TWI533565B - 發電機及具有該發電機的發電系統、配電網路、機動引擎及船舶 - Google Patents

發電機及具有該發電機的發電系統、配電網路、機動引擎及船舶 Download PDF

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Description

發電機及具有該發電機的發電系統、配電網路、機動引擎 及船舶
本發明係關於一種發電機及發電系統，特別關於一種發電機，其係具有含磁性特性之部件，以便有效增加所產生的電流量。
由於電場與磁場具有接近光速的速率，所以電磁能可視為一種電力傳輸的有效模式。電能通常在發電廠產生並且經由一或多個升壓變壓器、連接線(在發電廠間相互連接)、傳輸線、降壓變壓器、子傳輸線、高壓一次配電饋線及配電變壓器、以及低壓傳輸線的組合，然後傳送給消費者。
在發電廠或在傳輸進行時所產生多餘的能量通常不能有效儲存且因此以熱能形式損失。對發電系統而言，當在維持品質與可信度標準以及最小化所產生的多餘能量時，最好能夠針對多變的電能需求提供服務。
此外，大量的電力目前由燃燒石化燃料(包含天然氣、煤炭、原油)而得。然而，石化燃料的供給有限，並且燃燒時在大氣中釋放的二氧化碳已造成全球暖化效應。
因此，改善電力產生效率可減少對石化燃料的依賴。
再者，許多發電廠以連接線連接形成一輸電網。為了確保從某一地點來的附加要求不會使在其他地點的輸電網變得不穩定，電力穩定性在輸電網中是很重要的。因 此，儘管對電力的需求改變，仍能利用發電機來維持終端電壓及負載頻率。
一般而言，依據不同輸電網所採用的標準，可以決定選擇50Hz或60Hz的負載頻率。在50Hz系統中的發電機、馬達及變壓器的尺寸通常大於在60Hz系統中的發電機、馬達及變壓器的尺寸；反之，用於50Hz系統的傳輸線及變壓器的電阻等級通常低於60Hz系統的傳輸線及變壓器的電阻等級。
本發明主要在於克服或至少改善先前技術中的一或多個缺陷。
根據本發明之第一態樣，其中一發電機包含一定子與一轉子。定子係至少部分由一具有變磁特性之材料所構成，且具有與一外部電性負載相連接之數個線圈裝置。轉子包含一電磁鐵，用來在轉子中產生一磁場。轉子與磁場相對於定子的動作可在線圈裝置中產生感應電流，電磁鐵係用以產生具有足夠強度的一磁場，以便和與外部電性負載相關之一磁場相互作用，並且誘導定子之變磁材料產生變磁性，以增加線圈裝置內的電流。
變磁性是一種能夠在磁場的一狹窄範圍內具有超線性增加之磁化作用的物質狀態。本發明利用某些特定物質的變磁特性來增加發電效率，並藉此克服上述先前技術的一或多個缺陷。
此外，轉子上係設置有一電磁鐵，其係作為一磁化裝置，其磁通是可控制且可調整的，以便致能在轉子與定子間之變磁互動。在本發明中，轉子上並不使用永久磁鐵，其係由於永久磁鐵的磁通是固定的，而且還沒強到能夠誘導定子變磁材料產生變磁性。
較佳者，轉子係部分由具有非變磁特性的另一材料，其係用以隔離轉子之剩餘部分與產生於電磁鐵與定子間的變磁互動。一般而言，為了上述目的所採用的其他材料較變磁材料具有較高的磁穿透率。
相似地，無論定子的變磁材料是否被誘導產生變磁性，其他材料可具有完全飽和的磁通密度。此亦可用來在轉子及定子間提供附加磁性隔離。
適合用在此目的的材料包含高導磁合金(Permalloy)、矽鐵(Silicon Iron)、純鐵(Pure Iron)、傳遞鋼(relay steel)或是鐵的同等物(iron equivalent)。
最佳的是，當在定子變磁材料中誘導產生變磁性時，定子之變磁材料的磁通密度及磁場強度以超線性方式增加。
在較佳實施例中，變磁材料為一磁性材料，其係依據所施加之一磁場進入一變磁狀態。
用於此目的適合的材料可例如是亞力可V(Alnico V)、史特合金(Stelloy)或是史特合金的同等物(Stelloy equivalent)。
一般而言，其他材料及變磁材料分別包含：高導磁合 金與亞力可V、高導磁合金與史特合金、矽鐵與亞力可V、矽鐵與史特合金、純鐵與亞力可V、純鐵與史特合金、傳遞鋼與亞力可V、傳遞鋼與史特合金、或一鐵的同等物與一史特合金的同等物。
電磁鐵可包含第一對及第二對完全相反的磁極。在較佳實施例中，該等磁極具有一切面區域，當從平面檢視轉子時，切面區域係輸出來自各磁極的一均勻磁束，而當從立面檢視轉子時，切面區域係輸出一均勻平面磁束。
定子可以是一實質空心圓柱體的型態，且線圈裝置係設置在空心圓柱體之內壁上的選定位置。另外，線圈裝置亦可設置在空心圓柱體之內壁的縱向延長孔中。定子可圍住轉子設置，以將兩者間的漏磁通最小化。另外，亦可設置一外殼以圍住定子。
在本發明較佳實施例中，線圈裝置包含平行的、絕緣的、未扭曲的、薄的且具有圓形切面的複數股導線，各該等導線係分別隸屬於一均勻磁通、且分別位於縱向延長孔中。
一般而言，線圈裝置互相連接以產生具有一選定相位之交流電流，因此具有線圈裝置的部份提供一三相交流(AC)輸出。
在一較佳實施例中，儘管轉子與定子間具有變磁互動，轉子之角速度(angular velocity)以及所產生的電流頻率實質上保持固定。此等實施例特別適用於解決上述輸電網(transmission grid)中電力穩定性的問題。
依本發明第二態樣之一種發電系統，包含：依上述本發明第一態樣之一發電機；數個能量供應裝置，用以供應磁能至電磁鐵以及供應機械能至轉子，其中，磁能與機械能係分別供應至發電機，俾使發電機產生電流。
能量供應裝置可包含：一馬達；以及一傳動帶組件(belt assembly)，其係連接轉子與馬達，馬達的轉動動作係經由傳動帶組件傳送至轉子。
或者，能量供應裝置可包含：一馬達；以及一傳輸組件(transmission assembly)，其係連接轉子與馬達，馬達之轉動動作係經由傳輸組件傳送至轉子。
或者是，能量供應裝置可包含：一馬達；一齒輪傳動組件，其係連接轉子與馬達，馬達之轉動動作係經由齒輪傳動組件傳送至轉子；一直流電源，由齒輪傳動組件驅動；以及一繼電器開關(relay switch)或一開關設備(Switchgear)，其係連接電磁鐵與直流電源。
發電系統可更包含一調節器，用以連接馬達與傳動帶組件、齒輪傳動組件或傳輸組件，以便在系統啟動期間，克服可移動部份之慣性。
在較佳實施例中，調節器為一離合器(clutch)，其係 用以選擇性接合或分離馬達與傳動帶組件、齒輪傳動組件或傳輸組件。
發電系統可更包含一平衡器(counterweight)，其係設置在傳動帶組件、齒輪傳動組件或傳輸組件中，用來確定該等可移動部份為靜動平衡狀態並且消除在可移動部份移動時所發生的任何搖晃或鬆弛。
一般而言，馬達為一交流馬達而非一柴油引擎或類似物，因此可使得發電系統串聯。使用一傳動帶組件或傳輸組件可確定馬達不會直接連接發電機，而此一非直接的連接可使得馬達在與發電機耦合之前便得到所欲之轉動速度及電力。
也就是說，在系統啟動期間，發電機係機械且電性地與馬達隔絕。一旦發電機與馬達耦合後，傳動帶組件或傳輸組件中的齒數比可以使得馬達以高速轉動以及致能發電機以25Hz或30Hz的頻率轉動(使用一種四磁極轉子，其提供每轉數兩個電壓週期)。
傳動帶組件的平衡器與傳輸組件的齒輪傳動皆可在馬達及發電機之間提供動態平衡。在穩態時，角動量守恆可使得傳動帶組件的平衡器與傳輸組件的齒輪傳動緩和可移動部份所造成的搖晃或鬆弛。
另外，在發電系統包含一齒輪傳動組件的實施例中，該等齒輪通常緊密嚙合並由螺帽固定於馬達轉軸上。這些齒輪與其他齒輪依次嚙合，其他齒輪亦緊密嚙合並由螺帽固定於發電機的軸上。
馬達可以是經由齒輪傳動組件而與發電機直接機械性連接。
另外，亦可採用一單板離合器以連接馬達轉軸與個別齒輪，允許限制滑移形式的時間延誤，以及在系統啟動期間，使馬達加快速度。
當繼電器開關(或開關設備)未動作時，便沒有電力提供至發電機的電磁鐵，因此無法依據法拉第電磁感應定律產生動作。繼電器開關(或開關設備)的未動作狀態確保發電機在系統啟動期間被電性隔絕，因此馬達僅需要克服發電機中轉子的慣性。
當轉子達到所欲轉動速度時，藉由法拉第電磁感應定律啟動繼電器開關(或開關設備)，以產生三相交流電輸出。
齒輪傳動組件亦可在馬達及發電機之間提供動態平衡。於穩態中，角動量守恆可使齒輪傳動組件能夠緩和與多種移動部份相關的搖晃與鬆弛。
根據本發明之第三態樣提供一整合發電系統，其包含二或多個連接的根據本發明第二態樣之發電系統，以增加單一單元之電力輸出。
發電系統可以分別以串聯或並聯方式相互連接，或是同時以串聯與並聯的方式相互連接。
根據本發明之第四態樣提供一配電網路，其包含一或多個根據本發明第二態樣之發電系統，其係用針對配電網路之選定部份提供穩定電力。
