專利名稱：發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，特別涉及一種具有扁平圓形或其它幾何形式的 多極充磁磁鐵，配合與鐵心整合為一體，以及包覆于螺線管外部的爪極組的發(fā)電 機(jī)設(shè)計(jì)，其整體設(shè)計(jì)簡潔、制作容易、體積小，相對地在低轉(zhuǎn)速即可有良好的電 壓輸出表現(xiàn)，適用于發(fā)電機(jī)應(yīng)用或制造等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著少電池化運(yùn)動的推廣，微小化高效能發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)成為重要的課題，其 中一個產(chǎn)品實(shí)例就是自行車發(fā)電機(jī)，而花鼓內(nèi)藏式發(fā)電機(jī)公認(rèn)是阻力較小、較美 觀的設(shè)計(jì)方式，在花鼓有限的空間里，配合自行車照明相關(guān)規(guī)范，必須達(dá)到低速(時速5Km/h左右)即可驅(qū)動12Q(奧姆)的燈泡微亮，而且在較高車速時能夠抑制電壓 上升的效果，因此多極的設(shè)計(jì)成為產(chǎn)品型態(tài)的主流?，F(xiàn)行花鼓式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)源自于英國Sturmey-Archer公司提出的共軛多爪極 設(shè)計(jì)，如美國專利號5,769,750 「Epicyclic Change Gear System」，以及美國專利 號5，813，937 「Epicyclic Change Speed Gear System」，分別揭露兩款該公司申請的 共軛多爪極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，并分別主張英國專利GB9409844、 GB9304189優(yōu)先權(quán)； 所述共軛多爪極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用圓管狀磁鐵包覆相互穿插設(shè)置爪極的基 本架構(gòu)，且所述基本架構(gòu)被廣泛應(yīng)用于各式發(fā)電機(jī)中，如圖1及圖2所示中國臺 灣專利申請?zhí)柕?4109740號「輪轂發(fā)電機(jī)及自行車」，所述案同時主張日本專利 特開2001-327139優(yōu)先權(quán)，其揭露一種輪轂發(fā)電機(jī)10，在輪轂體12內(nèi)側(cè)配置有永 久磁鐵14，在輪轂軸11具有使與永久磁鐵14磁極相向的多個極片74、 75設(shè)于 周面上的2個定子芯16、 17以及配置在定子芯16、 17間的巻繞線圈22，通過夾 持定子芯16、 17而設(shè)于輪轂軸11上的定位構(gòu)件30、 31，使2個定子芯16、 17 定位固定在輪轂軸ll上，其特征在于，所述定子芯16、 17上開設(shè)有自貫穿輪轂 軸11的孔13朝向外周緣的凹槽孔15，在兩定子芯16、 17與定位構(gòu)件30、 31間 中介有絕緣物80而使定子芯16、 17凹槽孔15防止定位固定構(gòu)件側(cè)導(dǎo)電體跨接定
子芯16、 17;所述結(jié)構(gòu)以共軛多爪極設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，其特征僅在于設(shè)有所述凹槽孔15，藉以抑制(阻斷)渦電流的產(chǎn)生，提高發(fā)電效率，然而，上述共軛多爪極設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)雖廣泛沿用已久，然始終存在以下許多弊端1、 磁鐵為圓管狀包覆于定子芯外，體積龐大且制作成本高；2、 磁力線經(jīng)過極片(爪極)導(dǎo)引經(jīng)過兩次以上幾何方向的轉(zhuǎn)折，因而降低通過 螺線管鐵心的磁通量；3、 因?yàn)槎ㄗ有颈仨氈谱?D造形，且磁通導(dǎo)引轉(zhuǎn)折次數(shù)兩次以上，且各極片 (爪極)之間的磁場容易互相干擾，使得整得效率偏低。