CN110739824A - 具有牛角式铁芯的外转子发电机 - Google Patents

Abstract

具有牛角式铁芯的外转子发电机，包括一沿轴向延伸的枢轴；复数个平行配置的盘式外转子，分别包括一基体及偶数个永久磁铁，基体中心垂直固设于枢轴，且相邻的永久磁铁以同极性相对方式均匀排列，盘式外转子的永久磁铁的相异磁极则彼此相对；栏杆式定子，包括复数个长条状铁芯，分别平行上述轴向均匀排列分布于一个以枢轴为心的圆管，并以两极分别对应前述永久磁铁，铁芯数目大于永久磁铁一倍且低于二倍。

Description

具有牛角式铁芯的外转子发电机

技术领域

一种外盘式发电机，尤其是一种具有牛角式铁芯的外转子盘式发电机。

背景技术

常见的永磁式发电机9，如图1所示，是把永久磁铁91设置在外围作为转子，而将电枢线圈93设置在核心的定子处，无论是电流经过电枢线圈因电阻而发热，或是在换相过程中发生电流跳接时的骤热，都难以轻易散出；尤其转子处的高热回传至主动轴，长久使用下，会逐渐导致主动轴的变形，尤其受限于内外层包覆式的结构设计，使得面对输入扭力变更、安装空间限制等问题时，其应变的弹性也减少了。另方面，由于发电机主要是依赖线圈切割磁力线，造成磁动生电的作用，磁力线的分布在发电效率中占有决定性的影响。因为空气的磁阻甚高，如果永磁装置和线圈中的铁芯，在封闭回路中所占途径比例越低，经过的空气区域越长，磁阻将大幅升高，磁通因而分散，可以被切割而产生作用的磁力线密度也随之降低。

一种公知盘式发电机8，如图2所示，虽揭露有盘式外转子81的结构，但对上述的发热及耗能问题并无适当解答。此外，永久磁铁和线圈83的数目未曾妥善匹配，也将导致磁回路无法均匀作用，在每一作用周期中，都可能造成出力忽大忽小的转动不均匀状况。尤其是磁力线的封闭回圈中，大量行经空气作为介质，更使磁力线密度被分散，产生电能效率不彰。因此，如何妥善利用线圈和永久磁铁的互动，使得动能所引起的磁感应，可以被有效转换为电能输出储存，也需要良好的结构设计，使得磁铁和铁芯间的磁阻降低。

如何让永久磁铁的磁极和铁芯的间隙缩小，并且构成适当的磁回路，让磁通量集中在预期通路中而避免发散，形成发电线圈组和永久磁铁有效率地交互作用，藉此提升发电机的能量转换效率，就是本发明所要解决的问题。

发明内容

本发明的一目的，在于提供一种具有牛角式铁芯的外转子发电机，藉由定子铁芯与转子永久磁铁的数目比例，确保空气间隙有效缩减，磁通路顺畅，达到减少发热及降低耗能的功效。

本发明另一目的，在于提供一种具有牛角式铁芯的外转子发电机，利用牛角式铁芯间的狭缝狭小，达到降低磁阻，保持磁通路顺畅，让发电效率提升的功效。

本发明再一目的，在于提供一种具有牛角式铁芯的外转子发电机，藉由盘式外转子的结构使具有发电线圈绕组的定子不被包覆，易于散热而顺利延长发电机组件的寿命。

本发明又一目的，在于提供一种具有牛角式铁芯的外转子发电机，藉由每二个彼此平行配置的盘式外转子之间设置一组栏杆式定子的结构，可以依需要向前述外盘式转子的两外侧同轴扩充，达到不变更发电机单体的规格设计，而能弹性因应输出扭力与安装空间的需求。

