CN106170907A

CN106170907A - 平面型能量转换装置

Info

Publication number: CN106170907A
Application number: CN201480072156.9A
Authority: CN
Inventors: 连敬忠
Original assignee: Speedy Circuits Co ltd
Current assignee: Speedy Circuits Co ltd
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2016-11-30
Also published as: US10333367B2; US20160336830A1; TW201529974A; WO2015106541A1

Abstract

本发明公开一种具有多个微转换单元(100′)的平面型能量转换装置(100)，其包含一载板(120)。该载板(120)包含水平排列的多个空穴(122)，每个空穴(122)对应每个微转换单元(100′)。每个微转换单元(100′)包含一磁性转子(130)，置于该空穴(122)中；及至少一环形定子(S₁)环绕该磁性转子(130)，该环形定子(S₁)整合于该载板(120)中。该环形定子(S₁)包含一磁体元件(F₁)及一绕线单元(C₁)，该磁体元件(F₁)具有多个突出部(T₁)水平地沿该空穴(122)的边缘排列，该绕线单元(C₁)具有多个绕线组(121)，每个绕线组(121)对应每个突出部(T₁)。

Description

平面型能量转换装置技术领域

本发明涉及一种平面型能量转换装置，特别是涉及一种具有磁性转子与定子的平面型能量转换装置。背景技术

现今能量转换装置以大型的设施为主，无法在一般人日常活动范围中运作，也因此无法在生活的细节上满足大众的需求。以将机械能转为电能的能量转换装置 (即发电机)为例，其大都在与人群隔离处进行发电，所产生的电能通过有线传输系统供应到特定的地点。因此，当需使用电能时，往往需要受限于特定的地点。随着各种携带式电子产品的普及，有越来越多人希望电能的供应能更有弹性，尤其希望能尽量不被与大型发电机连接的固定地点所限制。发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种能小型化、轻型化的平面型能量转换装置。本文所谓平面型能量转换装置的概念在于，将传统能量转换装置的整体作薄型分割，形成多个微转换单元，每个微转换单元可独立运作，以进行能量转换。本文所谓平面型能量转换装置包含将机械能转成电能的发电机、将电能转成机械能的电动机及其他可使用本发明所揭示的元件进行能量转换的装置。

本发明的平面型能量转换装置具有平面式载板及多个微转换单元。在一优选实施例平面式载板可为一平面式电路板。利用电路板技术，将多个微转换单元水平排列在平面式电路板中，其中每个微转换单元所需环形定子、磁性转子和线圈等元件都微型化且精心设计使其与电路板整合。

本发明的平面型能量转换装置可设计成将机械能转成电能的发电机。发电机可通过任何机械动力，如手动，或任何流体如水力或风力、或其他合适动力在任何场所发电。在使用流体发电的状况下，本发明更提供微型化扇叶，或带有永久磁性的微型扇叶。通过微小流体对扇叶施加的力来带动转子开始转动产生微电力，进而达成可随处发电的功能。另外，如要利用水力，可另外加装如水车转轮结构的转盘。本发明的平面型能量转换装置可产生 uW以上的微电力，此等级的电力即可用来补足互连网路中检测感应元件所需的电池的电力来源。由于发电机与电动机的基本原理差别在于能量转换的方向相反。因此，本发明的平面型能量转换装置也可设计成将电能转成机械能的电动机。

