TWM452533U

TWM452533U - 中空式發動發電裝置

Info

Publication number: TWM452533U
Application number: TW101225448U
Authority: TW
Inventors: Da-Ren Ji; rui-lin Ji; You-Yu Chen
Original assignee: Bi Da Technology Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-05-01

Description

中空式發動發電裝置

一種中空式發動發電裝置，應用於綠能發動(交通)與無碳排放之發電應用領域中。

目前的電機概分為電動機(俗稱馬達)與發電機，係利用電磁學的電生磁(電動機)與磁生電(發電機)二種方式，而電與磁是一體兩面的技術，因此電動機與發電機的構造類似，卻進行二種不同的應用，如電動機係一種將電能轉化成動能以驅動其他設備，例如用電動機帶動車輪，另發電機係一種將動能轉化成電能的裝置，無論是電生磁的電動機或磁生電的發電機，皆以圓周運動為主，例如輪轂式電動機或風力發電機，均以軸心(Axle shaft)聯結「輪式」(360°之運動元件)，又如電動車輪的360°車輪或風力發電之360°輪葉，以軸心(Axle shaft)啟動360°的「輪式」機構進行電磁感應，而此軸心式傳動機構需有輪轂(Hub)與輻條(Spoke)之複雜機構，才能將電磁感應之軸心向外延伸成輸出，因此產生大的磨擦阻力，而為減少阻力而使用滾珠培林減少其阻力，惟，軸心與培林必須承載各式載荷，因此導致效能低落，以電動車為例，軸心與培林必須支撐本體重量、輪與地面之滾動阻力、轉彎之傾覆力、風阻之阻力等，至少要應付徑向載荷，軸向載荷與傾覆力矩，這並非單一軸心與培林可以應付的。目前的電機被明顯的分成二種單功能(Single Function machine)，分別是電動機與發電機，而電動機只能在煞車(反電動勢)狀況下，產生煞車再生發電之回收作業，而此單一功能的限制，使得電動機發電機的機構連帶受到限制，只能分別進行徑向磁通或軸向磁通的電磁感應作業，如傳統的鐵心(如矽鋼片)之電機，產生徑向電動機或徑向發電機，或者是軸向電動機或是軸向發電機。

當單一功能磁通之電磁感應作用在一軸心與培林上時，因磨擦而產生之阻力與消耗，均以熱能消耗掉，造成電機效能低落(用電能、機械能均轉化成熱能損失掉)，並造成培林之磨損不平，使電機之運動平衡性不佳，大幅降低電機之壽命。

請參閱「第1圖」，圖中所示係為習知的發電裝置，為解決石化發電之汙染，目前以葉片式為發電機之動力來源，如火力、核能之渦輪葉片，水力發電之水渦輪葉片與風力發電之扇型葉片，如圖中的一發電裝置1，進行感應產生電力時，需藉由一風能帶動一輪葉11並透過一培林12使輪葉11產生轉動，而輪葉11產生轉動時，連帶轉動一輪轂13、一輻條14以及一軸心15，進而使一定子16與一轉子17進行電磁感應以產生電力，惟，如同前述之「輪」的限制，輪葉11到軸心15的轉矩甚大，需較大之能源輸入才能完成外部能源傳遞至輪葉11進而完成電磁感應以產生電能，相同的發電機之軸心15，培林12需承載輪葉11之收集能量，而造成需較大的起速、扭矩，當風力風速過快時，亦會造成軸心15與培林12的磨擦與損壞。

