TW201513533A - 大輸出高效率單相多極發電機 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種以簡易的構造即可謀求大輸出化及省材料化之大輸出高效率單相多極發電機。發電機10係具有：轉子12，具有在圓周方向以極性交互不同的形態排列的m個或2‧m個(m為2以上的偶數)磁極部18；以及定子14，具有向著轉子12的方向突出，且在圓周方向等間隔地形成的m‧n個(n為3或4)齒22。定子14係具有在圓周方向等間隔地捲繞於齒22之m個定子線圈26。而且，各定子線圈26係分別捲繞n-1個相鄰的齒22。藉由如此簡易的構成，而可謀求發電機10的大輸出化及省材料化。

Description

大輸出高效率單相多極發電機

本發明係關於具有包含磁極的轉子、及包含定子線圈的定子之大輸出高效率單相多極發電機，尤其關於發電機的構造之改良。

一直以來，廣為人知的發電機係具有固定於輸入軸的轉子、以及與該轉子隔著間隙而配置的定子。轉子係具有由在該轉子的圓周方向以極性交互不同的形態排列而配置的磁鐵所構成之磁極。另一方面，定子則是具有以向著轉子的磁鐵之形態突出而形成的齒、以及捲繞於該齒之定子線圈。如此構成的發電機係利用因轉子之旋轉而產生的旋轉磁場、以及與定子線圈之間動作的電磁感應作用，在定子線圈感應電壓使電流流動，而進行發電。

在發電機所發的電力為多相交流之情況，通常會將各相的定子線圈等間隔配置成在圓周方向依序排列。並且，由各定子線圈產生相同大小的電動勢，而得到各相的相位均等之多相交流電力。例如，在三相交流發電機之情況，係得到分別有120°的相位差之三相交流電力， 在五相交流發電機之情況，係得到分別有72°的相位差之五相交流電力。

在下述專利文獻1中記載一種旋轉電動機，其具有的轉子係在圓周方向等間隔形成複數個沿軸向延伸的孔，並分別在各個孔內配置磁鐵而構成。

另外，在下述專利文獻2中揭示一種三相交流發電機，具有：於內周配置有永久磁鐵之圓筒狀的轉子、以及與該轉子的內周隔有間隙而設置的定子。定子係具有設成向徑向外側突出之齒、以及捲繞於該齒之定子線圈。此發電機係利用因轉子之旋轉而產生之永久磁鐵與定子線圈之間的電磁感應作用而進行發電。

[先前技術文獻]

(專利文獻)

(專利文獻1)日本特開2000-228838號公報

(專利文獻2)日本特開2004-166381號公報

習知的三相交流發電機中，如上述，定子線圈係配置成讓各相所產生的電動勢的大小相同，而可得到分別有120°的相位差之三相交流電力。利用如此的構成，使轉子在1600、2000、3500或4000rpm等高速旋轉域旋轉，就可產生三相交流電力，滿足發電機的輸出規格特性。然而，使轉子在如上述的高速旋轉域旋轉，當然就會 使得發熱量大增，所以會有發電機損壞、或壽命變短之可能性。

對此，可考慮單純地增加定子線圈的數目，使轉子在1000rpm以下等之低速旋轉域旋轉，來抑制如上所述的發熱。但是，習知的三相交流發電機的構成中，因定子線圈的磁阻增加，使得轉子不會旋轉，或者轉子無法達到希望的旋轉數，結果會有無法得到希望的輸出之問題。

本發明之目的係在於提供一種以簡易的構造即可謀求大輸出化以及謀求使用於定子線圈之導線的省材料化之大輸出高效率單相多極發電機。

本發明之大輸出高效率單相多極發電機係具有：轉子，具有在圓周方向以極性交互不同的形態排列的m個或2‧m個(m為2以上的偶數)磁極部；以及定子，具有向著轉子的方向突出，且在圓周方向等間隔形成的m‧n個(n為3或4)齒，其中，定子係具有在圓周方向等間隔地捲繞於齒之m個定子線圈，且各定子線圈係分別捲繞n-1個相鄰的齒。

