TWI530060B - A clutch type power plant applied to a wheel axle - Google Patents

Description

應用於車輪輪軸之離合式發電裝置

本發明係一種應用於車輪輪軸之離合式發電裝置，尤指在汽車之輪軸上設置一定子座、一轉子座及一離合機構，以利用汽車之輪軸轉動時所產生的離心力，帶動複數個轉子，進而產生感應電能的發電裝置。

按，自工業革命以來，各種現代化的交通工具逐漸融入了人們的生活中，讓人們的生活更加便利且迅速。其中，交通工具中又以汽車為大宗，且隨著科技的進步與蓬勃發展，目前汽車所具備的功能已不限於單純的運輸，甚至具有空調、音響、電視設備、衛星導航等輔助功能，也因此，汽車的動力除了用於驅動車輪外，尚必須轉換成電能，以供前述各類車內設施使用。

請參閱第1圖所示，係時下「四輪驅動」汽車的簡易結構示意圖，該汽車1內部設有一驅動模組11(如：馬達及引擎)、一電力模組12(如：發電機、蓄電池及其控制電路)及一傳動模組13(如：變速箱、傳動軸131、差速器132)，其中，該驅動模組11係分別與該電力模組12及該傳動模組13相連接，在該驅動模組11運轉的情況下，該驅動模組11將能產生動能，並透過該傳動模組13，轉動車輪14的輪軸15，使車輪14能帶動汽車1前進，此外，驅動模組11產生的動能尚能推動該電力模組12，以產生電能並加以儲存，該產生的電能將被用於發動汽車1、提供車內設備、車燈照明等。

前述電力模組12中用於儲存電能的設備即為「電瓶」，在使用者發動汽車時，電瓶必須瞬間提供一大電流至該驅動模組11中的啟動馬達，以發動引擎，在引擎順利啟動後，即可帶動該電力模組12中之發電機，供給汽車中其他車內設備所需的電量，且在發電機提供之電力高於車內設 備所需之電量時，多餘的電能將會儲存至電瓶。然而，隨著車內設備的功能越來越多樣化，其所需的電力也越來越高，在20年前，一般中型汽車的發電機功率約為500瓦，如今卻提昇至約為1000瓦，可見汽車的耗電量確實有遞增之趨勢。由於，耗電量的增加也代表汽車必須耗費更多的燃料(以帶動發電機)，並排放更多的溫室氣體，對於環境生態而言極為嚴重，故現今各大企業及各國政府皆投入大量心力，期能以替代性能源來作為汽車的動力來源。

雖然，目前已有業者設計出油電混合車及電動車，但因為生產成本及充電設備的配置問題，仍難以普及。考量到無論是傳統汽車、油電混合車及電動車，皆需要以「電能」來啟動汽車的各種設備，故發明人乃思及除了「替代性能源」一途外，是否能朝「主動產生電能」的方向研究，積極地利用汽車在運轉時的動能以產生電能，以在提昇汽車利用能源的效率之外，主動產生以因應汽車在行駛中一切消耗的能量，進而達成「發電」及「節能」兩大功效。因此，如何設計出一種能便利地安裝於現有的汽車架構上，並利用汽車運轉時的動能來產生電能的裝置，即成為本發明在此亟欲解決的重要問題。

有鑑於時下汽車因高耗電量，必須配置儲電量較大的電力模組，致使其生產、維修及保養成本過高的問題，發明人憑藉著多年的實務經驗，並經過多次的研究及測試後，終於設計出本發明之一種應用於車輪輪軸之離合式發電裝置，期能提供一種便於應用且能有助於改善汽車耗電而能持續增進運轉，將車輛於行駛間源源不斷的主動產生出電能，而發揮能源利用於極致的嶄新技術。