根據本發明之第五態樣提供一機動引擎，其包含一或多個根據本發明之第一態樣的發電機。
根據本發明第六態樣提供一船舶，其包含本發明之第五態樣之機動引擎。
根據本發明第七態樣提供一發電系統，其包含二或多個連接的根據本發明第一態樣之發電機。
以下將參照相關圖式，說明依據本發明較佳實施例之一種發電機及發電系統，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
請參照以下圖式之所有圖式，特別是圖1中參考符號標示為相同或相對應的部份，其中根據本發明之發電系統10包含原動機(Prime Mover)20、輸送帶系統30、發電機40、激磁器(Exciter)50與平台60。
發電機40為一變磁效應發電機(metamagnetic effect dynamo)。
原動機20為一交流馬達，交流電流(AC)係由一外部電源所提供，外部電源是用來產生機械力矩，以在一導線線圈內轉動一磁鐵，或是在一強力磁鐵中轉動一導線線圈。不管是哪種情況，產生的機械力矩可使用來轉動原動機20之軸21。雖然在此只顯示一種原動機20，原動機20亦可為一單相交流馬達或是一直流(DC)馬達，其中直流馬達具有一直流-交流變壓器以便輸入電力。
原動機20若為一交流馬達，可使本發明的整個發電系統串聯。
原動機20之輸入電力線22、23、24可連接至外部發電機，例如為石化燃料蒸氣渦輪機(fossil fuel-fired steam turbine)、天然氣蒸氣渦輪機(natural gas-fired steam turbine)、水輪發電機(hydro-generator)、柴油引擎(diesel engine)、汽油動力機(petrol engine)、蒸氣引擎(steam engine)、燃料電池發電機(fuel-cell generator)、使用其他能源(例如太陽能、風力、水力電、波能或生質(biomass))之交流電或直流電發電機，以及任何可提供所需交流或直流電力之發電單元，以驅動本發明之原動機20。
輸送帶系統30使用輸送帶31以將轉動能量從原動機20傳送至變磁效應發電機40及激磁器50。輸送帶31連接原動機20之軸21與中間軸34。輸送帶32連接中間軸34與變磁效應發電機40之軸41。輸送帶33連接變磁效應發電機40之軸41與激磁器50之軸51。在被原動機20之軸21驅動時，中間軸34確保變磁效應發電機40之軸41以25Hz或30Hz的頻率轉動(根據所使用的一種四磁極轉子，其提供每轉數兩個電壓週期)。
平衡器35確保輸送帶系統30呈現靜動平衡狀態。調節器36用作為一離合器，其係鬆開以將原動機20與輸送帶系統30分離，以便在原動機20開始運作時，達到所需的閒置轉動速度。另外，當達到所需閒置轉動速度時，離合器可縮緊以接合原動機20與輸送帶系統30。
激磁器50為一交流發電機，其產生變磁效應發電機40所需的直流電力。激磁器50包含三個主要部件：轉子、定子與具有調整器之整流器電橋。在交流發電機中，交流電產生原理係依據磁力線(magnetic line of force)間之動作，並且利用導體將誘導產生感應電壓(交流電壓)。於交流發電機中，輸送帶33帶動轉子旋轉，俾使轉子供應磁力線。所產生的交流電力由具有調整器之整流器電橋轉換為直流電力。由激磁器50所產生的直流電力係經由輸出電力纜線53(正直流電壓)及輸出電力纜線52(接地)供應給變磁效應發電機40。
雖然在此只有顯示一種激磁器50，激磁器50可以是包括電池或燃料電池的任何直流電源。
變磁效應發電機40是由輸送帶32所同步驅動，其係利用變磁效應以便從定子42之磁性結構內產生電力。
圖2顯示變磁效應發電機40，其兩個主要部份為磁性結構。靜止部份實質上為一空心圓柱體(稱為定子42)，其具有縱向孔並於縱向孔中包含定子繞組的線圈，該等線圈帶有供應至一電性負載的電流。另一磁性結構為轉子43，其係固定在軸上並於空心定子42中轉動，轉子43之繞組可稱為磁場繞組，且激磁器50供應直流電流至磁場繞組。
如圖8所示，轉子43為具有均勻四磁極剖面區域之一單一縱向塊。
轉子43具有四磁極，且於各線圈在每一轉動中產生 兩個電壓週期。由於每一轉動之週期數與磁極對之數目相等，所產生的電壓頻率可由以下公式得出：f=(P/2) * (N/60)=(P/2) * fm[Hz]
其中，f=電性頻率[Hz]
P=磁極數
N=每分鐘轉子轉動的速度[rpm]
fm=N/60，於每秒轉動的機械頻率[rps]，其為由輸送帶32所驅動之軸41的頻率。
因此，當四磁極轉子43以25Hz的頻率運轉(其中P=4，N/60=25)時，電性頻率f為如下所示：f=4/2 * 25=2 * 25=50Hz
在頻率為30Hz時，電性頻率f為：f=4/2 * 30=2 * 30=60Hz
如圖2所示，定子42之線圈的相對兩側分別位於a及a’，以180度角分離。類似的線圈位於數個孔b及b’與c及c’中。在孔a、b、c之線圈側以60度角分離。各相位之兩個線圈可以串聯或並聯的方式連接。圖3顯示以Y型連接之定子42的繞組，其中各相位之兩個線圈係以串聯方式連接。以Y型連接之定子42的繞組使得產生的三相交流電力作為輸出。在孔中的導體表示只有單一匝數的線圈，不過這種線圈可如圖8所示般具有多個匝數。
每當一磁通(標記Φ)存在於一主體或一部件中，這都是因為一磁場強度(標記H)，磁場強度H為： H=U/l
其中，H=磁場強度[A/m]
U=在部件上作用的磁動力(標記mmf)[A]或[安培匝數]
l=部件的長度[m]
所產生的磁通密度(標記B)為如下所示：B=Φ/A
其中，B=磁通密度[T]
Φ=部件中的通量[Wb]
A=部件之剖面[m2]
任何材料的磁通密度(標記B)與磁場強度(標記H)間具有固定的關係。這種關係通常由如圖9所示之材料的B-H曲線所示。
如圖4所示，變磁效應發電機40在無負載的情況下運作，在定子42之繞組中產生的小量感應電流並不會明顯影響來自磁極的磁通Φ1。
在一或多個電性負載存在的情況下，定子42載有其正常電流，如此可產生強力的磁動力，若定子42獨自作用，則會產生如圖5所示之磁通Φ2。
藉由加成磁通Φ1及Φ2，可得到磁通Φ3，如圖6所示，磁通Φ3之磁通密度於區域A增加並於區域B減少。因此，在區域A中能夠產生強力的磁通(或是磁通密度B)。
在發電機40中與自發性磁場放射有關的共有五個階段。階段1為依據典型法拉第定律產生從轉子43至定子42之電磁感應，並且磁通係由轉子43指向定子42，如圖4所示。在階段2中，由定子42之線圈裝置的電流所產生的附加磁通係由定子42指向轉子43，如圖5所示。於階段3中，來自階段1之磁通與來自階段2之附加磁通互動，以形成一強力合成磁通(或是磁通密度B)，其係由轉子43指向定子42，如圖6所示。當強力合成磁通穿透定子42中的變磁材料時，磁通密度與磁場強度間的固定關係造成在定子42之變磁材料中呈現非常強的磁場強度(標記H)。於階段4中，如圖7所示，此入射磁場(標記H)導致在磁性原子中之兩個能階間的過渡現象，其中從E1過渡到E0並具有相同且連貫的磁場放射，以觸發其他磁性原子。在E1與E0間之分離能階(discrete energy level)代表著一個磁性原子僅能非連續地吸收或放射固定能量。如此解釋了為什麼外部應用磁場必須是一特定且狹小的範圍。於階段5中，此等在定子42內連貫的磁場立即轉變為定子42之線圈裝置中的強力電流。在定子42繞組之強力電流與此等連貫磁場間之關係可經由安培定律的應用來建立。安培定律說明在部件閉路旁之磁動力(標記U)係由以下線積分所得出：
其中， i=通過由閉路所圍成之區域的感應電流
H=磁場強度
H.dl=H的切線部件與沿著通路增加的距離dl之乘積
也就是說，藉由定子42之繞組來吸收且轉換與增強的磁場有關之磁性能量，在與供應至原動機20之輸入電力的比較下，可產生更多的電力(在有電性負載的情況下)。當刺激後的磁場互相連貫的同時，所產生「多餘的」交流輸出電力係互相在相位中且具有相同的頻率(50Hz或60Hz)，因此產生乾淨無雜訊的交流輸出電力。
此外，當從發電機40之剖面來看時，來自轉子43之各磁極的強力磁通(於階段3中產生)為一薄磁束；從發電機40之延長側來看時，此強力磁通為一均勻平面磁束。當定子42之線圈隸屬於一強力且均勻的磁通時，則使用數股小的、未扭曲且互相平行的銅導線，如圖8所示。另外，使用小且具有圓形剖面的導線在與單一圓形導線或單一扁平導線相較下是具有優勢的，因其包含更多用於交流電流傳輸之表面面積。而各導線經由漆線塗佈以達到絕緣的目的。