另外，各磁極部係分別由複數個相同極性的磁極所構成為較佳。

另外，從定子線圈將電力輸出的發電輸出電路係由串聯連接成將電壓予以相加的形態之電壓相加電路，或並聯連接成將電流予以相加的形態之電流相加電路 所構成為較佳。

另外，從定子線圈將電力輸出的發電輸出電路係由串聯連接成將電壓予以相加的形態之電壓相加電路與並聯連接成將電流予以相加的形態之電流相加電路的組合電路所構成為較佳。

另外，可將定子線圈所要捲繞之齒一體化而形成。

根據本發明之大輸出高效率單相多極發電機，以簡易的構造即可謀求大輸出化以及謀求使用於定子線圈之導線的省材料化。

10‧‧‧大輸出高效率單相多極發電機

12、32‧‧‧轉子

14、34‧‧‧定子

16‧‧‧輸入軸

18‧‧‧磁極部

19‧‧‧永久磁鐵

20‧‧‧磁軛

22‧‧‧齒

24‧‧‧溝槽

26‧‧‧定子線圈

28a‧‧‧電流相加電路

30a‧‧‧電壓相加電路

38‧‧‧磁極鐵芯

38a‧‧‧前端部

40‧‧‧線圈架

42‧‧‧轉子線圈

44‧‧‧集電環

46‧‧‧輔助突極

第1圖係顯示本實施形態之大輸出高效率單相多極發電機的構成之圖。

第2圖係顯示定子線圈的配置之圖。

第3圖係顯示發電輸出電路的一例之圖。

第4圖係顯示發電輸出電路的一例之圖。

第5圖係顯示另一實施形態之大輸出高效率單相多極發電機的構成之圖。

第6圖係顯示另一實施形態之大輸出高效率單相多極發電機的構成之圖。

第7圖係顯示另一實施形態之大輸出高效率單相多極發電機的構成之圖。

第8圖係顯示具有電磁鐵之轉子之分解立體圖。

第9圖係顯示具有電磁鐵之轉子之立體圖。

第10圖(a)及(b)係顯示磁極鐵芯(pole core)的前端部的形狀的一例之圖。

第11圖係顯示捲繞有定子線圈之定子的一態樣之圖。

以下，利用圖式來說明本發明之大輸出高效率單相多極發電機的實施形態。第1圖係顯示本實施形態之大輸出高效率單相多極發電機的構成之圖，第2圖係顯示定子線圈的配置之圖。

本實施形態之大輸出高效率單相多極發電機(以下，簡稱為「發電機」)10係從複數個定子線圈產生出單相交流電力之發電機。發電機10係具有轉子12及定子14。轉子12係與定子14的內周隔著間隙而配置成可旋轉。

轉子12係為與輸入軸16同心之圓筒狀的磁性體，例如將電磁鋼板在軸方向堆疊而構成。轉子12係固定至輸入軸16而可與輸入軸16一體旋轉。轉子12上在圓周方向配置有8個磁極部18。本實施形態之磁極部18係為永久磁鐵19，永久磁鐵19係以N極與S極交錯之形態，在轉子12的圓周方向等間隔地配置8個。磁極部18的數目僅為一例，磁極部18的數目可為m個(m為2以上之偶數)。

另外，在本實施形態中，作為磁極部18之 永久磁鐵19係在轉子12的外周面沿著軸方向而分別配置。但並不限於此構成，亦可將永久磁鐵19配置成分別埋入在軸方向延伸而形成於轉子12之孔內。另外，本實施形態雖針對轉子12為堆疊電磁鋼板而構成之情況進行說明，但並不限於此構成，只要轉子12是磁性體，則亦可為由鐵粉芯(dust core)所成形而成者。

