TWI738090B

TWI738090B - 藉由磁力提高扭力之電機

Info

Publication number: TWI738090B
Application number: TW108137579A
Authority: TW
Inventors: 許又山
Original assignee: 石宇動力能有限公司; 許又山
Priority date: 2019-10-18
Filing date: 2019-10-18
Publication date: 2021-09-01
Also published as: TW202118194A

Abstract

一種藉由磁力提高扭力之電機具有一轉軸、一動力馬達，其連接到該轉軸，以轉動該轉軸、一轉子，固套於該轉軸，其具有非鐵磁性材料所製成之一外環，多個永久磁鐵均勻的設置在該外環、一固定架具有多個電磁鐵及多個固定磁鐵，其均勻設置在該轉子外環邊緣，且該多個電磁鐵及多個固定磁鐵可與該多個永久磁鐵間產生磁力交互作用、一電流導通器，使得當該轉子相對於一固定電刷的多個相位角範圍內可導通電流至該多個電磁鐵，以產生磁場，據以與該多個永久磁鐵間產生磁力交互作用並配合外環之轉動慣量，進而推動該轉子。

Description

藉由磁力提高扭力之電機

一種電機，尤指一種藉由磁力配合轉子的轉動慣量之藉由磁力提高扭力之電機。

目前一般馬達透過在轉子與定子分別架設永久磁鐵與電磁鐵以相對磁力方式使該馬達進行運轉，以輸出扭力，惟，由於永久磁鐵本身將可能因眾多因素使其內部的磁原子排列出現不一致的情形，即非單一方向排列，致使永久磁鐵表面各區塊將產生不同之磁力，如此一來，因永久磁鐵與電磁鐵間的相對磁力而運轉之方式，將因為磁力的不穩定，使其將無法達到預先設計的扭力輸出。

為了解決上述問題，本發明以一種藉由磁力提高扭力之電機來輔助現有的動力馬達，並藉由轉子的轉動慣量以及重新吸磁之設計，使整體可輸出預先設計之扭力。

本發明提供一種藉由磁力提高扭力之電機，能有效解決上述現有技術的問題，其主要技術手段包含：一種藉由磁力提高扭力之電機，包含：一轉軸，具有一柱狀外形及相對應該柱狀外形的一軸心線；一動力馬達，連接到該轉軸，以轉動該轉軸；一轉子，固套於該轉軸，可與該轉軸一起以該軸心線為軸來轉動，且包含：一外環，係一非鐵磁性材料所製成，包含N個均勻設置在該外環邊緣的永久磁鐵；一固定架，其包含複數個電磁鐵，其均勻設置在該外環邊緣之外，且該N個電磁鐵可與該N個永久磁鐵間產生磁吸力或磁斥力；一電流導通器，可使得當該轉子處於一第一相位角範圍至一第N相位角範圍時，以一電流驅動該複數個電磁鐵以產生一磁場，N為大於2的整數。

其中該外環進一步包含N個開口凹槽，該N個永久磁鐵係一對一的分別固設於該N個開口凹槽內。

其中，該外環進一步包含複數個均勻分布的非磁性的重物，以增加外環的轉動慣量。

其中，該電流導通器進一步包含：一第一電刷；一第二電刷；一轉筒，該轉筒為圓筒狀，固套於該轉軸，跟著該轉軸的轉動而一起轉動，且其包含：N個電極，在該第一相位角範圍至該第N相位角範圍時，該N個電極中的一個會電連接到一第一電壓。

