TW471213B - Three-phase magneto generator - Google Patents

Description

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發明範圍 本發明關於-種三相磁發電機，其係以一内燃機驅動。 先前技藝 ， .一磁發電機具已屬習知技術，其中一轉子固定之、 鐵係經-内燃機旋轉’當旋轉磁場切割定子線圈以：：： 壓於定子線m兄中，永久磁鐵之磁極數配置於轉: 之旋轉方向（圓周方向）爲2n(n係—正整數），因爲相等數目 之N極與S極必須配置相等之區間於圓周方一 ^ 二相發 電機，定子鐵心齒極數P爲3m(m係一正整數）。 傳統上安排n = m，換言之，當轉子磁極數％安排爲2n， 定子鐵心之齒極數P係設定爲3m==3n。例如，當n = 6，磁 極數Μ設定爲12及齒極數卩爲18。當，那些數字定義 爲 M=16，及P = 24。 圖1 1顯示一傳統磁發電機結構之部份橫截面前視圖（A) 及其橫截面（B)，具有n = m = 6，或M=12及P = 18。在圖11 顯示一轉子10包含一軸套件12安裝於一引擎之曲軸（未顯 示出）’ 一概呈杯型之杯件14安裝於轴套件12之凸緣，及 一環狀永久磁鐵16安裝於杯件14内部圓周表面。永久磁鐵 1 6係經由匝線磁化成爲具有圓周方向相反極性之2 n極。此 傳統範例係安排η = 6，以及磁極數Μ爲2 η = 1 2。 定子20包括一定子鐵心，係以多層薄鋼片製成，具有齒 極（磁極）22且上面繞有線圈24。定子20齒極22之數目爲 18。在此情形，m = 6，因爲3xm=18。線圈24具有U-， V -，及W -三相。每相線圈係纏繞每連續的三齒極2 2。在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事Ϊ I - I I Θ寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 471213 A7 ------B7 Μ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（2 ) 此情形，每三齒槽上面繞有同極之線圈2 4，對立於磁鐵^ 6 t相同極性於相同之電機角度。爲了安排同極齒極對立於 磁鐵1 6相同之極性於相同之電機角度，如上所述，其必須 n = m或至少η係一m的整數乘積。 本發明所解決之問題 如上述傳統1發電機，因爲電力產生之情形係在於瓜（六） 齒極2 2纏繞在線圈2 4具有相同之位置係對立於m (六）永久 磁鐵於相同之相位，諧波感應於分別之m(六）齒極係重疊 在相同之相位，及輸出波型之失眞會增加。結果，轉子1〇 之驅動轉矩增加對於所產生某部份之輸出。 另方面，這些年來永久磁鐵之性能已經改進，以及钕-鐵 硼磁鐵具有一高極値磁能之產品已經問世。當使用一高性 能之磁鐵，轉子驅動轉矩之變化也會增加。當驅動轉矩增 加，其間轉子由一内燃機所驅動，引擎之負載變化也會增 加。這特別需要驅動功率或引擎輸出之增加。在此情形^ 電機係以引擎所驅動，這意謂著引擎尺寸的增加。再者， 因爲分別相位之線圈係_連連接於相同之電機角度，發電 電壓因此而增加，但輸出電壓波形不平滑及包括許多諧波 ’造成低發電效率。 其所造成之問題爲發電機之自熱發電時間較長，發電量 不能增加除非增加發電機的尺―寸。再者，分別相位‘二二 電壓波形將受到嚴重干擾及包含很多具有高峰値電壓之尖 銳突波狀之波形。這需要一電容器以平滑處理輸出電壓以 具有一高維持電壓，其依序造成大尺寸及高成本的電容。 (請先閱讀背面之注意事β 裝--- Ρ寫本頁) 1·訂·- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） 471213 五、 發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此類問題變得特別引人注目，當使用钕_鐵_硼磁鐵。 本發明已經觀察到上述之情況及其目的係提供_三相磁 發電機使其可能經由降低驅動轉矩以減少驅動引擎的尺寸 :經由平滑輸出波形以改進效率，或經由減少自發電量使 知線圈緊湊，以減少線圈的尺寸成擗 P間J八了及增加冋輸出，及經減少 峰値電壓以減少濾波電容之尺寸及成本。 本發明之結構 、如本發明所示，其目的係完成一以内燃機所驅動之三相 磁發電機，其特徵爲齒繞組發電線圈的數目設定爲 爲一1整數），及固定轉子於永久磁鐵之磁極數係設定爲 2n(n爲正整數），如此2n/m非一整數，及電壓感應於許 多之齒極其構成之同相電壓，具有.