本發明之一目的，係提供一種應用於車輪輪軸之離合式發電裝置，該離合式發電裝置係應用於一汽車上，該汽車內至少設有一驅動模組及一電力模組，在該驅動模組啟動運轉的情況下，該驅動模組產生之動能將傳遞至該汽車上之複數個車輪及其輪軸(若汽車為「四輪驅動」，則該驅動模組能透過一傳動模組，直接帶動該輪軸；若汽車為「兩輪驅動」，則該驅動模組會帶動部份車輪的輪軸，其餘車輪則會隨著汽車前進而轉動)， 以帶動該等車輪及輪軸旋轉，該離合式發電裝置包括一殼體、一定子座、一轉子座及一離合機構；該殼體之外緣係固定至該汽車之一底盤或一懸吊裝置上，該殼體內設有一容置空間，該輪軸係沿貫穿該殼體，且能相對於該殼體旋轉；該定子座係設於該容置空間內，且固定至該殼體之內緣，該定子座包括複數個定子，該等定子係沿該輪軸之圓周向排列，且電氣連接至該電力模組；該轉子座係設於該容置空間內，且係透過培林，活動地套設至該輪軸之外緣，該轉子座包括複數個轉子，該等轉子亦係沿該輪軸之圓周向排列，分別對應於該等定子，且與該等定子保持一預定間隙；該離合機構係設於該容置空間內，包括一被動環、一轉動盤、複數支連桿、複數個驅動塊及複數個彈性元件；該被動環之一側係同軸心地固定至該轉子座之一側，以使該被動環及該轉子座能同時相對於該輪軸旋轉，該被動環之內緣沿圓周向環設有複數個第一嵌卡部；該轉動盤係固定地套設至該輪軸之外緣，能隨著該輪軸同步旋轉；各該連桿之一端係樞接至該轉動盤；各該驅動塊係樞接至對應之各該連桿之另一端，以能在該轉動盤之外緣至該被動環之內緣間移動，各該驅動塊上對應於該等第一嵌卡部之位置設有一第二嵌卡部；各該彈性元件之一端係連接至該轉動盤，其另一端則係連接至對應之各該驅動塊，以對各該驅動塊施加一彈力，該彈力會使各該驅動塊上背對於該第二嵌卡部之一側，朝該轉動盤之外緣抵靠，以使各該第一嵌卡部與各該第二嵌卡部間保持一預定距離。如此，在該輪軸帶動該轉動盤，使其旋轉速度產生的離心力足以讓該等驅動塊嵌卡至該被動盤之內緣的情況下，該被動環及該轉子座將能隨之轉動，以產生一時變磁場，進而在該等定子上產生一感應電能，除供汽車之內部附屬設備及運轉耗能使用之外，另將多餘電能儲存於電力模組內，以供下次起動及慢速運轉時所需。

為便 貴審查委員能對本發明之技術原理、結構特徵及其目的有更進一步的認識與理解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下：

〔習知〕

1‧‧‧汽車

11‧‧‧驅動模組

12‧‧‧電力模組

13‧‧‧傳動模組

131‧‧‧傳動桿

132‧‧‧差速器

14‧‧‧車輪

15‧‧‧輪軸

〔本發明〕

21‧‧‧輪軸

22‧‧‧車輪

23‧‧‧懸吊裝置

24‧‧‧培林

3‧‧‧離合式發電裝置

31‧‧‧殼體

32‧‧‧定子座

321‧‧‧定子

33‧‧‧轉子座

331‧‧‧轉子

4‧‧‧離合機構

41‧‧‧被動環

411‧‧‧第一嵌卡部

42‧‧‧轉動盤

421‧‧‧貫穿孔

422‧‧‧嵌卡槽

43‧‧‧連桿

44‧‧‧驅動塊

441‧‧‧第二嵌卡部

45‧‧‧彈性元件

第1圖係習知之汽車示意圖； 第2圖係本發明之離合式發電裝置之示意圖；第3圖係本發明之離合式發電裝置中定子、轉子之配置示意圖第4圖係本發明之離合式發電裝置中之離合機構示意圖；第5圖係本發明之離合式發電裝置之一作動示意圖；及第6圖係本發明之離合式發電裝置之另一作動示意圖。

