自行车用发电机的过电压防止装置

【技术领域】

本发明涉及过电压防止装置，特别是，涉及防止过电压作用到由 自行车发电机的发电电压进行供电的负载上的自行车用发电机的过电 压防止装置。

【背景技术】

最近，在自行车中，也提供自动变速装置。在这种自行车中，采 用电动变速器，为了驱动装置电动变速器，设置发电机和将用发电机 的发电电压充电用的充电系统。同时，在这种系统中的发电机，一般 地，其发电电压与自行车的速度(车轮的旋转)成正比地增大，在高 速度时，发电电压有时会超过100V。从而，对于构成充电系统的元件 以及其它由发电机的发电电压驱动的元件，其规格必须是能够耐受高 电压的。但是，能够耐受高电压的元件通用性差，而且成本高。

这里，对于前述自行车用的发电机所存在的问题，进行以下的详 细描述。

通常，如图1所示，发电机产生的电压随着发电机负载的电阻值及 车速的增加而增大。同时，例如，在高速行驶时，在将发电机与发电 机的负载的连接断开的情况下，会产生非常高的电压，在构成发电机 负载侧的元件的耐电压低时，有将元件破坏的危险。

此外，在对使发电机旋转用的转矩(下面简单地称之为转矩)进 行研究时发现，通常，该转矩具有伴随着发电机的负载的电阻值的变 化而增减的特性。即，如图2所示，在发电机负载的电阻值非常高的情 况下(在与发电机的连接断开或者接近于断开的情况下)，转矩有与 发电机的旋转速度成正比地增加的倾向，在发电机的负载电阻值非常 低的情况下(与发电机的连接短路或者接近于短路的情况下)，转矩 有与发电机的旋转速度成反比地减少的倾向。出现这种倾向的原因， 主要在于发电机内部产生的涡流耗损。

如可以从图2看出的，例如，在发电机与发电机的负载的连接断 开、发电机的负载电阻值非常高的状态下以高速行驶时，由于发电机 产生高电压，不仅在将发电机和发电机负载断开的回路等中需要能够 耐高电压的元件，而且，骑车人蹬自行车的负荷也随着速度的增加而 加大。

【发明内容】

本发明的目的是，防止由自行车用发电机发电产生的高电压作用 到负载侧的元件等上。

本发明的另外一个目的是，在备有自行车用发电机的自行车中， 在高速行驶时，减轻使发电机旋转所需的转矩。

根据方案1所述的自行车用发电机的过电压防止装置，在防止过电 压作用到由自行车用发电机的发电电压进行供电的负载上的装置中， 备有电压检测机构和电流旁路回路。电压检测机构检测出自行车用发 电机的发电电压，当检测出来的电压超过规定值时，输出控制信号。 电流旁路回路设置在发电机与发电机负载之间，接收由电压检测机构 来的控制信号，在发电机输出的两端将电流旁路，控制提供给负载的 电流。

在该装置中，当车速增加，发电机的发电电压超过规定阈值时， 将从发电机供应给负载的电流旁路，控制向负载侧供应的电流。从而， 可以抑制外加到负载侧的过电压，对于负载侧的元件等无需使用高耐 压用的元件，可以降低成本。此外，在车速增加将电流在发电机的两 个输出端之间旁路之后，转矩特性变成图2中的“发电机的负载的电阻 值非常低的情况”的特性，从而，在高速行驶中，也可以减轻发电机 的转矩。

根据方案2所述的自行车用发电机过电压防止装置，在方案1所述 的装置中，电压检测机构利用发电机的输出频率检测发电电压。

由于发电机的发电电压与发电机的输出频率成比例，所以，通过 检测出该发电机的输出频率，可以检测出发电电压。

根据方案3所述的自行车用发电机过电压防止装置，在方案1或2所 述的装置中，电压检测机构包含连接在发电机的两个输出端之间的齐 纳二极管。

在该装置中，当发电机发电电压超过齐纳二极管的击穿电压时， 电流流过齐纳二极管。从而，令齐纳二极管的击穿电压为阈值，可以 检测出发电机的发电电压是否超过阈值。

在这种情况下，利用廉价的元件而且不伴随着发热，就可以检测 出发电电压。

根据方案4所述的自行车用发电机过电压防止装置，在方案3所述 的装置中，电流旁路回路包括将通过连接到发电机的两个输出端之间 的齐纳二极管的电流输入到闸极(gate)的闸流晶体管(thyristor)。

在该装置中，当发电机的发电电压超过齐纳二极管的击穿电压 时，电流经由齐纳二极管流过，该电流被输入到闸流晶体管的闸极。 这样，在此之前处于阻塞状态(断开)的闸流晶体管变成导通状态(接 通)，借此，使发电机的两个输出端短路。从而，如前面所述，可以 防止将过电压外加到发电机的负载侧，并且可以防止在高速行驶时的 转矩的增大。