本發明中定子42為磁性材料或任何能夠與用在轉子43之磁性材料產生相關之變磁效應的合金。變磁效應為一種物質狀態(例如定子42之磁性材料)，其特徵為在外部應用磁場(由圖6中區域A之磁通Φ3所引起)的窄範圍中，其磁化現象以超線性方式增加(在物質內所產生的磁場放 射)。
定子42之磁性材料的特徵是存在於其中的磁域，磁域為一晶質區，其體積可介於10-12及10-8m3之間，包括數個原子，其磁矩以同一方向排列。磁性原子的磁矩係由未填滿的原子內殼中，電子的旋轉所造成。磁矩是根據在包含有磁性原子的晶格中，有效的強力原子間作用力(交換力)所形成。
在定子42樣本的未磁化體積中，磁域的磁軸指向所有方位並以隨機的方式排列，因此此樣本並不具有合成磁矩。
在磁場的影響下，該等磁域的磁軸方向接近磁場的方向，且該等磁域可擴張至其鄰近區域。在這個步驟中，鄰近磁域的原子傾向於沿磁場方向排列，然而正在擴張的磁域強烈影響磁域的磁軸與磁場的磁軸平行排列，此等磁域之擴張導致一合成磁矩的產生，且因此使得樣本沿著磁場的方向磁化。
然而，施加一很強的磁場可觸發定子42樣本內受刺激後產生放射。圖7顯示由受刺激產生之放射所造成在磁性原子之兩個能階間的轉移現象，其中，一入射磁場(標記H)導致從E1到E0的轉移。在受刺激產生的放射中，放射磁場與入射磁場為同相位，因此產生連貫磁場之增強磁束，並且該等連貫磁場係經由安培定律的應用，即刻轉變為在定子42繞組中強大的電流。
換句話說，與增強磁場有關的磁能係由定子42之繞 組吸收與轉換，而在與供應至原動機20之輸入電力相較下，(在有電性負載的存在時)產生更多的電力。
連貫磁場的增強磁束使得本發明可用作配電網路或全國電網系統中穩定電力的裝置。當有一較大的負載需求時，已增強磁場的連貫本質使得附加的電力產生，而不改變相角或頻率(50Hz或60Hz)。如此一來，仍然能夠滿足意外增加的電力輸出，因此可避免因電力不穩定所造成的非預期跳電(power trip)。
在本發明中，當與原動機20之輸入能量相關的多餘電能從定子42之磁性材料內產生時，則保持守恆定律。電子與質子間的電性引力比起兩者間的萬有引力大1039倍，因此，由相對動作在此等引力特性中所造成小小的改變，就是在本發明中磁力的呈現，且可對輸出電力產生很大的影響。此外，連貫磁通表示所產生的多餘交流電力於相同頻率(50Hz或60Hz)為同相位。
在本發明中，轉子43係由對變磁效應沒有反應的磁性材料所構成。定子42之增強磁通使得區域A之磁極尖(pole tip)飽和。當變磁效應不發生時，在磁極的左側下(也就是區域A)增加的通量，僅比原本的磁通量多一點。接著，於區域A，在強力磁通存在於定子42內的狀況下，磁動力並不會明顯的增加，因此轉子43之固定轉動速度不會隨著電性負載增加。
圖9顯示一組配對的特定磁性材料之特徵，此磁性材料可應用於發電機40。在磁化裝置中使用的磁性材料相對 於進入變磁狀態的區域，必須具有非變磁性。非變磁材料之特徵在於，使用像是高導磁合金的磁性材料，其具有高相對導磁率(具有來自於更接近圖9左側的曲線)，並且在具有線圈裝置(此使用亞力可V)的其他部分進入一變磁狀態之前或進入一變磁狀態期間時，其磁通密度必須達到飽和。
當在階段3的合成磁通(如圖6所示)在C點引起一強度入射磁場時，合成磁通會觸發變磁效應。在C點與D點之間，磁場強度的範圍(或數量)可經由變磁互動來促進。當放射磁場立即轉換為電流時，此範圍(C點與D點之間)中將被刺激的磁場數量會視外部負載所需的電流量來決定。
當高導磁合金在C點與D點間達到飽和時，定子42內磁場之自發且超線性的增加不會影響轉子43，因此，轉子43固定的轉動速度並不隨著電性負載增加。轉子43應橫過各磁極與相鄰定子的區域間狹窄的氣隙，以便與過多的磁通分隔。其他組配對例如為：高導磁合金與史特合金、矽鐵與亞力可V、矽鐵與史特合金、純鐵與亞力可V、純鐵與史特合金亦可應用於此情況。
對發電機40來說，減少渦電流是很重要的。於圖10中，在轉子43跟定子42中的磁性結構為單一實心磁塊。當磁通Φ經過此磁塊時，其基本上等同於一組密集包裝且互相接觸的矩形導體。渦電流跟著圖式中所示路徑，在磁塊中前後旋轉，由於磁塊的低磁阻，該等渦電流可以是非 常大的，而且該等渦電流產生極大的功率損失，如I2R(其中標記I為感應渦電流；標記R為磁塊的磁阻)，此功率損失馬上轉換為熱能。功率損失與轉動速度的平方與磁通密度(標記B)的平方成比例。接下來，由磁通Φ所穿透的大磁塊可以變得非常熱(即使對於50Hz或60Hz的頻率而言)，而導致過熱現象(也就是所為的渦電流損失)。
渦電流可藉由將磁塊分開為數個絕緣的薄疊層而大大的減少，如圖11所示。當各疊層中的區塊為整塊未切割磁塊的部份時，由於渦電流與相對應的功率損失明顯變少，所產生的感應電壓亦為整塊磁塊中所產生的感應電壓的部份。對於磁塊而言，渦電流損失的減少與疊層數的平方成正比。於本發明中，轉子43與定子42的磁性結構係由堆疊的疊層所組成，部份之該等疊層具有1mm的厚度。此等疊層所使用的絕緣物質可以是環氧化物/樹脂。
請再參照圖1所示，輸送帶系統30確保本發明之輸入電力與其輸出電力電性分隔，激磁器50從變磁效應發電機40之軸41由輸送帶33機械性驅動，變磁效應發電機40由輸送帶32依次機械性驅動，激磁器50並不使用定子42之輸出電力。於變磁效應期間，在各磁極尖開始的磁性飽和表示，除了需要啟動轉子43的磁動力之外，轉子43係橫過在各磁極與其相鄰的定子42之區域間的狹窄氣隙，與多餘的磁通分隔。因而設置兩個電性參考框架，其中之一為直流電路(包含激磁器50與轉子43)，用於產生轉子43所需的磁動力，另一為三相交流電路(包含定 子42之繞組及外部負載)，用於產生外部電性負載所需的輸出電力。本發明之兩個電性參考框架確定電荷係保存於每個框架中。否則當轉子43場繞組的電荷比定子42繞組的電荷少(即不相等)時，將發生差異。
用作電性隔離的另一重要特徵係由兩個電性參考框架的設置達成，此重要特徵經由本發明之輸出電力電纜44(Live L1)、45(Live L2)、46(Live L3)及47(Neutral)來進行電力輸出，另外，更可以串聯數個本發明之發電系統以增加輸出電壓、或並聯數個本發明之發電系統以增加輸出電流，或使用一整合配置，其中混合了串聯與並聯以增加全部電壓與電流，來增加電力輸出，以作為一配電網路之用。
由兩個電性參考框架所造成的電性隔離亦使複數個單一系統或整合系統於一配電系統或一全國電網系統的每部份中增加電力或提供電力穩定性。
以下表1說明根據本發明第一實施例之一發電系統的一組量測資料，其中，步驟1至4為以電力開啟發電系統所需之初始步驟，步驟4至8說明發電機40之電力穩定區，在此區域中，轉子43的角速度以及因此產生的電流頻率在不同負載的情況下，實質上保持固定。需要注意的是，在此區域中，並沒有必要控制原動機20的速度以匹配連接至發電機40輸出電纜之外部電性負載變化。事實上，在此區域中不需要外部控制，定子42內之變磁互動可直接反應外部電性負載變化。此外，當發電機40之原 動機20及轉子43在電力穩定區以其正常且穩定的速度運作時，並不需要更進一步的冷卻動作。
步驟9至11說明發電機40之「電力增強區」，於此區域中，根據發電機40輸出的增加負載，原動機20需要附加電力以維持轉子43的角速度。
如圖9所示，當H變大時，任何磁性材料的飽和曲線皆向B-H真空曲線漸進，其中B-H真空曲線為一直線。然而，無論磁通量密度可以多大，永遠無法達到完全的真空。非變磁材料可例如為銅、紙、橡膠及空氣的B-H曲線幾乎與B-H真空曲線相同。因此，原動機20在「電力增強區」需要附加的電力，以在使用於發電機40之磁性材料接近此特定區域的真空特性時，產生所需之附加H。
請參照圖12所示，其中根據本發明另一實施例之發電系統11，其包含原動機20、傳輸組件70、變磁效應發電機40、激磁器50、平台60以及具有觸控面板顯示器的控制單元80。
原動機20為一交流馬達，其係接收一外部電源提供之交流電流，藉由於一導線線圈轉動的磁鐵、或是藉由於一強力磁鐵內轉動的導線線圈等方式，產生一機械力矩。在任一情況下，所產生的機械力矩可使用來轉動原動機20之軸21。原動機20經由輸入電力電纜22(Live L1)、23(Live L2)及24(Live L3)接收其交流輸入電力。在實務上，當僅有一種原動機20時，原動機20可以是一單相交流馬達或是一直流馬達，其具有用於其輸入電力的直流-交流變壓器。
原動機20之輸入電力電纜22(Live L1)、23(Live L2)及24(Live L3)可與一外部發電機連接，其中外部發電機例如為石化燃料蒸氣渦輪機、天然氣蒸氣渦輪機、水輪發電機、柴油引擎、汽油動力機、蒸氣引擎、燃料電池發電機、使用其他能源(例如太陽能、風力、水力電、波能或生質)之直流或交流發電機，以及任何可提供所需交流或直流電力之發電單元，以驅動本發明之原動機20。
