TWI644017B - Power transmission device with damping function and electric engine - Google Patents

Abstract

一種具有阻尼功能的動力傳輸裝置，包括一汽缸、一第一曲柄軸及一第二曲柄軸，汽缸的缸體具有一直線通道及位於直線通道兩端的擴大端部，一活塞能於直線通道內往復運動，該活塞的一端與一第一連桿的一端樞接，且第一連桿的另一端伸入其中一個擴大端部，該活塞的另一端與一第二連桿的一端樞接，且第二連桿的另一端伸入其中另一個擴大端部，該第一曲柄軸具有一由軸桿徑向凸出的曲軸臂，其容置於其中一個擴大端部中並與第一連桿的另一端樞接，該第二曲柄軸具有一由軸桿徑向凸出的曲軸臂，其容置於其中另一個擴大端部中並第二連桿的另一端樞接。

Description

具有阻尼功能的動力傳輸裝置及電力發動機

本發明是有關於一種動力傳輸裝置，特別是指一種被直流無刷馬達驅動且具有阻尼功能的動力傳輸裝置。

參見圖1至圖4，其顯示習知四行程內燃機(又稱發動機)的汽缸1作動示意圖，一活塞10設於汽缸的缸體11內，活塞10與一連桿12的一端樞接，連桿12的另一端與一曲柄軸13的曲軸臂131樞接。首先，如圖1所示，在進氣行程中，活塞10由缸體11的上止點移動到下止點，讓油氣14混合物進入缸體11，接著，如圖2所示，在壓縮行程中，活塞10由缸體11的下止點向上移動至上止點，以壓縮油氣14，然後，如圖3所示，執行做功行程，油氣被點燃爆炸，將活塞10由缸體11的上止點向下推至下止點，使轉動曲柄軸13，最後，如圖4所示，在排氣行程中，活塞10由缸體11的下止點再回到上止點，使缸體11排氣，讓爆炸產物流出缸體11。藉此，使活塞10不斷重覆上述四個行程，即能讓活塞10在缸體11內做上下運動而帶動曲柄軸13旋轉，使輸出動力。

因此，根據習知內燃機的作動原理，若能改以使用直流電源的馬達透過另一曲柄軸帶動汽缸1內的活塞10上下運動，即能將習知使用汽油燃料的發動機改成使用直流電源的電力發動機。

因此，本發明的目的在於提供一種使用直流電源且兼具省電及高效能的具有阻尼功能的動力傳輸裝置及電力發動機。

於是，本發明一種具有阻尼功能的動力傳輸裝置，包括一汽缸、一第一曲柄軸及一第二曲柄軸，該汽缸包含：一缸體，其具有一直線通道以及位於該直線通道兩端，並與該直線通道連通的兩個擴大端部；一活塞，其設於該缸體的該直線通道內，並能於該直線通道內直線往復運動；一第一連桿，其一端與該活塞的一端樞接，另一端伸入該兩個擴大端部其中之一；及一第二連桿，其一端與該活塞的另一端樞接，另一端伸入該兩個擴大端部其中另一。該第一曲柄軸具有一軸桿及一由該軸桿徑向凸出且容置於該缸體的該兩個擴大端部其中之一的曲軸臂，且該曲軸臂與該第一連桿的另一端樞接。該第二曲柄軸具有一軸桿及一由該軸桿徑向凸出且容置於該缸體的該兩個擴大端部其中另一的曲軸臂，且該曲軸臂與該第二連桿的另一端樞接。

此外，本發明一種具有阻尼功能的電力發動機，包括至少一個如上所述的具有阻尼功能的動力傳輸裝 置及一動力源，其驅動該第二曲柄軸旋轉，使該第二曲柄軸的該曲軸臂經由該第二連桿帶動該汽缸的該活塞往復運動，而使與該活塞樞接的該第一連桿帶動該第一曲柄軸旋轉並輸出動力。