請續(xù)參閱圖3，中國臺灣專利申請?zhí)柕?2137088號「發(fā)電花鼓」，所述發(fā)電 花鼓是由一本體2、 一線圈座3、 一線圈組4、 一鐵芯5、 一包腳組6、 二磁塊7 以及一軸承心軸8構(gòu)成，所述專利揭露傳統(tǒng)發(fā)電花鼓1的結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其 是由一本體11、 一線圈座12、 一線圈組13、 一鐵芯14、 一包腳組15、 一磁環(huán)16 以及一軸承心軸17所構(gòu)成，所述專利指出傳統(tǒng)所述發(fā)電花鼓1具有兩大缺失，一 者為由于所述鐵芯14、線圈座12、線圈組13、包腳組15及所述磁環(huán)16是由內(nèi) 而外層層環(huán)覆于所述本體11內(nèi)，使得所述發(fā)電花鼓1的體積無法有效縮減，二者 為傳統(tǒng)鐵芯14于安裝時，必須以一片一片的硅鋼片141相疊，其過程繁復(fù)、浪費(fèi) 時間且不合經(jīng)濟(jì)效益；因此，所述專利的結(jié)構(gòu)特征之一(權(quán)利要求l)是舍棄傳統(tǒng)圓 管狀磁鐵，而沿所述軸線方向X排列于所述包腳組6的兩軸向側(cè)分別貼靠一磁塊 7，藉此達(dá)到縮減所述本體2徑寬及體積的目的，據(jù)此可知，所述本體2實(shí)際所能 減少的徑寬應(yīng)為磁鐵厚度的兩倍，然而值得注意的是，相互比對圖3與圖4，除 了磁環(huán)16轉(zhuǎn)換為磁塊7之外，所述包腳組6、 15的外型完全不同，所述包腳組6 雖環(huán)繞設(shè)有多個徑向延伸的爪極，然而所述爪極并不彎折，亦即所述兩片包腳組 6是被分離設(shè)置于所述線圈組4的軸向兩側(cè)，其爪極并不相互穿插，此一有異于 傳統(tǒng)包腳組15的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所述專利于說明書中完全無任何文字提及，然而，對 于熟悉所述類發(fā)電花鼓技藝的人士卻可輕易得知，所述包腳組6的結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)重 缺失且不具有實(shí)施性，其原因在于，由于所述爪極因間隔設(shè)置，故僅能利用到兩 端磁塊7的各一半表面積，其余未與包腳組6對應(yīng)的磁塊7會產(chǎn)生回路問題，反 而導(dǎo)致發(fā)電效率嚴(yán)重降低；另針對傳統(tǒng)鐵芯14的安裝問題，所述案提出可于出廠 前預(yù)先通過固定銷52定位硅鋼片51使成為一鐵芯5，藉此提升組裝的簡便性， 節(jié)省組時間，然同樣地，對于熟悉所述類發(fā)電花鼓技藝的人士而言，所述做法亦
不具可行性，其原因在于，圖4所示傳統(tǒng)硅鋼片141堆棧后的厚度方向是與磁力 線(亦即所述軸線方向X)垂直，如此方能造成有效導(dǎo)磁效果，此堆棧方式廣泛應(yīng) 用于一般變壓器、馬達(dá)等裝置中，且屬于基本電原理，若依圖3所示所述硅鋼片 51，由于其堆棧方向及其形成的厚度是與磁力線(亦即所述軸線方向X)平行，反 而會造成磁滯與渦流損發(fā)熱；據(jù)此可知，若為縮減體積、提升組裝簡便性而導(dǎo)致 發(fā)電效率嚴(yán)重降低，實(shí)不符合一般業(yè)者所期望，所述案結(jié)構(gòu)實(shí)際上并不具有進(jìn)步 性，故于市面上并未見有相同或相似結(jié)構(gòu)的發(fā)電花鼓。請續(xù)參閱圖5，美國早期公開專利20040135452號「Flat Rotary Electric Generator」，所述專利提供一種扁平式回轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，每一個對應(yīng)的磁極組2 會配合一個螺線管線圈1，由于所述螺線管線圈1繞線有一定的尺寸限制，當(dāng)采 取多極設(shè)計(jì)配置時，必須考慮中空部分直徑等分后的尺寸大小，故整體直徑很難 有效縮小，若為提高發(fā)電功率，則又必須將體積加大，因此，所述結(jié)構(gòu)無法兼顧 電池微小化及功率密度的達(dá)成。