當原動機20運行緩慢時，不會產生全部電力。在原動機20產生最大電力與力矩前，必須要快速轉動。因此，傳輸組件70提供一手段，允許原動機20之軸21以高速旋轉來產生所需之電力，且允許傳輸組件70的輸出軸74以低速轉動，來確定變磁效應發電機40之軸41以25Hz或30Hz的頻率(使用一種四磁極轉子，其提供每轉數兩個電壓週期)轉動。速度的減少可由行星齒輪組73來達成，原動機20之軸21與扭矩變換器71之軸72相互連接。
扭矩變換器71可當作一液體耦合裝置使用且具有以下優勢：[a]在驅動構件與被驅動構件間因不具有直接機械接觸，而減少在原動機20與傳輸組件70間的衝擊傳送及扭轉震動；[b]無正向的分離或接合可允許較緩和的起始特性；[c]由於液體耦合將僅滑動並允許原動機20在超載時增加速度，扭矩變換器71可保護原動機20在低速下不受運作帶來的傷害。
輸出軸74係與變磁效應發電機40之軸41相互耦合，而動力分導件(power take off；PTO)75與激磁器50之軸51 耦合。
電子組件(Electronic Assembly,EA)77，也就是俗稱的傳輸控制單元，是傳輸組件的大腦。電子組件77係經由一信號電纜76與傳輸組件70連接。在此雖然只有顯示一種傳輸組件70，但實務上，傳輸組件70可以是手動型、半自動型、或完全自動型。另外，傳輸組件70亦可包含使用摩擦離合器而非扭矩變換器71的系統。傳輸組件70亦可具有二或多個動力分導件75。
激磁器50為一交流發電機，其產生變磁效應發電機40所需的直流電力。激磁器50包含三個主要部件：轉子、定子及具有調整器之整流器電橋。在交流發電機中，依據交流電產生原理，在磁力線間之動作可使得導體產生感應電壓(交流電壓)。於交流發電機中，轉子將供應磁力線，並且使轉子旋轉的動力分導件75將提供運轉，所產生的交流電力係由具有調整器的整流器電橋轉換成直流電力，所產生的直流電力經由輸出電力電纜53(正直流電壓)以及輸出電力電纜52(接地)供應至變磁效應發電機40。雖然在此僅顯示一種激磁器50，在實務上，激磁器50可以是任何一種直流電源，例如是電池或燃料電池。
變磁效應發電機40為一同步機，其由傳輸組件70之輸出軸74所驅動，並利用變磁效應，從定子42之磁性結構內產生電力。
圖2顯示變磁效應發電機40之剖面透視圖，其兩個主要部份為磁性結構，靜止部份實質上為空心圓柱體(稱 作定子42)，具有縱向孔並於其中包含定子42繞組的線圈，此等繞組帶有供應至一電性負載的電流。另一磁性結構為轉子43，其固定在軸上且於空心定子42中轉動。轉子43的繞組，也稱作場繞組，經由輸出電力電纜53(正電壓)及輸出電力電纜52(接地)提供直流電流至激磁器50。於本發明中，轉子43為具有一固定四磁極剖面區域的單一縱向塊，如圖8所示。
轉子43具有四個磁極且每轉數就有兩個電壓週期在每一線圈中產生。因為每轉數中的週期數與磁極對數相等，所產生電壓的頻率係可由以下公式得出：f=(P/2) * (N/60)=(P/2) * fm[Hz]
其中，f=電性頻率(50Hz或60Hz)
P=磁極數
N=每分鐘轉子轉動的速度[rpm]
fm=N/60，每秒轉動的機械頻率[rps]，其為由傳輸組件70之輸出軸74所驅動的軸41之頻率。
經由變磁互動所產生之連貫磁場的增強磁束係即時轉換為定子42繞組中之一強力電流。此即時強力電流使得本發明能夠在配電網路或全國電網系統中，作為提供穩定電力的裝置。當需求較大的負載時，增強之磁場的連貫本質使得附加的電力產生，而不改變相角或頻率(50Hz或60Hz)以及輸出電壓。如此一來，仍然能夠滿足意外增加的電力輸出，因此可避免因電力不穩定所造成的非預期跳 電。
於本發明中，產生三相交流電力，且其可經由輸出電力電纜44(Live L1)、輸出電力電纜45(Live L2)、輸出電力電纜46(Live L3)及輸出電力電纜47(Neutral)供應至外部負載。
具有觸控螢幕顯示器之控制單元80是發電系統11的主腦，可用來控制本發明的運作，例如執行開啟或關閉程序(sequence)。控制單元具有兩個通訊埠，各通訊埠支持通訊協定例如RS-232C或RS-485。其中一通訊埠藉由連接一個人電腦或手提電腦，以輸入控制程序。另一通訊埠則是經由附加的通訊協定，以與傳輸組件70之電子組件77溝通，附加的通訊協定例如是SAE J1708、SAE J1587、SAE J1939及CAN-bus協定。
圖13為具有一觸控螢幕顯示器之控制單元80的運作流程圖。於步驟S100中啟動控制單元80。於步驟S110中，控制單元80執行初始化並且等待在步驟S120點選其觸控面板。當在步驟S120中，從觸控面板接收一電力開啟(Power-ON)的點選時，於步驟S130中送出要求指令至電子組件77，以將傳輸組件70轉移到中性模式(Neutral mode)。控制單元80於步驟S140中等待電子組件77回應訊息，以表示成功完成中性接合。當在步驟S140中接收有效的回應時，於步驟S150發出一離散信號來啟動一繼電器或一開關設備(Switchgear)以達到用電力開啟原動機20，且在步驟S160等待達到所需的轉速值。當所需的轉 速在步驟S160中確認時，控制單元80在步驟S170送出一要求指令至電子組件77，以將傳輸組件70轉移到驅動模式。其等待輸出軸74在步驟S180達到所需的轉速值(一種四磁極轉子提供每轉數兩個電壓週期，以達到頻率25Hz或30Hz)。當確認輸出軸74達到所需的轉速值時，為了驅動激磁器50，其於步驟S190發出一要求指令至電子組件77，以接合動力分導件75。變磁效應發電機40的功能在此步驟後可完全發揮。
於步驟S120接收一電力關閉(Power-OFF)的點選時，為了停止激磁器50的運作，於步驟S200控制單元80發出一要求指令至電子組件77，以分離動力分導件75。在步驟S210控制單元80等待電子組件77回應訊息，以表示成功的分離動力分導件75。當在步驟S210接收有效回應時，其在步驟S220發送要求指令至電子組件77，以將傳輸組件70轉移為中性模式，且在步驟S230等待有效回應。當於步驟S230接收有效回應時，有效回應發出一離散信號以停止一繼電器或一開關設備，以在步驟S240切斷給原動機20的輸入電源。
一種較有效的電力關閉之方法是將一繼電器或開關設備插入輸出電力電纜53與輸出電力電纜52(圖未示)之間，並且在步驟S200中，在分離動力分導件75的要求指令下達前，加入一附加的任務，其發送離散信號以分離繼電器或開關設備。於此，於本發明中可達到即時電力的中斷。
控制單元80主要使用在系統的開啟與關閉，而且當系統不在電力穩定區運作時，控制單元80亦可使用來匹配外部負載的變化。控制單元80經由輸出軸74所需之驅動模式轉速值的改變，監控外部負載的變化。於步驟S120自控制單元80之觸控螢幕顯示器接收一負載變化點選時，控制單元80在步驟S300發送出一要求指令至電子組件77，以作為輸出軸74的驅動模式轉速值。並且在步驟S310等待電子組件77回應訊息，其回應驅動模式轉速值。若在步驟S310中獲得有效的轉速值，則回到步驟S120來檢查負載變化是否仍然為啟動狀態。若負載變化點選仍然為啟動狀態，則重複步驟S120、S300及S310，以監控驅動模式轉速值。當在步驟S310偵測到變化時，則進入步驟S320以發出一離散信號、一類比信號或一指令至交流電源，其係與原動機20之輸入電力電纜連接且指示交流電源根據負載變化，來增加或減少供應至原動機20之電力。接著回到步驟S120，檢查負載變化點選是否仍為啟動狀態。若負載變化點選仍為啟動狀態，則重複步驟S120、S300、S310及S320直到建立並且維持輸出軸74所需之驅動模式轉速值。
傳輸組件70確保本發明的輸入電力係與輸出電力電性隔離。激磁器50係由動力分導件75機械性驅動。變磁效應發電機40之軸41由輸出軸74依次地機械性驅動。激磁器50並不使用定子42之輸出電力。在變磁效應期間於各磁激尖開始的磁性飽和代表著除了需要用來轉動轉 子43的磁動力之外，轉子43係橫跨過各磁極與相鄰定子的區域間狹窄的氣隙，並與多餘的磁通分隔，因此形成兩個電性參考框架，其一為直流電路(包含激磁器50及轉子43)，用以產生轉子43所需的磁動力，以及另一為三相交流電路(包含定子42之繞組及外部負載)，用以產生外部電性負載所需的電性輸出電力。本發明中兩個電性參考框架的形成確保電荷在各框架中保存，否則當轉子43之場繞組中的電荷比定子42繞組的電荷少(即不相等)時，會發生差異。
