TWI668942B - 微水力發電機 - Google Patents

Abstract

一種微水力發電機，用以解決習知發電機在微水力環境的發電量不穩定的問題。係包含：一外定子，由數個槽部環繞組合，各該槽部具有二槽壁係沿該外定子之軸向方向設置，二相鄰之該槽部之間設置一永久磁鐵，各該永久磁鐵的磁極相鄰且同極性相對，又數個線圈分別繞設於各該永久磁鐵及其二側之該二槽壁；及一內轉子，由數個齒部環設於該內轉子之外周面，該內轉子穿伸於該外定子，使該數個齒部相對於該數個槽部。

Description

微水力發電機

本發明係關於一種微水力發電機，尤其是一種在規模較小的水力條件下可以高效率運轉的的微水力發電機。

利用太陽能、風力及水力等可再生能源發電，因為受限於能量轉換效率及後續供給效率，一般是以大規模集中的方式進行電能轉換、儲存及供應，以減少過程中發生的能量消耗，但為了取用自然能源而設置大型的發電機構，容易對環境產生負擔而需要種種配套措施，導致開發困難及大量的成本支出。

相對而言，微型可再生能源發電系統對環境的影響有限，且容易安裝與維護，並可針對戶用型及區域性功效做設計應用。但相比於太陽能及風力的微型發電及其運用的普遍及多樣性，利用微水力發電的應用有限，然而對於密集但規模小的水文環境，相較於興建水庫更適合大量設置小型化的微水力發電機，可確保穩定的能源供應，且不存在設置水庫導致環境破壞及使用壽命有限等缺點。

習知水力發電機的理論輸出發電量係流量、落差及重力加速度的乘積，由於轉換電能過程中的能量耗損，實際發電量需再乘上發電效率，習知水力發電機設置於高流量、高落差的環境，可產生數千kW甚至十萬kW以上的發電規模，且發電效率可接近80%，然而，習知水力發電機設置於低流量、低落差的微水力環境，例如：地表湧泉、川流、伏流水 及農業用水等，其發電規模僅1~5kW，而發電效率約為40%，係因為微水力環境提供的動力來源不穩定，導致發電轉速變動，而不利於習知的水力發電機轉換電能。

有鑑於此，為適用於微水力環境，習知的水力發電機仍有加以改善之必要。

為解決上述問題，本發明提供一種微水力發電機，具有高轉矩密度，提高發電效率。

本發明的目的提供一種微水力發電機，適合以低轉速且高扭矩運轉，提供穩定的發電量。

本發明以下所述方向性或其近似用語，例如「內」、「外」、「側面」等，主要係參考附加圖式的方向，各方向性或其近似用語僅用以輔助說明及理解本發明的各實施例，非用以限制本發明。

本發明的微水力發電機，包含：一外定子，由數個槽部環繞組合，各該槽部具有二槽壁係沿該外定子之軸向方向設置，二相鄰之該槽部之間設置一永久磁鐵，各該永久磁鐵的磁極相鄰且同極性相對，又數個線圈分別繞設於各該永久磁鐵及其二側之該二槽壁，各該永久磁鐵之徑向長度為15.5mm~24.5mm；及一內轉子，由數個齒部環設於該內轉子之外周面，該內轉子穿伸於該外定子，使該數個齒部相對於該數個槽部。

據此，本發明的微水力發電機，應用於低流量、低落差的水力環境，藉由高轉矩密度特性的外定子與內轉子組合，可以低轉速運轉並維持穩定的發電量，以及可降低該內轉子的磁飽和現象，係具有降低能量耗損的功效。