請參閱「第2圖」，圖中所示係為習知的動力裝置，如圖中的一動力裝置2，當定子21及一轉子22，將一電能轉化成一動能或一機械能時，將能量(動能、機械能)經轉子22傳遞到一軸心23，再到輪轂24再到一輪輻條25最後經一輪圈26帶動一輪胎27，其中電動機的軸心23僅以一培林28作為滾動之壓力點，其需支撐徑向、軸向與傾覆力轉矩，而軸心23與培林28必須支撐車體重量再傳遞運轉動力，其定子21旋轉所負載之轉矩與速度在車輛起步行進時受路面坡度、風阻、滾動阻力與車體重量之限制，大幅度降低電動機效能；綜上所述，如何實現除去軸心、輪轂以及輻條等構件，藉以提升發電效能，並進一步達到可同時發動、發電的電機裝置為待解決之問題。

有鑑於上述問題，本創作者係以多年來從事相關產品設計的經驗，針對發電機與電動機的特性，進行相關的分析及研究，期能設計出解決上述問題的產品，緣此，本創作主要的目的在於提供一種無軸心、無輪轂以及無輻條以提升發電效能，並進一步達到可同時發動、發電之中空式發動發電裝置。

為達上述目的，本創作所稱之中空式發動發電裝置主要係由一轉動單元帶動一定子與一轉子，當轉子轉動時，可使定子上一感應單元的一徑向(水平方向)導體，與轉子上的一徑向永磁體進行電磁感應，同時將轉子上的一軸向(垂直方向)永磁體與定子上的一軸向導體進行感應，當徑向導體進行通電時，可產生一電動勢與徑向永磁體產生圓周運動(發動)，且聯動軸向永磁體與軸向導體產生一感應電動勢(發電)，藉此完成同時間發動與發電的動作。

為使貴審查委員能清楚了解本創作之內容，僅以下列說明搭配圖式，敬請參閱。

請參閱「第3圖」，圖中所示係為本創作的立體外觀圖，如圖中的一中空式發動發電裝置3，其主要係由一轉動單元31、一定子以及一轉子所組構而成，而轉動單元31成型有一外環311與一內環312，外環311與內環312之間具有一軌道313，又，軌道313內具有一滾動元件314，外環311組設於軌道313之外緣，內環組設於軌道313之內緣；其中，滾動元件314可例如為滾珠、滾柱、培林等，但凡可減少摩擦力並達到外環311滾動之目的皆可實施，不以此為限；請搭配參閱「第4圖」，圖中所示係為本創作的剖面結構圖，如圖中的一定子32係電性連接於內環312的一外壁3121上，其具有複數個感應元件321，感應元件321可例如為霍爾感應元件，其一端子可輸出至一電力管理裝置(本圖未繪示)，又，定子32另有係呈”T”型態樣的一感應單元322，另，一轉子33係電性連接於外環311的內壁上，其具有複數個徑向永磁體331與複數個軸向永磁體332，所述的徑向永磁體331係組設於內壁的一頂部3111上，軸向永磁體332係組設於內壁的兩側部3112；其中，徑向永磁體331與軸向永磁體332可以為具有多方向的一硬磁體(如高效率無污染之「氮化鐵」或低污染之稀土永磁體「銣鐵硼」)。

請參閱「第5圖」，圖中所示係為本創作的感應單元結構示意圖，如圖中的感應單元322，其組設有一徑向導體323與一軸向導體324，所述的徑向導體323係組設於感應單元322的水平部3221，軸向導體324係組設於感應單元322的垂直部3222，其中，感應單元322可為碳纖維或軟磁性複合材料(soft magnetic composites，SMC)，徑向導體323與軸向導體324可例如為一導線(如銅線，其繞線之尺寸需配合各永磁體(331、332)(本圖未繪示)之合理感應範圍。