在本發明的一實施例中，該動力源達接受一直流電源供電，且該電力發動機還包括一動態阻尼電感裝置，其包含：一定子；一轉子，其與該第二曲柄軸的該軸桿軸接，以被該第二曲柄軸帶動而相對該定子旋轉；三相線圈，繞設在該定子或該轉子其中之一，且該三相線圈彼此相連接而形成具有一個中心點及三個接點的Y型繞線；及一動態阻尼電路，其具有三個與該直流電源並聯的飛輪二極體組及兩個阻尼電容，每一飛輪二極體組具有串聯的一第一飛輪二極體及一第二飛輪二極體，每一相線圈的接點連接在對應的該飛輪二極體組的該第一飛輪二極體及該第二飛輪二極體之間，該兩阻尼電容分別連接在該中心點與該直流電源的正端之間，以及該中心點與該直流電源的負端之間，該轉子相對於該定子轉動，會使該三相線圈產生電流而經由該其中一飛輪二極體組的第一飛輪二極體，對連接在該直流電源的正端與該中心點之間的該阻尼電容充電，並經由該另一飛輪二極體組的第二飛輪二極體，對連接在該中心點與該直流電源的負端之間的該阻尼電容充電，以由該等阻尼電容將儲存的電力回充至該直流電源。

在本發明的一實施例中，該直流電源為一蓄電池，該動態阻尼電路還包含一與該蓄電池並聯的電解電 池，且該動態阻尼電路的該等阻尼電容會先對該電解電池充電，再由該電解電池對該直流電源充電。

在本發明的一實施例中，每一飛輪二極體組的該第一飛輪二極體的陰極與該直流電源的正端電連接，該第二飛輪二極體的陰極與該第一飛輪二極體的陽極電連接，且該第二飛輪二極體的陽極與該直流電源的負端電連接。

在本發明的一實施例中，該動力源是一直流無刷馬達，其包含一驅動電路，該驅動電路與該直流電源電耦接並包含多個阻尼電容，該驅動電路瞬間產生之一反電動勢會對該等阻尼電容放電，且該動態阻尼電路提升該驅動電路的該等阻尼電容的電壓準位，使該驅動電路的該等阻尼電容所儲存的電能回充至該直流電源。

本發明藉由動力源驅動第二曲柄軸旋轉，使透過第二連桿帶動汽缸同步運作而輸出動力，達到如同習知汽、機車內燃機的功能，而能取代習知汽、機車的內燃機，使汽、機車能被直流電力驅動，並藉由動態阻尼電感裝置的運作，達到本發明兼具省電及高效能的功效與目的。

2、2’‧‧‧第一曲柄軸

3‧‧‧動力傳輸裝置

4、4’‧‧‧第二曲柄軸

5‧‧‧動力源(直流無刷馬達)

6‧‧‧動態阻尼電感裝置

7‧‧‧飛輪

8‧‧‧變速箱

30‧‧‧缸體

31‧‧‧活塞

32‧‧‧第一連桿

33‧‧‧第二連桿

34‧‧‧直線通道

35、36‧‧‧擴大端部

21、41‧‧‧軸桿

22、42‧‧‧曲軸臂

51、61‧‧‧三相線圈

52‧‧‧驅動電路

62‧‧‧動態阻尼電路

300‧‧‧汽缸

D1‧‧‧第一飛輪二極體

D2‧‧‧第二飛輪二極體

Cd‧‧‧阻尼電容

Va‧‧‧電解電池

D‧‧‧飛輪二極體

V_DC‧‧‧直流電源

Lu、Lv、Lw‧‧‧線圈

U1、U2、V1、V2、W1、W2‧‧‧線圈

U、V、W‧‧‧接點

Un、Vn、Wn‧‧‧中心接點

U+、V+、W+‧‧‧上開關

U-、V-、W-‧‧‧下開關

Lr、Lt、Ls‧‧‧線圈

R、S、T‧‧‧接點

N‧‧‧中心點

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1至圖4是習知四行程內燃機(發動機)的作動原理示意圖； 圖5是本發明電力發動機的第一實施例的主要構件示意圖；圖6至圖9說明第一實施例的動力傳輸裝置的運作過程；圖10是本發明電力發動機的第二實施例的主要構件示意圖；圖11是三相線圈繞線示意圖，說明第一實施例的直流無刷馬達使用△型繞線的三相線圈；圖12是一電路圖，說明第一實施例的直流無刷馬達的一驅動電路以及一動態阻尼電路的結構；圖13是三相線圈繞線示意圖，說明第一實施例的動態阻尼電感裝置使用Y型繞線的三相線圈；圖14是一電路動作圖，說明第一實施例的驅動電路的作動方式；圖15說明第一實施例中動態阻尼電感裝置的Y型繞線的三相線圈其中兩相線圈產生電流；及圖16是一電路動作圖，說明第一實施例的驅動電路及動態阻尼電路的作動方式。