由上述各專利前案結(jié)構(gòu)可知，由于花鼓發(fā)電機(jī)容易與滾子煞車整合為一體， 適合自行車組裝廠大量組裝用，因此，改良現(xiàn)有花鼓發(fā)電機(jī)的效率并降低成本具 有重大的意義，進(jìn)而可應(yīng)用于自發(fā)電液晶電視等研發(fā)項(xiàng)目；再者，健身自行車等 產(chǎn)品所使用的電磁控制阻力系統(tǒng)，通常系統(tǒng)會內(nèi)建一個發(fā)電機(jī)，若可把這種高效 能自行車發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)用在這種場合，亦可解決發(fā)電效率與成本等問題；此外， 小型發(fā)電裝置可以作為隨身電子產(chǎn)品的電源，例如口袋內(nèi)、鞋底或鞋面、眼鏡、 手表等，亦可作為緊急用電時的需求，例如照明或收音機(jī)及通訊等用品的電源， 如何在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生足夠的發(fā)電功率且成本合理，成為微小攜帶型發(fā)電裝置 能否大量被推廣的重要關(guān)鍵發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其具有扁平圓形或其它幾何形式的 多極充磁磁鐵，配合與鐵心整合為一體，以及包覆于螺線管外部的爪極組，整體 設(shè)計(jì)簡潔、制作容易、體積小，相對地在低轉(zhuǎn)速即可有良好的電壓輸出表現(xiàn)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其包括至少一磁鐵，其具有兩極以上充磁極數(shù)；至少一爪極組，是用以導(dǎo)引磁通，其是由一組內(nèi)爪極與一組外爪極構(gòu)成，所
述內(nèi)爪極與所述外爪極是相互穿插設(shè)置；一鐵心，是與所述內(nèi)爪極相連接，用以導(dǎo)通內(nèi)爪極與所述外爪極的回路； 一螺線管線圈，是纏繞設(shè)置于所述鐵心外。較佳地，所述磁鐵是呈扁平圓板狀，其充磁極數(shù)是環(huán)繞其中心且徑向分區(qū)設(shè)置。較佳地，所述鐵心外徑是小于所述磁鐵的外徑，所述內(nèi)爪極是以所述鐵心為 中心徑向向外延伸。較佳地，所述磁鐵是單片設(shè)置，于所述內(nèi)爪極與所述外爪極之間設(shè)有一銜接 件，所述銜接件為一環(huán)體，所述環(huán)體具有相互連接的一內(nèi)環(huán)側(cè)以及一外環(huán)側(cè)，所 述內(nèi)環(huán)側(cè)是與所述鐵心相連接，所述外環(huán)側(cè)是與所述外爪極相連接，藉此可使所 述磁鐵、外爪極、內(nèi)爪極以及所述鐵心構(gòu)成一磁力回路。較佳地，所述銜接件的內(nèi)環(huán)側(cè)及外環(huán)側(cè)之間是形成一空間，用以容置所述螺 線管線圈。較佳地，所述磁鐵為偏磁極多極充磁。較佳地，所述磁鐵是雙片設(shè)置，且所述雙片磁鐵之間具有一定間距，每一片 磁鐵均相對應(yīng)于一組爪極組。較佳地，所述雙片磁鐵是連接于一中空管狀的第一連接件的軸向兩端，通過 所述第一連接件可驅(qū)動所述兩片磁鐵同步轉(zhuǎn)動；.所述兩組爪極組的外爪極是連接于一中空管狀的第二連接件的軸向兩端，所 述第二連接件的外徑是小于所述第一連接件的內(nèi)徑，通過所述第二連接件可驅(qū)動 所述兩組外爪極同步轉(zhuǎn)動。較佳地，所述第二連接件與所述鐵心之間是形成一空間，用以容置所述螺線 管線圈。較佳地，所述爪極組及所述鐵心為純鐵、硅鐵或硅鋼等材質(zhì)其中之一或其組合。較佳地，所述外爪極、所述內(nèi)爪極是利用沖壓、鑄造等金屬加工方式與所述外管或內(nèi)管一體成型或采用疊層等組合方式制成。較佳地，所述外爪極、所述內(nèi)爪極是采用硅鋼片堆棧而構(gòu)成。較佳地，所述外爪極、所述內(nèi)爪極延伸的寬度、厚度或長度可不相同，且所述外爪極及所述內(nèi)爪極相互的寬度、厚度或長度可不相同。