本发明尚包含其他实施例以解决其他问题并合并上述的实施例详细公开于以下实施方式中。附图说明

图 1A为本发明第一实施例的平面型能量转换装置的部分结构的立体剖面示意图；

图 1B为本发明第一实施例的单一微转换单元的部分结构的立体剖面示意图；图 1C为本发明一另一实施例的单一微转换单元的部分结构的立体剖面示意图；

图 2为本发明第一实施例的平面型能量转换装置的电路板俯视示意图；图 3为本发明第二实施例的平面型能量转换装置的部分结构的立体剖面示意图；

图 4为本发明第三实施例的平面型能量转换装置的部分结构的立体剖面示意图；

图 5为本发明第四实施例的平面型能量转换装置的齿轮单元俯视示意图；图 6为本发明第四实施例的平面型能量转换装置的部分结构的另一立体剖面示意图。

符号说明

100 平面型能量转换装置

100，微转换单元

120 电路板

121 绕线组

121a 上线路层

121a' 上线路层

121d 导电贯通孔

121' 绕线组

122 空穴

130 磁性转子 133 永久磁铁

300 平面型能量转换装置

300，微转换单元

321 电路板

321a 双面板

321b 双面板

321c 双面板

322 空穴

333 磁性转子

400 平面型能量转换装置

400，微转换单元

420 电路板

420a 双面板

422 第一空穴

423 第二空穴

431 第一转轴

432 第二转轴

436 磁性转子

440 风扇

451 第一齿轮

450 齿轮单元

452 第二齿轮

500 平面型能量转换装置

500，微转换单元

531 第一转轴

540 风扇

550 齿轮单元

551 第一齿轮

552 第二齿轮

X剖面

Y剖面 CI绕线单元

Fl磁体元件

SI环形定子

S2环形定子

T1突出部

ΤΓ 突出部

F1' 磁体元件具体实施方式

以下将参考所附的附图示范本发明的优选实施例。所附附图中相似元件釆用相同的元件符号。应注意为清楚呈现本发明，所附的附图中的各元件并非按照实物的比例绘制，而且为避免模糊本发明的内容，以下说明也省略现有的原理、零组件、相关材料、及其相关处理技术。

第一实施例平面型能量转换装置包含壳体 (图未示)及置于壳体中作为载板的电路板 120。图 1A、图 1B及图 2是示范说明第一实施例的平面型能量转换装置的部分结构。平面型能量转换装置 100包含多个微转换单元 100，。图 1A显示其中 3个微转换单元 100，的剖面示意图。注意图中仅显示剖面 X的半边的结构，未显示与其呈对称的另半边结构。图 1B是单一个微转换单元 100，的部分剖面示意图，图中所显示剖面 Y的两边的结构应为对称。为清楚显示电路板 120中所埋藏的元件，剖面 Y的右半边结构有部分的电路板的绝缘层与绕线组省略未绘制。图 2为 21个微转换单元 100，以 3 X 7 的阵列排在电路板 120中的示意图。为清楚显示电路板 120中所埋藏的元件，每个微转换单元 100，有部分的电路板的表面绝缘层或绕线组省略未绘制。平面型能量转换装置 100 中微转换单元 100，的数目可视实际需要而定不以实施例的内容为限。

如图 1A、图 IB所示，电路板 120具有水平排列的多个空穴 122，每个空穴

122对应每个微转换单元 100，。每个微转换单元 100，包含磁性转子 130，置于空穴 122中；及环形定子 S1整合于电路板 120中并水平地环绕磁性转子 130。环形定子 S1包含磁体元件 F1及绕线单元 Cl。如图 2所示，环形定子 S1优选部分地埋设或完全埋设于电路板 120中。磁体元件 F1具有多个突出部 T1水平地沿空穴 122的边缘排列。绕线单元 C1可有多个绕线组 121，每个绕线组 121 对应每个突出部 Tl。在此实施例每个绕线组 121缠绕所对应每个突出部 Tl。绕线组 121的缠绕方式可视需要变化。譬如在此实施例中，每个绕线组 121包含形成于电路板 120 上的上线路层 121a, 下线路层 (未显示），以及多个导电贯通孔 121d贯穿电路板 120以连接上线路层 121a与下线路层，如此得以缠绕磁体元件 Fl。图 IB显示上线路层的线路图案仅为示范说明，本发明不以此为限。于其他实施例，上线路层的线路图案可有其他合适样式。

此外，本发明也包含对应每个突出部的绕线组，其不缠绕所对应突出部的实施例。譬如图 1C所示的实施例，绕线组 121，的上线路层 121a，形成如回纹针般的螺旋状线路图案于其所在的平面上。上线路层 121a，因为邻近所对应的磁体元件 Fl，的突出部 ΤΓ 且具有螺旋状线路，故可产生感应电流。绕线组 121，并未如图 1B所示的绕线组 121 (通过上线路层 121a、下线路层及导电贯通孔 121d 缠绕磁体元件 F1)般地缠绕其所对应的突出部 ΤΓ。