依照本发明所揭露的具有牛角式铁芯的外转子发电机，包括：至少一根沿一轴向延伸的枢轴；至少二个彼此平行配置的盘式外转子，每一前述盘式外转子分别包括一个基体及偶数个永久磁铁，且前述基体分别以其对称中心垂直固设于上述枢轴，前述永久磁铁分别以两磁极设置于上述基体的方式设置于上述基体，且每一前述永久磁铁与上述枢轴最短距离点共同位于一个以上述枢轴为圆心的圆上，每两个相邻的前述永久磁铁以相同极性相对接的方式串联并相对上述枢轴均匀排列，以及前述至少二个接近的盘式外转子的前述永久磁铁的相同磁极彼此相对设置；至少一组栏杆式定子，包括复数个牛角式铁芯，每一前述铁芯分别包括一根沿着平行上述轴向彼此平行排列的本体，以及至少两个大致正交于前述本体的分枝部；其中，前述所有本体均匀分布于一个以上述枢轴为圆心的圆管处，每一前述铁芯的前述分枝部均隔一狭缝对应邻接前述铁芯中相邻于该铁芯者；前述该组栏杆式定子的每一前述本体，分别以各自的两极分别接近对应前述两个盘式外转子的上述永久磁铁，以及前述铁芯数目大于上述永久磁铁数目的一倍且低于二倍，每一前述铁芯的前述分枝部中的至少一者分别缠绕有一发电线圈绕组；及一组电能回收回路，供接收上述发电线圈绕组所发电能。

由于本发明一种具有牛角式铁芯的外转子发电机包含了至少二个彼此平行配置的盘式外转子及至少一组栏杆式定子，藉由外转子与定子相互间的巧妙配置及至少一根枢轴的串接，一方面减少空气隙的距离，使得磁通量主要经过铁芯和永久磁铁达成回路，磁阻被大幅降低；另方面牛角式铁芯和相邻的牛角式铁芯间，具有磁阻的狭缝同样被局限至极小，使得作为发电机时，磁通路仍能保持畅通，磁阻降低，发电效率藉此提升；且由于永久磁铁和铁芯的数目相互匹配，共同构成磁回路，让转子的运转动能转换为电能的转换效率提升；加以外盘式结构散热容易，发电机组件寿命得以延长，进一步藉由辅助盘式外转子及辅助栏杆式定子的扩充，使得本发明不需变更发电机单体的规格设计，就能弹性调整输出扭力与因应安装空间的需求；尤其，藉由外转子上的每两个相邻的永久磁铁以相同极性相对接的方式设置并相对前述枢轴均匀排列，且每二个接近的盘式外转子的永久磁铁的相异磁极彼此相对设置，以及栏杆式定子的每一铁芯分别以各自的两极分别接近对应两个盘式外转子的永久磁铁，结合铁芯数目大于永久磁铁数目的一倍且低于二倍的结构特点，每一永久磁铁都恰好搭配一个完整磁回路，有效提升发电机的能量转换效率，并且达成减少发热及降低耗能的功效，进而达成以上所述所有目的。

附图说明

图1为公知具有外转子的发电机的结构侧视示意图，用以说明定子与转子的相对位置关系。

图2为公知技术盘式发电机的架构示意图，用以说明其主要构成元件及其相对关系。

图3为本发明具有牛角式铁芯的外转子发电机第一较佳实施例立体图，说明转子的基体和永久磁铁结构，以及定子的非导磁定子基座相对关系。

图4为图3实施例的部分立体示意图，说明定子的铁芯-线圈和转子的永久磁铁相对关系。

图5为图4的铁芯-线圈组合并配合永久磁铁的俯视示意图。

图6为图5的单一铁芯-线圈组合立体示意图。

图7为图3实施例永久磁铁的磁力线分布侧视示意图。

图8为图3发电机应用于手动发电机示意图。

图9为本发明具有牛角式铁芯的外转子发电机第二较佳实施例的部分立体组合示意图。

图10为图9实施例的部分立体示意图，说明铁芯-线圈组合的相对关系。

图11为图9实施例的俯视示意图，说明转子的永久磁铁以及铁芯-线圈组合的相对关系。

图12为图9实施例的单一铁芯-线圈组合立体示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合说明书附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚呈现；此外，在各实施例中，相同的元件将以相似的标号表示。