較佳地，所述外爪極是呈由所述外管邊緣朝向所述外管軸心寬度漸窄的錐型， 所述內(nèi)爪極則是呈由所述內(nèi)管邊緣徑向朝向所述內(nèi)管外部寬度漸寬的扇型。較佳地，所述磁鐵為釹鐵硼、釤鈷、鐵氧體、鋁鎳鈷等各式磁鐵材料其中之 一或其組合所制成的多極磁鐵。較佳地，所述外爪極及所述內(nèi)爪極的爪數(shù)分別為所述磁體充磁極數(shù)的一半。較佳地，所述磁鐵可為單面充磁或雙面充磁。較佳地，所述磁鐵各磁極的幾何形狀大致與所述外爪極或內(nèi)爪極形狀一致。 較佳地，所述外爪極或內(nèi)爪極于半徑方向具有螺旋角度的旋轉(zhuǎn)，所述磁鐵的 各磁極于半徑與角度方向亦配合做扭轉(zhuǎn)性磁極充磁。較佳地，其更包括至少一背鐵組，所述背鐵組包括-一背鐵，是設(shè)置于所述磁鐵遠(yuǎn)離所述爪極組的一面，用以封閉磁力線封閉； 一鎖固螺帽，是軸設(shè)于所述磁鐵及所述背體中心，所述鎖固螺帽的一端是頂 抵于所述鐵心；一軸承，是套設(shè)于所述鎖固螺帽外； 一軸承蓋，是包覆于所述軸承外；通過螺栓將所述軸承蓋螺合于所述背鐵，使所述磁鐵、背鐵、軸承、軸承蓋 以及所述鎖固螺帽組裝為一體。較佳地，所述鎖固螺帽具有一軸向延伸長度，使得所述鎖固螺帽頂?shù)钟谒?內(nèi)爪極組件的內(nèi)管鐵心時，所述磁鐵可與所述外爪極與所述內(nèi)爪極之間形成一定 距離。較佳地，所述背鐵為純鐵、鐵鈷合金、鎳鐵合金或硅鐵等導(dǎo)磁材料其中之一 或其組合。較佳地，是串聯(lián)設(shè)置有多個的爪極組，所述背鐵組則是設(shè)置于位于軸向兩外 側(cè)端的磁鐵外。較佳地，所述背鐵與軸承蓋為一體成型。較佳地，所述爪極組的遠(yuǎn)離所述磁鐵的面上嵌入有金屬棒或其它金屬細(xì)長結(jié) 構(gòu)，用以使爪極搜集的磁力線部分流過所述金屬細(xì)長結(jié)構(gòu)，使線圈感受較強(qiáng)的磁 通密度。較佳地，所述外爪極與所述鐵心之間設(shè)有多個的連接件相互連接，所述連接 件上分別纏繞設(shè)有線圈，用以構(gòu)成并聯(lián)或串聯(lián)發(fā)電輸出。
較佳地，所述連接件的材質(zhì)為純鐵、硅鐵或硅鋼等材質(zhì)其中之一或其組合。 本發(fā)明所提供的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其具有下列優(yōu)點(diǎn)1、 其扁平圓板狀磁鐵的充磁方向與鐵心軸向平行，散發(fā)自磁鐵表面的磁力線 經(jīng)過內(nèi)、外爪極接受后，經(jīng)過幾何一次轉(zhuǎn)折即可有效進(jìn)入鐵心，可減少磁鐵使用 量，且可使整體設(shè)計(jì)的外觀尺寸比例趨向扁平，適用于特殊空間限制的場合。2、 透過多極扁平圓板狀磁鐵及內(nèi)外爪極的設(shè)計(jì)，有效引導(dǎo)磁通于線圈內(nèi)部， 隨著多極磁鐵的轉(zhuǎn)動，爪極與磁鐵各極相對位置改變，使螺線管內(nèi)磁通方向不斷 進(jìn)行順向與逆向切換，此直接導(dǎo)致線圈磁通量時變的設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有直交切割磁力 線的方式(如圖3所示現(xiàn)有結(jié)構(gòu))截然不同，于增加感應(yīng)電壓輸出效率的同時，可 減少磁吸阻力。3、 由于爪極的磁通均統(tǒng)一導(dǎo)入鐵心管內(nèi)，故可減少線圈組數(shù)，利用單一組線圈即可將磁鐵表面的殘留磁通量有效利用。4、 其扁平圓板狀磁鐵易于備料充磁。5、 低阻力、高轉(zhuǎn)換效率。6、 在低轉(zhuǎn)速即可有良好的電壓輸出表現(xiàn)。7、 整體體積縮小化、輕量化。8、 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、低成本。為了對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)目的和功效有更進(jìn)一步的了解與認(rèn)同，配合圖示詳細(xì)說 明如后。