定子14係與轉子12的周圍隔著些微的間隙而配置。定子14係形成為與輸入軸16同心的圓筒形狀之磁性體，例如將電磁鋼板在軸方向堆疊而形成。具體而言，定子14係利用衝床衝切薄板狀的電磁鋼板，然後將衝切出的電磁鋼板在軸方向堆疊預定片數，再對於堆疊起來的複數個電磁鋼板施以加壓鉚接等之處理，使各電磁鋼板結合成一體而形成。

另外，在本實施形態中，雖針對定子14為堆疊電磁鋼板而構成之情況進行說明，但並不限於此構成，只要定子14是磁性體，則亦可為由鐵粉芯所成形而成者。

定子14係具有：環狀的磁軛(yoke)20；以及從該磁軛20的內周向著徑向內側突出，且在圓周方向相隔預定的間隔而配置之齒22。本實施形態之齒22係如第1圖所示，在圓周方向等間隔配置24個。另外，齒22的數目僅為一例，齒22的數目可為3‧m個。

在相鄰的齒22之間，形成溝狀的空之溝槽24。藉由將導線穿過溝槽24而捲繞於齒22以形成定子線 圈26。

如此構成的發電機10係利用因轉子12之旋轉而產生的旋轉磁場、以及與定子線圈26之間動作的電磁感應作用，在定子線圈26感應電壓使電流流動，而進行發電。

本實施形態之發電機10的特徵係在於：定子14係具有與磁極部18相同數目之在圓周方向等間隔配置的定子線圈26，且各定子線圈26分別捲繞於兩個相鄰的齒22。

藉由如此地在圓周方向等間隔配置定子線圈26達磁極部18的數目，來產生單相交流電力。而且，藉由將各定子線圈26分別捲繞於兩個相鄰的齒22，相較於將定子線圈配置成可得到三相交流電力之形態者，可抑制對於旋轉的轉子12之反作用力，亦即相對於磁極部18之逆轉矩的增加，所以轉子12的旋轉數容易上升而可謀求大輸出化。

在習用的例如三相交流發電機中，各相的定子線圈係配置成相隔著兩相份的齒而捲繞於齒，以各相之間的相位差為120°之方式均等地配置。然而，在本發明之發電機10中，雖然採用可將定子線圈配置成可取出三相交流電力之定子14，但各定子線圈26卻是分別配置成相互之間沒有相位差、或使相位差為180°。藉由如此的構成，可實現定子線圈26之單相配置。而且，基於三相交流用的定子線圈配置，本實施形態中的定子線圈26的數目會變 少，所以可抑制對於旋轉的轉子12之反作用力，亦即相對於磁極部18之逆轉矩的增加，所以可使轉子12的旋轉數容易上升。

另外，如第1、2圖所示，相較於齒22的數目24個，捲繞於齒22之定子線圈26的數目為較少的8個。而且，該等定子線圈26係連續地捲繞配置於相鄰的齒22，且在相鄰的定子線圈26之間設置1個沒有捲繞線圈之閒置的齒22。藉由如此之構成，可進一步抑制相對於磁極部18之逆轉矩的增加，使轉子12的旋轉數增加。由此可知，相較於對全部的24個齒22皆配置三相交流用的定子線圈(分佈繞線或集中繞線)之三相交流發電機，本實施形態之發電機10可得到更大的輸出。另外，相較於僅配置8個齒以及將定子線圈均等配置於圓周方向之單相交流發電機，本實施形態之發電機10可得到較大輸出。

並且，從本實施形態中的定子線圈26將電力輸出的發電輸出電路，係串聯連接成將電壓予以相加的形態之電壓相加電路、或並聯連接成將電流予以相加的形態之電流相加電路。如此，使發電輸出電路為電壓相加電路或電流相加電路，而可得到希望的電壓及電流之輸出。此外，利用電壓相加電路與電流相加電路之組合來構成發電輸出電路，也可得到希望的電壓及電流之輸出。