本发明一种具有牛角式铁芯的外转子发电机的第一较佳实施例，请一并参考图3至6所示，外盘式发电机1具有一根沿一轴向延伸的枢轴12，为便于说明，此处定义前述轴向方向为沿着图式的上下方向，以及两个彼此平行配置的盘式外转子14，每一个盘式外转子14分别包括一个基体141及偶数个永久磁铁143，在本例中是以6个永久磁铁143为例。且本例中的基体141都是圆形盘状，分别以其对称中心垂直固设于上述枢轴12。

前述永久磁铁143在本例中均为略成长扁弯弧形平坦嵌设于上述基体141中，并且每个永久磁铁143的两磁极N、S，不仅都设置于上述基体141处，并且相邻的两个永久磁铁143，都是以N极两两相接近或S极两两相接近的方式设置。如熟悉此技术领域人士所能轻易理解，即使此处的永久磁铁改采其他如马蹄形或长方形，只要依前述方式设置于基体141，仍无碍于本发明的实施。且由于本例中的永久磁铁143本身为弯弧状，磁铁的弯弧形状恰使得各磁铁和磁极都共同位于一个以上述枢轴12为圆心的圆121上均匀排列，此外，前述两个盘式外转子14的相对设置方式，是以永久磁铁143的相同磁极彼此相对的方式设置。

上述外盘式发电机1还包含一组栏杆式定子16，该组栏杆式定子16在本例中包括9根牛角式铁芯161，为便于说明起见，此处将牛角式铁芯161进一步区分为与上述枢轴12走向大致呈平行配置的本体166、以及延伸自该本体166且大致与该本体呈正交的至少两个分枝部165。在本例中的分枝部165仅由本体166的同一侧面延伸，使得本例中的牛角式铁芯161由侧视观察，形状类似转向后的希腊字母的”π”，而本例的每一本体166的长度均为3.5厘米，本例中的铁芯161例释为以复数硅钢片构成，藉此降低涡电流作用，并共同受一个非导磁定子基座164的固持。当然，本发明技术领域具有通常知识者也可以任意选择例如铁粉压铸而成或其他惯用磁导体作为铁芯，均无碍于本发明实施。

每一前述铁芯161的本体166分别沿平行上述轴向彼此平行排列，且均匀分布于一个以上述枢轴12为圆心的圆管123处，由于各铁芯161间均匀配置，因此在本例中，每一本体166和枢轴12连线，和相邻本体166与枢轴12连线间的夹角分别为30度，且每一铁芯161的本体166的两极分别接近对应前述两个盘式外转子14的上述永久磁铁143，由于本例中的铁芯161数目为永久磁铁143的1.5倍，所以无论盘式外转子转动至任何位置，都有部分永久磁铁143恰好对应两根相邻的铁芯161的本体166，且两根相邻的本体166分别接近其N极和S极，使得上下方的盘式外转子14的两根永久磁铁143，分别可以藉由其中一根铁芯161的上下两个分枝部165，再导接通过相邻的本体166，返回该永久磁铁143的另一极而构成上下两个完整磁回路。

尤其如本例中的发电机整体厚度不大于6厘米，实际上厚度仅约5厘米左右，盘式外转子14的厚度则约0.5厘米，使得铁芯161的本体166相对于永久磁铁143间的间隙相当窄小，比盘式外转子14的厚度更窄，使得磁回路中行经空气的部分甚短；此外，每一铁芯161的本体166和相邻铁芯161的分枝部165间的狭缝168同样窄小，使得永久磁铁143的磁力线将密集通过铁芯161，磁阻因而大幅降低。当然，熟悉本领域人士可以理解，要构成上述对应的磁回路，本发明前述铁芯的数目必须为相对于上述枢轴呈现放射状对称分布的正整数，且数目大于上述永久磁铁数目的一倍并低于二倍。