其中該N個電極中，任一相鄰的兩個電極間具有一360°/N的張角。

上述藉由磁力提高扭力之電機，進一步包含：複數個固定磁鐵，一對一緊鄰著且固設於該複數個電磁鐵。

因此本發明一種藉由磁力提高扭力之電機可以整合現有的動力馬達，使整體能輸出預先設計本電機之扭力，可達成本發明的目的。

1:藉由磁力提高扭力之電機

2:動力馬達

3:負載

4:轉子

7:電流導通器

10:固定架

11:底座

12:第一支架

13:第二支架

14:第三支架

15:第四支架

17:頂座

18:第一固定座

19:第二固定座

21:第一皮帶

22:第一皮帶輪

31:第二皮帶輪

32:第二皮帶

42:轉軸

44:轉盤

46:外環

71~72:第一電刷~第二電刷

77:轉筒

91:直流電壓源

93:驅動電路

171~174:第一支撐柱~第四支撐柱

430、431~439:第十構件、第一構件~第九構件

441:第一突起

442:第一軸孔

451:第二突起

461~468:第一固定磁鐵~第八固定磁鐵

469:固定磁鐵組

471~478:第一導電線圈~第八導電線圈

481~488:第一永久磁鐵~第八永久磁鐵

489:永久磁鐵組

491~498:第一電磁鐵~第八電磁鐵

499:電磁鐵組

501~508:第一開口凹槽~第八開口凹槽

511:重物

701~708:第一電極~第八電極

709:溝槽

716:第一電刷頭

717:第一彈簧

718:第一電刷固定座

761:第一導電環

762:第一導電柱

801~802:螺孔

A:第一中心軸線

B:第二中心軸線

C:第一轉動方向

圖1A~1B係本發明一種藉由磁力提高扭力之電機的外觀示意圖。

圖2係本發明一種藉由磁力提高扭力之電機的一爆炸圖。

圖3A~3B係本發明一種藉由磁力提高扭力之電機的一剖面圖。

圖4A~4H係本發明一種藉由磁力提高扭力之電機的相位示意圖。

圖5係本發明一種藉由磁力提高扭力之電機的電源電刷示意圖。

圖6係本發明一種藉由磁力提高扭力之電機的電刷立體結構示意圖。

圖7係本發明一種藉由磁力提高扭力之電機的電路方塊圖。

請參閱圖1A~3B所示，在一實施例中，本發明藉由磁力提高扭力之電機1具有一動力馬達2、一轉軸42、一轉子4。該動力馬達2經由一第一皮帶21及一第一皮帶輪22與該轉軸42連接，以轉動該轉軸42，同時該轉軸42經由第二皮帶32及第二皮帶輪31與一外接負載3連接，以傳送動力給外接負載3。

上述藉由磁力提高扭力之電機1進一步具有一固定架10、一底座11、一頂座17、一第一固定座18、一第二固定座19、一第三支架14、一第四支架15、一第一支撐柱171、一第二支撐柱172、一第三支撐柱173、一第四支撐柱174；其中，該固定架10、該第三支架14及該第四支架15均固設於該底座11之上，為主要的支撐結構；該第一支撐柱171及該第二支撐柱172係固設於該第三支架14之上，該第三支撐柱173及該第四支撐柱174係固設於該第四支架15之上，該頂座17係固設於該第一支撐柱171、該第二支撐柱172、該第三支撐柱173及該第四支撐柱174之上，該動力馬達2則固設於該頂座17之上，該頂座17係位於該固定架10的上方。

該固定架10具有該第一支架12、該第二支架13，以及均勻固設於該第一支架12與該第二支架13之間，8個相同的的一第一電磁鐵491至一第八電磁鐵498，該第一電磁鐵491至該第八電磁鐵498構成了一電磁鐵組499，用於提供一組位置、方向及極性均為固定的磁場，該第一至該第八電磁鐵491~498皆具有一外殼及一本體，該電磁鐵外殼的兩側均具有多個螺孔802，其可經由多個螺絲與該第一、該第二支架上的多個螺孔801固鎖在一起，該第一電磁鐵491至該第八電磁鐵498各自具有第一導電線圈471至第八導電線圈478分別纏繞於一軟鐵心，當該第一導電線圈471至第八導電線圈478流過一輸入電流時，可使該第一電磁鐵491至該第八電磁鐵498分別產生一磁場，該輸入電流僅有一固定流動方向，且該輸入電流流動時所產生的磁場亦僅有一固定的極性及方向。

另外，還有一第一固定磁鐵461至一第八固定磁鐵468分別緊鄰著且固設於該第一電磁鐵491至該第八電磁鐵498，該第一固定磁鐵461至該第八固定磁鐵468均為永久磁鐵且構成了一固定磁鐵組469。

另外，該第一固定座18係固設於該第三支架14之上，該第二固定座19係固設於該第四支架15之上，該第一固定座18與該第二固定座19均具有一固定通孔，該轉軸42係樞設於該第一固定座18的固定通孔與該第二固定座19的固定通孔。另外，該轉軸42具有類似一圓柱的形狀及相對應的一第一中心軸線A，該轉子4具有類似一圓盤的形狀及相對應的一第二中心軸線B，該轉子4係以上述第一中心軸線與上述第二中心軸線重合的方式，固套於該轉軸42，使得該轉軸42與該轉子4同軸緊密的結合在一起且彼此不會有相對運動。