利用第3、4圖來說明發電機10的發電輸出電路。首先，針對第3圖所示的發電輸出電路進行說明。發電輸出電路係構成為：將線圈C1、C2、C3、C4的各輸 出端子予以並聯連接，並將線圈C5、C6、C7、C8的各輸出端子予以並聯連接，然後將此兩個並聯連接的電路予以串聯連接。藉由將各線圈的輸出端子予以並聯連接，可將發電電力的電流予以相加。如此地並聯連接成的電路為電流相加電路28a。藉由將兩個電流相加電路28a予以串聯連接，可將發電電力的電壓予以相加。如此地串聯連接成的電路為電壓相加電路30a。藉由如此的發電輸出電路的構成，可使電流增加，同時使電壓較大幅地增加而輸出發電電力。

第4圖中的發電輸出電路也是電流相加電路28a與電壓相加電路30a的組合之一例。亦即，發電輸出電路係構成為：將線圈C1、C2、C3、C4的各輸出端子予以串聯連接，並將線圈C5、C6、C7、C8的各輸出端子予以串聯連接，然後將此兩個電壓相加電路30a予以並聯連接。藉由如此地構成發電輸出電路，可使電壓較大幅地增加，同時使電流增加而輸出發電電力。

另外，在定子線圈26對於所有的齒22都以相同的方向捲繞之情況，從線圈C1、C3、C5、C7輸出的電壓波形都相同，相對的，從線圈C2、C4、C6、C8輸出的電壓波形則是相較於上述線圈C1、C3、C5、C7的波形偏移180°。因此，在電流相加電路28a與電壓相加電路30a中，必須使線圈C2、C4、C6、C8的輸出端子反轉之後才連接，以使線圈C2、C4、C6、C8的電壓波形與線圈C1、C3、C5、C7的電壓波形相同。另一方面，在使線圈C2、 C4、C6、C8的繞線方向相反之情況，從線圈C1~C8輸出的電壓波形會都相同，所以在電流相加電路28a與電壓相加電路30a中，可將線圈C1~C8的輸出端子以相同的順序連接。

另外，在第3、4圖之發電輸出電路中，雖然例示將定子線圈26配置成按照線圈編號的順序之情況，但本發明並不限於此構成，並非一定要按線圈編號順序來進行定子線圈26的輸出端子的接線。

在第1圖所示的實施形態中，係針對一個磁極部18為一個永久磁鐵19，且永久磁鐵19係在圓周方向以N極與S極交錯排列之方式等間隔配置之情況進行說明，但本發明並不限於此構成。亦可使一個磁極部18由具有相同極性的一對磁鐵所構成，且使該等磁鐵在圓周方向相隔著間隔而排列。

第5圖係顯示另一實施形態之發電機10的構成之圖。在此態樣的轉子12中，與第1圖一樣地，磁極部18係以極性交互相異之方式，排列在圓周方向。但在此態樣中，磁極部18係由具有相同極性的一對永久磁鐵19所構成。因此，在轉子12中，永久磁鐵19係按N、N、S、S、N、N、S、S…之順序排列有16個。藉由如此的構成，會使橫切過定子線圈26之磁通的峰值附近的波形變平緩，且整體的寬度會變大，所以相較於使用第1圖中所示的轉子12之發電機，可減小對於旋轉的轉子12之反作用力，同時得到較大的輸出。另外，本實施形態雖針對磁極 部18係由具有相同極性的一對磁鐵所構成之情況進行說明，但並不限於此構成，磁極部18亦可由具有相同極性的三個以上的磁鐵所構成。

在上述的兩個實施形態中，雖針對發電機10係將轉子12配置在定子14的內側之內轉子式發電機之情況進行說明，但本發明並不限於此構成，亦可為如第6圖所示之將轉子配置在定子的外側之外轉子式發電機。

