TWI513149B - 具磁性齒輪之永磁發電機 - Google Patents

Description

具磁性齒輪之永磁發電機

本發明是關於一種永磁發電機，特別是關於一種具磁性齒輪之永磁發電機。

請參查台灣發明專利申請第099110645號「風力發電之輸出功率調節電路」，其包含一風力發電單元、一輸出功率調節電路及一儲能單元，其中該風力發電單元包含一扇葉組、一機械變速箱及一發電機，該扇葉組在受風能引動時，可驅動該機械變速箱轉動，並帶動該發電機變速以較高轉速旋轉，使該發電機之一定子線圈感應一電流，該電流並自該定子線圈輸出，其中該扇葉組及該變速箱之間與該變速箱及該發電機之間分別設置有一傳動軸傳遞轉動動能，使得該扇葉組、該機械變速箱及該發電機之間的傳輸路徑較長而產生額外的機械能損耗，且該機械變速箱及該發電機為獨立設置而需較大的安裝空間。此外，一般大型風力發電機為了降低噪音，會盡量增加扇葉的長度並配合機械變速箱以降低轉速及噪音，惟小型風力發電機在安裝的空間上有所限制，因此扇葉的並無法如大型風力發電機般刻意加長，使得小型風力發電機扇葉轉速較快，而導致噪音過大。倘若小型風力發電機藉由機械變速箱進行減速，則容易因機械變速箱過大而增加安裝空間，且機械變速箱中的機械齒輪用以承載扇輪所輸出之轉矩，若機械齒輪的負載過大，則容易造成機械齒輪的崩齒，使得機械變速箱不易維護而增加整體的發電成本。

本發明藉由內轉子、導磁軛鐵環及外轉子構成磁性齒輪，由外部的能量輸入(風能、洋流能等等)帶動外轉子轉動，並經由導磁軛鐵環之磁場調節帶動內轉子轉動，並以內轉子之N極磁極組及S極磁極組的磁力切割定子之繞組，使定子之繞組產生感應電壓而發電。本發明直接將磁性齒輪整合於永磁發電機的結構中，可大幅減少所需的安裝空間，且由於本發明以磁性齒輪傳遞能量，不但易於保養且可靠度高，更能有效地降低噪音及振動，而使本發明之具磁性齒輪之永磁發電機可適用於都會區、住宅區等等較為擁擠的生活環境。

本發明之一種具磁性齒輪之永磁發電機包含一定子、一內轉子、一導磁軛鐵環及一外轉子，該定子具有一定子軛鐵及複數個繞組，該些繞組纏繞於該定子軛鐵，該內轉子可轉動的環繞該定子，該內轉子是由至少一N極磁極組及至少一S極磁極組並列組成，該N極磁極組是由複數個內N極磁極並列組成，該S極磁極組是由複數個內S極磁極並列組成，各該內N極磁極具有一第一對稱軸，且各該內N極磁極內部之磁力線平行該第一對稱軸，各該內S極磁極具有一第二對稱軸，且各該內S極磁極內部之磁力線平行該第二對稱軸，該導磁軛鐵環環繞該內轉子，該內轉子位於該定子及該導磁軛鐵環之間，該外轉子可轉動的環繞該導磁軛鐵環，該外轉子具有一外磁環及一背鐵，該外磁環結合於該背鐵，且該外磁環位於該背鐵及該導磁軛鐵環之間。

本發明藉由將該內轉子、該外轉子、及該導磁軛鐵環構成之磁性齒輪直接整合於永磁發電機中，並以內轉子所產生的磁場使該定子之該繞組發電，由於不需額外安裝變速箱即可達成該外轉子的轉速調配，可大幅減少所需的安裝空間。此外，由於該內轉子之磁極組是以分段式的平行充磁磁石構成，可降低該內轉子及該定子之間氣隙磁通的高次諧波，使得該些繞組產生的感應電壓易於控制，且平行充磁之磁石較為容易充磁，可減少製作磁石所需之成本。

請參閱第1、2及3圖，為本發明之第一實施例，一種具磁性齒輪之永磁發電機100包含一定子110、一內轉子120、一導磁軛鐵環130、一外轉子140及一固定軸150，該內轉子120可轉動的環繞該定子110，該導磁軛鐵環130環繞該內轉子120，該外轉子140可轉動的環繞該導磁軛鐵環130，其中該內轉子120位於該定子110及該導磁軛鐵環130之間，該導磁軛鐵環130位於該內轉子120及該外轉子140之間。