平面型能量转换装置 100 的壳体可为一般工程塑胶材料或其他合适材料制成，其大小与外型也可依其他设计需求作变化。电路板 120以壳体为支架设于其内部。本文所谓电路板是指以 PCB ( Printed circuit board )或 PWB ( Printed wire board ) 的传统工法所制造的电路板为主体的结构。电路板常用的绝缘材料如玻璃纤维板、不织物料、或其他各种树脂。导电材料如铜箔等。电路板的内部或表面都可形成线路可用现有的光致抗蚀剂、显影、蚀刻、电镀等技术来完成。在此实施例中电路板 120为一单一双面板。于其他实施例，电路板 120可为多个双面板或多层板的堆叠所组成。电路板 120具多个空穴 122 纵向地穿透板身，每个空穴 122供每个磁性转子 130设置于其中。

图 1A及图 1B所示的磁性转子 130进一步包含转轴 (未显示）、连接转轴的轴承 (未显示，可固定于壳体底部）、及永久磁铁 133连接转轴。在此实施例，磁性转子 130的永久磁铁 133插设于电路板 120的空穴 122中。永久磁铁可为铝镍钴合金、钕铁硼磁铁、或其他可长期保持磁性不易被磁化的材料制成，其尺寸大小范围在数个 mm至数个 cm之间，优选在 0.5 mm 至 3 cm之间。

如图 1A及图 1B所示，环形定子 S1包含磁体元件 F1及绕线单元 Cl。环形定子 S1整合于电路板 120的实体结构中。在此实例中磁体元件 F1为受到磁力会感应磁性的材料所制成。譬如，可在合适的载体上印刷非晶系导磁材料，或可将非晶系导磁片通过蝕刻加工而成。在此实施例，磁体元件 F1为指环状结构，埋藏在电路板 120中并且沿空穴 122的水平边缘设置以环绕空穴 122中的磁性转子 130。磁体元件 F1更进一步包含多个如图所示范的突出部 Tl，分别指向磁性转子 130。突出部 Tl的数目可为三、六、九或其他合适数目。此实施例以六个为例但不以此为限。磁体元件 F1的优选尺寸可在数个 mm到数个 cm大小，厚度可优选在 0.05mm至 0.5 mm的范围。

如图 2所示，在电路板 120中， 21个微转换单元是电路板 121的平面表面上以矩阵方式排列。平面型能量转换装置 100中微转换单元 100，的数目可视实际需要而定不以实施例的内容为限。

可将平面型能量转换装置 100设计为一发电机，每个微转换单元即为微发电单元，其所产生的功率优选范围在数个毫瓦至数十个瓦之间。因此，平面型能量转换装置 100的总能量转换功率也与微转换单元的数目相关。可通过手动，或任何流体或其他合适动力来转动每个微转换装置中的磁性转子以致动发电。在作为发电机的一实施例，永久磁铁 133可为一永久磁风扇。所谓永久磁风扇是指永久磁铁 133具有扇叶的结构，此扇叶为微机械电铸磁性体，并经 SN极化磁性处理。此扇叶具有永久的 S极磁性或 N极磁性。永久磁风扇可直接受风或水等流体外力可产生转动。以永久磁风扇作为永久磁铁 133的平面型能量转换装置 100，其壳体可具有流体的入口及出口，用以引导增强的流体流经各个空穴 122。因此，可将此平面型能量转换装置 100放置在有空气流动或水流动等流体对流处。当流体推动永久磁铁 133 转动时，磁体元件 F1 的各突出部的磁性将随着永久磁铁 133的磁极 NS的转动而感应变化，进而使每的绕线单元 C1上的导线线路产生电流。如图 2所示，电路板 120上的每个微转换单元 100，都可因为磁性转子 130 受力转动而产生电流。电路板 120中可另设有将交流电转成直流的整流元件，也可有其他电路设计以串联或并联的方式收集各个每个微转换单元 100，所产生的电流。可将平面型能量转换装置 100放置在电脑主机的散热风扇旁，利用散热产生的风力致动平面型能量转换装置 100，以产生 μΑ至 mA不等的电量。此外，平面型能量转换装置 100更包含交流电插座或 USB接头以便于对各中电子产品充电或电力输出至负载。平面型能量转换装置 100也可整合于一般的蓄电装置中，以使此蓄电装置可存储一般电力也可自行发电。