当上述外盘式发电机1位于上述轴向上方的盘式外转子14的永久磁铁143的磁极自左至右以S-N、N-S、S-N、…的方式对接串联排列于基体141，则相对地位于上述轴向下方的盘式外转子14的永久磁铁143的磁极自左至右相对设置而以S-N、N-S、S-N、…的方式对接串联排列于基体141。如图7所示，在上方盘式外转子14的一个永久磁铁143的磁极刚要接近经过本体166的对应端部时，相邻的两个永久磁铁143磁极恰好可以藉由该本体166以及侧向延伸的分枝部165，将磁力线经相邻的本体166导磁返回相邻的异性磁极。由于转子和其中的永久磁铁143会相对于定子旋转，磁力线会相对于发电线圈绕组167产生相对运动，磁力线因此被发电线圈绕组167切割，达成磁力变化而产生感应电流。

相对地，下方盘式外转子14中的对应永久磁铁所发磁力线，则直接经由下方的分枝部165及相邻本体166，重新回到永久磁铁143的另一磁极而构成另一完整磁回路。同样也会因为转子相对于定子的持续旋转，造成磁动生电的感应效果。

在本例中，栏杆式定子16更包括一个非导磁定子基座164，藉以固持住每一铁芯161，而非导磁定子基座164更在图式上下两端分别设置有一组滚珠轴承(图未示)，藉此让上述枢轴12在非导磁定子基座164中顺利枢转。并且让盘式外转子14和栏杆式定子16可相对枢转地组合。因此，如图8所示的手动发电机7，藉由整流回路20的作用，使得设置于栏杆式定子16每一铁芯161的两个分枝部165处的发电线圈绕组168，在相对运动过程中分别切割磁力线，可以把来自各发电线圈绕组167所产生的诸多相位彼此相异的电流，进行整流及汇集，使得发电机所发电能可被直接运用或储存。

本例中前述铁芯161数目与永久磁铁143数目比值为3：2，亦即每三个前述铁芯161分别对应二个永久磁铁143，环绕基体141一周共形成有3组此种对应组合，且上述铁芯161与接近对应的上述永久磁铁143的最短距离小于上述基体141厚度；而相邻的铁芯161的分枝部165也彼此相近，相邻牛角式铁芯161的狭缝同样狭小，使对应的上述铁芯161与上述永久磁铁143形成良好的磁通回路。藉由永久磁铁143的磁力线行经铁芯161，使得磁滞损耗(Hysteresis losses)降低，进而减少磁导体发热，也使得电能的消耗降低，发电机整体转换效率因而上升。

在本实施例中，为更进一步减少空气隙的距离，并且让永久磁铁143的磁力线集中，因此在每两个极性相对的彼此接近永久磁铁143的磁极面向栏杆式定子16的位置，分别安装有一个聚磁磁铁145，在本例中为一扁圆柱型永久磁铁，每一个聚磁磁铁145都是和对应永久磁铁143的磁极相吸，并且承担作为磁力线的通道，进一步缩窄由永久磁铁145至铁芯161间的空气隙，降低磁阻而提升转换效率。当然如熟悉本技术领域人士所能轻易理解，此聚磁磁铁并非必须设置。

为简化结构降低制造成本，也可以如图11本发明第二较佳实施例所示，将永久磁铁143’和相邻永久磁铁143’间的间隙缩窄，且同时减少永久磁铁143’和沿着虚拟的圆管123’布设的铁芯本体166’间的距离，使得转子和栏杆式定子16’间磁阻降低。在每两个极性相对的彼此接近永久磁铁143’的磁极面向栏杆式定子16’的位置，分别安装有一个聚磁磁铁145’。此外，上述永久磁铁143’仅需为成对均匀设置，并未局限于6个，而栏杆式定子16’中的铁芯数，仅需符合数目介于上述永久磁铁143’数目的一倍至两倍间的整数即可，关键在于上述时脉式驱动讯号，彼此间的相位差总和为360度的整数倍，且每二相邻线圈间的相位差都是彼此相同，且随转速变更。