請參照圖14所示，其顯示依據本發明另一實施例的發電系統12。發電系統12包含原動機20、齒輪傳動組件90(具有三個齒輪91、92及93)、變磁效應發電機40、激磁器50、平台60及具有觸控螢幕顯示器之控制單元80。
原動機20為一交流馬達，當一外部電源提供交流電流(AC)時，藉由一在導線線圈中轉動的磁鐵或一在強力磁鐵中轉動的導線線圈的手段，產生一機械力矩，無論是哪種手段，皆可利用所產生的機械力矩來轉動原動機20之軸21。原動機20經由輸入電力電纜22(Live L1)、23(Live L2)及24(Live L3)接收其交流輸入電力。雖然在此僅顯示有一種原動機20，在實務上，原動機20可以是一單相交流馬達或是一具有用於其輸入電力之直流-交流變壓器直流馬達。
原動機20之輸入電力電纜22(Live L1)、23(Live L2)及24(Live L3)可經由交流輸入電源切換盒25以與一外部 發電機連接，其中外部發電機例如為石化燃料蒸氣渦輪機、天然氣蒸氣渦輪機、水輪發電機、柴油引擎、汽油動力機、蒸氣引擎、燃料電池發電機、使用其他能源(例如太陽能、風力、水力電、波能或生質)之交流或直流發電機，以及任何可提供所需交流或直流電力之發電單元，以驅動本發明之原動機20。
齒輪傳動組件90提供一機械裝置，以連接原動機20之軸21與變磁效應發電機40之軸41。一方面來說，其齒輪比使得原動機20之軸21以高速旋轉，進而產生所需電力。另一方面來說，齒輪比允許變磁效應發電機40之軸41以一25Hz或30Hz的低速轉動(採用一種四磁極轉子，其提供每轉數就有兩個電壓週期)。
於本實施例中，齒輪92緊密嚙合並由螺帽固定於原動機20之軸21上。因此，在系統開啟時，原動機20及其軸21必須要夠強韌才能在不滑動的狀態下直接克服齒輪傳動組件90、激磁器50之軸51、及變磁效應發電機40的慣性。另外，為了避免原動機20之軸21在系統開啟時便被扭曲或破壞，可設置單板離合器100以連接軸21與齒輪92。
如圖15所示，在系統開啟時，單板離合器100為可用來平穩接合相對運動的軸21與齒輪92之裝置，包含一摩擦板101、一壓力板102、一彈簧103與兩個保護件104a及104b，其附著且緊緊固定在軸21上。保護件104a則是用來在適當的位置固定彈簧103，而保護件104b是用來在 適當的位置固定齒輪92。軸21可當做一驅動構件，其由原動機20永久驅動。壓力板102不變地隨著軸21轉動，並提供另一摩擦接觸裸表面且傳送彈簧103的夾力至軸21。摩擦板101作為驅動構件。為了在系統開啟期間調和帶襯摩擦板101的磨損與滑動，必須提供一特定的軸自由(axial freedom)量給齒輪92，此軸自由係藉由套筒軸承(bush bearing)105a、105b及105c將齒輪92、摩擦板101及壓力板102分別連接至軸21而達成，因此套筒軸承105a、105b及105c可在保護件104a及104b之間沿著軸21浮接。壓力板102係由鑄鐵所製造且刻意為粗糙的結構，其必須在承載彈簧103的負荷下不產生變形、還必須能夠吸收或是傳導在離合器接合期間所產生的熱能。彈簧103在壓力板102及保護件104a之間被擠壓，其目的為，在單板離合器的摩擦表面間維持足夠的夾力，而使來自軸21之最大力矩在沒有滑動發生的情況下，能夠從軸21傳送至齒輪92。可使用絕緣墊圈(insulation washer)(圖15未示)減少從壓力板102到彈簧103之熱傳輸。摩擦板101則放置在齒輪92之摩擦接觸表面及壓力板102間。
圖16為摩擦板101之結構，摩擦板101的每一側覆蓋一圈磨擦材料，也就是摩擦襯101c，其以釘牢在伯格萊斷片(Borglite segment)101a的方式固定，另外，提供扭力調節彈簧(torsional damper spring)101b以允許平穩緩和且逐漸的接合。
請再參照圖15所示，相稱的單板離合器可提供以下 好處：[a]在系統啟動時具有較佳的接合，且在因完全接合使得原動機20得到充足的時間來建立其速度之前，以滑動形式來呈現輕微延遲，並藉此允許軸21與齒輪92之間以無衝擊(shock-free)方式連接；[b]在完全接合的狀態，摩擦襯101c致能從軸21到齒輪92的最大力矩傳輸。
請再參照圖14，齒輪91與激磁器50之軸51耦合。激磁器50為一交流發電機，其產生變磁效應發電機40所需的直流電力。激磁器50包含三個主要部件：轉子、定子與具有調整器之整流器電橋。交流發電機中的交流產生原理是利用在磁力線間之動作，並且導體將會產生感應電壓(交流電壓)。於交流發電機中，轉子將供應磁力線，並且使轉子旋轉的齒輪91將提供轉動。由激磁器50所產生的直流電力係經由輸出電力纜線53(正直流電壓)及輸出電力纜線52(接地)供應給變磁效應發電機40。雖然在此只有顯示一種激磁器50，在實務上，激磁器50可以是任何直流電源，例如為一電池或一燃料電池。
變磁效應發電機40為一同步機，其由齒輪傳動組件90之齒輪93所驅動，且使用變磁效應在其定子42之磁性結構內產生電力。
圖2為變磁效應發電機40之剖面透視圖，其兩個主要部份為磁性結構，不動部份實質上為一空心圓柱體(稱作定子42)，具有縱向孔並於縱向孔中包含定子42的線圈繞組，該等繞組帶有供應至一電性負載的電流。變磁效應發電機40之另一部份為轉子43，其固定於軸上並在空心 定子42中轉動，轉子43之繞組可稱為磁場繞組，其中激磁器50經由輸出電力電纜53(正直流電壓)及輸出電力電纜52(接地)供應直流電流至磁場繞組。於本發明中，轉子43為如圖8所示之具有均勻四磁極剖面區域之一單一縱向塊。
轉子43具有四磁極，且於每一轉動中產生兩個電壓週期。由於每一轉動之週期數與磁極對數相等，所產生的電壓頻率可由以下公式得出：f=(P/2) * (N/60)=(P/2) * fm[Hz]
其中，f=電性頻率[Hz](50Hz或60Hz)
P=磁極數
N=每分鐘轉子轉動的速度[rpm]
fm=N/60，每秒轉動的機械頻率[rps]，係由齒輪傳動組件90之齒輪93驅動軸41之頻率，其為25Hz或30Hz。
經由變磁互動所產生之連貫磁場的增強磁束係即時轉換為定子42繞組中之一強力電流。此即時強力電流使得本發明能夠在配電網路或全國電網系統中，作為提供穩定電力的裝置。當需求較大的負載時，增強之磁場的連貫本質使得附加的電力產生，而不改變相角或頻率(50Hz或60Hz)以及輸出電壓。如此一來，仍然能夠滿足意外增加的電力輸出，因此可避免因電力不穩定所造成的非預期跳電。
於本發明中，產生三相交流電力且其可經由輸出電力 電纜44(Live L1)、輸出電力電纜45(Live L2)、輸出電力電纜46(Live L3)及輸出電力電纜47(Neutral)供應至外部負載。
具有一觸控螢幕顯示器之控制單元80係為發電系統12的主腦，可用來控制本發明的運作，例如開啟或關閉程序。控制單元具有兩個通訊埠，各通訊埠支持通訊協定例如RS-232C或RS-485，其中一通訊埠藉由連接至一個人電腦或手提電腦，以輸入控制程序，另一通訊埠則是用來與交流電源溝通，並且交流電源與原動機20相互連接。此外，控制單元80經由信號電纜81與直流輸出電源切換盒54連接，且直流輸出電源切換盒54中設置有一繼電器開關(圖14未示)。
或者是，信號電纜81經由一開關設備連接直流輸出電源切換盒54。另外，在激磁器50上設有一轉速感應器(圖14未示)，以讀取軸51的轉動速度，其可經由直流輸出電源切換盒54來存取。控制單元80經由信號電纜82與交流輸入電源切換盒25連接，交流輸入電源切換盒25中設置有一繼電器開關(圖14未示)與一交流-直流電源變壓器(圖14未示)。此外，控制單元80亦接收來自交流-直流電源變壓器之信號電纜的直流輸入電力，交流-直流電源壓換器係設置於交流輸入電源切換盒25中。
圖17為具有觸控螢幕顯示器之控制單元80的運作流程圖。於步驟S100以電力開啟控制單元80，然後在步驟S110執行初始化，且於步驟S120等待觸控螢幕的點選。
於步驟S120中，當從觸控面板接收一電力開啟(Power-ON)的點選時，於步驟S130中送出離散信號以供給能量給交流輸入電源切換盒25之中繼器開關，以便輸出交流電力至原動機20，並在步驟S140讀取軸51之轉速值、且依據所接收的轉速值經由齒輪比轉換後取得軸41的速度，亦即在此步驟中等待所欲軸速度的形成。當軸41達到所欲速度時，在步驟S150經由信號電纜81發出一離散信號，以透過電力電纜53(正直流電壓)與電力電纜52(接地)提供能量給直流輸出電源切換盒54(或開關設備)之中繼器開關，才能在變磁效應發電機40中實現法拉第電磁感應定律。
