TWI441425B - 具有磁性流體軸承的發電機及使用該發電機的集風裝置 - Google Patents

Description

具有磁性流體軸承的發電機及使用該發電機的集風裝置

本發明大體上係關於發電機，且更明確而言，係關於包括磁性流體軸承以准許平滑旋轉之發電機。

發電機為經由磁電效應將機械能轉換為電能之沿用已久的器件。當磁通量改變時(通常藉由使導體移動穿過磁場)，電流流過導體。通常使用用於所需運動之各種機械能源，諸如，蒸汽(通常由化石燃料或核燃料產生)、水、壓縮空氣及風。典型的發電機具有被稱為轉子之旋轉部分及被稱為定子之靜止部分。導體呈導體線圈/繞組之形式，且可定位於轉子或定子上。類似地，提供磁場之磁體(永久磁體或電磁體)可定位於轉子或定子上。

因為轉子相對於定子旋轉，所以發電機(如同具有旋轉部分之許多機器)在相對旋轉的部分之間使用軸承。然而，習知滾珠軸承具有在低旋轉速度下之高旋轉扭矩及在高旋轉速度下之較低旋轉扭矩。產生摩擦熱，其可使與滾珠軸承一起使用之潤滑劑降級，以及使軸承自身降級。此外，在高旋轉速度下，滾珠軸承可振動，其在小設計容差下會造成問題。

因此，此項技術中存在對具有改良之軸承以確保在長操作壽命中之平滑操作的改良之發電機之需求。

本發明使用呈各種組態之磁性流體軸承以確保在一或多個定子與一或多個轉子之間的平滑相對旋轉。本發明亦使用磁性流體軸承以使轉子居中以便維持轉子與定子之間的適當對準。

在一實施例中，發電機包括第一及第二定子，每一定子包括由可磁化材料之一軛分開之複數個磁體。該等磁體經組態以使得磁化方向在鄰近磁體之間交替，藉此將磁通量集中於該等可磁化材料中。在一實施例中，該磁通量被實質上垂直於該定子之平面而定向。一經組態以在一水平平面中旋轉之轉子被定位於該等定子之間。該轉子包括複數個線圈，在旋轉期間由於穿過由該等定子產生之磁場而在該等線圈中誘發電流。

一第一組磁性流體軸承經定位於該第一定子與該轉子之間，及一第二組經定位於該轉子與該第二定子之間。一第三組磁性流體軸承被鄰近該轉子之周邊而定位，且經組態以使該轉子居中。該轉子周邊可為內周邊或外周邊。

或者，該等磁體可定位於該轉子上且該等線圈可定位於該定子上。

在一實施例中，本發明之發電機與用以提供發電所需之機械能的集風裝置一起使用。

轉至詳細的圖式，圖1描繪根據本發明之一實施例的發電機100。發電機100包括定子10及轉子20。每一定子10包括與充當磁體之軛之可磁化材料14(最佳地見於圖2中)交替的磁體12。磁體經排列，使得交替磁體的磁化方向在相反的方向上。以此方式，磁通量由可磁化材料14定向及集中在垂直於轉子之旋轉方向的方向上。

轉子20包括複數個線圈22，在旋轉期間由於穿過由該等定子產生之磁場而在該等線圈中誘發電流。線圈經嵌入於聚合材料24中，且視情況，不具有用以阻止渦電流之形成的核心。在各種圖中，轉子具有一垂直軸線，且水平平面中旋轉。

為了允許實現轉子與定子之間的相對運動且使轉子居中，將各種磁性流體軸承定位於發電機100中。磁性流體軸承係基於磁性流體材料。磁性流體為諸如氧化鐵微粒之磁性或可磁化微粒(具有在30埃與150埃之間的典型粒度)之膠態懸浮液。界面活性劑(諸如，油酸、四甲基銨氫氧化物、檸檬酸及大豆卵磷脂)在一端處吸附至微粒，且在另一端處吸附至載體流體(通常係諸如合成烴或合成酯之潤滑劑)。此甚至在存在強磁場之情況下也可確保微粒之分離。在存在磁場之情況下，磁性流體移動至最高磁通量之區域，且甚至在高負載之情況下也被圍阻(contain)在彼區域中，因此可由磁性流體製造軸承，而無需特殊圍阻密封件。