其中，各該槽部之一開口端設於該外定子之內周面，及各該槽部之一封閉端設於該外定子之外周面。如此，可成為磁路通過路徑，係 具有引導磁通量以不同大小、方向通過的功效。

其中，該二槽壁設於各該開口端與各該封閉端之間。如此，係具有引導並集中磁通量的功效。

其中，該內轉子之二相鄰該齒部之間具有一展開角，該展開角係10度~15度。如此，可降低該內轉子的磁飽和現象，係具有降低能量耗損的功效。

其中，各該齒部之二側邊各具有一傾斜角，該傾斜角係5度~15度。如此，可降低齒部與槽部之間的轉矩，係具有提升電能轉換效率的功效。

其中，各該齒部係凸出一高度於該內轉子之外周面，該高度係6.6mm~10.6mm。如此，可降低齒部與槽部之間的轉矩，係具有提升電能轉換效率的功效。

其中，各該齒部與各該槽部之各該槽壁之間具有一氣隙，該氣隙係0.5mm~0.9mm。如此，可降低該內轉子的磁飽和現象，係具有降低能量耗損的功效。

其中，該數個槽部之數量為偶數，且該數個齒部之數量為奇數。如此，可降低頓轉扭矩，係具有降低噪音及能量耗損的功效。

其中，各該齒部兩端沿該內轉子之外周面的連線相對於該內轉子之該中心軸具有一偏移角，該偏移角係3~6度。如此，可降低頓轉扭矩，係具有降低噪音及能量耗損的功效。

1‧‧‧外定子

11‧‧‧槽部

111‧‧‧開口端

112‧‧‧封閉端

113‧‧‧槽壁

12‧‧‧永久磁鐵

13‧‧‧線圈

2‧‧‧內轉子

21‧‧‧齒部

22‧‧‧中心軸

θ₁‧‧‧展開角

θ₂‧‧‧傾斜角

D‧‧‧高度

L‧‧‧徑向長度

G‧‧‧氣隙

第1圖：本發明一較佳實施例的分解立體圖。

第2圖：本發明一較佳實施例的組合正面圖。

第3圖：如第2圖所示的局部構造放大圖。

第4圖：如第3圖所示的磁路變化情形圖。

第5圖：如第3圖所示的磁路變化情形圖。

第6圖：如第3圖所示的磁路變化情形圖。

第7圖：如第3圖所示的磁路變化情形圖。

第8圖：本發明第二實施例的局部構造立體圖。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係本發明微水力發電機的第一實施例，係包含一外定子1及一內轉子2，該內轉子2沿該外定子1及該內轉子2之共同中心軸，穿伸於該外定子1內，使該內轉子2可相對於該外定子1同軸旋轉。

請參照第2圖所示，該外定子1由數個槽部11環繞組合，各該槽部11可以是數個矽鋼片堆疊而成；各該槽部11之一開口端111設於該外定子1之內周面，又，各該槽部11之一封閉端112設於該外定子1之外周面，各該開口端111與各該封閉端112之間具有二槽壁113，各該槽壁113係沿該外定子1之軸向方向設置，二相鄰之該槽部11之間由各該槽壁113形成一溝部，各該溝部設置一永久磁鐵12，各該永久磁鐵的磁極相鄰且同極性相對，則該數個槽部11之數量為偶數，另外，該外定子1還具有數個線圈13，各該線圈13繞設於各該永久磁鐵12及其二側之該二槽壁113。

該內轉子2由數個齒部21環設於該內轉子2之外周面，使該數個齒部21相對於該數個槽部11，且該數個齒部21之數量較佳為奇數，又，該內轉子2可以是數個矽鋼片沿軸向方向堆疊而成，另外，該內轉子2之一中心軸22可結合一扇葉(圖未繪示)。

請參照第3圖所示，二相鄰該齒部21之間具有一展開角θ₁，該展開角θ₁較佳為10度~15度且最佳為12.5度；各該齒部21之二側邊各具有一傾斜角θ₂，該傾斜角θ₂較佳為5度~15度且最佳為10度，則各該齒部21之寬度沿該內轉子2的徑向方向漸縮；各該齒部21係凸出一高度D於該內轉子2之外周面，該高度D較佳為6.6mm~106mm且最佳為8.6mm；各該永久磁鐵12之徑向長度L較佳為15.5mm~24.5mm且最佳為20mm；各該齒部21與各該槽部11之各該槽壁113之間具有一氣隙G，該氣隙G較佳為0.5mm~0.9mm且最佳為0.7mm。如此，可有效降低該內轉子2的磁飽和現象及各該齒部21的轉矩，具有優化電能轉換效率的功效。