圖1是現(xiàn)有輪轂發(fā)電機(jī)剖開一半的剖視圖；圖2是圖一所示現(xiàn)有輪轂發(fā)電機(jī)定子的左側(cè)視圖；圖3是現(xiàn)有發(fā)電花鼓的立體分解圖；圖4是傳統(tǒng)發(fā)電花鼓的立體分解圖；圖5是現(xiàn)有扁平式回轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的立體結(jié)構(gòu)圖；圖6是本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的分解立體圖；圖7是本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的組合剖面圖；圖8是本發(fā)明的外爪極與內(nèi)爪極相互穿插的前視結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明的線圈纏繞的另一態(tài)樣的結(jié)構(gòu)示意圖IO是本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的組合剖面圖；圖11A是本發(fā)明的單面磁鐵結(jié)構(gòu)于轉(zhuǎn)速30RPM時的電壓輸出波形圖； 圖11B是本發(fā)明的單面磁鐵結(jié)構(gòu)于轉(zhuǎn)速120RPM時的電壓輸出波形圖； 圖12A是本發(fā)明的雙面磁鐵結(jié)構(gòu)于轉(zhuǎn)速60RPM時的電壓輸出波形圖； 圖12B是本發(fā)明的雙面磁鐵結(jié)構(gòu)于轉(zhuǎn)速90RPM時的電壓輸出波形圖； 圖13A及13B是本發(fā)明針對自行車發(fā)電機(jī)需求的設(shè)計(jì)在不同發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下的 開回路電壓數(shù)據(jù)表及效率曲線圖。附圖標(biāo)記說明10、 100-發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu);20、 200-爪極組;21、 210-外爪極組件; 211-外管；2110-第二連接件；212、 2120-外爪極；22、 220-內(nèi)爪極組件；221、 2210-內(nèi)管；222、 2220-內(nèi)爪極;30、 300國心軸;40、 400-鐵心;41-徑向連接件;50、 500-銜接件;51-外環(huán)側(cè);52-內(nèi)環(huán)側(cè);53-鎖固螺帽;60、 600-螺線管線圈;70、 700-磁鐵；71-磁極；711-N磁極；712-S磁極；720-第一連接件；80、 800-背鐵組；81、 810-背鐵；82、 820-鎖固螺帽；83-軸承；84-軸承蓋；85-螺栓；D-距離；L-鎖固螺帽軸向延伸長度。
具體實(shí)施方式
以下將參照隨附的圖式來描述本發(fā)明為達(dá)成目的所使用的技術(shù)手段與功效， 而以下圖式所列舉的實(shí)施例僅為輔助說明，但本案的技術(shù)手段并不限于所列舉圖式。請參閱圖6至圖8所示，本發(fā)明所提出的一較佳實(shí)施例，所述發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)10 為一單面磁鐵結(jié)構(gòu)，其包括一爪極組20、 一心軸30、 一鐵心40、 一銜接件50、 一螺線管線圈60(圖6未示出所述螺線管線圈60)、 一磁鐵70及一背鐵組80。所述爪極組20是包括一外爪極組件21以及一內(nèi)爪極組件22，所述外爪極組 件21是用以構(gòu)成外部磁回路，其是由一外管211以及多個的外爪極212構(gòu)成，所 述外爪極212是設(shè)置于所述外管211的其中一軸向端，且由所述外管211邊緣朝 向所述外管211軸心延伸；所述內(nèi)爪極組件22是用以構(gòu)成內(nèi)部磁回路，其是由一 內(nèi)管221以及多個的內(nèi)爪極222構(gòu)成，于本實(shí)施例中，所述鐵心40是與所述內(nèi)管 222連結(jié)為一體，直接由所述鐵心40作為所述內(nèi)爪極組件22的內(nèi)管，所述內(nèi)爪 極222是相對應(yīng)于所述外爪極212設(shè)置于所述內(nèi)管221的一軸向端，由所述內(nèi)管 