參見圖5與圖6所示，本發明具有阻尼功能的電力發動機的第一實施例主要包括一具有阻尼功能的動力傳輸裝置3(以下簡稱動力傳輸裝置3)及一動力源5。如圖6所示，動力傳輸裝置3包含一汽缸300、一第一曲柄軸2及一第二曲柄軸4。其中汽缸300包括一缸體30、一活塞 31、一第一連桿32及一第二連桿33。缸體30具有一直線通道34以及位於直線通道34兩端，並與直線通道34連通的兩個擴大端部35、36。且活塞31設於缸體30的直線通道34內，並能於直線通道34內直線往復運動，第一連桿32的一端與活塞31的一端樞接，且另一端伸入其中一個擴大端部35中，第二連桿33的一端與活塞31的另一端樞接，且另一端伸入其中另一個擴大端部36中。

第一曲柄軸2具有一軸桿21及一由軸桿21徑向凸出且容置於缸體30的擴大端部35中的曲軸臂22，且曲軸臂22與第一連桿32的另一端樞接，藉此，當活塞31直線往復運動時，能經由第一連桿32及曲軸臂22帶動第一曲柄軸2的軸桿21旋轉，而由軸桿21輸出動力。

第二曲柄軸4具有一軸桿41，以及由軸桿41徑向凸出且容置於缸體30的擴大端部36中的一曲軸臂42，且該曲軸臂42與第二連桿33的另一端樞接；直流無刷馬達5(的轉子，圖未示)與第二曲柄軸4的軸桿41軸接，並接受直流電源供電以驅動第二曲柄軸4旋轉，使經由第二連桿33帶動缸體30的活塞31直線往復運動，例如圖6至圖9所示，活塞31直線上下運動而經由第一連桿32帶動第一曲柄軸2的軸桿21旋轉並輸出動力。藉此，當直流無刷馬達5持續驅動第二曲柄軸4旋轉時，缸體30內的活塞31將被第二連桿33帶動而不斷往復直線運動，並同時帶動第一曲柄軸2旋轉並輸出動力，而達到如同傳統汽、機車內燃機的活塞被燃料驅動而在汽缸內做往復運動而帶 動曲柄軸輸出動力的功效。

而且動力源5，例如馬達或任何已知可以輸出動力的裝置，以帶動第二曲柄軸4旋轉，而藉由第二曲柄軸4的曲軸臂42透過第二連桿33帶動缸體30的活塞31往復直線運動，由再活塞31帶動第一曲柄軸2旋轉並輸出動力，此一將旋轉運動轉換成直線運動，再由直線運動轉換成旋轉運動的過程稱之為阻尼效應，該阻尼效應讓輸出動力只會一直往前傳遞而不會往回走，藉此動力源5輸出的動力可以經由汽缸1被完全地傳遞至第一曲柄軸2，使得動力源5可以更節省能源且更有力。

因此，本實施例的具有阻尼功能的電力發動機可以被安裝在汽、機車上，取代汽、機車原本的內燃機，使汽、機車能被直流電力驅動，而產生如同習知汽、機車內燃機帶動曲柄軸輸出動力的效果。

此外，如圖5所示，通常第一曲柄軸2的軸桿21一側會配置一飛輪7，飛輪7是一個轉動慣量很大的圓盤，主要是將動力源5在做功行程中傳送給第一曲柄軸2的功(動力)儲存起來，用以在其它行程中克服阻力，帶動第一曲柄軸2及第一連桿32越過上、下止點，保證第一曲柄軸2的旋轉角速度和輸出轉矩儘可能均勻，並使電力發動機能克服短時間的超載。再者，第一曲柄軸2的軸桿21另一側通常連接一變速箱8，變速箱8可以在汽車行駛過程中，在發動機和車輪之間產生不同的變速比，使發動機工作在其最佳的動力效能狀態下。因此，由第一曲柄軸2輸出 的動力會經過變速箱8進行適當的變速配置及轉換後，再輸出至一驅動軸(圖未示)，使帶動車輪運轉。

