CN102237774A

CN102237774A - 高效率发电机

Info

Publication number: CN102237774A
Application number: CN2010101656448A
Authority: CN
Inventors: 刘国胜
Original assignee: HERCULES CO Ltd
Current assignee: HERCULES CO Ltd; Hercules LLC
Priority date: 2010-05-07
Filing date: 2010-05-07
Publication date: 2011-11-09

Abstract

一种高效率发电机，其主要在定子与转子或动子的邻近端缘，以多个硅钢片及气隙或塑料片依序间隔排列组设，而间距指硅钢片、气隙或塑料片的厚度或宽度，且间距非常小，因此高效率发电机的转子或动子，每转动或移动一个间距，便会改变定子上磁通量及磁通方向一次，又，因间距小，使得磁通量变化的速度很快，使定子上的感应线圈可感应出较大的感应电势，如此，便可大幅的提升发电机的功率体积比。

Description

高效率发电机

技术领域

一种高效率发电机，本发明尤指一种利用磁通变化的发电原理，使磁路的磁通量及其方向能快速的变化，在该不动磁路上(也称定子stator)的感应线圈感应出较高的电压，因而能比相同体积的传统发电机，在可移动磁路即动子(mover)或转子(rotor)同样的移动速度或转速下，大幅增加输出的电功率容量的高效率发电机。

背景技术

按，发电机的原理源自一种自然现象，当一导体在一变化的磁场中，便产生一感应电势，请参阅图1，图中所示为现有的线性移动发电机的构件示意图，如图中所示的线性移动发电机10，其主要由一定子101、一动子102所组构而成，其中，定子101由一硅钢片组构而成，且定子101上组设有一激磁线圈1011及一感应线圈1012，而激磁线圈1011与一激磁电源1013连接，当激磁电源1013电流导通，激磁线圈1011于定子101内产生一磁场，而动子102相对于定子101进行线性的往复运动(如图中箭头A所示)，动子102动作时，使定子101内的磁场产生变化，使感应线圈1012产生一感应电势，此感应电势可供给负载1014使用；再请参阅图2，图中所示为现有的旋转式发电机的构件示意图，如图所示的旋转式发电机20，其主要由一定子201、一转子202以及一组磁极203所组构而成，其中，磁极203上绕设有一组以上的激磁线圈2031，激磁线圈2031与外部激磁电源21连接，而转子202上绕设有一组以上的感应线圈2021，当转子202开始旋转，绕设于转子202上的感应线圈2021，切割两磁极203之间的磁力线，进而产生一感应电势；再；呈上所述，发电机经由磁场的变化，产生一感应电势，经演算后其公式为：

E＝NBlV

其中，E指感应电势，B指磁通密度(flux density)，l指导体长度，V为速度，指导体在磁场中切割的速度，N为感应线圈的圈数，又，导体可为固定不动的态样，在一具有变化的磁场中，也会产生一感应电势，其公式可经由上述公式演算后，其公式为：

E＝NBlV＝NBlS/t＝NBA/t＝Nψ/t＝Ndψ/dt

其中，S指距离，t为时间，A为磁路面积，ψ为磁通(flux)，dψ/dt为每单位时间的磁通变化量，呈上述，无论是导体移动或磁场产生变化，皆需借助一原动机(prime mover)的动力工作，由上述公式得知，感应电势与时间成反比，与磁通密度及磁路面积成正比，又，磁通密度受到硅钢片材质的限制，通常仅在1～2Tesla(磁通密度单位)无法增加，而磁路面积的增加，牵涉到发电机的体积，且感应线圈的圈数也会使发电积的体积增加。

又，发电机经工作，产生感应电势后，再接至一负载，将所产生的电力供给负载工作，其功率的公式为：

P = \frac{{(E \frac{R_{L}}{R_{in} + R_{L}})}^{2}}{R_{L}} = \frac{E^{2}}{R_{L}} = \frac{E^{2}}{{NR}_{in}}