請參閱第2及3圖，該定子110具有一定子軛鐵111、複數個繞組112及一中心孔113，該固定軸150插設於該中心孔113中以固定該定子110，該定子軛鐵111具有複數個齒極部111a，且各該齒極部111a之間形成有複數個繞線空間111b，各該繞組112纏繞於該定子軛鐵111之各該齒極部111a上，且各該繞組112容置於各該繞線空間111b中，較佳的，各該繞組112具有複數個繞線112a，且各該繞線112a為並聯，藉此能以較細之導線進行繞線，由於較細之導線較易彎曲折繞，可有效地提高繞線因數，進而使該些繞組112的設計更具彈性。

請參閱第2、3及4圖，該內轉子120經由兩個軸承結合於該固定軸150上，且該內轉子120是由至少一N極磁極組121及至少一S極磁極組122並列組成，請參閱第4圖，在本實施例中，該內轉子120是由兩個N極磁極組121及兩個S極磁極組122間隔排列而成，請參閱第4圖，各該N極磁極組121是由複數個內N極磁極121a並列組成，各該S極磁極組122是由複數個內S極磁極122a並列組成，各該內N極磁極121a具有一第一對稱軸P1，各該內S極磁極122a具有一第二對稱軸P2。其中各該內N極磁極121a是以平行該第一對稱軸P1之磁場方向充磁而成，各該內S極磁極122a是以平行該第二對稱軸P2之磁場方向充磁而成，因此，各該內N極磁極121a內部之磁力線平行該第一對稱軸P1，各該內S極磁極122a內部之磁力線平行該第二對稱軸P2，藉由分段式且磁力線方向相異的各該內N極磁極121a及各該內S極磁極122a分別組成該N極磁極組121及該S極磁極組122，以取代傳統一體成型之徑向充磁之磁環，可在不影響該內轉子120及該定子110之間氣隙磁通的強度下，減少氣隙磁通的高次諧波，使得該些繞組112可產生弦波之感應電壓而易於控制及整流。此外，由於平行充磁可使用既有之充磁線圈及夾具進行充磁，而不需額外訂製符合磁石形狀之徑向充磁線圈及夾具，可大幅減低該內轉子120的製作成本。

請參閱第2、3及5圖，該導磁軛鐵環130具有一第一固定盤131、一第二固定盤132及複數個導磁條133，在本實施例中，共有19個該導磁條133，該第一固定盤131及該第二固定盤132設置於該固定軸150，各該導磁條133具有一第一端133a及一第二端133b，各該導磁條133之該第一端133a結合於該第一固定盤131，各該導磁條133之該第二端133b結合於該第二固定盤132，且各該導磁條133位於該第一固定盤131及該第二固定盤132之間，各該導磁條133並位於該內轉子120及該外轉子140之間，以調節該內轉子120及該外轉子140所產生的磁場而達到磁性齒輪之功效，較佳的，請參閱第6圖，各該導磁條133具有複數個徑向堆疊之導磁片133c，以減少磁場通過各該導磁條133所造成的鐵損，並增加各該導磁條133的機械強度。

請參閱第2及7圖，該外轉子140經由兩個軸承結合於該固定軸150上，該外轉子140具有一外磁環141及一背鐵142，該外磁環141結合於該背鐵142，且該外磁環141位於該背鐵142及該導磁軛鐵環130之間，該背鐵142提供該外磁環141一導磁路徑以導引該外磁環141產生的磁場，請參閱第7圖，該外磁環141具有複數個外N極磁極141a及複數個外S極磁極141b，該些外N極磁極141a及該些外S極磁極141b為間隔排列，在本實施例中，該外磁環141是由17個外N極磁極141a及17個外S極磁極141b組成，各該外N極磁極141a具有一第三對稱軸P3，各該外S極磁極141b具有一第四對稱軸P4，相同地，各該外N極磁極141a是以平行該第三對稱軸P3之磁場方向充磁而成，各該外S極磁極141b是以平行該第四對稱軸P4之磁場方向充磁而成，因此，各該外N極磁極141a內部之磁力線平行該第三對稱軸P3，且各該外S極磁極141b內部之磁力線平行該第四對稱軸P4，亦可有效減少該外磁環141的製作成本。

請參閱第2及3圖，當該外轉子140轉動時，該外轉子140之該些外N極磁極141a及該些外S極磁極141b所產生的磁場經由該導磁軛鐵環130調節後導引至該內轉子120，使該內轉子120轉動，而該內轉子120之該N極磁極組121及該S極磁極組122產生的磁場則切割該些繞組112，進使該些繞組112產生感應電壓。請參閱第3圖，該固定軸150具有一環牆151及一容置腔152，該環牆151環繞該容置腔152，各該繞組112經由該固定軸150之該容置腔152顯露於外部空間S，使得由該些繞組112產生之感應電壓可引至外部空間S使用。