請參照第4至7圖所示，據由前述結構，該內轉子2由微水力驅動旋轉，使各該齒部21與各該槽部11之相對位置改變，導致磁通量經過不同的磁路，而通過各該線圈13的磁通量產生變化，則各該線圈13可感應產生弦波電動勢。如第4圖所示，封閉磁路經過二相鄰之該槽壁113，且該二槽壁113內的磁通量方向係同時往內，使環繞該該二槽壁113之該線圈13有最大磁通量通過，並產生正向感應電動勢；如第5圖所示，封閉磁路經過不同路徑，使該二槽壁113內的磁通量方向相反，則該線圈13無磁通量通過；如第6圖所示，該二槽壁113內的磁通量方向係同時向外，使環繞該該二槽壁113之該線圈13有最大磁通量通過，並產生反向感應電動勢；如第7圖所示，該二槽壁113內的磁通量方向相反，則該線圈13無磁通量通過。

當各該槽部11的數量係偶數，且各該齒部21的數量係奇數，則該內轉子1旋轉過程中，各該齒部21與各該槽部11之相對位置各不相同，使各該齒部21與各該槽部11產生的頓轉扭矩不會疊加，可有效降低頓轉扭矩造成的噪音及能量耗損。

請參照第8圖所示，本發明微水力發電機的第二實施例大致 上同於上述的第一實施例，其主要差異在於該內轉子2之各該齒部21沿該內轉子2之外周面傾斜，使各該齒部21兩端沿該內轉子2之外周面的連線相對於該內轉子2之該中心軸22具有一偏移角，該偏移角較佳為3~6度。如此，各該齒部21的不同段落相對各該槽部11的不同位置，使各該齒部21的不同段落產生不同時序的頓轉扭矩，可有效較低整體的頓轉扭矩，且具有降低發電機啟動轉矩的功效。

綜上所述，本發明的微水力發電機，應用於低流量、低落差的水力環境，藉由高轉矩密度特性的外定子與內轉子組合，可以低轉速運轉並維持穩定的發電量，且優化分析齒部及槽部的配置，及選用傾斜式內轉子，可提高電能轉換效率，並降低頓轉扭矩造成的噪音及能量耗損。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此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。

Claims (9)

1. 一種微水力發電機，包含：一外定子，由數個槽部環繞組合，各該槽部具有二槽壁係沿該外定子之軸向方向設置，二相鄰之該槽部之間設置一永久磁鐵，各該永久磁鐵的磁極相鄰且同極性相對，又數個線圈分別繞設於各該永久磁鐵及其二側之該二槽壁，各該永久磁鐵之徑向長度為15.5mm~24.5mm；及一內轉子，由數個齒部環設於該內轉子之外周面，該內轉子穿伸於該外定子，使該數個齒部相對於該數個槽部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微水力發電機，其中，各該槽部之一開口端設於該外定子之內周面，及各該槽部之一封閉端設於該外定子之外周面。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微水力發電機，其中，該二槽壁設於各該開口端與各該封閉端之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微水力發電機，其中，該內轉子之二相鄰該齒部之間具有一展開角，該展開角係10度~15度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微水力發電機，其中，各該齒部之二側邊各具有一傾斜角，該傾斜角係5度~15度。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微水力發電機，其中，各該齒部係凸出一高度於該內轉子之外周面，該高度係6.6mm~10.6mm。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微水力發電機，其中，各該齒部與各該槽部之各該槽壁之間具有一氣隙，該氣隙係0.5mm~0.9mm。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微水力發電機，其中，該數個槽部之數量為偶數，且該數個齒部之數量為奇數。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微水力發電機，其中，各該齒部兩端沿該內轉子之外周面的連線相對於該內轉子之該中心軸具有一偏移角，該偏 移角係3~6度。