再者，如圖10所示，是本發明電力發動機的第二實施例，其與第一實施例唯一不同處在於：本實施例使用四個如圖6所示的動力傳輸裝置3，因此在本實施例中，第一曲柄軸2’需具有四個與該等缸體30中的第一連桿32對應樞接的曲軸臂22，且該等缸體30可以是朝大致相反方向排列，如圖10所示，或者是以互相間隔(360/N)度的方式間隔排列，因此第一曲柄軸2’的四個曲軸臂22也是朝大致相反方向排列，如圖10所示，或者是以互相間隔(360/4)度的方式間隔排列。而且第二曲柄軸4’需具備四個曲軸臂42，且兩相間隔的曲軸臂42是朝大致相反方向凸出，如圖10所示。當然，該等曲軸臂42亦可以互相間隔(360/N)度的方式間隔排列。且該等缸體30中的第二連桿33的一端與該等缸體1中的活塞31對應樞接，而該等第二連桿33的另一端則與第二曲柄軸4’的該等曲軸臂42對應樞接，如圖10所示。藉此，當第二曲柄軸4’被動力源5驅動而旋轉時，即能透過該等動力傳輸裝置3更有力地帶動第一曲柄軸2’旋轉。

而且，上述實施例的動力源5是以一直流無刷馬達為例(以下稱直流無刷馬達5)，其具有一定子(圖未示)，一環繞定子旋轉的轉子(圖未示)，一如圖11所示的繞設在定子上的三相線圈51，以及如圖12所示的一驅動電路52。其中三相線圈51是採△型繞線，三相線圈Lu、Lv、 Lw的頭尾相接而形成三個接點U、V、W，每一相線圈具有一中心接點Un、Vn、Wn，而中心接點Un將線圈Lu分成U1、U2兩段，中心接點Vn將線圈Lv分成V1、V2兩段，中心接點Wn將線圈Lw分成W1、W2兩段。

且如圖12所示，驅動電路52接受直流電源V_DC供電，並透過直流無刷馬達5的三相線圈Lu、Lv、Lw驅動轉子旋轉，其主要包括三個與直流電源V_DC並聯的橋臂(為方便說明，以下稱U相橋臂、V相橋臂及W相橋臂)以及六個阻尼電容Cd。其中每一橋臂各具有一上開關U+、V+、W+、一下開關U-、V-、W-，與各該上開關U+、V+、W+反向並聯的飛輪二極體D，以及與各該下開關U-、V-、W-反向並聯的飛輪二極體D，且該三相線圈Lu、Lv、Lw的三個接點U、V、W各別連接在相對應的各該橋臂的上開關與下開關之間，如圖12所示。

該等阻尼電容Cd各別對應連接在每一相線圈Lu、Lv、Lw的該中心接點Un、Vn、Wn與該直流電源V_DC的正端之間，以及該中心接點Un、Vn、Wn與該直流電源V_DC的負端之間。

且參見圖5與圖10所示，上述實施例還包括一動態阻尼電感裝置6，其經由第二曲柄軸4(4’)被直流無刷馬達5帶動，且其構造類似馬達，亦即動態阻尼電感裝置6亦具有一定子，一與第二曲柄軸4(4’)軸接，以被第二曲柄軸4(4’)帶動而相對定子旋轉的轉子，一如圖13所示的三相線圈61，以及如圖12所示的一動態阻尼電路62。且在 本實施例中，三相線圈61是繞設在動態阻尼電感裝置6的定子上，並且三相線圈Lr、Lt、Ls彼此相連接而形成具有一個中心點N及三個接點R、S、T的Y型繞線，如圖13所示。較佳地，在實際應用上，動態阻尼電感裝置6的轉子是設於定子的外圍而環繞定子旋轉。當然，三相線圈Lr、Lt、Ls也可以繞設在動態阻尼電感裝置6的轉子上，隨轉子31旋轉，並以有刷方式將三相線圈Lr、Lt、Ls產生的電能輸出。