221軸心徑向向外延伸與所述外爪極212相互穿插設(shè)置，關(guān)于所述外爪極212以 及所述內(nèi)爪極222的數(shù)目及其外型，如圖8所示實(shí)施例，是分別設(shè)置有十支外爪 極212及所述內(nèi)爪極222，所述外爪極212是呈由所述外管211邊緣朝向所述外 管211軸心寬度漸窄的錐型，而所述內(nèi)爪極222則是呈由所述內(nèi)管221邊緣徑向 朝向所述內(nèi)管221外部寬度漸寬的扇型，如此，可使所述外爪極212及所述內(nèi)爪 極222相互嵌合，如圖8所示，配合電壓波形與制作方式的調(diào)整，所述外爪極212 及所述內(nèi)爪極222本身，或所述外爪極212及所述內(nèi)爪極222相互間鎖延伸的寬 度、厚度或長度均可不同，可為等寬的矩形，或是局部做圓弧等外觀輪廓的修正， 可為等厚度設(shè)計(jì)，亦可以配合磁通流路方向逐漸改變厚度，如圖7所示，所述外 爪極212及所述內(nèi)爪極222均呈現(xiàn)末端較薄，而與外管2U、內(nèi)管221連接部位 較厚的設(shè)計(jì)；再者，所述外爪極組件21及所述內(nèi)爪極組件22的材質(zhì)可為純鐵、 硅鐵、碳鋼或硅鋼等材質(zhì)其中之一或其組合，以所述外爪極212為例，所述外爪 極212是利用沖壓、鑄造等金屬加工方式與所述外管211 —體成型，或可將所述 外爪極212、外管211各自單獨(dú)成型后，再以緊配合套疊方式組合，所述外爪極 212亦可采用硅鋼片堆棧后再以塑料射出與所述外管211 —體成型，其同樣地， 所述內(nèi)爪極222與內(nèi)管221(或鐵心40)的成型方式與前述所述外爪極212與所述 外管211的成型方式相同，其原則在于能夠形成對向磁極之間的導(dǎo)通即可。請續(xù)參閱圖6及圖7，于所述外爪極組件21及所述內(nèi)爪極組件22的外管211 與內(nèi)管221軸向貫穿所述心軸30，由于所述鐵心40是與所述內(nèi)管221軸向連結(jié) 為一體，因此，可將所述鐵心40套設(shè)于所述心軸30外，由于所述外管211的內(nèi) 徑大于所述鐵心40的外徑，可避免不同磁通方向相互干擾，同時可于所述外管 211與所述鐵心40之間形成一空間，用以將所述螺線管線圈60纏繞設(shè)置于所述 鐵心40外，于所述鐵心30外部纏繞有線圈。再如圖6及圖7所示，所述銜接件50為一環(huán)體，所述環(huán)體具有相互連接的一 外環(huán)側(cè)51及一內(nèi)環(huán)側(cè)52，所述外環(huán)側(cè)51是與所述外爪極組件21的外管211不 設(shè)置外爪極212的一軸向端相接觸，所述內(nèi)環(huán)側(cè)52則與所述鐵心40遠(yuǎn)離所述內(nèi) 爪極222的軸向端相接觸，藉此，可使得所述外爪極組件21與所述內(nèi)爪極組件 22構(gòu)成連接關(guān)系，依此連接關(guān)系可知，所述銜接件50亦可與所述外管211、鐵心 40—體成型，再以與所述外爪極212及所述內(nèi)爪極222相互連接；再于所述銜接 件50遠(yuǎn)離所述爪極組20的面上設(shè)有一鎖固螺帽53，所述鎖固螺帽53是鎖固于 所述心軸30外，且所述鎖固螺帽53的一端是頂?shù)钟谒鲢暯蛹?0，以確保所述
銜接件50與所述外管211、所述鐵心40緊密接觸。再如圖6至圖8所示，所述磁鐵70套設(shè)于所述心軸30上，且設(shè)置于靠近所 述外爪極212與所述內(nèi)爪極222處，此處所述磁鐵70呈扁平圓板狀，然亦可為其 它幾何造型，所述磁鐵70是徑向分布設(shè)置有兩極以上的充磁極數(shù)，如圖8虛線區(qū) 域所示，所述磁鐵70徑性等分充磁為二十個磁極71，所述二十個磁極71為間隔 設(shè)置的十個N磁極711與十個S磁極712，所述N磁極711與S磁極712的幾何 形狀大致與所述外爪極212或內(nèi)爪極222形狀一致，所述外爪極212及所述內(nèi)爪 極222的爪數(shù)分別為所述磁極71數(shù)目的一半，亦即，分別設(shè)置有十支外爪極212 及十支所述內(nèi)爪極222，依表磁需求不同，所述磁鐵40可為釹鐵硼、釤鈷、鐵氧 