本發明係一種應用於車輪輪軸之離合式發電裝置，請參閱第2及3圖所示，係本發明之第一較佳實施例，該離合式發電裝置3係裝設於一汽車上，該汽車內設有一驅動模組、一電力模組及一傳動模組(汽車架構如第1圖所示，但不限於「四輪驅動」之汽車，只要是輪軸間有相對運動的機構都能適用本發明)，該驅動模組係分別與該電力模組及該傳動模組相連接，且該傳動模組能透過複數支輪軸21，分別連接至該汽車的車輪22，在該驅動模組啟動運轉的情況下，該驅動模組產生的動能將透過該傳動模組，依序帶動該等輪軸21及車輪22旋轉。

該離合式發電裝置3包括一殼體31、一定子座32、一轉子座33及一離合機構4；該殼體31之外緣係鎖固於該汽車之一懸吊裝置23(亦可固定於汽車底座、或固定在「四輪驅動」汽車的半軸與底盤間)上，其內部設有一容置空間，且該容置空間之前後兩端分別開設有一穿孔(為便於說明，茲謹以第2圖之右方為「前端」、第2圖之左方為「後端」)，使該輪軸21能由該等穿孔貫穿該殼體31，並相對於該殼體31旋轉；該容置空間係供容置該定子座32、轉子座33及離合機構4，其中，該定子座32係固定至該殼體31之內緣，該定子座32包括複數個定子321(stator，如：線圈)，該等定子321係沿該輪軸21之圓周向排列，且電氣連接至汽車內之電力模組。

請參閱第2~3圖所示，該轉子座33係透過培林24，活動地套設至該輪軸21之外緣，以定位於該定子座32及輪軸21之間，該轉子座33包括複數個轉子331(rotor，如：場磁鐵field magnet)，該等轉子331亦係沿該輪軸21之圓周向排列，分別對應於該等定子321，且與該等定子321保持一預定間隙(如第3圖所示，係定子321、轉子331之排列示意圖， 為了凸顯結構重點，第3圖中僅繪製出殼體31、定子321及轉子331等元件)。

請參閱第2~5圖所示，該離合機構4係設於該殼體31中鄰近該車輪22之位置(在本實施例中，該離合機構4係嵌設於該殼體31一端的穿孔中)，包括一被動環41、一轉動盤42、複數支連桿43、複數個驅動塊44及複數個彈性元件45；其中，該被動環41之一側係同軸心地固定至該轉子座33之一側，使該被動環41及該轉子座33能皆以該輪軸21為軸心，並同時相對於該輪軸21旋轉，該被動環之內緣沿圓周向環設有複數個第一嵌卡部411。

請參閱第2及5圖所示，該轉動盤42係定位於該被動環41之一中空部位內，其中心開設有一貫穿孔421，且該貫穿孔421上設有一嵌卡槽422，使該輪軸21能穿過該貫穿孔421，並與該嵌卡槽422相嵌卡(如：該輪軸21上對應於該嵌卡槽422之位置設有一凸塊)，以帶動該轉動盤42同步旋轉；各該連桿43之一端係樞接至該轉動盤42；各該驅動塊44之中段部係樞接於對應之各該連桿43之另一端，以能在該轉動盤42之外緣及該被動環41之內緣間移動，且各該驅動塊44上對應於該等第一嵌卡部411之位置設有一第二嵌卡部441。

各該彈性元件45之一端係連接至該轉動盤42，其另一端則係連接至對應之各該驅動塊44，以對各該驅動塊44施加一彈力，該彈力會使各該驅動塊44上背對於該第二嵌卡部441之一側，朝該轉動盤42之外緣抵靠，以使各該第一嵌卡部411與各該第二嵌卡部441間保持一預定距離，即，該轉動盤42及該等驅動塊44與該被動環41間並未相互連接。

