TWI761937B

TWI761937B - 具有外轉子結構的發電機

Info

Publication number: TWI761937B
Application number: TW109129984A
Authority: TW
Inventors: 陳合豊; 李宜彥
Original assignee: 利愛電氣股份有限公司
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2022-04-21
Also published as: JP2022042456A; TW202211592A; JP7015583B1

Abstract

本發明主要揭示一種發電機，其包括：一筒形轉子、複數個磁鐵、一定子座、一定子鐵芯、以及一軸承組。其中，該定子座包括：一盤體以及一中空連接軸。並且，該筒形轉子具有一第一開口以及一容置空間。根據本發明之設計，該定子座設置於該筒形轉子的該容置空間之中，且該定子鐵芯套設該中空連接軸且設置於該容置空間之中。透過所述筒形轉子的設計，令本發明之發電機具有高散熱性、以及高穩定性的優點。

Description

具有外轉子結構的發電機

本發明係關於風力發電系統的技術領域，特別是指應用於垂直軸風力發電系統之中一種具有外轉子結構的發電機。

電能對於人們的日常生活中已是極為重要的一部分。然而，目前全球的電能大多是透過火力發電產生的；其中，火力發電主要是以燃燒石油、煤、天然氣等化石燃料。眾所周知的是，火力發電的產物將影響大氣層中的臭氧濃度，使得溫室效應更加嚴重。並且，用於火力發電的燃料亦日漸消耗，可想而知的是，若沒有將永續且環保的再生能源發展至穩定且可代替火力發電的話，全球將面臨能源的危機與短缺。因此，改善與提升再生能源的效率與構造以替代傳統火力發電的發電方法，已成為全球相關業者亟欲發展與解決的方向。

再生能源包括有風力發電、太陽能發電、地熱發電、潮汐發電等。風力發電一種透過電磁感應(Electromagnetic induction)原理來將機械能轉換為電能的發電方法，其主要包含有一轉子及一定子，該轉子與定子上設置有線圈或永久磁鐵。當所述轉子轉動時，會造成通過該轉子或定子之線圈的磁通量產生變化，進而令線圈產生感應電流以達到發電的目的。值得注意的是，根據統計資料顯示，2005年全球風力發電總容量為59GW，到了2015年全球風力發電總容量成長到高達432GW。由此可以得知，風力發電已受到全球相關業者的重視與使用。其中，現有的風力發電機大部分使用內轉子結構；然而，具有內轉子結構的風力發電機具有散熱不易、低轉動慣量、低發電效率、低穩定性以及漆包線使用量多等缺點。

由上述可以得知，現有的風力發電機其有所不足而仍有所改善空間。有鑑於此，本發明之創作人係極力加以研究創作，而終於研發完成本發明之一種應用於垂直軸風力發電的發電機。

本發明之發電機係包括：一筒形轉子、複數個磁鐵、一定子座、一定子鐵芯、以及一軸承組。其中，該定子座包括：一盤體以及一中空連接軸。並且，該筒形轉子具有一第一開口以及一容置空間。根據本發明之設計，該定子座設置於該筒形轉子的該容置空間之中，且該定子鐵芯套設該中空連接軸且設置於該容置空間之中。如此設置，外部的風力處於低風速或無風速之時，該發電機為一馬達狀態以低轉速的速度進行運轉。另一方面，所述風力的風速到達一特定值之時，該發電機為一發電狀態，以透過外部的風力進行發電，且透過本發明之外轉子的設計，令應用本發明之發電機具有較大的轉動慣量以及穩定性高的優點。

為了達成上述本發明之主要目的，本案之發明人係提供所述發電機之一實施例，係包括：一筒形轉子，具有一第一開口以及一容置空間；複數個磁鐵，沿著該筒形轉子的內表面呈放射狀間隔排列設置；一定子座，設置於該容置空間之中，且包括：一盤體，其中心具有一穿孔；一中空連接軸，沿著該穿孔的外緣連接於該盤體；一定子鐵芯，係套設該定子座，且沿著其外表面間隔地形成有複數個繞線件，用以纏繞複數個繞組線；以及一軸承組，係位於該定子座與該筒形轉子之間；其中，外部的風力處於低風速或無風速之時，該發電機處於一馬達狀態以低轉速進行運轉；其中，外部風力的風速到達一特定值之時，該發電機處於一發電狀態以透過外部的風力帶動複數個葉片以及該筒形轉子轉動，進而發電。

於本發明之所述發電機的實施例之中，更包括：一軸承蓋，係卡合於該筒形轉子的一第二開口之中，且該中空連接軸的末端卡合於其中。

於本發明之所述發電機的實施例之中，其中，所述筒形轉子從其第二開口的外緣處向內延伸形成一環狀體，且該環狀體的頂端口具有一止檔環。

於本發明之所述發電機的實施例之中，其中，所述軸承組包括：一第一軸承，係套設於該中空連接軸，且位於該止擋環下方；一第二軸承，係套設於該中空連接軸且位於該第一軸承下方；一第一軸套，係套設於該中空連接軸。且位於該第一軸承與該第二軸承之間；一第三軸承，係套設於該中空連接軸的一嵌環部之上，且位於該嵌環部與該軸承蓋之間；以及一第二軸套，係套設於該中空連接軸與部分套設該第三軸承，且位於該第二軸承與該軸承蓋之間。