諸如黏度及飽和磁化強度之磁性流體性質由微粒組成、粒度、微粒濃度及載體流體及界面活性劑之選擇判定。對於在軸承應用中使用而言，飽和磁化強度愈高，則磁性流體軸承可支撐之負載愈大。對於本發明之實施例，通常選擇大致50 mT至60 mT之飽和磁化強度。為了使滑動摩擦最小化，選擇低黏度載體流體。對於本發明之實施例，典型的黏度值小於40厘泊。與機械軸承不同，由於潤滑劑載體液體之流體動力效應，磁性流體軸承硬度與旋轉速度成比例增減。

磁性流體材料可購自Ferrotec Corporation(Nashua,NH,USA)。

由於磁性流體移動至最高磁通量之區域(如圖3A及圖3B中所見)，因此磁性流體軸承30及磁性流體軸承40被吸引至可磁化軛材料14，對於發電機100而言在該可磁化軛材料處通量最密集地集中。磁性流體軸承30定位於底部定子與轉子之間，而磁性流體軸承40定位於轉子與頂部定子之間。第三組磁性流體軸承50鄰近轉子之周邊而定位(為了清晰起見，圖3B中未說明轉子)以使轉子居中，此對於轉子不具有中心軸之實施例特別有用。

視不同組軸承30、40及50之負載支承要求而定，基於磁體12大小及強度、可磁化材料14大小及磁性流體之成分之選擇(如上所論述)來定製磁性流體軸承。圖4A描繪此等因素之各種組合以產生具有截然不同性質的磁性流體軸承組。在圖4B之實例中，磁性流體軸承30必須支撐轉子20之重量，且因此比磁性流體軸承40大。在任一組磁性流體軸承30、40或50內，個別軸承可具有不同性質。舉例而言，在軸承組40中，歸因於可磁化軛材料14之選定大小、磁體12之選定大小及磁性流體材料之選定體積，個別軸承42與44具有不同大小及形狀。

視使用的磁性流體之體積而定，磁性流體軸承呈現不同組態。舉例而言，如圖10A至圖10B中所見，磁性流體軸承30、40及50在軛材料之邊緣處鄰近磁體形成複數個圓形軸承。當使用較大量磁性流體時，沿著軛材料之長度形成連續軸承，如在圖11A及圖11B中所見。

如在圖7中所見，為了獲得改良之軸承硬度，鄰近磁性流體軸承的轉子20之表面之長度應比軸承(30、40)之長度長。類似地，對於側軸承，轉子之厚度應比軸承50之長度大。

雖然圖1及圖2之實施例使用定位於定子上之磁體及定位於轉子上之線圈，但磁體可替代性地定位於轉子上，而線圈定位於定子上。此實施例描繪於圖5中，其中發電機200包括在定子210上之線圈及在轉子220上之磁體222及可磁化材料224。

輕型介電外殼90固持發電機100且亦容納側磁性流體軸承50之磁體52(最佳地見於圖2中)。如圖9A中所見，只要選定組態在磁性流體將要位於之區域中導致高磁通量密度，用於側磁性流體軸承50的磁體之磁化方向就不受限制。因此，如所示，圖9A中的磁體52之極性可在各種方向上。另外，對於側軸承50，可使用許多組態以使用定位於轉子20之外周邊(9A及9B)、轉子20之內周邊(9C)或外周邊與內周邊之組合(9D)上之軸承來使轉子居中。

在本發明之一實施例中，發電機100具有由風力賦予其之機械能。為了使轉子旋轉且產生電，風驅動扇葉60(圖1及圖2)。在圖1及圖2之實施例中，發電機經組態以使得風被從發電機之底部導向發電機之頂部。在此實施例中，軸承組40抵制由向上力造成的上推。經由嵌入或附接至扇葉60之電線收集來自線圈22之電。

如圖8中看出，設有電連接器70以將來自所有線圈的電轉移至中心收集電纜80。當定子元件為磁體且轉子包括線圈時，連接器70包括一或多個導線72、74，其自扇葉中心62延伸至包括圓形軌道78、保持液體金屬79(例如，鎵、鎵合金)之容器76。在旋轉期間，導線72、74在軌道內旋轉，且將產生之電轉移至液體金屬79。收集電纜80亦電連接至液體金屬；因此所產生之電沿著收集電纜傳向將用電之目的地點。或者，當定子元件包括線圈且轉子元件包括磁體時，線圈中產生之電流經由定子中之電線或其他電連接器而被導引至收集電纜80。