这里，可以用廉价的元件构成电流旁路回路，并且可以不伴随着 发热将电流旁路。

根据方案5所述的自行车用发电机过电压防止装置，在方案1至4中 任何一个所述的装置中，将电压检测机构和电流旁路回路配置在发电 机负载的内部。

这里，由于各结构部件配置在发电机负载的内部，所以，与现有 技术相比，可以防止装置主体所占有的空间加大。

根据方案6所述的自行车用发电机过电压防止装置，在方案1至4中 任何一个所述的装置中，电压检测机构和电流旁路回路配置在发电机 和发电机的负载之间。

这里，可以将本装置后加在现有的不配备过电压防止装置的系统 中，可以保护发电机负载侧的元件。此外，可以减少高速行驶时的转 矩。

根据方案7所述的自行车用发电机过电压防止装置，在方案1至4中 任何一个所述的装置中，将电压检测机构和电流旁路回路配置在发电 机的内部。

这里，由于各结构部件配置在发电机的内部，所以，与现有技术 相比，可以防止装置主体所占有的空间加大。

【附图的简单说明】

图1、是表示在各车速发电机输出电压比与负载的关系的特性图。

图2、是表示由于发电机的负载的电阻值的不同的转矩比与车速的 关系的特性图。

图3、是根据本发明的一种实施形式的系统的总体结构图。

图4、是在前述实施形式中过电压防止装置的框图。

图5、是前述过电压防止装置的回路图。

图6、是说明电压监视回路的阈值用图示。

图7、是表示在前述实施形式的装置中转矩比与车速的关系的特性 图。

图8、是表示前述实施形式的处理步骤的流程图。

图9、是根据本发明的实施形式的系统的总体结构图。

图10、是根据本发明的另外一种实施形式系统的总体结构图。

【符号说明】

1           过电压防止装置

2           发电机

3           发电机负载

5           电压监视回路

6           电流旁路回路

D2，D3      齐纳二极管

TY1，TY2    闸流晶体管

【发明的实施形式】

图3、图4及图5表示根据本发明的一种实施形式的自行车用发电机 的过电压防止装置1。该装置1是一种防止过电压作用到负载3上的装 置，其中，在负载3上外加有由发电机2发电产生的电压，在该实施形 式中，该装置被配置在发电机负载3的内部。

过电压防止装置1，具有电压监视回路5，电流旁路回路6。电压监 视回路5是检测发电机2的发电电压的回路，在发电机2的发电电压超过 规定的阈值时输出控制信号。此外，电流旁路回路6设置在发电机2和 发电机负载3之间，接收从电压监视回路5来的控制信号，将电流在发 电机输出的两端之间旁路，控制提供给负载3的电流。

图5表示各回路的具体结构。

由于发电机的输出为交流波形，所以，如图5所示，该装置1由在 发电机输出波形为正(+)周期时起作用的正侧回路1a，以及在负(-) 周期时起作用的负侧回路1b构成。

正侧回路1a具有分别设置在发电机的第一输出端子和第二输出端 子之间的齐纳二极管D2和闸流晶体管TY1。齐纳二极管D2，在发电机的 第一输出端子为正(+)时，以成为反向的方式连接。同时，在该齐 纳二极管D2上，串联地连接二极管D1和电阻R1。二极管D1在发电机2 的第一输出端子和齐纳二极管D2之间，以发电机2的第一输出端子为正 时成为顺方向的方式连接。此外，电阻R1连接在齐纳二极管D2和发电 机2的第二输出端子之间。这些二极管D1及电阻R1是为了保护闸流晶体 管TY1设置的。即，闸流晶体管的闸极和阴极之间的耐电压在小型闸流 晶体管中大多比较低(大约±100V以内)，因此，二极管D1及电阻R1 起着保护闸极的作用。此外，闸流晶体管TY1以发电机2的第一输出端 子为正时成为顺方向方式连接在发电机2的第一及第二端子之间，通过 齐纳二极管D2的电流的一部分作为闸极电流被输入。

此外，负侧回路1b与正侧回路1a的全部极性相反。即，负侧回路 1b具有分别设置在发电机的两个输出端子之间的齐纳二极管D3及闸流 晶体管TY2。同时，齐纳二极管D3，在发电机的第二输出端子为正时， 成为反向连接，在该齐纳二极管D3上与前面所述一样，串联地连接有 用于保护闸流晶体管TY2的二极管D4和电阻R2。二极管D4在发电机2的 第二输出端子与齐纳二极管D3之间，当发电机2的第二输出端子为正 时，顺方向连接。此外，电阻R2连接在齐纳二极管D3和发电机2的第一 输出端子之间。此外，闸流晶体管TY2在发电机2第二输出端子为正时， 以成为顺方向的方式连接在发电机2的两个输出端子之间，通过齐纳二 极管D3的电流的一部分作为闸极电流被输入。

