用した。計算はコンピュータプログラムで解く必要があるが、論文に添付されていたMATLABのプログラムをEXCELのVBAに変換して計算した。（論文のプログラムには誤りもある。まともに計算できるまで約3ヶ月を要した。計算式の理解も難解で苦労した。） 「参考文献」 １）Mihir Mehta, et al. "A Design of Double Sided Linear Induction Motor for Efficient Performance for Low Speed Application" International Jou...

 「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...

 「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。...