當於步驟S120接收一電力關閉(Power-OFF)的點選時，為了終止直流電源的供應，控制單元80在步驟S200中經由信號電纜81送出一離散信號至直流輸出電源切換盒54，以停用中繼器開關(或開關設備)，其中直流電源的供應在法拉第電磁感應定律無法執行時即依次失效。然後在步驟S210經由信號電纜82送出一離散信號至交流輸入電源切換盒25以停用中繼器開關，而以電力關閉原動機20。接著，控制單元80繼續從安裝在交流輸入電源切換盒25的交流-直流變壓器接收其直流電力。
控制單元80主要使用在開啟或關閉系統。當系統並未在電力穩定區運作時，控制單元80亦可用來匹配外部負載的變化。控制單元80經由輸出軸93所需的轉速改變值監控外部負載的變化。於步驟S120接收來自控制單元 80之觸控螢幕顯示器的負載變化點選時，讀取軸51之轉速值，並在步驟S300依據齒輪比轉換所接收的轉速值以得到軸41的速度。若在步驟S300得到有效的轉速值，則回到步驟S120檢查負載變化是否仍然為啟動狀態，若是，則重複步驟S120及S300以持續監控軸93的轉速值。當在步驟S300偵測到變化時，則進入步驟S310，以發出一離散信號、經由一附加的信號電纜(圖14未示)以發出一類比信號、或經由第二序列通訊埠發出一指令至一外部交流電源，其係與原動機20之輸入電力電纜連接且指示交流電源根據負載變化，以增加或減少提供至原動機20的電力。接著，回到步驟S120以檢查負載變化點選是否仍然為啟動狀態，若負載變化點選仍為啟動狀態，重複步驟S120、S300及S310直到軸93達到且維持在所需之轉速值。
齒輪傳動組件90確保本發明之輸入電力係與其輸出電力電性隔離，激磁器50由齒輪91機械性驅動，變磁效應發電機40之軸41由齒輪93依次地機械性驅動。在此，激磁器50並不使用定子42之輸出電力。在變磁效應期間於各磁極尖開始的磁性飽和代表著除了為轉動轉子43所需的磁動力之外，轉子43橫跨過在各磁極與其相鄰的定子42之區域間的狹窄氣隙，並與多餘的磁通分隔。因此，可以形成兩個電性參考框架，其中之一為直流電路(包含激磁器50及轉子43)，用於產生轉子43所需的磁動力，另一為三相交流電路(包含定子42之繞組及外部負載)，用於產生外部電性負載所需的輸出電力。本發明中兩個電性參 考框架的形成確保電荷保存於每個框架中，否則當轉子43之場繞組之電荷較定子42之繞組之電荷少(即不相等)時，會發生差異。
10、11、12‧‧‧發電系統
20‧‧‧原動機
21‧‧‧軸
22、23、24‧‧‧輸入電力線
25‧‧‧電源切換盒
30‧‧‧輸送帶系統
31、32、33‧‧‧輸送帶
34‧‧‧中間軸
35‧‧‧平衡器
36‧‧‧調節器
40‧‧‧變磁效應發電機
41‧‧‧軸
42‧‧‧定子
43‧‧‧轉子
44、45、46、47‧‧‧輸出電力電纜
50‧‧‧激磁器
51‧‧‧軸
52、53‧‧‧輸出電力纜線
54‧‧‧電源切換盒
60‧‧‧平台
70‧‧‧傳輸組件
71‧‧‧扭矩變換器
72‧‧‧軸
73‧‧‧行星齒輪組
74‧‧‧輸出軸
75‧‧‧動力分導件
76‧‧‧信號電纜
77‧‧‧電子組件
80‧‧‧控制單元
81、82‧‧‧信號電纜
90‧‧‧齒輪傳動組件
92、93‧‧‧齒輪
100‧‧‧單板離合器
101‧‧‧摩擦板
101a‧‧‧伯格萊斷片
101b‧‧‧扭力調節彈簧
101c‧‧‧摩擦襯
102‧‧‧壓力板
103‧‧‧彈簧
104a、104b‧‧‧保護件
105a、105b、105c‧‧‧套筒軸承
a、-a、a’、-a’‧‧‧孔
b、-b、b’、-b’‧‧‧孔
c、-c、c’、-c’‧‧‧孔
Φ、Φ1、Φ2、Φ3‧‧‧磁通
E0、E1‧‧‧能階
H‧‧‧磁場強度
S100、S110、S120、S130‧‧‧步驟
S140、S150、S160、S170‧‧‧步驟
S180、S190、S200、S210‧‧‧步驟
S220、S230、S240、S300‧‧‧步驟
S310、S320‧‧‧步驟
圖1顯示本發明第一實施例之一發電系統透視圖；圖2顯示圖1中發電系統之發電元件剖面圖；圖3顯示發電機之定子線圈之示意圖，其中線圈以Y形連接；圖4顯示圖1及圖2中發電機在無負載或可忽略負載時運行之局部放大圖；圖5顯示當定子在滿負載時，圖1及圖2發電機產生磁通量之局部放大圖；圖6顯示在發電機之定子與轉子間產生變磁互動期間，磁通量分佈之局部放大圖；圖7顯示定子之磁性材料內，磁場之受刺激後的放射示意圖；圖8顯示在一圓柱形定子中轉動的一轉子之部份剖視等視角圖，其中轉子及定子皆包含磁性材料絕緣薄疊層；圖9顯示一對特定組合的非變磁材料與一變磁材料之飽和曲線；圖10顯示沒有絕緣薄疊層的發電機之磁性結構中產生的大渦電流；圖11顯示當發電機之磁性結構分為複數個絕緣薄疊 層時，大渦電流將會減少；圖12顯示根據本發明第二實施例之一發電系統之部份剖面立視圖；圖13顯示根據本發明第二實施例之發電系統與適合之具觸控螢幕顯示器之控制單元一起運作的流程圖；圖14顯示根據本發明第三實施例之一發電系統之透視圖；圖15為一單板離合器透視圖，其係連接一原動機之軸與一齒輪傳動組件之各齒輪；圖16為圖15所示之單板離合器中的一摩擦板剖視圖；以及圖17為根據本發明第三實施例之發電系統與適合之具觸控螢幕顯示器之控制單元一起運作的流程圖。
10‧‧‧發電系統
20‧‧‧原動機
21‧‧‧軸
22、23、24‧‧‧輸入電力線
30‧‧‧輸送帶系統
31、32、33‧‧‧輸送帶
34‧‧‧中間軸
35‧‧‧平衡器
36‧‧‧調節器
40‧‧‧變磁效應發電機
41‧‧‧軸
44、45、46、47‧‧‧輸出電力電纜
50‧‧‧激磁器
51‧‧‧軸
52、53‧‧‧輸出電力纜線
60‧‧‧平台

Claims (88)

  1. 一種發電機，包含：一定子，其係至少部分由具有變磁特性之一材料所構成、並具有數個線圈裝置，且該等線圈裝置其與一外部電性負載連接；以及一轉子，具有一電磁鐵，用以在該轉子中產生一磁場，其中該轉子及該磁場相對於該定子的動作係於該線圈裝置中產生一電流，該電磁鐵係用以產生具有足夠強度之一磁場，該磁場係跟與該外部電性負載相關之另一磁場相互作用，並誘導該定子之該變磁材料產生變磁性，以增加該等線圈裝置內的電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發電機，其中該轉子係至少部份由具有非變磁特性的另一材料所構成。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發電機，其中該另一材料的透磁性係高於該變磁材料。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之發電機，其中無論該定子之變磁材料是否被誘導產生變磁性，該另一材料具有完全飽和的磁通密度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之發電機，其中當該定子被誘導產生變磁性時，該定子之該變磁材料的磁通密度及磁場強度係以超線性的方式增加。
  6. 如申請專利範圍第2至5項中任一項所述之發電機，其中該另一材料係為高導磁合金(permalloy)、矽鐵(silicon iron)、純鐵(pure iron)、傳遞鋼(relay steel) 或鐵的同等物(iron equivalent)其中之任一或組合。
  7. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之發電機，其中該變磁材料為亞力可V(Alnico V)、史特合金(Stelloy)或是史特合金的同等物(Stelloy equivalent)。
  8. 如申請專利範圍第2至5項中任一項所述之發電機，其中該另一材料及該變磁材料分別包含一高導磁合金與一亞力可V、一高導磁合金與一史特合金、一矽鐵與一亞力可V、一矽鐵與一史特合金、一純鐵與一亞力可V、一純鐵與一史特合金、一傳遞鋼與一亞力可V、一傳遞鋼與一史特合金、或一鐵的同等物與一史特合金的同等物。
  9. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之發電機，其中儘管在該定子之該變磁材料內誘導產生變磁性，該轉子之角速度以及所產生的電流頻率實質上保持固定。