請參閱圖2、3A、3B所示，該轉子4具有一轉盤44、一非鐵磁性材料所製成之外環46，其中，該轉盤44為圓盤形狀且具有一第一突起441、一第二突起451、一第一軸孔442，該第一突起441及該第二突起451分別位於該第一轉盤44的兩個相對面上，該第一軸孔442則貫穿該第一轉盤44、該第一突起441以及該第二突起451。該外環46的徑向外表面上，均勻設置有一第一開口凹槽501至一第八開口凹槽508，該第一至該第八開口凹槽501~508內，分別固設相同且形狀均為矩形體的一第一永久磁鐵481至一第八永久磁鐵488，用於提供固定極性的磁場，該第一永久磁鐵481至該第八永久磁鐵488構成了一永久磁鐵組489。該第一永久磁鐵至該第八永久磁鐵，緊貼且未凸出於該外環46的徑向外表面，如此可縮短該第一至該第八永久磁鐵與該第一至第八電磁鐵間接近時的最小距離，以增大其彼此間的最大磁吸力或最大磁斥力；該第一永久磁鐵481至該第八永久磁鐵488會隨著該外環46一起轉動，而該第一電磁鐵491至第八電磁鐵498與該第一固定磁鐵461至該第八固定磁鐵468是固定的，不會隨著該外環46的轉動而改變位置。外環46的內部可以進一步均勻對稱的設置一些重物511，如非磁性的金屬物件，以增加該外環46的轉動慣量。該第一轉盤44的材質必須是非鐵磁性的，例如銅或其他非磁性的金屬及合金。關於該第一至該第八電磁鐵491~498所產生的固定極性磁場與該第一固定磁鐵461至該第八固定磁鐵468所產生的固定極性磁場，其南北磁極連線的方向係垂直交於該第一中心軸線A，而該第一至該第八永久磁鐵481~488所產生的固定極性磁場，其南北磁極連線的方向係垂直交於該第二中心軸線B。其中該第一固定磁鐵461至該第八固定磁鐵468所產生的磁場是用來調節該第一至該第八永久磁鐵481~488的磁原子排列成單一方向，以穩定該第一至第八永久磁鐵481~488所產生的磁場，以使該轉子4能更穩定的旋轉。

請參閱圖1A、1B、2、3A、5所示，該轉軸42係搭配一第一構件431至一第七構件437來樞接於該第一固定座18的固定通孔與該第二固定座19的固定通孔，該第一至該第七構件431~437係具有軸承的功能，使得該轉軸42結合該轉子4後，可一起依該第一固定座18的固定通孔與該第二固定座19的固定通孔所形成的軸線(即該第一中軸線A)為軸來旋轉。同時該轉軸42進一步結合一電流導通器7，並搭配一第八構件438、一第九構件439、與一第十構件430，以形成包覆該電流導通器7的一結構，該第八構件438為一筒狀外殼且具有一筒狀的內部空間，該第八構件438與該第十構件430固結於該第二固定座19的固定通孔，該第九構件439則與該第八構件438之一端蓋合，因此該第八構件438、該第九構件439與該第十構件430是固定的，不會隨著轉子4的轉動而改變位置，同時，該第八構件438具有2個固定孔。

請參閱圖2、4A~5所示，該電流導通器7包含一第一電刷71與一第二電刷72、及一轉筒77，該第一電刷71與該第二電刷72係經由上述2個固定孔固設於該第八構件438，故該第一電刷71與該第二電刷72不會因轉子4的轉動而改變位置，該轉筒77為圓筒狀，其固套於該轉軸42，並位於該第八構件438之內部空間，故該轉筒77會被轉子4帶動而隨之一起轉動，該轉筒77的表面具有一第一電極701至一第八電極708等8個完全相同的電極，其係均勻對稱的分布在該轉筒77的圓筒形表面上，且該第一電極701至一第八電極708中的任兩個電極間均為絕緣狀態；另外，該第一電極701至該至該第八電極708均呈直條狀且均平行於該第一中心軸線A，且該直條狀的兩側邊緣皆有凹陷之溝槽709，以利達成上述電極間的絕緣狀態。另外該轉筒77的表面還具有一第一導電環761以及8個第一導電柱762，該第一電極701至一第八電極708一對一的電連接到8個第一導電柱762，然後8個第一導電柱762再電連接到該第一導電環761，然後該第一導電環761再電連接到該第一電刷71。