第6圖係顯示另一實施形態之發電機10的構成之圖。此發電機10係為將轉子32配置在定子34的外側之外轉子式發電機。

轉子32係在其內周側排列有8個磁極部18，各磁極部18係在圓周方向排列成極性交互相異之形態。而且，磁極部18係由具有相同極性的一對永久磁鐵19所構成。因此，在轉子32中，永久磁鐵19係按N、N、S、S、N、N、S、S…之順序排列有16個。

定子34係輸入軸16貫通之中空的圓筒形狀，與輸入軸16同心。定子34係具有：環狀的磁軛20；以及從該磁軛20的外周向著徑向外側突出，且在圓周方向相隔預定的間隔而配置之齒22。本實施形態之齒22係如第6圖所示，在圓周方向配置24個。另外，此處之齒22的數目僅為一例。在相鄰的齒22之間，形成有溝狀的空間之溝槽24。

定子線圈26係在圓周方向等間隔地配置8個。定子線圈26係連續地捲繞於相鄰的兩個齒22，且在 相鄰的定子線圈26之間存在有1個沒有捲繞定子線圈26之齒22。

如此構成的發電機10也與上述兩個實施形態一樣地，相較於習知的發電機，可得到大輸出。而且，如上述，藉由使閒置的齒22存在，換言之，使定子線圈26的數目比齒22的數目少，也使定子線圈26之安裝至齒22的作業變容易。

在至此為止的實施形態中，都是針對在圓周方向等間隔配置達磁極部18的數目的定子線圈26之情況，亦即定子線圈26的數目為m個時、磁極部18的數目為m個之情況進行說明，但本發明並不限於此構成。只要是可發出單相交流電力，定子線圈26的數目為m個時，磁極部18的數目可為2‧m個。關於此態樣，利用第7圖進行說明。

第7圖係與上述的實施形態一樣地，在圓周方向配置24個齒22，定子線圈26係分別連續地捲繞於相鄰的兩個齒22而等間隔地在圓周方向配置8個。並且，轉子12中，以極性交互相異之方式，在圓周方向排列16個作為磁極部18之永久磁鐵19成。藉由如此的構成，從各定子線圈26輸出的電壓波形會全部相同，而可容易地取得單向交流電力。並且，在本實施形態中，為了得到更大輸出，亦可利用具有相同極性的一對永久磁鐵19來構成磁極部18。

又，在至此為止的實施形態中，都是針對 將各定子線圈26分別捲繞於兩個相鄰的齒22之情況進行說明，但本發明並不限於此構成，亦可將各定子線圈26分別捲繞於三個相鄰的齒22。在此構成中，若定子線圈26的數目為m個，則齒22的數目為4‧m個。如此，就可使相鄰的定子線圈26之間有一個未捲繞定子線圈26之齒22。另外，為了發出單向交流電力，磁極部18係為m或2‧m個。

根據本發明人的實驗結果，上述之發電機10與習知的三相交流發電機相比較，都可使轉子12的旋轉數增大，而可得到大輸出。尤其在齒22的數目為48、36、72、96個之情況，可得到非常大的輸出。另一方面，在發電機10中，與過去的三相交流發電機相比較，大幅削減使用於定子線圈26之導線，所以可謀求省材料化。

在上述的各實施形態中，雖針對配置排列於轉子12之磁極部18為永久磁鐵19之情況進行說明，但本發明並不限於此構成，亦可使用電磁鐵來作為磁極部18。另外，可藉由捲繞轉子線圈來形成磁極部。

以下，利用第8、9圖來說明具有電磁鐵之轉子12的構成的一例。第8圖係顯示具有電磁鐵之轉子12之分解立體圖，第9圖係顯示具有電磁鐵之轉子12之立體圖。

本實施形態之轉子12係將兩個磁極鐵芯38於隔著線圈架40壓入而相嵌合之狀態下固定之爪極式(Lundell type)轉子。在軸方向之磁極鐵芯38的前端部38a 係形成為爪形，且此前端部38a的數目為極數。在本實施形態中，磁極鐵芯38各具有4個前端部38a，所以極數為8。前端部38a的數目亦即極數係可任意設定。