其中，R_L指负载的电阻，R_in指感应线圈的内阻，且负载电阻需远大于感应线圈的内阻，假设负载的电阻为感应线圈的内阻的N倍，且两电阻呈等比例的增加，而内阻与感应线圈呈正比，因此欲增加感应电势，而将感应线圈的圈数增加，感应电势增加了，却同时使发电机的内阻增加，导致输出功率未有增加一定的比率，因此在不改变发电机体积的状况下，欲增加功率体积比，仅有缩短改变磁通的时间，也指使磁通快速的产生变化。

高效率发电机在各种领域里，皆有需求，以低速度的原动机，如大型风力涡轮机举例，其使用传统发电机工作时，必需再搭配一齿轮箱，以增加转速来配合传统发电机发电，而齿轮箱的造价昂贵，若使用直驱式发电机，则因转速慢，使发电机的体积较大且造价高，使得风力发电价格无法下降；又，汽车上的电子设备越来越多，以及油电混合车都需增加发电机的功率，然汽车的车体容积有限，因此如何在不增加发电机体积，且相同的移动速率及转速下，有效的提升发电机所产生功率，为现今发电机所要改进的问题。

发明内容

有鉴于上述的问题，本发明者依据多年来，从事相关产品研发的经验，针对发电机的结构组成及工作原理进行研究及分析，期能研发出更为适切的结构及工艺，缘此，本发明主要的目的在于提供一种高效率发电机。

为达上述的目的，本发明所称的高效率发电机，其主要由一定子及一动子或一转子所组构而成，在定子及动子或转子的邻近磁路，以多个硅钢片与气隙或绝缘片依序排列组设，并借助改变硅钢片的尺寸及堆叠方式，使硅钢片组设时，产生较小间距，当动子或转子移动一个间距时，便会使定子上磁通量的大小及磁力线的方向产生改变，据上所述，本发明所称的高效率发电机工作时，无需增加转速及体积，便可使发电机的输出功率提升。

一种高效率发电机，为一个线性移动发电机时，其包括：一个定子及一个动子；该定子，由数片硅钢片堆叠而成，其中心区域装置一个能够线性往复动作的动子，该定子两边成形有一个凸出部，该凸出部与该动子相邻，该各硅钢片呈连续堆叠后，各相邻两组的该硅钢片的该凸出部，相对形成90度转向的排列，使各相邻的该硅钢片之间，成型有数个气隙，该各硅钢片以呈90度的两个该凸出部与两个该气隙与该动子相邻，该硅钢片组的厚度也即间距很小，该定子上绕设有两组感应线圈及两组激磁线圈；该动子，由另外数个硅钢片及数个垫片或气隙相间组构而成，该硅钢片的厚度与该定子的硅钢片相同，该动子的中心区域组设有一个轴心，该动子穿设于该定子的该中心区域进行往复式直线运动，借此，当该动子每移动一个间距，该定子上的相邻的各该硅钢片上的磁通量和磁通方向即产生差别变化，致使该定子的该感应线圈上的磁通量与磁通量方向变化。

一种高效率发电机，为一旋转式发电机时，其包括：一个定子于外部，一个转子于内部，两者之间有一个保证该转子转动的空隙；该定子，外缘成形有上、下、左、右四个第一凹槽及四个凸部，且该各第一凹槽的相对面，成形有一个第二凹槽，该第一凹槽及该第二凹槽之间，分别于上、下绕设有两组感应线圈及左、右绕设两组激磁线圈，该各凸部相邻于该转子以多数个定子硅钢片及多数个气隙相间隔组成，其间距，也即该定子硅钢片或该气隙的宽度很小；该转子，中心有一个开孔以放置一个转轴，该转子外缘相邻于该定子，以数个转子硅钢片和数个气隙相间组成，其间隔密度与该定子的各凸部相同。