如此，在該轉動盤42被該輪軸21帶動而同步旋轉，但其旋轉速度(即，該輪軸21或輪胎之轉速)尚不足以對各該驅動塊44產生一足夠之離心力，以克服該彈力的情況下，由於各該第一嵌卡部411並不會與對應之各該第二嵌卡部441相嵌卡囓接，故該被動環41連同該轉子座33將無法隨該輪軸21旋轉(如第5圖所示之狀態)，意即，此時該汽車所產生的驅動動能並無需同時推動該轉子座33。

反之，請參閱第2、4及6圖所示，當該轉動盤42之旋轉速 度(即，該輪軸21或輪胎之轉速)足以對各該驅動塊44產生足夠之離心力，以克服該彈力時，各該驅動塊44之外緣將因該離心力而朝外抵靠至該被動環41之內緣，進而使各該第二嵌卡部441分別與對應之各該第一嵌卡部411相嵌卡囓接，使得該被動環41連同該轉子座33能隨該輪軸21旋轉(如第6圖所示之狀態)，此時，使該轉子座33上的各該轉子331將以該輪軸21為中心旋轉，且產生一時變磁場，進而在該等定子321上產生一感應電能，並使該感應電能被儲存至該電力模組中。

由於，該轉動盤42之旋轉速度必須大於一預定值，始能產生足夠大之離心力，使該等嵌卡部411、441相互嵌卡囓接，進而帶動該等轉子331，產生感應電能，故，在該汽車剛啟動且其車速未達一預定車速的情況下，該等驅動塊44將被該等彈性元件45之彈力限制在該轉動盤42之外緣，使該等驅動塊44上之該等第二嵌卡部441不會與對應之該等第一嵌卡部411相嵌卡囓接，以確保該汽車剛啟動時所產生的微弱動能不會被耗費在帶動該離合式發電裝置3上，從而避免發生負荷及能耗過重之問題。

承上，在該轉動盤42之旋轉速度大於該預定值時，由於此時該汽車已處於低速跨步進入中速前進的狀態，具有一定數值的慣性及動量，故，此時該輪軸21將能順勢地帶動該被動環41及轉子座33，據此，即能有效避免該汽車剛啟動時，需要過大的動能，來克服該離合機構4因靜摩擦力產生之扭力及扭矩的問題(在扭力、扭矩過大的情況下，該汽車的電力模組必須輸出更大的電流，始能發動該驅動模組中的引擎)。

在此要特別一提者，在前述實施例中，該離合式發電裝置3係裝設於「四輪驅動」的汽車上，意即，該輪軸21皆屬於汽車內的「主動輪軸」，能直接透過傳動模組，接收該驅動模組傳來之動能，惟，本發明亦可應用於其他類型的汽車上，例如：該離合式發電裝置3可安裝於「兩輪驅動」汽車的被動輪軸上，在汽車前進時，動能係由車輪傳遞至該輪軸，如此，仍能以相同原理進行發電，以提供車內設備所需之電力進而減少燃料的消耗。同理，本發明亦可使用在電動車、油電混合車等各種以替代能源驅動的汽車上，以提昇該等類型之車輛的能量運用效率，令業者能減少電池的配置數量及成本，來改進車輛的單次充電行駛里程數，大幅減少充 電頻率及增加電池使用壽命。

由於本發明之離合式發電裝置3係利用該輪軸21高速轉動時所產生的動能進行發電，故能輕易地被安裝至現有的各式汽車上，而無須大幅更動汽車的既有架構，此外，業者尚能在汽車之複數個輪軸21(無論主動輪軸或從動輪軸)上分別裝設該離合式發電裝置3，以透過複數個離合式發電裝置3進行發電，進而有效提升發電速度及能力。