<本發明>

1:發電機

11:筒形轉子

111:第一開口

112:第二開口

113:環狀體

1131:止檔環

1132:結構加強件

110:容置空間

12:磁鐵

13:定子座

131:盤體

1310:穿孔

1321:嵌環部

132:中空連接軸

14:定子鐵芯

141:繞線件

15:軸承組

151:第一軸承

152:第二軸承

153:第一軸套

154:第三軸承

155:第二軸套

16:軸承蓋

17:剎車盤

1O:孔洞

<習知>

無

圖1係顯示本發明之一種發電機的立體圖；圖2係顯示本發明之發電機立體示意圖；圖3本發明之發電機另一視角的立體示意圖；圖4係顯示定子鐵芯的立體圖；圖5係顯示本發明之發電機的剖面立體示意圖；以及圖6係顯示本發明之發電機的剖面圖。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種發電機，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。

請參閱圖1與圖2，係顯示本發明之一種發電機的立體圖與立體示意圖。並請同時參閱圖3與圖4，本發明之發電機另一視角的立體示意圖與定子鐵芯的立體圖。如圖1至圖4所示，本發明之發電機1係包括：一筒形轉子11、複數個磁鐵12、一定子座13、一定子鐵芯14、以及一軸承組15。其中，所述筒形轉子11具有一第一開口111以及一容置空間110。並且，該複數個磁鐵12係沿著該筒形轉子11的內表面呈放射狀間隔排列設置於其上。於本發明之中，該定子座13設置於該容置空間110之中，且包括一盤體131以及一中空連接軸132。更詳細地說明，該盤體131其中心具有一穿孔1310，且該中空連接軸132係沿著該穿孔1310的外緣連接於該盤體131。

請繼續參閱圖1至圖4。所述定子鐵芯14係套設於該定子座13的該中空連接軸132，且沿著其外表面間隔地形成有複數個繞線件141用以纏繞複數條繞組線。由圖1可以得知，所述軸承組15係位於該定子座13與該筒形轉子11之間。將本發明之發電機1應用在一風力發電系統之後，在風力達到一特定值(此特定值係對應於該風力發電系統啟動風力發電的一啟動量)之時，該風力發電系統的控制器即控制本發明之發電機1進入一低速運轉狀態(即，馬達狀態)，使得該筒形轉子11定速轉動；此時，外部風力不需要克服發電機1的該複數個磁鐵12和該定子鐵芯14之間磁吸力(或稱無電流力矩)便可以吹動風機葉片持續轉動，使所述風力發電系統持續進行風力發電。當然，在所述風力發電系統啟動風力發電之後，所述風力發電系統的控制器即切換本發明之發電機1進入一發電狀態。補充說明的是，如本領域人員所熟知的，所述繞組線連接於一變壓器或一負載，用以儲存所述發電機透過風力帶動所產生的電能。透過本發明之設計，令使用本發明之具有外轉子結構的發電機的風力發電系統具有高散熱性、漆包線(繞組線)使用量少的優點。並且，由於本發明之發電機1具有較大的轉動慣量，因此在強風或風力下降之時發電機也可以正常與平穩地運轉；換句話說，本發明之發電機1具有高穩定性。另一方面，於實際應用之時，使用者可以將所述風力發電系統的葉片直接地裝設於該筒形轉子11之上；如此一來，所述發電機1與葉片之間不需設置其他傳動裝置，進而減少成本以及增加風能的使用效率。

請繼續參閱圖1至圖4。並請同時參閱圖5，係顯示本發明之發電機的剖面立體示意圖。更具體地說明，所述發電機1更包括一軸承蓋16，係卡合於該筒形轉子11的一第二開口112之中。並且，所述中空連接軸132的末端嵌合於該軸承蓋16之中。接著，所述發電機1更包括一剎車盤17，係連接於該筒形轉子11之第一開口111的口緣處。值得說明的是，所述筒形轉子11從其第二開口112的外緣處向內延伸形成一環狀體113，且該環狀體113的頂端口具有一止檔環1131。補充說明的是，所述第二開口112的孔徑小於該第一開口111的孔徑，且該穿孔1310的孔徑小於該第二開口的孔徑。更詳細地說明，該軸承組15係設置於該環狀體113與該中空連接軸132之間，用以減少該筒形轉子11與該定子座13(固定件)之間的摩擦損失以增加傳動效率。

繼續參閱圖5。並請同時參閱圖6，係顯示本發明之發電機的剖面圖。如圖5與圖6所示，該軸承組15包括：一第一軸承151、一第二軸承152、一第一軸套153、一第三軸承154、以及一第二軸套155。其中，該第一軸承151係套設於該中空連接軸132，且位於該止擋環1131下方。並且，該第二軸承152係套設於該中空連接軸132且位於該第一軸承151下方。如圖6所示，該第一軸套153係套設於該中空連接軸132且位於該第一軸承151與該第二軸承152之間。接著，該第三軸承154係套設於該中空連接軸132的一嵌環部1321之上，且位於該嵌環部1321與該軸承蓋16之間。再者，所述第二軸套155係套設於該中空連接軸132且部分地套設於該第三軸承154。所述第二軸套155位於該第二軸承152與該軸承蓋16之間。