第一实施例所示范说明的平面型能量转换装置，其每个微转换单元 100，只包含一个环形定子 S1整合于双面板中。图 3显示第二实施例的平面型能量转换装置 300，其电路板 321由 3个双面板 321a, 321b及 321c 所构成。就每个微转换单元 300，而言，因为每个双面板具有一个环形定子 Sl，所以每个微转换单元 300，包含 3个环形定子 S1对应同一个磁性转子 333。 3个环形定子 S1沿空穴 322的垂直方向堆叠。应注意环形定子 S1的数目是举例说明，本发明不以此数目为限。如之前实施例所示，环形定子 S1包含磁体元件 F1及绕线单元 Cl，然为使图清晰，图 3未绘制绕线单元 Cl。

于其他作为发电机的平面型能量转换装置的实例 (未图示)，永久磁铁 133本身可不具风扇功能。此等平面型能量转换装置另外地包含多个风扇通过转轴连结每个永久磁铁。此等风扇可不在空穴内，而是随着与永久磁铁 133连结的转轴往外延伸突出于电路板外。此等设计可使每个风扇更接近流体的入口，受力范围较大。

图 4是依据第三实施例示范说明平面型能量转换装置 400的结构。在此实施例，平面型能量转换装置 400为一发电机。参考图 4，平面型能量转换装置 400 包含电路板 420、齿轮单元 450、及风扇 440置于壳体（未显示）中。为清楚显示，图 4的电路板 420仅呈现半边的结构。电路板 420具有两个平面型的双面板 420a 纵向地堆叠一起。注意此实施例只有两个双面板，然而本发明并不以此为限。于其他实施例，双面板 420a可有一个，三个或其他合适的数目。双面板 420a包含至少一个第一空穴 422及 2个第二空穴 423。每个空穴 422/423对应每个微转换单元 400，。图 4显示 3个微转换单元 400，。每个微转换单元 400，包含两个磁性转子 436上下堆叠，置于对应的空穴中。两个环形定子 S2上下堆叠并环绕对应的磁性转子 436。环形定子 S2整合于电路板 420中。有关壳体 410、电路板 420、微转换单元 400，所包含的各种元件及其制作材料基本上与前述实施例类似，故不再赘述。

参考图 4，平面型能量转换装置 400包含齿轮单元 450连结第一空穴 422中的磁性转子 436与第二空穴 423中的磁性转子 436。通过齿轮单元 450，转动第一空穴 422中的磁性转子 436时可带动第二空穴 423中的磁性转子 436转动。第一空穴 422中的磁性转子 436连接第一转轴 431。第二空穴 423中的磁性转子 436 连接第二转轴 432 (图中以虚线表示)。齿轮单元 450连接第一转轴 431与第二转轴 432。齿轮单元 450是以第一转轴 431为轴心而作动。风扇 440连接于第一转轴 431。第一转轴 431穿透电路板 420以使风扇 440突出于电路板 420外。平面型能量转换装置 400的上述元件可置于一壳体中，壳体可设有一入口及一出口以供流体进出，用以引导增强流体流经风扇 440。当风扇 440旋转时将转动第一空穴 422中的磁性转子 436，并通过齿轮单元 450同时转动第二空穴 423中的磁性转子 436。当风扇 450旋转时，通过第一转轴 431，齿轮单元 450及第二转轴 432 驱动每个微转换单元 400，。电路板 420可设有将交流电转成直流的整流元件，也可有其他电路设计以串联或并联的方式收集各个绕线单元所产生的电流。

如图 4，齿轮单元 450具有至少一第一齿轮 451及与第一齿轮 451相啮合的两个第二齿轮 452，其中第一齿轮 451通过第一转轴 431连结风扇 440与第一空穴 422中的磁性转子 436，第二齿轮 452通过第二转轴 432连结第二空穴 423中的磁性转子 436。本实施例以半径比为 1 : 1的第一齿轮 451及第二齿轮 452作示范说明。第二齿轮 452的数目可依所设定的齿轮比及位置来决定，不受此实施例所示范的限制。熟悉此技术者可利用齿轮比 (大齿轮的齿数除以小齿轮的齿数)决定每的微转换单元 400，电流输出的频率。