尤其，为使栏杆式定子16’的各牛角式铁芯161’更左右均衡，本例中的牛角式铁芯161’是从本体166’朝向左右两侧各延伸出两根分枝部165’，使得相邻的铁芯161’，是以相互对应的分枝部165’相接近，而本例中在每一分枝部165’上，都设置有一个发电线圈绕组167’，当单纯由两片盘式外转子14’和一组栏杆式定子16’所构成的发电机出力不足时，本实施例更在如图9下方的盘式外转子14’下，更沿着枢轴的同轴方向，增加一组辅助栏杆式定子和辅助盘式外转子，就此增加整体的扭力输出。

由于上述铁芯-线圈的数目配置以及分枝部的结构设计，可以提供永久磁铁完整的磁力线通路，让磁阻大幅降低，且永久磁铁的旋转移动可以周期性地减弱铁芯受交流电讯号励磁过程中的磁滞现象，让磁滞现象所带来的发热及能量耗损降低，藉此使得本发明所揭露的发电机在运转过程中发热量低，能量转换效率高，达成超越现有技术的上述发明目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种具有牛角式铁芯的外转子发电机，其特征在于，包括：

至少一根沿一轴向延伸的枢轴；

至少二个彼此平行配置的盘式外转子，每一前述盘式外转子分别包括一个基体及偶数个永久磁铁，且前述基体分别以其对称中心垂直固设于上述枢轴，前述永久磁铁分别以两磁极设置于上述基体的方式设置于上述基体，且每一前述永久磁铁与上述枢轴最短距离点共同位于一个以上述枢轴为圆心的圆上，每两个相邻的前述永久磁铁以相同极性相对接的方式串联并相对上述枢轴均匀排列，以及前述至少二个接近的盘式外转子的前述永久磁铁的相同磁极彼此相对设置；

至少一组栏杆式定子，包括复数个牛角式铁芯，每一前述铁芯分别包括一根沿着平行上述轴向彼此平行排列的本体，以及至少两个大致正交于前述本体的分枝部；

其中，前述所有本体均匀分布于一个以上述枢轴为圆心的圆管处，每一前述铁芯的前述分枝部均隔一狭缝对应邻接前述铁芯中相邻于该铁芯者；前述该组栏杆式定子的每一前述本体，分别以各自的两极分别接近对应前述两个盘式外转子的上述永久磁铁，以及前述铁芯数目大于上述永久磁铁数目的一倍且低于二倍，每一前述铁芯的前述分枝部中的至少一者分别缠绕有一发电线圈绕组；及

一组电能回收回路，供接收上述发电线圈绕组所发电能。

2.如权利要求1所述的具有牛角式铁芯的外转子发电机，其特征在于，其中每一上述铁芯为复数硅钢片。

3.如权利要求1所述的具有牛角式铁芯的外转子发电机，其特征在于，其中上述栏杆式定子更包括一个固持上述各铁芯的非导磁定子基座。

4.如权利要求1所述的具有牛角式铁芯的外转子发电机，其特征在于，其中上述本体的长度不大于3.5厘米，且整体厚度不大于6厘米。

5.如权利要求1所述的具有牛角式铁芯的外转子发电机，其特征在于，更包括：

一个平行上述盘式外转子且与前述盘式外转子结构相同并且呈共枢轴配置的辅助盘式外转子，前述辅助盘式外转子设置于上述二个盘式外转子的外侧；

一组设置于前述二个盘式外转子之一和上述辅助盘式外转子间的辅助栏杆式定子，该辅助栏杆式定子和上述栏杆式定子结构相同且呈共枢轴配置，该辅助栏杆式定子并受上述致能控制器致能磁化。

6.如权利要求1所述的具有牛角式铁芯的外转子发电机，其特征在于，其中上述本体与接近对应的上述永久磁铁的最短距离小于上述基体厚度。

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