在一實施例中，本發明之發電機容納於集風裝置中。集風裝置為全向集風器，其集中且加速來自入口之風，且將風向上發送經過扇葉60以引起轉子之旋轉。集風裝置之進一步的細節揭示於美國專利公開第US20120086212號，且該申請案之揭示內容被以引用的方式併入本文中。然而，應理解，本發明之發電機可使用其他形式之機械能來驅動轉子，諸如，蒸汽動力及水力。

雖然已關於各種實施例描述了前述發明，但此等實施例不具有限制性。眾多變化及修改將由一般熟習此項技術者 理解。認為此等變化及修改包括於以下申請專利範圍之範疇內。

10．．．定子

12．．．磁體

14．．．可磁化材料

20．．．轉子

22．．．線圈

24．．．聚合材料

30．．．磁性流體軸承

40．．．磁性流體軸承

42．．．個別軸承

44．．．個別軸承

50．．．磁性流體軸承

52．．．磁體

60．．．扇葉

62．．．扇葉中心

70．．．電連接器

72．．．導線

74．．．導線

76．．．容器

78．．．圓形軌道

79．．．液體金屬

80．．．收集電纜

90．．．輕型介電外殼

100．．．發電機

200．．．發電機

210．．．定子

220．．．轉子

222．．．磁體

224．．．可磁化材料

圖1為根據本發明之一實施例的發電機之部分橫截面之透視圖。

圖2為圖1之發電機之俯視圖。

圖3A描繪上部磁性流體軸承位置，而圖3B描繪下部磁性流體軸承及側磁性流體軸承。

圖4A至圖4C分別在側視圖、橫截面圖及俯視圖中描繪用以准許軸承強度之變化的磁性流體軸承之可撓性組態。

圖5A至圖5B分別在側視圖及橫截面圖中描繪磁體經定位於轉子上且線圈經定位於定子上之發電機。

圖6A至圖6B分別在側視圖及橫截面圖中描繪用以在相對於轉子旋轉方向之徑向方向上產生磁化之可撓性磁體組態。

圖7展示頂部及底部軸承及側軸承的關於軸承之長度及轉子之長度的磁性流體軸承之設計細節。

圖8描繪用於收集產生之電之電連接器。

圖9A至圖9D描繪關於沿著轉子外部周邊、內部周邊或外部與內部周邊之組合之置放的側磁性流體軸承之複數個組態。

圖10A至圖10B展示當使用少量磁性流體時磁性流體軸承之組態。

圖11A至圖11B展示當使用比圖10之量大的磁性流體量時磁性流體軸承之組態。

10．．．定子

12．．．磁體

14．．．可磁化材料

20．．．轉子

60．．．扇葉

90．．．輕型介電外殼

100．．．發電機

Claims (20)