請參閱第8及9圖，為本發明之第二實施例，其與第一實施例的差異在於該內轉子120具有一間隔環123，各該內N極磁極121a具有一第一N極磁鐵121b及一第二N極磁鐵121c，各該內S極磁極122a具有一第一S極磁鐵122b及一第二S極磁鐵122c，請參閱第8及10圖，該間隔環123以一中心軸C為中心沿順時針方向定義有複數個弧形區域A，各該弧形區域A具有一內表面A1及一外表面A2，各該內表面A1朝向該定子110，各該外表面A2朝向該導磁軛鐵環130，該第一N極磁鐵121b結合於各該弧形區域A之該外表面A2，該第二N極磁鐵121c結合於各該弧形區域A之該內表面A1，該第一S極磁鐵122b結合於各該弧形區域A之該外表面A2，該第二S極磁鐵122c結合於各該弧形區域A之該內表面A1，其中該第一N極磁鐵121b的數量與該第二N極磁鐵121c的數量相同，該第一S極磁鐵122b的數量與該第二S極磁鐵122c的數量相同，本實施例藉由設置於相同之該弧形區域A的該第一N極磁鐵121b及該第二N極磁鐵121c之間的磁性吸附力使得該第一N極磁鐵121b及該第二N極磁鐵121c穩固的結合於該間隔環123上，而設置於相同之該弧形區域A的該第一S極磁鐵122b及該第二S極磁鐵122c亦藉由互相的磁性吸附力而穩固的結合於該間隔環123上，可用以抵抗該內轉子120在高速旋轉下產生的離心力，較佳的，該間隔環123是以導磁性材料製成，如矽鋼片、鐵片、鐵鎳合金或鐵鈷合金等等…，以傳遞分別設置於該內表面A1及該外表面A2的該第一N極磁鐵121b及該第二N極磁鐵121c、該第一S極磁鐵122b及該第二S極磁鐵122c之間的磁力，使其能確實的安裝於該間隔環123上。

請再參閱第8及9圖，在本實施例中，該間隔環123之各該弧形區域A之該外表面A2凹設有複數個第一凹槽A3，各該弧形區域A之該內表面A1凹設有複數個第二凹槽A4，各該第一N極磁鐵121b及各該第一S極磁鐵122b分別容置於各該第一凹槽A3中，各該第二N極磁鐵121c及各該第二S極磁鐵122c分別容置於各該第二凹槽A4中，以定位及固定各該第一N極磁鐵121b、各該第二N極磁鐵121c、各該第一S極磁鐵122b及各該第二S極磁鐵122c，且該外轉子140之該背鐵142具有複數個容置槽142a，各該外N極磁極141a及各該外S極磁極141b分別容置於各該容置槽142a中，以定位及固定各該外N極磁極141a及各該外S極磁極141b。

本發明藉由將該內轉子120、該外轉子140、及該導磁軛鐵環130構成之磁性齒輪直接整合於永磁發電機中，並以該內轉子120所產生的磁場使該定子110之該繞組112發電，可不需額外安裝變速箱即可達成該外轉子140的轉速調配，可大幅減少所需的安裝空間。此外，由於該內轉子120之磁極組是以分段式的平行充磁磁石構成，可降低該內轉子120及該定子110之間氣隙磁通的高次諧波，使得該些繞組112產生的感應電壓易於控制，且平行充磁之磁石較為容易充磁，可減少製作磁石所需之成本。

本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

100  具磁性齒輪之永磁發電機            110  定子 111  定子軛鐵                                      111a  齒極部 111b  繞線空間                                    112  繞組 112a  繞線                                            113  中心孔 120  內轉子                                          121  N極磁極組 121a  內N極磁極                                  121b  第一N極磁鐵 121c  第二N極磁鐵                              122  S極磁極組 122a  內S極磁極                                  122b  第一S極磁鐵 122c  第二S極磁鐵                               123  間隔環 130  導磁軛鐵環                                   131  第一固定盤 132  第二固定盤                                   133  導磁條 133a  第一端                                        133b  第二端 133c  導磁片                                         140  外轉子 141  外磁環                                          141a  外N極磁極 141b  外S極磁極                                  142  背鐵 142a  容置槽                                        150  固定軸 151  環牆                                              152  容置腔 P1  第一對稱軸                                    P2  第二對稱軸 P3  第三對稱軸                                    P4  第四對稱軸 C  中心軸                                              A  弧形區域 A1  內表面                                           A2  外表面 A3  第一凹槽                                        A4  第二凹槽 S  外部空間

第1圖：依據本發明之第一實施例，一種具磁性齒輪之永磁發電機的立體剖視圖。 第2圖：依據本發明之第一實施例，該具磁性齒輪之永磁發電機的剖視圖。 第3圖：依據本發明之第一實施例，該具磁性齒輪之永磁發電機的剖視圖。 第4圖：依據本發明之第一實施例，一內轉子的剖視圖。 第5圖：依據本發明之第一實施例，一導磁軛鐵環的立體圖。 第6圖：依據本發明之第一實施例，一導磁條的立體堆疊示意圖。 第7圖：依據本發明之第一實施例，一外轉子的剖視圖。 第8圖：依據本發明之第二實施例，一種具磁性齒輪之永磁發電機的剖視圖。 第9圖：依據本發明之第二實施例，一內轉子的剖視圖。