根據圖4A~4H，該轉筒77係作一周而復始之轉動，而該第二電刷72係為固定，因此該轉筒77與該第二電刷72彼此間係存在一相對的相位角，另外，該第二電刷72與該第一電極701只有在某一相位角範圍內方能因相互接觸而形成電連接，故可以該第二電刷72與該第一電極701電連接與否，來定義一第一相位角範圍，例如圖4A中所示，該第二電刷72與該第一電極701電連接，此時該轉筒77與該第二電刷72彼此間的相位角即是在該第一相位角範圍之內；同理，圖4B~4H中該第二電刷72分別與該第二電極702至第八電極708電連接，此時該轉筒77與該第二電刷72彼此間的相位角即分別在一第二相位角範圍之內至一第八相位角範圍之內。例如：以該第一中心軸線A為圓心，該第一電極701至該第八電極708均具有A°的張角，該第一電極701至該第八電極708中相鄰的電極間均具有B°的張角，則該第一相位角的範圍可為(0°~A°)，以此類推，該第二相位角的範圍可為(B°~(A°+B°))，該第三相位角的範圍可為(2B°~(A°+2B°))，該第四相位角的範圍可為(3B°~(A°+3B°))，該第五相位角的範圍可為(4B°~(A°+4B°))，該第六相位角的範圍可為(5B°~(A°+5B°))，該第七相位角的範圍可為(6B°~(A°+6B°))，該第八相位角的範圍可為(7B°~(A°+7B°))，多個溝槽709均有C°的張角，其中B的值為45(360/8=45)，且A+C的值可為7.5(360/8×6=7.5)，如A的值可為6.5，C的值可為1。

請參閱圖6所示，該第一電刷71具有一第一電刷固定座718、一第一電刷頭716及一第一彈簧717，該第一電刷固定座718係用於將該第一電刷71固定於該第八構件438的一個固定孔，該第一電刷頭716則是用於直接接觸該轉筒77的圓形表面的該第一導電環761的圓形表面；至於該第二電刷72的結構與功能與該第一電刷71的結構與功能相同，且該第二電刷72則是用於直接接觸該轉筒77的圓形表面的該第一電極701至該第八電極708的表面。

請參閱圖5、7所示，上述該第一電極701至該第八電極708的電壓均由一直流電壓源91所提供，該直流電壓源91具有一電壓輸出端以輸出一直流電壓，該直流電壓源91的該電壓輸出端係電連接至該第二電刷72，然後經由該第二電刷72在該轉筒77旋轉一圈時，分別在第一相位角範圍內電連接到該第一電極701、在第二相位角範圍內電連接到第二電極702、...、以及在第八相位角範圍內電連接到該第八電極708，該第一電極701至該第八電極708再一對一電連接到8個第一導電柱762，然後8個第一導電柱762再電連接到該第一導電環761，然後該第一導電環761再電連接到該第一電刷71，然後該第一電刷71再電連接到一驅動電路93，然後該驅動電路93再電連接到該電磁鐵組499中的第一至第八導電線圈471~478，以驅動該電磁鐵組499來產生磁場，使得該電磁鐵組499和該固定磁鐵組469均與該永久磁鐵組489彼此間產生磁力的交互作用，並據以使該轉子4產生輔助該第一轉動方向C的扭力。其中，該驅動電路93具有至少兩個輸出端點，以輸出一直流電流迴路；上述該第一至第八導電線圈471~478可為一串聯結構(圖未示)，該串聯結構具有兩個端點，分別電連接到該驅動電路93的兩個輸出端點，因此當該驅動電路93的兩個輸出端點輸出一直流電流時，該電磁鐵組499中的該第一電磁鐵491至該第八電磁鐵498會同時產生磁場。其中，該直流電壓源91與該驅動電路93均具有一接地端，且該直流電壓源91與該驅動電路93的接地端均電連至一共同接地端。其中該第一電刷71與該第二電刷72為固定件，不會因轉子4的轉動而改變位置，而上述第一導電環761以及上述8個第一導電柱762均是該轉筒77的一部份，因此會被該轉子4帶動而隨之一起轉動，因此即使該第一導電環761在轉動中，仍可分別與該第一電刷71保持電連接的狀態。其中，該第一導電環761為導電的環狀體如導電非磁性金屬環。

綜上，當該轉子4產生輔助該第一轉動方向C的扭力時，該轉子4帶動該轉軸42與前述第二皮帶32與第二皮帶輪31以提供動力給該負載3，如此，即可達到上述「藉由磁力提高扭力之電機，整合現有的動力馬達，使整體能輸出預先設計本電機之扭力」的發明目的。