本发明的有益效果在于：本发明所称的高效率发电机，主要在定子与动子或转子的邻近磁路，以多个硅钢片及气隙或绝缘片依序排列组设而成，硅钢片与硅钢片之间形成较小的间距，当动子或转子移动或转动一个间距时，定子上磁通量的大小及其方向产生改变，且因间距较小，产生变化的时间较快，便能在同样体积大小与转速下，产生较多的输出功率；依此，本发明其据以实施后，确实可以达到提供一种可以满足传统发电机在相同体积及转速下，可提升输出功率的高效率发电机的目的。

以上关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明，用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的专利范围更进一步解释。

附图说明

图1，为现有的线性移动发电机的构件示意图。

图2，为现有的旋转式发电机的构件示意图。

图3，为本发明的构件示意图。

图4，为本发明的构件分解示意图。

图5，为本发明结构的正视图。

图6，为图5的动子移动一间距的结构正视图。

图7，为感应线圈的磁通变化曲线图。

图8，为图3的动子的较佳实施例。

图9，为线性移动发电机结构为圆形的示意图。

图10，为本发明应用于旋转式的结构示意图。

图11，为图10的转子旋转一间距的示意图。

图12，为图10的感应线圈的较佳实施例。

图13，为本发明的三相发电机的结构示意图。

图14，为图13的定子与转子邻近磁路的剖面图。

主要元件符号说明：

10线性移动发电机101定子 102转子 1011激磁线圈

1012感应线圈 1013激磁电源 1014负载 20旋转式发电机

201定子 202动子 2021感应线圈 203磁极

2031激磁线圈 21外部激磁电源30高效率发电机 301定子

302动子 3011硅钢片 3021硅钢片 3011’硅钢片

3022垫片 3011a凸出部 3022’垫片 3011b凸出部

3023轴心 3012感应线圈 3013永久磁铁 3014气隙

3015激磁线圈 31自激电路 32外激电路 33二极管

34电容 35负载 40线性移动发电机 401定子

402转子 4011硅钢片 50高效率发电机 501定子

502转子 5011第一凹槽 5021第二硅钢片 5012凸部

5022气隙 5013第二凹槽 5023转轴 5014第一硅钢片

5014’第一硅钢片5015气隙 5016感应线圈 5017激磁线圈

51自激激磁电源 52二极管 53电容 54负载

55外激电源 60高效率发电机601转子 602第一定子

6011硅钢片 6021硅钢片 603第二定子 604第三定子

6031硅钢片 6041硅钢片 A方向 B方向

a曲线 b曲线 c曲线 t1时间

t2时间 t3时间 t4时间

具体实施方式

请参阅图3，图中所示为本发明的构件示意图，如图所示的高效率发电机30，其主要由一定子301及一动子302所组构而成，其中，定子301由数片硅钢片3011平放堆叠而成，而堆叠完成的硅钢片3011，在定子301的中心区域成形有一容置区域，供动子302穿设于其中，而定子301上绕设有一感应线圈3012及组设有一永久磁铁3013，且感应线圈3012组设有一电容34以及一负载35，而电容34可补偿感应线圈的电感抗，以提升整体的功率因素；再请参阅图4，图中所示为本发明的构件分解示意图，承上所述，定子301由数片硅钢片3011平放堆叠而成，再请参照本图，其数片硅钢片3011之间的堆叠方式，使各硅钢片3011呈连续堆叠后，各相邻的硅钢片(3011、3011’)的凸出部(3011a、3011b)形成错位排列，以使各相邻的硅钢片(3011、3011’)之间，成型有数个个气隙3014(请搭配参照图3)，其具体组构方式，如图所示，其组设时，硅钢片3011’旋转90度，使其凸出部3011b与硅钢片3011的凸出部3011a呈垂直的态样，而其余的数片硅钢片3011，依此方式依序堆叠，此堆叠的方式，即可使气隙3014成型(请参阅图3)；又，如图4所示，动子302由数片硅钢片3021及数片垫片3022，依序排列组设而成，其中，垫片3022由一低导磁材料所制成，例如塑料片或垫圈，其组设完毕后，进一步于转子302的中心区域穿设一轴心3023，上述构件完成组设后，便完成本发明所称的高效率发电机30；又，定子301所使用的硅钢片3011可与动子302上的硅钢片3021的厚度相同；如图5所示，定子301上可进一步绕设有一激磁线圈3015，且激磁线圈3015进一步电连接有一自激电路31(请搭配参照图6)，又，高效率发电机30可仅使用自激电路31来进行激磁，自激电路31为负载端整流后的直流电源，再请参阅图6，如图所示，自激电路31与一外激电路32电连接，而两电路可分别电连接有一二极管33，以防止外激电路32或自激电路31产生短路。