  10. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之發電機，其中該定子係實質上為一空心圓柱體，該等線圈裝置係設置在該空心圓柱體之內壁上的數個選定位置。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之發電機，其中該磁性裝置係設置在形成於該空心圓柱體內壁之數個縱向延長孔。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之發電機，其中該等線圈裝置相互連接，以產生具有一選定相位的一交流電 流。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之發電機，其中該等線圈裝置包含平行的、絕緣的、未扭曲的、薄的並且具有圓形切面的複數股導線，該等導線係分別位於該等縱向延長孔內，且各該等導線係分別隸屬於一均勻磁通。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之發電機，其中該等線圈裝置包含平行的、絕緣的、未扭曲的、薄的並且具有圓形切面的複數股導線，該等導線係分別位於該等縱向延長孔內，且各該等導線係分別隸屬於一均勻磁通。
  15. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之發電機，其中該電磁鐵包含第一對及第二對完全相反的磁極。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之發電機，其中該等磁極具有一切面區域，當從平面檢視該轉子時，該切面區域係輸出來自各磁極之一均勻磁束，而當從立面檢視該轉子時，該切面區域係輸出一均勻平面磁束。
  17. 如申請專利範圍第1至5項中任一所述之發電機，其中在該定子之該變磁材料內，該所誘導產生的變磁性包含一即時五階段流程，以自發並連貫地增加在該等線圈裝置內之電流。
  18. 如申請專利範圍第17項之發電機，其中該即時五階段流程包含：一第一階段，其係包含於該轉子與該定子之間產生一 典型法拉第電磁感應定律，其中磁通係由該轉子引導至該定子；一第二階段，其中因該外部電性負載存在使得該等線圈裝置產生電流，其附加磁通係由該轉子引導至該定子；一第三階段，其中來自該第一階段的該磁通與來自該第二階段的該附加磁通相互作用，以形成一強力的合成磁通，其係由該轉子引導至該定子，並穿透該定子；一第四階段，其中來自該第三階段的合成磁場導致該定子之該具有變磁性之材料進入一變磁狀態並釋放數個附加連貫磁場，該等附加連貫磁場觸發該定子之該材料內之其他磁性原子產生類似的放射現象，而使得在該定子之該材料內立即產生連貫磁場之一強力磁束；以及一第五階段，其中在該第四階段所產生之該強力磁束係依據安培定律即時轉變為該定子之該等線圈裝置之一強力電流。
  19. 如申請專利範圍第12項所述之發電機，其中該等線圈裝置相互連接，以分別且同時產生具二或多個選定相位之交流電流，其係反應二或多個相應的外部電性負載。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之發電機，其中儘管該轉子繼續動作，但當關閉一繼電器或一開關設備時， 在該等線圈裝置中自發且連貫增加之該電流係立即停止，以終止對該電磁鐵供電。
  21. 一種發電系統，包含：一如申請專利範圍第1~20項中任一項所述之發電機；以及數個能量供應裝置，用以供應磁能至該電磁鐵以及供應機械能至該轉子，其中該磁能及該機械能係分別供應至該發電機，俾使該發電機產生該電流。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之發電系統，其中該能量供應裝置包含：一馬達；以及一傳動帶組件，其係連接該轉子與該馬達，該馬達之轉動動作係經由該傳動帶組件傳送至該轉子。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之發電系統，其中該能量供應裝置包含：一馬達；以及一傳輸組件，其係連接該轉子與該馬達，該馬達之轉動動作係經由該傳輸組件傳送至該轉子。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之發電系統，其中該能量供應裝置包含：一馬達；一齒輪傳動組件，其係連接該轉子與該馬達，該馬達之轉動動作係經由該齒輪傳動組件傳送至該轉子；一直流電源，由該齒輪傳動組件所驅動；以及 一繼電器開關或一開關設備(Switchgear)，其係連接該電磁鐵與該直流電源。
  25. 如申請專利範圍第21至24項中任一項所述之發電系統，更包含一調節器，其係連接該馬達與該傳動帶組件、該齒輪傳動組件或該傳輸組件，以便在系統開啟期間，克服可移動部份的慣性。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之發電系統，其中該調節器為一離合器，其係用以選擇性接合或分離該馬達與該傳送帶組件、該齒輪傳動組件或該傳輸組件。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之發電系統，其中該離合器為一單板離合器。
  28. 如申請專利範圍第21至24項中任一項所述之發電系統，更包含一平衡器(counterweight)，其係設置在該傳動帶組件、該齒輪傳動組件或該傳輸組件中，用來確定該等可移動部份為靜動平衡狀態並且消除在可移動部份移動時所發生的任何搖晃或鬆弛。
  29. 如申請專利範圍第21項所述之發電系統，其中該轉子係至少部份由具有非變磁特性的另一材料所構成。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之發電系統，其中該另一材料的透磁性係高於該變磁材料。
  31. 如申請專利範圍第29項所述之發電系統，其中無論該定子之變磁材料是否被誘導產生變磁性，該另一材料具有完全飽和的磁通密度。
  32. 如申請專利範圍第21項所述之發電系統，其中當該 定子被誘導產生變磁性時，該定子之該變磁材料的磁通密度及磁場強度係以超線性的方式增加。
  33. 如申請專利範圍第29至32項中任一項所述之發電系統，其中該另一材料係為高導磁合金(permalloy)、矽鐵(silicon iron)、純鐵(pure iron)、傳遞鋼(relay steel)或鐵的同等物(iron equivalent)其中之任一或組合。
  34. 如申請專利範圍第21或29至32項中任一項所述之發電系統，其中該變磁材料為亞力可V(Alnico V)、史特合金(Stelloy)或是史特合金的同等物(Stelloy equivalent)。
  35. 如申請專利範圍第29至32項中任一項所述之發電系統，其中該另一材料及該變磁材料分別包含一高導磁合金與一亞力可V、一高導磁合金與一史特合金、一矽鐵與一亞力可V、一矽鐵與一史特合金、一純鐵與一亞力可V、一純鐵與一史特合金、一傳遞鋼與一亞力可V、一傳遞鋼與一史特合金、或一鐵的同等物與一史特合金的同等物。
  36. 如申請專利範圍第21或29至32項中任一項所述之發電系統，其中儘管在該定子之該變磁材料內誘導產生變磁性，該轉子之角速度以及所產生的電流頻率實質上保持固定。
  37. 如申請專利範圍第21或29至32項中任一項所述之發電系統，其中該定子係實質上為一空心圓柱體，該 等線圈裝置係設置在該空心圓柱體之內壁上的數個選定位置。
  38. 申請專利範圍第37項所述之發電系統，其中該磁性裝置係設置在形成於該空心圓柱體內壁之數個縱向延長孔。
  39. 如申請專利範圍第36項所述之發電系統，其中該等線圈裝置相互連接，以產生具有一選定相位的一交流電流。
  40. 如申請專利範圍第38項所述之發電系統，其中該等線圈裝置包含平行的、絕緣的、未扭曲的、薄的並且具有圓形切面的複數股導線，該等導線係分別位於該等縱向延長孔內，且各該等導線係分別隸屬於一均勻磁通。
  41. 如申請專利範圍第39項所述之發電系統，其中該等線圈裝置包含平行的、絕緣的、未扭曲的、薄的並且具有圓形切面的複數股導線，該等導線係分別位於該等縱向延長孔內，且各該等導線係分別隸屬於一均勻磁通。
  42. 如申請專利範圍第21或29至32項中任一項所述之發電系統，其中該電磁鐵包含第一對及第二對完全相反的磁極。
  43. 如申請專利範圍第42項所述之發電系統，其中該等磁極具有一切面區域，當從平面檢視該轉子時，該切面區域係輸出來自各磁極之一均勻磁束，而當從立面 檢視該轉子時，該切面區域係輸出一均勻平面磁束。
  44. 如申請專利範圍第21至24項中任一項所述之發電系統，更包含一控制單元，用以啟動或關閉該系統，並當該系統未在一電力穩定區動作時，用以匹配該外部電性負載之變化。