第三实施例所示范说明的平面型能量转换装置 400只有一个风扇 440。风扇

440旋转时，除致动与风扇 440同轴的微转换单元 400，外，也通过齿轮单元 450 致动未与风扇 440在同轴旋转的其他微转换单元 400，。于其他实例 (未图示），每个微转换单元 400，可有各自独立运转的风扇，故本发明的平面型能量转换装置也包含多个风扇连结所对应的微转换单元的态样。

此外，同样作为发电机，本发明也包含将第三实施例的风扇 440改为一般的转动器的实例。可将此转动器与其他转动装置衔接，譬如与脚踏车的轮轴衔接，则通过人踩脚踏车时运动的能量通过本发明的平面型能量转换装置转成电能。

本发明的平面型能量转换装置的齿轮单元可有各种变化。第三实施例的平面型能量转换装置，其齿轮单元 450是以一个第一齿轮 451 与两个第二齿轮 452 排成一列作示范说明。图 5及图 6显示本发明的第四实施例的平面型能量转换装置 500。图 5显示第四实施例的齿轮单元 550包含一个第一齿轮 551及与其相啮合九个第二齿轮 552，九个第二齿轮 552环绕位于中心的第一齿轮 551。与前述的实施例相似，每个齿轮对应一个微转换单元。图 5未显示第四实施例的平面型能量转换装置中除齿轮单元 550以外的元件的结构，但是此等结构基本上与前述第三实施例类似。第二齿轮 552的数目可依与第一齿轮的齿轮比及位置来决定，不受此实施例所示范的限制。熟悉此技术者可利用齿轮比 (大齿轮的齿数除以小齿轮的齿数)决定每个微转换单元电流输出的频率。为使熟识此项技术者可以理解，提供图 6以呈现第四实施例的平面型能量转换装置 500的部分结构，其包含风扇 540，第一齿轮 551 , 第一转轴 531及微转换单元 500，。图 6未显示第二齿轮 552及其所对应的微转换单元。

以上所举的本发明实施例中，磁性转子以永久磁体为例而环型定子中的磁体元件则以感应磁铁为例。然而应注意本发明也包含其他实施例，其中磁性转子为感应磁铁作成，而环型定子中的磁体元件则以永久磁体作成。

本发明的平面型能量转换装置具有轻巧便于携带的优点，因此用途非常广泛。以作为发电机为例，可以将其置于电脑主机中，利用主机中散热风扇产生的风力来发电，作为中继电源充电器。利用体积小的优点可随身携带，欲充电时将其置放于任何可利用流体流动的力转动风扇之处，譬如运动中的交通工具的外壳上、窗户、阳台，或譬如跑步时将其挂在手臂上利用风力发电。本发明平面型能量转换装置可进一步包含防水机制，或整体机盒有排水设计，保持发电区在干燥环境工作，而只露出风扇用与流动的水接触。可将其置于喷水池，人工瀑布或任何流动的液体中，利用水力发电。可利用本发明平面型能量转换装置所存储的电力取代一般小型电池或用来随时帮手机充电等等。目前市面上的电源中继装置普遍需外接电源或电池，并没有风力发电继电功能。因此可于此等电源中继装置中加装本发明的平面型能量转换装置以充分利用自然界动力资源，符合绿色环保需求。关于风扇或齿轮所带动的燥音，可贴覆消音棉与外壳以降低燥音发生。为防止电磁波，本发明平面型能量转换装置可有吸附磁波接地的设计。为防止发电过热带来损害，零件材质可使用耐燃材料，电路板中可加装温控断路安全设计，或有风冷或接冷气冰水等其他机制。为防止环境过冻带来损害，本发明平面型能量转换装置可加装 IR灯以除冻或加装除冰温控机制。本发明平面型能量转换装置，除了有发电功能外，还有暖气功能。譬如可收集流经本发明平面型能量转换装置的气体，由于发电生热，气体将有余温，可使此气体经空气滤网进入室内变成暖气设计。