請再次地參閱圖2至圖5。補充說明的是，該剎車盤17與該筒形轉子11分別具有複數個孔洞1O。其中，該定子鐵芯14包含複數片矽鋼片所接合而成。另一方面，所述筒形轉子11更包括複數個磁鐵固定片，用以分別固定對應的所述磁鐵12於該筒形轉子11的內表面之上。值得說明的是，所述風力發電系統為垂直軸式的風力發電系統。如圖5所示，所述筒形轉子11更包括複數個結構加強件1132，係沿著該環狀體113的外表面間隔地排列，且連接於該環狀體113與該筒形轉子11之底部之間，用以加強該筒形轉子11的整體結構強度與耐用度。

如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之發電機的技術特徵與立體圖，經由上述，吾人可以得知本發明係具有下列之優點：

(1)本發明之發電機1係包括：一筒形轉子11、複數個磁鐵12、一定子座13、一定子鐵芯14、以及一軸承組15。其中，該定子座13包括：一盤體131以及一中空連接軸132。並且，該筒形轉子11具有一第一開口111以及一容置空間110。再者，該定子座13設置於該筒形轉子11的該容置空間110之中，且該定子鐵芯14套設該中空連接軸132且設置於該容置空間110之中。根據本發明之設計，使用本發明之發電機1的風力發電機系統處於低風速的環境時，該發電機1為一馬達狀態以低轉速進行轉動。另一方面，上述風力到達一特定值之時，所述風力發電系統的該複數個葉片帶動該發電機1的該筒形轉子11進行轉動，所述發電機1進而產生電能並儲存於所述風力發電系統的一電池之中。值得說明的是，透過本發明之筒形轉子11的設計，令所述發電機1具有漆包線(繞組線)使用量少、高穩定性、散熱佳、與高發電效率的優點。

(2)另一方面，所述筒形轉子11從其一第二開口112的外緣處向內延伸形成一環狀體113。所述軸承組15設置於該環狀體113與該定子座13的該中空連接軸132之間，用以減少該筒形轉子11與該定子座13(固定件)之間的摩擦損失以增加所述發電機1的整體傳動效率。並且，所述筒形轉子11更包括複數個結構加強件1132。所述結構加強件1132設置於該環狀體113與該筒形轉子11之底部之間，用以提升所述筒形轉子11的整體結構強度與耐用度。

必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1:發電機

11:筒形轉子

16:軸承蓋

1O:孔洞

Claims

一種發電機，係應用於一風力發電系統，且包括：一筒形轉子，其一下端部具有一第一開口，其一上端部具有一第二開口，且其內部具有一容置空間；複數個磁鐵，等間隔地排列在該筒形轉子的內表面；一定子座，包括：一盤體，其中心具有一穿孔；及一中空連接軸，沿著該穿孔的外緣連接於該盤體；一定子鐵芯，設置在該定子座的該盤體之上，使得該中空連接軸位於該定子鐵芯的一中空部之中，且複數條繞線係纏繞在該定子鐵芯之上以形成複數個繞線組；一軸承組，係套設在該中空連接軸之上，且以其一頂端連接該筒形轉子的該第二開口，使得該定子鐵芯與該中空連接軸皆位於該容置空間之中；以及一軸承蓋，係嵌合在該筒形轉子的該第二開口之中，從而將軸承組的該頂端固定在該第二開口之中。
如請求項1之發電機，更包括：一剎車盤，係連接於該第一開口的口緣處。
如請求項1之發電機，其中，該繞線環係由複數片矽鋼片所接合而成。
如請求項1之發電機，其中，所述筒形轉子更包括複數個磁鐵固定片。
如請求項1之發電機，其中，所述風力發電系統為一垂直軸風力發電系統。
如請求項1之發電機，其中，所述第二開口的孔徑小於該第一開口的孔徑，且該穿孔的孔徑小於該第二開口的孔徑。
如請求項2之發電機，其中，該剎車盤以及該筒形轉子分別具有複數個孔洞。
如請求項1之發電機，其中，所述軸承組包括：一第一軸承，係套設於該中空連接軸；一第二軸承，係套設於該中空連接軸，且位於該第一軸承下方；一第一軸套，係套設於該中空連接軸，且位於該第一軸承與該第二軸承之間；一第三軸承，係套設於該中空連接軸的一嵌環部之上，且位於該嵌環部與該軸承蓋之間；以及一第二軸套，係套設於該中空連接軸與部分套設該第三軸承，且位於該第二軸承與該軸承蓋之間。
如請求項1之發電機，其中，所述筒形轉子更包括複數個結構加強件，係連接於該環狀體與該筒形轉子之底部之間。