  45. 如申請專利範圍第21至24項中任一項所述之發電系統，其中該傳動帶組件更包含數個附加傳動帶、該傳輸組件更包含數個附加驅動桿、且該齒輪傳動組件更包含數個附加齒輪，用以致能該馬達以驅動二或多個該等發電機。
  46. 一種整合發電系統，包含二或多個如申請專利範圍第21~45項中任一項所述之發電系統，其係相互連接以增加一單一單元之輸出電力。
  47. 如申請專利範圍第46項所述之整合發電系統，其中該能量供應裝置包含：一馬達；以及一傳動帶組件，其係連接該轉子與該馬達，該馬達之轉動動作係經由該傳動帶組件傳送至該轉子。
  48. 如申請專利範圍第46項所述之整合發電系統，其中該能量供應裝置包含：一馬達；以及一傳輸組件，其係連接該轉子與該馬達，該馬達之轉動動作係經由該傳輸組件傳送至該轉子。
  49. 如申請專利範圍第46項所述之整合發電系統，其中 該能量供應裝置包含：一馬達；一齒輪傳動組件，其係連接該轉子與該馬達，該馬達之轉動動作係經由該齒輪傳動組件傳送至該轉子；一直流電源，由該齒輪傳動組件所驅動；以及一繼電器開關或一開關設備(Switchgear)，其係連接該電磁鐵與該直流電源。
  50. 如申請專利範圍第46項所述之整合發電系統，其中該等發電系統係以串聯方式連接。
  51. 如申請專利範圍第46項所述之整合發電系統，其中該等整合發電系統係以並聯方式連接。
  52. 如申請專利範圍第46項所述之整合發電系統，其中該等整合發電系統係以串聯及並聯方式連接。
  53. 一種配電網路，包含一或多個如申請專利範圍第21~45項中任一項所述之發電系統，其係用以針對該配電網路之選定部份提供穩定電力。
  54. 如申請專利範圍第53項所述之配電網路，其中該能量供應裝置包含：一馬達；以及一傳動帶組件，其係連接該轉子與該馬達，該馬達之轉動動作係經由該傳動帶組件傳送至該轉子。
  55. 如申請專利範圍第53項所述之配電網路，其中該能量供應裝置包含：一馬達；以及 一傳輸組件，其係連接該轉子與該馬達，該馬達之轉動動作係經由該傳輸組件傳送至該轉子。
  56. 如申請專利範圍第53項所述之配電網路，其中該能量供應裝置包含：一馬達；一齒輪傳動組件，其係連接該轉子與該馬達，該馬達之轉動動作係經由該齒輪傳動組件傳送至該轉子；一直流電源，由該齒輪傳動組件所驅動；以及一繼電器開關或一開關設備(Switchgear)，其係連接該電磁鐵與該直流電源。
  57. 一種機動引擎，包含一或多個如申請專利範圍第1~20項中任一項所述之發電機。
  58. 如申請專利範圍第57項所述之機動引擎，其中該轉子係至少部份由具有非變磁特性的另一材料所構成。
  59. 如申請專利範圍第58項所述之機動引擎，其中該另一材料的透磁性係高於該變磁材料。
  60. 如申請專利範圍第58項所述之機動引擎，其中無論該定子之變磁材料是否被誘導產生變磁性，該另一材料具有完全飽和的磁通密度。
  61. 如申請專利範圍第57項所述之機動引擎，其中當該定子被誘導產生變磁性時，該定子之該變磁材料的磁通密度及磁場強度係以超線性的方式增加。
  62. 如申請專利範圍第58至61項中任一項所述之機動引擎，其中該另一材料係為高導磁合金(permalloy)、 矽鐵(silicon iron)、純鐵(pure iron)、傳遞鋼(relay steel)或鐵的同等物(iron equivalent)其中之任一或組合。
  63. 如申請專利範圍第57至61項中任一項所述之機動引擎，其中該變磁材料為亞力可V(Alnico V)、史特合金(Stelloy)或是史特合金的同等物(Stelloy equivalent)。
  64. 如申請專利範圍第58至61項中任一項所述之機動引擎，其中該另一材料及該變磁材料分別包含一高導磁合金與一亞力可V、一高導磁合金與一史特合金、一矽鐵與一亞力可V、一矽鐵與一史特合金、一純鐵與一亞力可V、一純鐵與一史特合金、一傳遞鋼與一亞力可V、一傳遞鋼與一史特合金、或一鐵的同等物與一史特合金的同等物。
  65. 如申請專利範圍第57至61項中任一項所述之機動引擎，其中儘管在該定子之該變磁材料內誘導產生變磁性，該轉子之角速度以及所產生的電流頻率實質上保持固定。
  66. 如申請專利範圍第57至61項中任一項所述之機動引擎，其中該定子係實質上為一空心圓柱體，該等線圈裝置係設置在該空心圓柱體之內壁上的數個選定位置。
  67. 如申請專利範圍第66項所述之機動引擎，其中該磁性裝置係設置在形成於該空心圓柱體內壁之數個縱 向延長孔。
  68. 如申請專利範圍第65項所述之機動引擎，其中該等線圈裝置相互連接，以產生具有一選定相位的一交流電流。
  69. 如申請專利範圍第67項所述之機動引擎，其中該等線圈裝置包含平行的、絕緣的、未扭曲的、薄的並且具有圓形切面的複數股導線，該等導線係分別位於該等縱向延長孔內，且各該等導線係分別隸屬於一均勻磁通。
  70. 如申請專利範圍第68項所述之機動引擎，其中該等線圈裝置包含平行的、絕緣的、未扭曲的、薄的並且具有圓形切面的複數股導線，該等導線係分別位於該等縱向延長孔內，且各該等導線係分別隸屬於一均勻磁通。
  71. 如申請專利範圍第57至61項中任一項所述之機動引擎，其中該電磁鐵包含第一對及第二對完全相反的磁極。
  72. 如申請專利範圍第71項所述之機動引擎，其中該等磁極具有一切面區域，當從平面檢視該轉子時，該切面區域係輸出來自各磁極之一均勻磁束，而當從立面檢視該轉子時，該切面區域係輸出一均勻平面磁束。
  73. 一種船舶，包含一如申請專利範圍第57~72項中任一項所述之機動引擎。
  74. 如申請專利範圍第73項所述之船舶，其中該轉子係 至少部份由具有非變磁特性的另一材料所構成。
  75. 如申請專利範圍第74項所述之船舶，其中該另一材料的透磁性係高於該變磁材料。
  76. 如申請專利範圍第74項所述之船舶，其中無論該定子之變磁材料是否被誘導產生變磁性，該另一材料具有完全飽和的磁通密度。
  77. 如申請專利範圍第73項所述之船舶，其中當該定子被誘導產生變磁性時，該定子之該變磁材料的磁通密度及磁場強度係以超線性的方式增加。
  78. 如申請專利範圍第74至77項中任一項所述之船舶，其中該另一材料係為高導磁合金(permalloy)、矽鐵(silicon iron)、純鐵(pure iron)、傳遞鋼(relay steel)或鐵的同等物(iron equivalent)其中之任一或組合。
  79. 如申請專利範圍第73至77項中任一項所述之船舶，其中該變磁材料為亞力可V(Alnico V)、史特合金(Stelloy)或是史特合金的同等物(Stelloy equivalent)。
  80. 如申請專利範圍第74至77項中任一項所述之船舶，其中該另一材料及該變磁材料分別包含一高導磁合金與一亞力可V、一高導磁合金與一史特合金、一矽鐵與一亞力可V、一矽鐵與一史特合金、一純鐵與一亞力可V、一純鐵與一史特合金、一傳遞鋼與一亞力可V、一傳遞鋼與一史特合金、或一鐵的同等物與一史特合金的同等物。
  81. 如申請專利範圍第73至77項中任一項所述之船舶，其中儘管在該定子之該變磁材料內誘導產生變磁性，該轉子之角速度以及所產生的電流頻率實質上保持固定。
  82. 如申請專利範圍第73至77項中任一項所述之船舶，其中該定子係實質上為一空心圓柱體，該等線圈裝置係設置在該空心圓柱體之內壁上的數個選定位置。
  83. 如申請專利範圍第82項所述之船舶，其中該磁性裝置係設置在形成於該空心圓柱體內壁之數個縱向延長孔。
  84. 如申請專利範圍第81項所述之船舶，其中該等線圈裝置相互連接，以產生具有一選定相位的一交流電流。
  85. 如申請專利範圍第83項所述之船舶，其中該等線圈裝置包含平行的、絕緣的、未扭曲的、薄的並且具有圓形切面的複數股導線，該等導線係分別位於該等縱向延長孔內，且各該等導線係分別隸屬於一均勻磁通。
  86. 如申請專利範圍第84項所述之船舶，其中該等線圈裝置包含平行的、絕緣的、未扭曲的、薄的並且具有圓形切面的複數股導線，該等導線係分別位於該等縱向延長孔內，且各該等導線係分別隸屬於一均勻磁通。
  87. 如申請專利範圍第73至77項中任一項所述之船舶， 其中該電磁鐵包含第一對及第二對完全相反的磁極。
  88. 如申請專利範圍第87項所述之船舶，其中該等磁極具有一切面區域，當從平面檢視該轉子時，該切面區域係輸出來自各磁極之一均勻磁束，而當從立面檢視該轉子時，該切面區域係輸出一均勻平面磁束。
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