作为构成上述回路的各齐纳二极管D2、D3，如图6所示，选择在发 电机负载的电阻值非常低时的特性和发电机负载的电阻值非常高时的 特性交叉的点处击穿(导通)的规格。

下面对其动作进行说明。

首先，说明车速低的的情况。

在低速行驶的场合，发电机2的发电电压低。这里，在发电机2的 第一输出端子为正的周期，由齐纳二极管D2及二极管D4将电流阻断， 并且，电流不流过各闸流晶体管TY1、TY2的闸极，各闸流晶体管TY1、 TY2变成阻塞状态(断开)。此外，在反周期，即发电机2的第二输出 端子在正周期，由齐纳二极管D3及二极管D1将电流阻断，电流不流过 各闸流晶体管TY1、TY2的闸极，各闸流晶体管TY1、TY2变成阻塞状态 (断开)。从而，在以低速行驶的场合，从发电机2来的电流不被旁路 供应给发电机负载侧。

在这种状态下，由于发电机2的发电电压低，所以，即使将该电压 外加到发电机负载侧，也不会产生破坏元件等问题。此外，由于电流 在旁路回路中不被旁路，所以转矩特性如图7所示，成为与“发电机负 载的电阻值非常高时”的特性相对应的特性。

另一方面，当车速增加，发电机2的发电电压超过齐纳二极管D2， D3的击穿电压时，在发电机2的第一输出端子为正的周期内，在正侧回 路1a中，齐纳二极管D2击穿(接通)电流流过闸流晶体管TY1的闸极。 这时，闸流晶体管TY1成为导通状态(接通)，由发电机2来的电流通 过闸流晶体管TY1被旁路。此外，在该发电机2的第一输出端子在正周 期内，在负侧回路1b上，由二极管D4将电流阻断，闸流晶体管TY2不接 通。此外，反周期，即，在发电机2的第二输出端子为正周期时。在负 侧回路1b，齐纳二极管D3接通，电流流过闸流晶体管TY2的闸极。这样， 闸流晶体管TY2接通，从发电机2来的电流通过该闸流晶体管TY2被旁 路。此外，在负侧回路1a上，由二极管D1阻断电流，闸流晶体管TY1 不接通。

这样，当车速变成高速，发电机2的发电电压超过齐纳二极管D2、 D3的击穿电压时，由电流旁路回路6将从发电机2来的电流旁路，不供 应给发电机负载侧。从而，可以避免过电压外加到发电机负载侧元件 上，发电机负载侧的元件不是高耐压的，也可以防止元件的损伤等。 此外，由于电流在电流旁路回路6中被旁路，所以，该电流旁路后的转 矩特性，如图7所示，成为与“发电机负载电阻值非常低的情况时”的 特性相对应的特性。

图8的流程图表示以上所述的处理。

如该流程图所示，在步骤S1，判断发电机2的发电电压是否超过设 定值，在步骤S2判断发电电压是否在设定值以下。这些判断步骤S1， S2，相当于判断发电电压是否超过齐纳二极管D2，D3的击穿电压。同 时，在发电电压低于设定值时，转移到步骤S3，使流过电流旁路回路 的电流值减少。该步骤S3的处理，在电流旁路回路6中，各齐纳二极管 D2，D3不击穿，相对于各闸流晶体管TY1，TY2断开的情况。另一方面， 当车速加快，电压超过设定值时，转移到步骤S4，使流过电流旁路回 路的电流值增加。该步骤S4的处理，在电流旁路回路6中，各齐纳二极 管D2，D3接通，相当于各闸流晶体管TY1，TY2接通，使电流旁路的情 况。

这样，在本实施形式中，当车速变高发电机的发电电压比规定的 阈值(具体地说，齐纳二极管的击穿电压)高时，使从发电机2来的电 流旁路，限制向发电机负载的供应。从而，可以避免构成发电机负载 的元件的损伤，不必采用高耐电压的元件，可以廉价地构成负载侧的 回路。进而，转矩特性，如图7所示，在低速区域(图7的范围L)成为 “发电机负载的电阻值非常高的情况”的特性，并且，在高速区域(图 7的范围H)，成为“发电机负载的电阻值非常低的情况”的特性，所 以，在全部速度区域内，转矩都很小，减轻骑车人的负担。

[其它实施形式]

(a)由电压检测监视回路及电流旁路回路构成的本装置的设置部 位并不受前述实施形式的限制。如图9所示，也可以在发电机1和发电 机负载3之间设置另外的连接线。在这种情况下，可以在以后将本装置 附加到没有本装置的现有的系统中，以期保护发电机负载侧的元件， 并且缩小转矩。此外，如图10所示，也可以在发电机2的内部连接设置 发电装置2a。在这种情况下，可以缩小具有本装置的整个系统所占有 的空间。

(b)在前述实施形式中，作为电压检测机构，利用齐纳二极管直 接检测发电电压，但由于发电电压与发电机的输出的频率成比例，所 以，也可以检测频率，判断发电电压是否超过规定的阈值。

【发明的效果】

根据上述本发明，可以抑制由自行车用发电机发电产生的高电压 作用到负载侧的元件上，而且，可以减轻在高速行驶时使发电机旋转 所需的转矩。