再请参阅图5，图中所示为本发明结构的正视图，并请搭配参照图3及图4；承上述构件组设完毕后，动子302上的硅钢片3021和定子301上的硅钢片3011呈相对状，因两硅钢片(3011、3021)呈相对状，产生一完整的磁路，此时定子301内便产生一磁路；并请搭配参照图6，图中所示为图5的动子移动一间距的结构正视图，当动子302向方向B进行移动时，动子302上的硅钢片3021进一步与定子301上的另一硅钢片3011’呈相对状，进而产生另一磁路，如图6所示；再者，承图3所述，动子302由硅钢片3021与垫片3022依序组设而成，当动子302向方向B移动时，垫片3022与定子301上的硅钢片3011成相对状，硅钢片3011无法产生完整的磁路，所以仅能产生较少的磁通，当动子302再次移动时，绝缘片3022与另一硅钢片3011’呈相对状，使另一硅钢片3011’产生较少的磁通，如此，当转子302进行连续性的位移时，而定子301上感应线圈3012的磁通量及磁通方向不断改变，且因间距很小，使得定子301内的磁场，跟着快速的变化，如此磁场快速的变化，使得感应线圈3012所产生的感应电势增加。

承图3所示，如图所示的高效率发电机30，仅绘示四组定子301硅钢片3011，因其间距很小，定子301上包含很多硅钢片3011；假设间距仅为0.3厘米，而动子每次移动距离为3厘米，则其每次的移动即使其磁通改变10次，而传统线性发电机在同样的移动速度下，仅产生了一次的变化量，故两者所产生的感应电压相差了10倍，输出功率相差100倍，故约可提高功率体积比100倍。

为更清楚说明感应线圈内的磁通变化，请参阅图7，图中所示为感应线圈的磁通变化曲线图，如图所示，纵轴指磁通量，横轴指时间，曲线a指硅钢片3011的磁通变化曲线，曲线b指硅钢片3011’的磁通变化曲线，两曲线相加后，便得一曲线c，曲线c为本发明所称的高效率发电机30的磁通变化曲线；请搭配参阅图5、图6，当动子302的硅钢片3021与定子301上的硅钢片3011呈相对应时，在时间t0或时间t4的时候，当动子302的硅钢片3021与硅钢片3011’呈相对应时，在时间t2的时候，又如图7所示，曲线a与曲线b的方向相反，因此曲线c在时间t0及时间t4的磁通量为+ψ，在时间t1及时间t3的磁通量为0，在时间t2时磁通量为-ψ，因此磁通量由+ψ变化到-ψ，再由-ψ变化到+ψ，如此磁通量不但改变了大小更改变了方向。

请参阅图8，图中所示为图3的动子的较佳实施例，承图3所示，转子302由硅钢片3021及垫片3022依序穿设而成，而垫片3022可进一步成形为任一几何图形，例如方形、圆形等，如图8所示垫片3022’的大小可小于硅钢片3021，且其可利用硅钢片裁切成形或利用低导磁材料制成，如塑料片等，如此便可节省制造的材料及降低整体的重量。