且如圖12所示，動態阻尼電路62包括三個與直流電源V_DC並聯的飛輪二極體組(為方便說明，以下稱R相飛輪二極體組、S相飛輪二極體組及T相飛輪二極體組)、兩個阻尼電容Cd，及一電解電池Va。其中每一飛輪二極體組具有彼此串聯的一第一飛輪二極體D1及一第二飛輪二極體D2，且該三相線圈Lr、Lt、Ls的接點R、S、T分別連接在相對應的各飛輪二極體組的第一飛輪二極體D1及第二飛輪二極體D2之間，如圖12所示。

該兩阻尼電容Cd分別連接在該三相線圈Lr、Lt、Ls的中心點N與該直流電源V_DC的正端之間，以及該中心點N與該直流電源V_DC的負端之間，而電解電池Va與直流電源V_DC並聯。且在本實施例中，直流電源V_DC為一蓄電池，因此儲存於電解電池Va的電能可回充至直流電源V_DC。

因此，如圖14所示，當驅動電路2在一基本周期內控制其中一橋臂，例如U相橋臂的上開關U+與另一橋 臂，例如V相橋臂的下開關V-導通時，U相線圈Lu會經由上開關U+及下開關V-與直流電源V_DC導接而產生磁力推動直流無刷馬達5的轉子運轉，使經由第二曲柄軸4(4’)帶動動態電感裝置6的轉子同步旋轉。藉此，當動態電感裝置6的轉子相對於定子轉動時，會使三相線圈Lr、Lt、Ls產生電流，例如圖15的線圈Lr產生電流，其接點R呈正極而中心點N呈負極，而線圈Lt產生電流，其中心點N呈正極而接點T呈負極。因此，線圈Lr的電流會經由R相飛輪二極體組的第一飛輪二極體D1，對連接在直流電源V_DC的正端與中心點N之間的該阻尼電容Cd充電，而線圈Lt的電流會經由T相飛輪二極體組的第二飛輪二極體D2，對連接在中心點N與直流電源V_DC的負端之間的該阻尼電容Cd充電，且該等阻尼電容Cd會先對該電解電池Va充電(因為此時電解電池Va的電壓準位低於直流電源V_DC)，直到電解電池Va的電壓準位高於直流電源V_DC時，電解電池Va即對該直流電源V_DC充電。

而且，如圖16所示，當驅動電路52的基本周期結束，驅動電路52控制上開關U+與下開關V-不導通時，U相線圈的U1、U2段瞬間會各別產生一反電動勢Vu1、Vu2，其中U1段上的反電動勢Vu1所生成的電流會循最短路徑，經由與U相橋臂的下開關U-並聯的飛輪二極體D，對連接在該U相線圈Lu的該中心接點Un與直流電源V_DC的負端之間的該阻尼電容Cd充電，而U2段上的反電動勢Vu2所生成的電流亦會循最短路徑，經由與V相橋 臂的上開關V+並聯的飛輪二極體D，對連接在該U相線圈Lu的中心接點Un與直流電源V_DC的正端之間的該阻尼電容Cd充電。

此外，有關上述動態阻尼電感裝置6的細部說明可以進一步參見台灣申請案號第104122364號專利申請案。

藉此，由線圈產生之反電動勢所形成的電流將不會流經直流電源V_DC，除了可避免直流無刷馬達5的三相線圈在開關不導通的瞬間產生的高壓反電動勢直接對直流電源V_DC造成衝擊外，還可將三相線圈產生的反電動勢能量儲存在驅動電路52的阻尼電容Cd中，然後再透過動態阻尼電路62的該等阻尼電容Cd提升驅動電路52的該等阻尼電容Cd的電位，使驅動電路52的該等阻尼電容Cd所儲存的電力能順利回充至直流電源V_DC，而有助於省電並將電能回收再利用。