體、鋁鎳鈷等各式磁鐵材料其中之一或其組合所制成的多極磁鐵，此外，為了避 免線圈60纏繞位置與兩種磁極711、 712的導(dǎo)磁距離不等，可以將磁鐵70在做多 極充磁時做偏磁極設(shè)計(jì)；此外，如發(fā)電機(jī)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域人士所熟悉，所述磁鐵70 可以采取單面充磁或雙面充磁，當(dāng)所述外爪極212或內(nèi)爪極222于半徑方向具有螺旋角度旋轉(zhuǎn)時，所述磁鐵70的各磁極71于半徑與角度方向亦配合做扭轉(zhuǎn)性磁 極充磁，而所述外爪極212與所述內(nèi)爪極222的遠(yuǎn)離所述磁鐵70的面上，則可嵌 入金屬棒或其它金屬細(xì)長結(jié)構(gòu)(圖中未示出)，用以使所述外爪極212與所述內(nèi)爪 極222搜集的磁力線部分流過所述金屬細(xì)長結(jié)構(gòu)，使線圈60感受較強(qiáng)的磁通密度。 再如圖6及圖7所示，于所述磁鐵70外部設(shè)置一背鐵組80，所述背鐵組80 包括一背鐵81,所述背鐵81亦呈現(xiàn)圓板狀，其是設(shè)置于所述磁鐵70遠(yuǎn)離所述外 爪極212及所述內(nèi)爪極222的一面，于所述磁鐵70及所述背體81中心設(shè)有一鎖 固螺帽82，所述鎖固螺帽82是軸設(shè)且鎖固于所述心軸30外，于所述鎖固螺帽82 外的所述心軸30上設(shè)置一軸承83，再于所述軸承83外設(shè)置一軸承蓋84，所述軸 承蓋84是套設(shè)于所述心軸30外且包覆于所述軸承83外，通過螺栓85將所述軸 承蓋84螺合于所述背鐵81，使所述磁鐵70、背鐵81、軸承83、軸承蓋84以及 所述鎖固螺帽82組裝為一體，所述鎖固螺帽82朝向所述爪極組20的一軸向端是 頂?shù)钟谒鰞?nèi)爪極組件22的內(nèi)管222，如圖7所示，所述鎖固螺帽82具有一軸 向延伸長度L，使得所述鎖固螺帽82頂?shù)钟谒鰞?nèi)管222時，所述磁鐵70可與 所述外爪極212與所述內(nèi)爪極222之間形成一定距離D，通過所述背鐵81封閉磁 力線，可減少磁通損失，增加導(dǎo)引爪極側(cè)磁通密度，所述背鐵81可采用純鐵、鐵 鈷合金、鎳鐵合金或硅鐵等導(dǎo)磁材料其中之一或其組合，通過所述軸承83的設(shè)置，
則可使所述磁鐵70于所述心軸30上形成一可樞轉(zhuǎn)狀態(tài)，此外，亦可于所述心軸 30上串聯(lián)設(shè)置多個的線圈60、爪極組20及磁鐵70,而只要于最遠(yuǎn)離所述銜接件 50的磁鐵70外設(shè)置一片背鐵81即可，另者，可將所述背鐵81與軸承蓋84—體 成型以簡化結(jié)構(gòu)。再請參閱圖7及圖8，通過上述各構(gòu)件的組合，所述磁鐵70、爪極組20以及 所述鐵心40可構(gòu)成一磁力回路，當(dāng)所述磁鐵70旋轉(zhuǎn)與所述爪極組20相對轉(zhuǎn)運(yùn)動 時，通過所述外爪極212、所述內(nèi)爪極222與磁鐵70各磁極71相對位置的改變， 使線圈60內(nèi)的磁通方向不斷地進(jìn)行順向與逆向切換，所述外爪極212、所述內(nèi)爪 極222與磁鐵70相對運(yùn)動回轉(zhuǎn)一圈，通過線圈60內(nèi)磁通方向的變化次數(shù)即為所 述磁鐵70充磁的磁極數(shù)。另請參閱圖9所示本發(fā)明的線圈纏繞的另一態(tài)樣的結(jié)構(gòu)示意圖，其是于所述 外管2U與所述鐵心40之間設(shè)有多個的徑向連接件41，所述徑向連接件41的材 質(zhì)可采用與所述外管211及所述鐵心40相同的為純鐵、硅鐵或硅鋼等材質(zhì)其中之 一或其組合，于所述徑向連接件41上分別纏繞設(shè)有副線圈61，藉此構(gòu)成并聯(lián)或 串聯(lián)發(fā)電輸出，其作用與前述所述線圈60相同，此外，亦可將所述副線圈61局 部纏繞于本發(fā)明的外爪極(請參閱圖6所示的外爪極212)上，如此可造成外部磁回 路利用，增加發(fā)電量。