上述所举例的线性移动发电机，其外观呈一方形，但不以此为限，可进一步成形为一几何图形，例如圆形，其结构如图9所示，图中为线性移动发电机结构为圆形的示意图，如本图所示的线性移动发电机40，其定子401与动子402结构与上述发电机相同，且硅钢片4011堆叠方式也同。另外此高效率发电机的原理可运用于旋转式发电机；请参阅图10，图中所示为本发明应用于旋转式的结构示意图，如图所示的高效率发电机50，其定子501上，成形有四个第一凹槽5011及四个凸部5012，又，各第一凹槽5011的相对面，分别成形有一第二凹槽5013，又，各凸部5012的相对面，分别成形有数个定子硅钢片5014，而定子硅钢片5014与定子硅钢片5014之间，成形有一气隙5015，又，定子501上的两凹槽(5011、5013)之间，分别绕设有感应线圈5016或激磁线圈5017，而激磁线圈5017，电连接有一外激电源55，且也可利用永久磁铁供给或与自激激磁电源51合并使用，又或仅用自激方式；又，转子502的外缘，成形有数个转子硅钢片5021，各转子硅钢片5021之间成形有数个气隙5022，而定子501及转子502上的气隙(5015、5022)，间距大约相同，又，转子502的中心位置成形有一开孔，且组设有一转轴5023；又，高效率发电机50可进一步电连接有一二极管52，借此防止激磁电源51发生短路，又，高效率发电机50可电连接有一电容53，以提高功率因数；另，激磁线圈5017可以一永久磁铁取代，组设于定子501上。

请参阅图11，图中所示为图10的转子旋转一间距的示意图，并请搭配参照图10，如图所示，激磁电源51电流导通后，激磁线圈5017产生磁力，转子502开始转动，转子502上的转子硅钢片5022与定子501上的定子硅钢片5014，依序的产生对齐与分离，当转子硅钢片5022与定子硅钢片5014呈相对齐时，所产生的磁力线，使感应线圈5016产生一感应电势，借此提供后端负载54电能，又，当转子502移动一个间距时，转子502上的硅钢片5022与定子501上的硅钢片5014’呈相对齐，所感应线圈5016上的另一磁路产生的磁力线，与图10的磁力线，呈相反方向，因此当转子502持续的旋转，使磁力线快速的产生磁通量与磁通方向的变化；呈上所述的高效率发电机50结构，因硅钢片(5014、5022)成形时，所产生的间距很小，如此，当高效率发电机50旋转时，感应线圈5016上的磁路磁力快速产生磁通量及磁通方向的变化，使高效率发电机50产生较大感应电势，进而提升发电机的发电功率；再者，感应线圈5016可进一步绕设于气隙5015上，如图12所示。

又，定子上的各硅钢片5014宽度很小，以0.3厘米为例，若转子502的直径为10厘米时，即大约有100个间距(50个硅钢片及50个气隙)，当转子502转一圈，则可让磁通产生变化100次，比传统发电机磁通变化大十倍(假设增加为10极)，其功率体积比约为传统发电机的100倍。

本发明所称的高效率发电机，无论是线性移动或旋转型都可进一步组设为多相式发电机，主要由一转子及一个以上的定子所组构而成，本例以三相式结构来进行举例，请参阅图13，图中所示为本发明的三相发电机的结构示意图，如图所示的高效率发电机60，由一转子601及三个定子(602、603、604)所组构而成，其中，转子601依序穿设于三个定子(602、603、604)之间，并请搭配参照图14，图中所示为图13的定子与转子邻近磁路的剖面图，如图所示，第一定子602的硅钢片6021与转子601上的硅钢片6011，呈相对齐，而第二定子603上的硅钢片6031与转子601上的硅钢片6011，仅有三分之一的面积呈相对齐，因此所产生的感应电势便落后第一定子602所产生的感应电势120度，又，第三定子604上的硅钢片6041与转子601上的硅钢片6011，仅有三分之二的面积呈向对应，因此所产生的感应电势便落后第一定子602所产生的感应电势240度，如此便产生相位相差120度的三相电源；再者，三相式高效率发电机60可进一步将其线圈，绕接成Y型或Δ型的连接方式，又，上述所称的三相结构也可运用于线性发电机上。

再者，本发明所称的硅钢片也可为其他高导磁材料所制成，而硅钢片以多个薄片堆叠而成，以减少涡流损的造成的损失；又，本发明所称的高效率发电机，其转子或动子上，无需再组设线圈或永久磁铁或导体，因此制造较为容易，且结构较坚固。