請參閱「第6圖」，圖中所示係為本創作的電磁感應示意圖，請搭配參閱「第3圖」~「第5圖」，在中空式發動發電裝置3中，必須巧妙的利用電機的三維結構，排列轉子33與定子32之各永磁體(331、332)與各導體(323、324)之方向，以進行徑向、軸向之電生磁與磁生電感應；在電機的三維幾何機構中，同時存在X、Y、Z 三個方向，其中X、Y為徑向(Radial)而Z為軸向(Axial)，因此在中空式發動發電裝置3中即同時應用到徑向(X、Y)與軸向(Z)之構造，將轉子33與定子32同時設計成同時具備徑向與軸向之構造，在各永磁體(331、332)之排列僅同等作為徑向與軸向排列，而各導體(323、324)則因感應單元322與各導體(323、324)得以產生一三維磁通能力，因此在各導體(323、324)之排列則可配合徑向磁通、軸向磁通，利用各永磁體(331、332)的徑向與軸向排列，搭配各線圈(323、324)之徑向磁通、軸向磁通，即可同時進行三維電磁感應；如圖，以同時徑向發動、軸向發電為例，將徑向永磁體331對徑向導體323作為一電動勢發動端(即電生磁端)，輸入一電能以產生一電動勢，藉以將電能轉化為一磁能，而磁能經電磁感應後得使轉子33作旋轉作動，即產生一機械能並轉換為一旋轉動能，使軸向永磁體332對軸向導體324作電磁感應「電生磁」；用上述徑向電動勢產生之旋轉動能經滾動元件314傳遞，使轉子33之軸向永磁體332獲得動能，此動能聯動軸向永磁體332使其產生旋轉，並對定子32的軸向導體324產生電磁感應之「磁生電」作業，而達成輸出之功能；各永磁體(331、332)與各導體(323、324)電磁感應步驟如下：(1)一電力G(電壓、電流)自電力管理裝置34，經徑向導體323的一端子3231導入至徑向導體323中； (2)感應元件321之一端子3211經徑向導體323導體的端子3231輸出至電力管理裝置34；(3)徑向導體323產生電動勢，並與徑向永磁體331產生電生磁之吸附推拉動作，以產生電能轉磁能轉機械能之動作；(4)徑向導體323與徑向永磁體331產生之電動勢的動能經滾動元件314傳送至外環311與內環312；(5)因軌道313上的滾動元件314，使軸向永磁體332產生慣性聯動之動能；(6)軸向永磁體332與軸向導體324產生電磁成應，產生磁生電之發電作業，此回收之電力小於外部輸入之電力；(7)軸向導體324產生之電力(電壓、電流)經軸向導體324之一端子3241輸出，此電力為交流電，可供一負載使用；(8)單一中空式發動發電裝置3為單相之電磁感應，而中空式發動發電裝置3之一軸向堆疊元件(本圖未繪示)，可將單相之電磁感應經堆疊而產生多相之電力輸出入；(9)多組堆疊之單相電機可對一多相(例如：三相)之電機，輸出之電力得串聯或並聯供一負載使用。

請參閱「第7圖」，圖中所示係為本創作的實施例(一)組裝示意圖，如圖中所示的中空式發動發電裝置3，其轉動單元31之外環311成型有數個第一徑向負載孔333與數個第一軸向負載孔333’，內環312亦成型有數個第二徑向負載孔334與數個第二軸向負載孔334’，且各徑向負載孔(333、334)各組設有一徑向堆疊元件335，又，各軸向負載孔(333’、334’)各組設有一軸向堆疊元件335’；請搭配參閱「第8圖」，圖中所示係為本創作實施例(一)的組構完成圖，如圖，各徑向堆疊元件335可組設有一徑向輪葉336，另，各軸向堆疊元件335’可組設有一軸向輪葉336’，其完成之態樣請參閱「第8圖」，其可用以捕捉全方向(徑向與軸向)之風力、風阻，對各輪葉(336、336’)施於一力量，使各各輪葉(336、336’)產生旋轉作動，使中空式發動發電裝置3作電磁感應得以發電作動；請搭配參閱「第9圖」，如圖所示係為本創作的實施例(二)，中空式發動發電裝置3亦可與另一中空式發動發電裝置4相互組設，如圖，中空式發動發電裝置3之內環312，其軸向堆疊元件335’係組設於中空式發動發電裝置4之一內環41的一軸向負載孔411內，將兩中空式發動發電裝置(3、4)作堆疊式排列，軸向堆疊元件335’作Z軸方向之固定，使最上層之徑向輪葉336、軸向輪葉336’作全方向風力風阻擷能，又，下層因軸向作固定，用一徑向輪葉42作擷能發電。