相同之極性及相位移。 當固足於轉子之永久磁鐵爲钕_鐵_硼磁鐵，本發明之效 果特別値得》王意。當齒極數爲3 m，同相線圈可能連續纏繞 於m齒極，連續位於面向定子圓周之方向以其繞組方向之 掉換，符合永久磁鐵極性之改變，如此感應於分別線圈之 電壓極性彼此相同。 在彼情況，|2尤/211_2尤/3111|\(111_1)不超過72：/211較爲 理想。在此，2 7Γ / 2 η爲接連永久磁鐵磁極中心之間之角度 ’大約在其中心（文後簡稱爲永久磁鐵角度或俯仰角度）沒！ 附近，及2 7Γ /3 m爲接連永久齒)亟中心之間之角度，大約在 其中心（如下文簡單稱作齒極間之角度或俯仰角度）Θ 2附近 。相位差於永久磁鐵及齒極之間，乘以連續之m齒極，係 爲I θ γ Θ 2丨X(m_l)= Θ。如此，當條件爲相差0在永夂 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項^?^寫本頁) 裝 訂 471213 A7 B7 五、發明說明（4 ) 磁鐵寬度以内，係假設相差Θ落入永久磁鐵角度（27Γ/2η) 一半以内，然後@ <尤/2η = Θ丨/2。 就齒極數爲單數而論，其必須讓m齒極繞有同相線圈連 績於圓周之方向。就齒極數爲偶數而論，齒極可以分成兩 邵份，每邵份包含m/2齒極於相同之相位。就同相位3 m齒 極數而論，係一 9之乘積（9 X s，此處s係一正整數），線圈 於同相可以繞在連續M/s之齒極上其位置之決定係以s等分 於圓周。 實施例 圖1表示發電機爲本發明一實施例，在安裝於一引擎之狀 態。圖2係一發電機部份之前視圖。附帶地在圖2，配件其 説明參考於圖11如具備相同數字符號，則其詳細説明將不 重覆。另外’圖2之橫截面也同樣地顯示於圖1〗（B)。 在圖1中，一曲軸3 0係以一左右滑動曲軸箱3 2所支撑。 一軸承34和另一軸承（圖中未示）共同支持曲軸3〇，曲軸3〇 係經連結一對右側及左側的曲柄3 6及3 8共同穿過一曲柄銷 4 0所構成。一連結柱4 4之大端係經曲柄銷4 〇上之一滾針軸 承42所支持，連結柱44之小端支持一活塞（未顯示出）用於 上下滑動於一汽缸4 6中。_ 部份之曲軸30從曲軸箱32投射出來，如此三相磁發電機 48係安裝在上面。發電機48£含一定子20固定於曲軸箱 32及一轉子1〇固定於曲軸30。定子20使用螺栓安裝於定 子支持器5 0上以固定於曲軸箱3 2。再者，四顆螺栓插入四 顆螺栓洞52(圖2)鑽孔安裝於定子鐵心，轉子1〇之軸套件 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事Ϊ 裝--- Θ寫本頁) τ訂·- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 471213 Α7 ___Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（5 ) 安裝於曲軸30之錐形表面及緊密地以一插銷固定，一風扇 54係固定於轉子1〇及蓋以一通風罩56。風扇“送冷風到 汽缸4 6四周以強風冷卻引擎。 在本實施例中，使用一钕_鐵·硼永久磁鐵16其具有 16( = 2n)極及 15(3m=15)齒極。如此，η = 8，及 m==5。在 此情形，角度於磁鐵16之間或俯仰角$ t係爲2冗/2n(弧度 ) = 22.5° 。齒間角度或俯仰角沒2係爲2冗/3m(弧度）=24。 。同相之線圈纏繞於連續之m (== 5 )齒極2 2上。在此，因接 連之齒極2 2係對立位於交替不同極性之磁鐵1 6，五線圈2 4 係交替纏繞於相反之方向，如此感應於分別線圈2 4之電壓 極性係彼此相同。 沿著五齒極22，齒極22係從磁鐵16位移一ΛΘ x(m-l) = △ /9 X 4=6°之相位角。爲了使角度6。保持在磁鐵16之範 圍，角位移係安排小於磁鐵1 6俯仰角θ 1的一半，△ θ X 4< Θ "2。最後，感應於線圈24之電壓能充份地增加。 其實施例 圖3係發電機另一實施例之前視圖。在圖3中，其與圖1 1 相同之配件具備相同之參考數字且其説明將不予以重覆。 此實施例使用一具有16( = 2n)極之钕-鐵·硼磁鐵16，及 18( = 3m)齒極22。如此，n = 8及m = 6。在此情形，磁鐵16 之間之角度或俯仰角㈧爲2ττ/2η(弧度）= 22.5° ，齒極之間 之角度或俯仰角θ2爲2ττ/3ηι(弧度）=2〇。。 