另，復請參閱第2及3圖所示，在前述實施例中，該離合式發電裝置3係被封裝成單一組件，以能直接鎖固於該懸吊裝置23，並供該輪軸21穿過，故該定子座32、轉子座33等零件的構型為一中空的圓環狀體(如第3圖所示)。惟，為提昇該離合式發電裝置3的組裝便利性，業者亦能改變該殼體31、定子座32、轉子座33的構型，例如：業者可將該殼體31拆分成一上殼體及一下殼體，且將該定子座32設計成兩個半圓環狀的組件，並分別設於該上殼體及下殼體中，據此，即能以上下嵌卡、鎖固的方式，改以上下組裝的方式裝設在該輪軸21上。

又，請參閱第5圖所示，為使該等驅動塊44能穩定地被該轉動盤42帶動，該轉動盤42之構型能被設計成多邊形(在本實施例中為三角形)，且各該驅動塊44係分別抵靠在該轉動盤42的一邊緣，使該轉動盤42於轉動時，其外緣能確實地抵靠並推動該等驅動塊44，以提昇該離合式發電裝置3的運作穩定性。

以上所述，僅為本發明之若干較佳實施例，惟，本發明之技術特徵並不侷限於此，凡相關技術領域之人士，在參酌本發明之技術內容後，所能輕易思及之等效變化，均應不脫離本發明之保護範疇。

21‧‧‧輪軸

22‧‧‧車輪

23‧‧‧懸吊裝置

24‧‧‧培林

3‧‧‧離合式發電裝置

31‧‧‧殼體

32‧‧‧定子座

321‧‧‧定子

33‧‧‧轉子座

331‧‧‧轉子

4‧‧‧離合機構

Claims (4)

1. 一種應用於車輪輪軸之離合式發電裝置，係應用於一汽車上，該汽車內至少設有一驅動模組及一電力模組，在該驅動模組啟動運轉的情況下，該驅動模組產生之動能將傳遞至該汽車上之複數個車輪及輪軸，以帶動該等車輪及輪軸旋轉，該離合式發電裝置包括：一殼體，其外緣係固定至該汽車之一底盤或一懸吊裝置上，該殼體內設有一容置空間，該輪軸係貫穿該殼體，且能相對於該殼體旋轉；一定子座，係設於該容置空間內，且固定至該殼體之內緣，該定子座沿該輪軸之圓周向設有複數個定子，各該定子係電氣連接於該電力模組；一轉子座，係設於該容置空間內，且能透過培林活動地套設於該輪軸之外緣，該轉子座上沿該輪軸之圓周向設有複數個轉子，各該轉子係分別對應於各該定子，且與該等定子保持一預定間隙；及一離合機構，係設於該容置空間內，包括：一被動環，其一側係同軸心地固定於該轉子座之一側，使該被動環及該轉子座能同時相對於該輪軸旋轉，該被動環之內緣沿圓周向環設有複數個第一嵌卡部；一轉動盤，係固定地套設於該輪軸之外緣，以能隨著該輪軸同步旋轉；複數個連桿，各該連桿之一端係樞接至該轉動盤； 複數個驅動塊，係分別樞接至對應之各該連桿之另一端，以能在該轉動盤之外緣及該被動環之內緣間移動，各該驅動塊上對應於該等第一嵌卡部之位置設有一第二嵌卡部；複數個彈性元件，其一端係連接至該轉動盤，其另一端則分別連接至對應之各該驅動塊，以對各該驅動塊施加一彈力，該彈力會使各該驅動塊上背對於該第二嵌卡部之一側朝該轉動盤之外緣抵靠，以使各該第一嵌卡部與各該第二嵌卡部間保持一預定距離。
2. 如請求項1所述之離合式發電裝置，其中各該定子為一線圈，各該轉子則為一場磁鐵。
3. 如請求項2所述之離合式發電裝置，其中該轉動盤之構型為一多邊形，且各該驅動塊能分別抵靠到該轉動盤之一邊緣。
4. 如請求項1、2或3所述之離合式發電裝置，其中該轉動盤之中心開設有一貫穿孔，且該貫穿孔上設有一嵌卡槽，在該輪軸穿過該貫穿孔的情況下，該輪軸能與該嵌卡槽相嵌卡，使該轉動盤能被該輪軸帶動旋轉。