請參閱「第10圖」，如圖所示係為本創作的實施例(三)，如圖，中空式發動發電裝置3係可應用於電動車輛作發動，如圖中的一輪胎組5，其係由一輪圈51、一輪胎52、一煞車片53、一煞車鼓54以及一軸向齒輪55 所組構而成，其中，輪胎52套設於輪圈51上；實施時，外環311上的徑向堆疊元件335係組設於輪圈51之內側，又，轉動單元31之外環311的軸向堆疊元件335’的一側係組設於煞車片53，另一側係組設於一軸向齒輪55，當車輛行走時，外環311之徑向堆疊元件335受輪圈51旋轉運動，而帶動轉子33，進而使轉子33帶動軸向堆疊元件335’，使其帶動軸向齒輪55進行外轉作動，又，轉動單元31之內環312的軸向堆疊元件335’，係連接電機定子32與蝶式煞車之一煞車鼓54，可進行外轉式電機之煞車作用。

請參閱「第11圖」，圖中所示係為本創作的實施例(四)，中空式發動發電裝置中的感應單元係可排列為其他型態，如圖中所示的一中空式發動發電裝置6，其內部主要係由一轉子61(外環)、一定子62(內環)與一轉動單元63所組構而成，其中，轉子61內之一頂部611與一徑向永磁體64完成電性組設，轉子61內之一側邊612與一軸向永磁體64’完成電性組設，又，定子62上係組設有呈U型態樣的一第一感應單元65，與一呈C型態樣的一第二感應單元65’，兩感應單元(65、65’)係由軟磁性複合材料(soft magnetic composites，SMC)與碳纖維高分子複合材料製成，其中，第一感應單元65之一凹槽651內電性組設有一第一橫向磁通導體66，又，第二感應單元65’之一凹槽651’內電性組設有一第二橫向磁通導體66’；各橫向磁通導體(66、66’)係具三維磁通特性，因此當在各感應單元(65、65’)中，可同時存在二個同心圓之環型導體，且第一感應單元65可以針對徑向永磁體64作電磁感應，而第二感應單元65’可以針對軸向永磁體64’作電磁感應，此電生磁、磁生電之橫向磁通為單相性，需藉多組橫向磁通導體之排列堆疊，才能產生多相之電機作業(例如三相)；其電磁感應步驟說明如下：

(1)各感應單元(65、65’)可同時存在第一橫向磁通導體66與第二橫向磁通導體66’，產生橫向磁通之感應。

(2)一電力G2(電壓、電流)自一電力管理裝置67，經第一感應單元65之一第一導體端子68導入至第一橫向磁通導體66。

(3)一感應元件69(如霍爾感應元件)之端子691經第一導體端子68輸出至電力管理裝置67的一控制處理器671。

(4)第一橫向磁通導體66產生電動勢並與徑向永磁體64產生電生磁吸斥推拉之動作，以產生一旋轉機械能。

(5)徑向永磁體64與第一橫向磁通導體66進行橫向磁通之發動作業。

(6)轉動單元63上具有複數滾動元件631(如滾珠、滾輪、培林等)，使轉子61之軸向永磁體64’產生動能慣性聯動。

(7)軸向永磁體64’與第二橫向磁通導體66’的橫向磁通電磁感應，產生磁生電之發電作業，此發電產生之回收電力，需符合能量守恆原則，即小於上述外部輸入之電力。

(8)第一橫向磁通導體66與第二橫向磁通導體66’為單相，得以定子之堆疊元件使多組橫向磁通導體(66、66’)堆疊成多相電機。

綜上所述可知，本創作所稱之中空式發動發電裝置，其主要係轉動單元帶動定子與轉子，當轉動單元帶動轉子轉動與定子電磁感應，藉以同時產生電生磁之發動與磁生電之發電功能，在符合能量守恆之狀態下，達到電力最佳化之輸入管理與電力回收之最佳化管理，實現一種無軸心、無輪轂以及無輻條以提升發電效能，並進一步達到可同時發動、發電之目的。