因齒極22之數目係一二之乘積，同相位（U_相於圖3)之 線圈2 4係分配於兩部份。亦係，每部份組成三組（=：m / 2 )線 (請先閱 ------^ I 讀背面之注意事項?^寫太 寫本頁) ί Γ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 471213 A7 B7 五、發明說明（6 ) 圈24纏繞於連續三齒極22上及配置對稱於中心。在此，因 接連之齒極22面對不同極性之磁鐵16，線圈24交替纏繞於 相反之方向，如此感應於分別線圈24之電壓彼此不會有相 反之方向。在本實施例，三（ = m/2)齒極22之角位移有關於 二磁鐵16，或相位差Θ爲Λ/9 χ(γπ/2-1)=λθ·2。如此， 其係安排爲Θ = △ θ ·2< Θ " 2。 實驗範例 圖4表示輸出電壓波形之失眞，係由本發明實施例與一傳 統之配置相互比較而成。在此，本發明之實施例顯示於圖3 具有1 6極及1 8齒，及傳統之配置顯示於圖丨〗具有〗2極及 1 8齒。 圖4中，（A)表示相電壓V i及相間電壓V2之所得係根據本 發明，及（B)表示相電壓Vl及相間電壓、之所得係根據傳 統配置。圖4表示一線路圖及檢測相電壓v，及相間電壓V2 之位置。從圖4(B)看出，傳統配置之輸出電壓波形％及 V2不僅包含大量失眞也包含許多尖銳突波狀之波形及許多 諧波因子。在另一方面，如從圖4 (A)看出，本發明之輸出 電壓波形V!及V 2係平滑及包含少量失眞與諧波因子。 圖5及6表示相電壓波形係經由電腦模擬分析而成，圖$ 表示本發明實施例（具有1 6極及1 8齒）所得之結果，其相似 於圖4所示，圖6表示一傳統之釔置（具有丨2極及i 8齒）所得 之結果。從這些圖5及圖6，據了解本發明能經由減少基本（ 主）波、第三階諧波及第五諧諧波之幅度以降低合成波形之 失眞。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項 ---裝--- 寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 471213 A7 ______ B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（7 ) 圖7及8表示相間電壓波形係由電腦模擬分析而成，圖7 表示結果係從圖示5的相電壓所得到，圖8表示結果係從圖 示6之相電壓所得到。 .圖9表示本發明之實施例（具有丨6極及〗8齒，指示爲圖中 之新款式）及一傳統配置（具有i 2远及丨8齒，指示爲圖中之 傳統型式）之間，對於驅動功率、電力輸出及效率之比較。 從圖看出，驅動功率降低及效率增進大約整個轉速範圍之 10%。 圖1 0表示熱特性。在圖中，定子線圈及用於安裝定子之 定子支持器50(參閲圖之間乏溫度差AT^C)係與轉速 Opm)形成座標圖面。由圖看出，本發明所降低線圈之溫度 ’與傳統配置以一大區間作比較，大約可降4 〇 %涵蓋整個 轉速範圍。最後，室内空間之提供經由使得定子線圈更爲 緊凑’以減少定子及轉子之尺寸，或從發電機尺寸之觀點 ’對於相同尺寸之發電機能提供更多功率之可能。 其他實施例 上述實施例使用敍-鐵-棚磁鐵作爲永久磁鐵1 6，但本發 明也包含使用其其永久磁鐵之配置，如使用稀土及鐵氧體 。再者，上述，之實施例爲外轉子型，以轉子旋轉於定子外 側’但本發明也包括内轉子型，其中轉子幅射旋轉於環狀 定子内部。 _ - 本發明之效果 根據本發明申請專利範圍第1項，其設定2n/m非一整數 ，其間2 η假設爲永久磁極之數目及3 m假設爲定子齒極之數 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事 寫本頁) -丨裝 |訂： 471213 Λ7 ______Β7______ 五、發明說明（8 ) 目’及許多構成同相電壓之齒極之感應電壓，係相同之極 性及相位移。如此，轉子驅動轉矩能降低。此依序使其可 能減少驅動引擎所需之最小轉矩及減少引擎之尺寸。 ‘其也可能改進發電效率經平滑處理輸出波形之方式，以 重#許多齒極之感應電壓’其具有輕微之相位移從一電壓 到另一電壓，如此相互補償諧波損失（第三、第五、及第七 階諧波之損失）。發電效率之增加使其可能降低驅動功率， 或依次增加相同引擎所得之輸出功率。 因爲熱能產生及過剩功率產生將因爲發電效率之進步而 減少，其可能使用一較粗導線作成線圈以減少線圈之匝數 ’及減少銅損，其因此減少熱能產生。