1. 一種發電機，其包含：第一及第二定子，每一定子包括由複數個可磁化材料分開之複數個磁體，該等磁體經組態使得磁化方向在鄰近磁體之間交替，藉此磁通量被集中於該等可磁化材料中；一轉子，其定位於該第一定子與該第二定子之間，且經組態以在一水平平面中旋轉，該轉子具有複數個線圈，在旋轉期間由於穿過由該等定子產生之磁場而在該等線圈中誘發電流；一第一組磁性流體軸承，其定位於該第一定子與該轉子之間；一第二組磁性流體軸承，其定位於該轉子與該第二定子之間；及一第三組磁性流體軸承，其被鄰近該轉子之周邊而定位，且經組態以使該轉子居中；及一實質上定位於該轉子之該中心處之電連接器，該電連接器用於與一保持一液體金屬、鄰近該電連接器而定位之容器進行電接觸。
2. 如請求項1之發電機，其中該等磁體經組態使得該磁通量在一實質上垂直於該定子之平面的方向上集中於該等可磁化材料中。
3. 如請求項1之發電機，其進一步包含定位於該轉子之中心且經組態以由風旋轉的扇葉。
4. 如請求項1之發電機，其中該第一、該第二及該第三組磁性流體軸承中之每一者具有相互不同的性質。
5. 如請求項4之發電機，其中該等不同性質係選自下列中之一或多者：軸承硬度、磁性流體黏度、磁性流體飽和磁化強度、磁性流體粒度、磁性流體微粒組成、磁性流體載體流體組成、磁性流體體積、軸承大小、及軸承形狀。
6. 如請求項1之發電機，其中鄰近該第一或該第二或該第三組磁性流體軸承中之一個別磁性流體軸承的該轉子之一表面之長度比該個別軸承之長度長。
7. 如請求項3之發電機，其進一步包含嵌入於該等扇葉中之電線，該等電線用於將電自該等線圈輸送至該電連接器。
8. 如請求項1之發電機，其中鄰近該轉子之該周邊而定位且經組態以使該轉子居中的該第三組磁性流體軸承被鄰近該轉子之一外部周邊、該轉子之一內部周邊或該轉子之一外部周邊與該轉子之一內部周邊的一組合而定位。
9. 如請求項1之發電機，其中在該第一、該第二及該第三組磁性流體軸承中之任一者中的任一個別磁性流體軸承之該形狀由用以產生該個別磁性流體軸承的磁性流體材料之一選定體積控制。
10. 一種集風裝置，其包括如請求項1之發電機。
11. 一種發電機，其包含： 第一及第二定子，每一定子包括複數個線圈，在旋轉期間由於穿過磁場而在該等線圈中誘發電流；一轉子，其定位於該第一定子與該第二定子之間，且經組態以在一水平平面中旋轉，該轉子具有由複數個可磁化材料分開之複數個磁體，該等磁體經組態使得磁化方向在鄰近磁體之間交替，藉此磁通量被集中於該等可磁化材料中；一第一組磁性流體軸承，其定位於該第一定子與該轉子之間，且經組態以支撐該轉子之重量；一第二組磁性流體軸承，其定位於該轉子與該第二定子之間，且經組態以抵制在該轉子上的向上力造成的上推；及一第三組磁性流體軸承，其被鄰近該轉子之周邊而定位，且經組態以使該轉子居中。
12. 如請求項11之發電機，其中該等磁體經組態使得該磁通量在一實質上垂直於該轉子之平面的方向上集中於該等可磁化材料中。
13. 如請求項11之發電機，其進一步包含定位於該轉子之中心且經組態以由風旋轉的扇葉。
14. 如請求項11之發電機，其進一步包含一定位於該等定子處的用於電接觸之電連接器。
15. 如請求項11之發電機，其中該第一、該第二及該第三組磁性流體軸承中之每一者具有相互不同的性質。
16. 如請求項15之發電機，其中該等不同性質係選自下列中 之一或多者：軸承硬度、磁性流體黏度、磁性流體飽和磁化強度、磁性流體粒度、磁性流體微粒組成、磁性流體載體流體組成、磁性流體體積、軸承大小、或軸承形狀。
17. 如請求項11之發電機，其中鄰近該轉子之該周邊而定位且經組態以使該轉子居中的該第三組磁性流體軸承被鄰近該轉子之一外部周邊、該轉子之一內部周邊或該轉子之一外部周邊與該轉子之一內部周邊的一組合而定位。
18. 如請求項11之發電機，其中：該轉子鄰近該第一組磁性流體軸承中的一第一個別磁性流體軸承的一表面具有一長度，該長度較該第一個別磁性流體軸承的一長度為長，以增進該第一組磁性流體軸承的軸承硬度，藉此使該第一組磁性流體軸承能夠經組態以支撐該轉子之重量；該轉子鄰近該第二組磁性流體軸承中的一第二個別磁性流體軸承的一表面具有一長度，該長度較該第二個別磁性流體軸承的一長度為長，以增進該第二組磁性流體軸承的軸承硬度，藉此使該第二組磁性流體軸承能夠經組態以抵制上推力；該轉子具有大於該第三組磁性流體軸承的一第三個別磁性流體軸承之一長度的一厚度，以增進該第三組磁性流體軸承的軸承硬度，藉此使該第三組磁性流體軸承經組態以使該轉子居中。
19. 如請求項11之發電機，其中在該第一、該第二及該第三 組磁性流體軸承中之任一者中的任一個別磁性流體軸承之該形狀由用以產生該個別磁性流體軸承的磁性流體材料之一選定體積控制。
20. 一種集風裝置，其包括如請求項11之發電機。