100  具磁性齒輪之永磁發電機             110  定子 120  內轉子                                           121  N極磁極組 121a  內N極磁極                                   122  S極磁極組 122a  內S極磁極                                   130  導磁軛鐵環 140  外轉子                                           141  外磁環 142  背鐵

Claims (12)

1. 一種具磁性齒輪之永磁發電機，其包含： 一定子，具有一定子軛鐵及複數個繞組，該些繞組纏繞於該定子軛鐵； 一內轉子，可轉動的環繞該定子，該內轉子是由至少一N極磁極組及至少一S極磁極組並列組成，該N極磁極組是由複數個內N極磁極並列組成，該S極磁極組是由複數個內S極磁極並列組成，各該內N極磁極具有一第一對稱軸，且各該內N極磁極內部之磁力線平行該第一對稱軸，各該內S極磁極具有一第二對稱軸，且各該內S極磁極內部之磁力線平行該第二對稱軸； 一導磁軛鐵環，環繞該內轉子，該內轉子位於該定子及該導磁軛鐵環之間；以及 一外轉子，可轉動的環繞該導磁軛鐵環，該外轉子具有一外磁環及一背鐵，該外磁環結合於該背鐵，且該外磁環位於該背鐵及該導磁軛鐵環之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具磁性齒輪之永磁發電機，其另包含有一中心軸，該內轉子具有一間隔環，該間隔環以該中心軸為中心沿順時針方向定義有複數個弧形區域，各該弧形區域具有一內表面及一外表面，各該內表面朝向該定子，各該外表面朝向該導磁軛鐵環，各該內N極磁極具有一第一N極磁鐵及一第二N極磁鐵，該第一N極磁鐵結合於各該弧形區域之該外表面，該第二N極磁鐵結合於各該弧形區域之該內表面，各該內S極磁極具有一第一S極磁鐵及一第二S極磁鐵，該第一S極磁鐵結合於各該弧形區域之該外表面，該第二S極磁鐵結合於各該弧形區域之該內表面，其中該第一N極磁鐵的數量與該第二N極磁鐵的數量相同，該第一S極磁鐵的數量與該第二S極磁鐵的數量相同。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具磁性齒輪之永磁發電機，其中各該弧形區域之該外表面凹設有複數個第一凹槽，各該弧形區域之該內表面凹設有複數個第二凹槽，各該第一N極磁鐵及各該第一S極磁鐵分別容置於各該第一凹槽中，各該第二N極磁鐵及各該第二S極磁鐵分別容置於各該第二凹槽中。
4. 如申請專利範圍第2項所述之具磁性齒輪之永磁發電機，其中該間隔環是以導磁性材料製成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具磁性齒輪之永磁發電機，其中該外磁環具有複數個外N極磁極及複數個外S極磁極，該些外N極磁極及該些外S極磁極為間隔排列。
6. 如申請專利範圍第5項所述之具磁性齒輪之永磁發電機，其中各該外N極磁極具有一第三對稱軸，且各該外N極磁極內部之磁力線平行該第三對稱軸，各該外S極磁極具有一第四對稱軸，且各該外S極磁極內部之磁力線平行該第四對稱軸。
7. 如申請專利範圍第5項所述之具磁性齒輪之永磁發電機，其中該背鐵具有複數個容置槽，各該外N極磁極及各該外S極磁極分別容置於各該容置槽中。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具磁性齒輪之永磁發電機，其包含有一固定軸，該定子具有一中心孔，該固定軸插設於該中心孔。
9. 如申請專利範圍第8項所述之具磁性齒輪之永磁發電機，其中該導磁軛鐵環具有一第一固定盤、一第二固定盤及複數個導磁條，該第一固定盤及該第二固定盤設置於該固定軸，各該導磁條具有一第一端及一第二端，各該導磁條之該第一端結合於該第一固定盤，各該導磁條之該第二端結合於該第二固定盤，且各該導磁條位於該第一固定盤及該第二固定盤之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之具磁性齒輪之永磁發電機，其中各該導磁條具有複數個徑向堆疊之導磁片。
11. 如申請專利範圍第8項所述之具磁性齒輪之永磁發電機，其中該固定軸具有一環牆及一容置腔，該環牆環繞該容置腔，各該繞組經由該容置腔顯露於外部空間。
12. 如申請專利範圍第11項所述之具磁性齒輪之永磁發電機，其中各該繞組具有複數個繞線，且各該繞線為並聯。