線圈架40上捲繞有轉子線圈42。轉子線圈42係與設於輸入軸16之集電環44電性連接。使電流流通至集電環44時，就可使兩個磁極鐵芯38磁極化。具體而言，如第8圖所示，在一方的磁極鐵芯38的前端部38a形成N極之磁極，在另一方的磁極鐵芯38的前端部38a形成S極之磁極，而在轉子12形成不同的極性交錯排列之電磁鐵。

依據如此的爪極式轉子，就可由電磁鐵來構成磁極部18。第9圖所示的實施形態中，雖針對一個磁極部18係具有一個極性之前端部38，且前端部38在圓周方向等間隔配置成N極與S極交錯排列之情況進行說明，但本發明並不限於此構成。一個磁極部18亦可為具有相同極性之一對前端部38a，且使此等前端部38a在圓周方向隔著間隔而排列。亦即，使電磁鐵按N、N、S、S、N、N、S、S…之順序排列。

第10圖中顯示磁極鐵芯38的前端部38a的形狀之一例。第10圖(a)所示的例子係將如第8、9圖所示的爪形的前端部38a形成為二分割之形態。藉由如此的構成，就可使具有相同極性之前端部38a在圓周方向隔著間隔而排列。第10圖(b)所示的例子係將前端部38a的形狀形成為矩形，且將之形成為二分割之形態。藉由如此的 構成，也可使具有相同極性之前端部38a在圓周方向隔著間隔而排列。

在至此為止的實施形態中，都是針對定子線圈26捲繞於相鄰的齒22之情況進行說明。此構成係將一個溝槽24置於其間，而定子線圈26係通過位於該溝槽24的兩側的溝槽24而形成者。在本發明中，亦可消除在定子線圈26內之閒置的溝槽24，以一體化之方式形成相鄰的齒22。又，如第11圖所示，可在位於該定子線圈26內之閒置的溝槽24設置具有磁性之輔助突極46。如此，可擴大繞著定子線圈26之磁路。輔助突極46可與齒22為相同的材質。依據如此之構成，相較於不具有輔助突極46之發電機10，雖然輸出特性會較差，但可得到比習知的發電機良好的輸出。

再者，在本發明中，也可在定子的設計時，預先除去位於捲繞定子線圈26之齒22之間的閒置的齒。

10‧‧‧大輸出高效率單相多極發電機

12‧‧‧轉子

14‧‧‧定子

16‧‧‧輸入軸

18‧‧‧磁極部

20‧‧‧磁軛

22‧‧‧齒

24‧‧‧溝槽

26‧‧‧定子線圈

Claims (5)

1. 一種大輸出高效率單相多極發電機，具有：轉子，具有在圓周方向以極性交互不同的形態排列的m個或2‧m個(m為2以上的偶數)磁極部；以及定子，具有向著該轉子的方向突出，且在圓周方向等間隔形成的m‧n個(n為3或4)齒，其中，該定子係具有在圓周方向等間隔地捲繞於該齒之m個定子線圈，且該些定子線圈係分別捲繞n-1個相鄰的齒。
2. 如申請專利範圍第1項所述之大輸出高效率單相多極發電機，其中，各磁極部係分別由複數個相同極性的磁極所構成。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之大輸出高效率單相多極發電機，其中，從定子線圈將電力輸出的發電輸出電路，係由串聯連接成將電壓予以相加的形態之電壓相加電路，或並聯連接成將電流予以相加的形態之電流相加電路所構成。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之大輸出高效率單相多極發電機，其中，從定子線圈將電力輸出的發電輸出電路，係由串聯連接成將電壓予以相加的形態之電壓相加電路與並聯連接成將電流予以相加的形態之電流相加電路的組 合電路所構成。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述之大輸出高效率單相多極發電機，其中，定子線圈捲繞之齒係一體化而形成。