因此，上述實施例藉由動力源(直流無刷馬達)5驅動第二曲柄軸4(4’)旋轉，使透過動力傳輸裝置3帶動第一曲柄軸2(2’)同步運作而輸出動力，達到如同習知汽、機車內燃機的功能，而能取代習知汽、機車的內燃機，使汽、機車能被直流電力驅動，並藉由動態阻尼電感裝置6的運作，達到本發明兼具省電及高效能的功效與目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與 修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (6)

1. 一種具有阻尼功能的動力傳輸裝置，包括：一汽缸，其包含：一缸體，其具有一直線通道以及位於該直線通道兩端，並與該直線通道連通的兩個擴大端部；一活塞，其設於該缸體的該直線通道內，並能於該直線通道內直線往復運動；一第一連桿，其一端與該活塞的一端樞接，另一端伸入該兩個擴大端部其中之一；及一第二連桿，其一端與該活塞的另一端樞接，另一端伸入該兩個擴大端部其中另一；一第一曲柄軸，具有一軸桿及一由該軸桿徑向凸出且容置於該缸體的該兩個擴大端部其中之一的曲軸臂，且該曲軸臂與該第一連桿的另一端樞接；以及一第二曲柄軸，具有一軸桿及一由該軸桿徑向凸出且容置於該缸體的該兩個擴大端部其中另一的曲軸臂，且該曲軸臂與該第二連桿的另一端樞接。
2. 一種具有阻尼功能的電力發動機，包括：一如請求項1所述的具有阻尼功能的動力傳輸裝置；及一動力源，用以驅動該第二曲柄軸旋轉，使該第二曲柄軸的該曲軸臂經由該第二連桿帶動該汽缸的該活塞往復運動，而使與該活塞樞接的該第一連桿帶動該第一曲柄軸旋轉並輸出動力。
3. 如請求項2所述的具有阻尼功能的電力發動機，其中該動力源接受一直流電源供電，且該電力發動機還包括一動態阻尼電感裝置，其包含：一定子；一轉子，其與該第二曲柄軸的該軸桿軸接，以被該第二曲柄軸帶動而相對該定子旋轉；三相線圈，繞設在該定子或該轉子其中之一，且該三相線圈彼此相連接而形成具有一個中心點及三個接點的Y型繞線；及一動態阻尼電路，其具有三個與該直流電源並聯的飛輪二極體組及兩個阻尼電容，每一飛輪二極體組具有串聯的一第一飛輪二極體及一第二飛輪二極體，每一相線圈的接點連接在對應的該飛輪二極體組的該第一飛輪二極體及該第二飛輪二極體之間，該兩阻尼電容分別連接在該中心點與該直流電源的正端之間，以及該中心點與該直流電源的負端之間，該轉子相對於該定子轉動，會使該三相線圈產生電流而經由該其中一飛輪二極體組的第一飛輪二極體，對連接在該直流電源的正端與該中心點之間的該阻尼電容充電，並經由該另一飛輪二極體組的第二飛輪二極體，對連接在該中心點與該直流電源的負端之間的該阻尼電容充電，以由該等阻尼電容將儲存的電力回充至該直流電源。
4. 如請求項3所述的具有阻尼功能的電力發動機，其中該直流電源為一蓄電池，該動態阻尼電路還包含一與該蓄 電池並聯的電解電池，且該動態阻尼電路的該等阻尼電容會先對該電解電池充電，再由該電解電池對該直流電源充電。
5. 如請求項3所述的具有阻尼功能的電力發動機，其中每一飛輪二極體組的該第一飛輪二極體的陰極與該直流電源的正端電耦接，該第二飛輪二極體的陰極與該第一飛輪二極體的陽極電耦接，且該第二飛輪二極體的陽極與該直流電源的負端電連接。
6. 如請求項3所述的具有阻尼功能的電力發動機，其中該動力源是一直流無刷馬達，其包含一驅動電路，該驅動電路與該直流電源電耦接並包含多個阻尼電容，該驅動電路瞬間產生之一反電動勢會對該等阻尼電容放電，且該動態阻尼電路會提升該驅動電路的該等阻尼電容的電壓準位，使該驅動電路的該等阻尼電容所儲存的電能回充至該直流電源。