唯，以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，並非用以限定本創作實施之範圍，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本創作之專利範圍內。

綜上所述，本創作之功效，係符合申請專利要件之「實用性」、「新穎性」與「進步性」；申請人爰依專利法之規定，向鈞局提起新型專利之申請。

1‧‧‧發電裝置

11‧‧‧輪葉

12‧‧‧培林

13‧‧‧輪轂

14‧‧‧輻條

15‧‧‧軸心

16‧‧‧定子

17‧‧‧轉子

2‧‧‧動力裝置

21‧‧‧定子

22‧‧‧轉子

23‧‧‧軸心

24‧‧‧輪轂

25‧‧‧輪輻條

26‧‧‧輪圈

27‧‧‧輪胎

28‧‧‧培林

3‧‧‧中空式發動發電裝置

31‧‧‧轉動單元

32‧‧‧定子

311‧‧‧外環

321‧‧‧感應元件

3111‧‧‧頂部

3211‧‧‧端子

3112‧‧‧側部

322‧‧‧感應單元

312‧‧‧內環

3221‧‧‧水平部

3121‧‧‧外壁

3222‧‧‧垂直部

313‧‧‧軌道

323‧‧‧徑向導體

314‧‧‧滾動元件

3231‧‧‧端子

33‧‧‧轉子

324‧‧‧軸向導體

331‧‧‧徑向永磁體

3241‧‧‧端子

332‧‧‧軸向永磁體

34‧‧‧電力管理裝置

333‧‧‧第一徑向負載孔

334‧‧‧第二徑向負載孔

333’‧‧‧第一軸向負載孔

334’‧‧‧第二軸向負載孔

335‧‧‧徑向堆疊元件

336‧‧‧徑向輪葉

335’‧‧‧軸向堆疊元件

336’‧‧‧軸向輪葉

4‧‧‧中空式發動發電裝置

41‧‧‧內環

42‧‧‧徑向輪葉

411‧‧‧軸向負載孔

5‧‧‧輪胎組

51‧‧‧輪圈

52‧‧‧輪胎

53‧‧‧煞車片

54‧‧‧煞車鼓

55‧‧‧軸向齒輪

6‧‧‧中空式發動發電裝置

61‧‧‧轉子

62‧‧‧定子

611‧‧‧頂部

64‧‧‧徑向永磁體

612‧‧‧側邊

64’‧‧‧軸向永磁體

63‧‧‧轉動單元

66‧‧‧第一橫向磁通導體

631‧‧‧滾動元件

66’‧‧‧第二橫向磁通導體

65‧‧‧第一感應單元

68‧‧‧第一導體端子

65’‧‧‧第二感應單元

651‧‧‧凹槽

651’‧‧‧凹槽

67‧‧‧電力管理裝置

671‧‧‧控制處理器

69‧‧‧感應元件

691‧‧‧端子

第1圖，為習知的發電裝置。

第2圖，為習知的動力裝置。

第3圖，為本創作的立體外觀圖。

第4圖，為本創作的剖面結構圖。

第5圖，為本創作的感應單元組成示意圖。

第6圖，為本創作的電磁感應示意圖。

第7圖，為本創作的實施例(一)組裝示意圖。

第8圖，為本創作實施例(一)的組構完成圖。

第9圖，為本創作的實施例(二)。

第10圖，為本創作的實施例(三)。

第11圖，為本創作的實施例(四)。