如前所述，由于发电机与电动机的基本原理差别在于能量转换的方向相反。因此，本发明的平面型能量转换装置也可设计成将电能转成机械能的电动机。作为平面型能量转换装置的实例可参考第一实施例所述的结构，可将其电路板 120 中原作为发电的电流输出的线路设计改为供应电流给微转换单元 100，的线路设计，如此即可使每个微转换单元 100，变成微电动单元。施加适当的电源可使磁性转子 130转动。若磁性转子 130连接一风扇或本身为永久磁风扇，则微转换单元 100，将可因此产生微风力。可用激励转子取代风扇以带动其他元件转动。本发明的电动机可进一步应用于任何需要马达功能的电子元件，譬如微精密型步进马达，其为数字相机、数字摄影机、名片式扫描机、 CD-ROM, DVD-ROM中的关键零组件。以上所述仅为本发明的优选实施例而已。本发明尚包含很多其他实施例以如本发明的权利要求所述。凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在下述的权利要求内。

Claims

权利要求书

1. 一种具有多个微转换单元的平面型能量转换装置，包含：

载板，该载板包含水平排列的多个空穴，每个空穴对应每个微转换单元，每个微转换单元包含：

磁性转子，置于该空穴中；及

至少一环形定子环绕该磁性转子，该环形定子整合于该载板中，该环形定子包含一磁体元件及一绕线单元，该磁体元件具有多个突出部水平地沿该空穴的边缘排列，该绕线单元具有多个绕线组，每个绕线组对应每个突出部。

2. 如权利要求 1所述的平面型能量转换装置，其中每个绕线组包含形成于该载板上的一上线路层，一下线路层，以及至少一个导电贯通孔连接该上线路层与该下线路层以缠绕所对应的磁体元件。

3. 如权利要求 1所述的平面型能量转换装置，其中该磁性转子具有一扇叶，该扇叶具有永久的 S极磁性或 N极磁性。

4. 如权利要求 1所述的平面型能量转换装置，还包含一壳体，该载板置于该壳体中，该壳体具有一入口及一出口，用以引导一增强流体以转动该磁性转子。

5. 如权利要求 1所述的平面型能量转换装置，其中每个微转换单元包含多个该环形定子对应同一个磁性转子，每个环形定子沿该空穴的垂直方向堆叠且整合于该载板中。

6. 如权利要求 1所述的平面型能量转换装置，其中该平面型能量转换装置为一发电机或一电动机。

7. 一种具有多个微转换单元的平面型能量转换装置，包含：

载板及一齿轮单元，该载板包含至少一第一空穴及多个第二空穴，每个空穴对应每个微转换单元，每个微转换单元包含：

磁性转子，置于每个空穴中；及

至少一环形定子环绕该磁性转子，该环形定子整合于该载板中，该环形定子包含一磁体元件及一绕线单元，该磁体元件具有多个突出部水平地沿该空穴的边缘排列，该绕线单元具有多个绕线组，每个绕线组对应每个突出部，

其中该齿轮单元连结该第一空穴中的该磁性转子与该第二空穴中的该磁性转子，转动该第一空穴中的该磁性转子时可通过该齿轮单元带动该第二空穴中的该磁性转子转动。

8. 如权利要求 7所述的平面型能量转换装置，其中该齿轮单元具有至少一第一齿轮及环绕该第一齿轮的多个第二齿轮，该第二齿轮与该第一齿轮相啮合，其中该第一齿轮通过一第一转轴连结该第一空穴的磁性转子，该第二齿轮通过一第二转轴连结该第二空穴的磁性转子。

9. 如权利要求 8所述的平面型能量转换装置，其中该第一齿轮及该多个第二齿轮设于该载板的上方并沿该载板的上表面水平排列。

10. 如权利要求 7所述的平面型能量转换装置，还包含至少一风扇，连结该第一空穴中的该磁性转子。

11.如权利要求 7所述的平面型能量转换装置，其中该多个第二空穴环绕该第一空穴排列。

12. 一种蓄电装置，包含权利要求 1至 11中任一所述的平面型能量转换装置。

13. 一种交通工具，包含权利要求 1至 11中任一所述的平面型能量转换装置。

14. 一种电源中继装置，包含权利要求 1至 11中任一所述的平面型能量转换装置。

15. 一种暖气系统，包含权利要求 1至 11中任一所述的平面型能量转换装置。