综上所述，本发明所称的高效率发电机，主要在定子与动子或转子的邻近磁路，以多个硅钢片及气隙或绝缘片依序排列组设而成，硅钢片与硅钢片之间形成较小的间距，当动子或转子移动或转动一个间距时，定子上磁通量的大小及其方向产生改变，且因间距较小，产生变化的时间较快，便能在同样体积大小与转速下，产生较多的输出功率；依此，本发明其据以实施后，确实可以达到提供一种可以满足传统发电机在相同体积及转速下，可提升输出功率的高效率发电机的目的。

Claims

1.一种高效率发电机，其特征在于：

该发电机的定子和动子邻界的磁路，或者定子与转子邻界的磁路，均由数个硅钢片和气隙或垫片相间组成，该定子上绕有一个感应线圈，该动子或该转子在移动或转动一个间距，该定子的该感应线圈上的磁路的磁通量及其方向即改变一次，借此，使该感应线圈感应的磁通量进行快速变化。

2.一种高效率发电机，为一个线性移动发电机，其特征在于包括：

一个定子，由数片硅钢片堆叠而成，其中心区域装置一个能够线性往复动作的动子，该定子两边成形有一个凸出部，该凸出部与该动子相邻，该各硅钢片呈连续堆叠后，各相邻两组的该硅钢片的该凸出部，相对形成90度转向的排列，使各相邻的该硅钢片之间，成型有数个气隙，该各硅钢片以呈90度的两个该凸出部与两个该气隙与该动子相邻，该硅钢片组的厚度也即间距很小，该定子上绕设有两组感应线圈及两组激磁线圈；以及

一个动子，由另外数个硅钢片及数个垫片或气隙相间组构而成，该硅钢片的厚度与该定子的硅钢片相同，该动子的中心区域组设有一个轴心，该动子穿设于该定子的该中心区域进行往复式直线运动，借此，当该动子每移动一个间距，该定子上的相邻的各该硅钢片上的磁通量和磁通方向即产生差别变化，致使该定子的该感应线圈上的磁通量与磁通量方向变化。

3.如权利要求2所述的高效率发电机，其特征在于，该定子上组设永久磁铁或以自激或他激或前述方式任意两者做激磁。

4.一种高效率发电机，为一旋转式发电机，其特征在于包括：

一个定子于外部，一个转子于内部，两者之间有一个保证该转子转动的空隙；

该定子，外缘成形有上、下、左、右四个第一凹槽及四个凸部，且该各第一凹槽的相对面，成形有一个第二凹槽，该第一凹槽及该第二凹槽之间，分别于上、下绕设有两组感应线圈及左、右绕设两组激磁线圈，该各凸部相邻于该转子以数个定子硅钢片及数个气隙相间隔组成，其间距，也即该定子硅钢片或该气隙的宽度很小；以及

该转子，中心有一个开孔以放置一个转轴，该转子外缘相邻于该定子，以数个转子硅钢片和数个气隙相间组成，其间隔密度与该定子的各凸部相同。

5.如权利要求4所述的高效率发电机，其特征在于，该定子内组设永久磁铁或以自激或他激或前述方式任意两者做激磁。

6.如权利要求4所述的高效率发电机，其特征在于，该定子上、下两个凸部的该定子硅钢片与该转子的该转子硅钢片对齐时，左、右两个该定子硅钢片与该转子的该转子硅钢片脱开，对齐时磁通量大，脱开时磁通量小，当该转子转动一个间距时，则形成上、下的该定子硅钢片脱开，左、右的该定子硅钢片对齐。

7.如权利要求4所述的高效率发电机，其特征在于，该两组激磁线圈产生的磁通的磁力线方向相反，即一个为顺时针一个为逆时针。

8.如权利要求7所述的高效率发电机，其特征在于，当该转子转动一个间距时，即产生磁通量大小及方向的变化，该激磁线圈感应两组磁通量变化的绝对数之和。