最後，其可能減少 發電機之尺寸或相同尺寸產生較大之功率。再者，因爲分 別之電壓輸出波形平滑似正弦波，波形之電壓峰値變得較 小’如此一較小維持電壓之濾波電容可茲使用，其使得其 可能使用一較小、較便宜之電容。 當使用钕-鐵-硼磁鐵時，本發明之效用變得特別地好， 因爲磁鐵具有較大極値之能量乘積（申請專利範圍第2項）。 同相線圈可連續纏繞於連續齒極，如此電壓極性感應 於分別之齒極，彼此相同（申請專利範圍第3項）。在彼情形 ，如其安排磁鐵俯仰角Θ 1=2 π/2n及齒極俯仰角沒2 = 2冗 /jm之間的差丨夕丨-沒：|之整奋値㊀二八沒不超 =磁鐵俯仰角心一半（1/2)，其可能增加分別相位之輸出 廷壓、’二、、隹持足夠大之電壓感應於分別齒極，及得到平滑 ，有效之輸出電壓（申請專利範圍第4項）。當齒極數3111爲

(請先閱讀背面之注意事S 裝—I Γ填寫本頁) 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 -11- 471213 Α7 Β7 五、發明說明（ 单數時則如此之安排係適當的（申請專利範圍第5項）。 當齒極數3m爲偶數，齒極上所纏繞之同相線圈可分成兩 部份，如此每部份组成3m/2齒極.當齒極數3m係一9(3χ 3Xs)之乘積，同相之齒極可分成s部份（申請專利範圍第6 及第8項）。另外在上述之情形，其較佳之安排爲相“於 一组齒極及磁鐵之間產生，換言之，磁鐵俯仰角Θ i及齒極 俯仰角<9 2之間之差値△ Θ之（m/2-l)乘積或（m/n)乘積 ，不超過7Γ /2η(申請專利範圍第7項）。 圖式簡單説明 圖1揭示本發明之—發電機於安裝一引擎之狀態下之實袍 例之橫截面圖。 圖2係一發電機之前視圖。 圖3係另一實施例之前視圖。 圖4揭示輸出波形之失眞。 圖5揭示相電壓波形。 圖6揭TF相電壓波形。 圖7揭示相間電壓波形。 圖8揭示相間電壓波形。 圖9揭示效率，.·等等。 圖1 0揭示熱特性。 圖1 1表示一傳統配置之前視圖及橫截面圖。 符號説明 10:轉子 16:永久磁鐵2〇:定子 22:齒極 24:線圈 30:曲軸 48:三相磁發電機 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事ΐ 裝·1 Γ 填寫本頁}

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Claims (1)

1. 471213 第891〇8929號專利申請案 中文申請專利範圍修年·^g A8 B8 申請專利範圍 年 1. 種三相磁發電機+，係以-内燃機驅動，其特徵為齒繞 組發電線圈之數目設定為3m(m為一正整數）及安裝於 轉子之永久磁鐵之磁極數目設定為2n(n為一正整數），' 如此2n/m#—整數，及電壓感應於許多構成相^相電 壓之齒具有相同之極性及相位移。 2. 如申請專利範圍第1項之三相磁發電機，其特徵為安裝 於轉子之永久磁鐵係一钕-鐵-爛磁鐵β 3. 如申請專㈣圍第！項之三相磁發電機’其特徵為同相 線圈纏繞在m齒極，連續配置向著定子圓周之方向，以 其繞组方向之㈣，而符合對立於分職極之永久磁鐵 之極性變化。 4·如中請專利範圍第】項之三相磁發電機，其特徵為磁極 數2η及齒極數3111之設定係使丨27Γ/2η_2π/3ιη (m-1)不超過 π /2η。 5.=申請專利範圍第i項之三相磁發電機，其特徵為齒極 數3 m係一單數。 6· ^請專利範圍第i項之三相磁發電機，其特徵為齒極 數係-偶數，而同相之線圈係連續纏繞於W的齒極上 ，其排列連續面向定子圓周方向及在m/2 上 配《稱以其繞組方向之掉換，以符合相對於分別齒極 疋水久磁鐵極性變化。 Ί ·如申請專利範圍第6項之二柏磁恭+ μ ^ ^ , 貝又—相磁發電機，其特徵為磁極 數^及齒極數^之設定係使丨χ (m-1)不超過疋/2η。 本紙張尺度it财g ϋ家標準(CNS) Α4規格g x 297公釐） 471213 農、 Β8 1 ^ ί mi 申請專利範圍 如申請專利範圍第.1項之三相磁發電機，其特徵為齒極 數係9，或3 X 3 X s之乘積，而其中同相之線圈係連續 纏繞於m / s齒極，即等分地除以S，連續向著定子圓周 之方向及配置對稱以其繞組方向之掉換，符合相對於分 別齒極之永久磁鐵極性之變化。 -2 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）