以上述圖6所示的單面磁鐵結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)IO為基礎(chǔ)，，可衍生出圖IO所 示的雙面磁鐵結(jié)構(gòu)，所述發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)100包括一爪極組200、 一心軸300、 一鐵心 400、 一螺線管線圈600、 二磁鐵700及二背鐵組800，上述各構(gòu)件所能達(dá)成的作 用及其所能達(dá)到的功能與圖6所示的所述單面磁鐵結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)10所包括的 爪極組20、心軸30、鐵心40、螺線管線圈60、磁鐵70及背鐵組80相同，故此 處不予贅述，本實(shí)施例的特點(diǎn)在于，每一磁鐵700均對應(yīng)一組外爪極2120及一組 內(nèi)爪極2220，同樣地，所述兩組內(nèi)爪極2220是連接于所述鐵心400的軸向兩端， 而所述雙片磁鐵200是連接于一中空管狀的第一連接件720的軸向兩端，通過所 述第一連接件720可驅(qū)動所述兩片磁鐵700同步轉(zhuǎn)動，所述兩組外爪極2120則是 連接于一中空管狀的第二連接件2110的軸向兩端，所述第二連接件2110的外徑 是小于所述第一連接件720的內(nèi)徑，通過所述第二連接件2110可驅(qū)動所述兩組外 爪極2120同步轉(zhuǎn)動，所述第二連接件2110與所述鐵心400之間是形成一空間， 用以容置所述螺線管線圈600。于此實(shí)施例中，所述內(nèi)爪極組件220是以套疊的
方式組合于所述鐵心400的兩軸向端，然亦可如圖6的內(nèi)爪極組件22，將所述內(nèi) 爪極組件220與所述鐵心400 —體加工成型，由所述鐵心400作為所述兩內(nèi)爪極 組件220共享的內(nèi)管，至于所述外爪極2120與所述內(nèi)爪極2220相互穿插設(shè)置的 態(tài)樣可參考圖8所示。同樣地，可于所述心軸300上串聯(lián)設(shè)置多個的線圈600、 爪極組200，并于各組線圈600及爪極組200之間設(shè)置所述磁鐵700，且只有所述 直向兩外側(cè)端的磁鐵700需要搭配所述背鐵810，其它位于中間段的磁鐵700則 不需要搭配所述背鐵810。利用電磁仿真軟件(ANSOFT)對本發(fā)明于轉(zhuǎn)速30RPM、 120RPM時的磁通密 度進(jìn)行模擬，可以發(fā)現(xiàn)鐵心部分與爪極相較其磁通密度較接近飽和，圖11A及圖 11B為分別對應(yīng)30RPM、 120RPM的電壓輸出波形圖；于轉(zhuǎn)速60RPM、 90RPM 時進(jìn)行模擬，可以發(fā)現(xiàn)鐵心部分的磁通密度都達(dá)飽和，證明雙面磁鐵結(jié)構(gòu)磁通路 徑較短傳導(dǎo)效率較佳，圖12A及圖12B則為分別對應(yīng)60RPM、 90RPM的電壓輸 出波形圖，經(jīng)上述模擬驗(yàn)證本發(fā)明確實(shí)可達(dá)到有效發(fā)電應(yīng)用的目的。請參閱圖13A及13B，是本發(fā)明針對自行車發(fā)電機(jī)需求的設(shè)計(jì)在不同發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)速下的開回路電壓數(shù)據(jù)表及效率曲線圖，其顯示于同一轉(zhuǎn)速及車速時，單面磁 鐵與雙面磁鐵結(jié)構(gòu)所能獲致的不同感應(yīng)電壓，換言之，無論單面磁鐵或雙面磁鐵， 在不同轉(zhuǎn)速下，均可達(dá)到所需的電壓，驗(yàn)證本發(fā)明可達(dá)到的功效，如圖13B的曲 線Ll、 L2分別代表單面磁鐵及雙面磁鐵結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)在不同發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下的開回 路電壓變化趨勢；除此之外，經(jīng)發(fā)明人實(shí)際實(shí)驗(yàn)亦驗(yàn)證，將本發(fā)明應(yīng)用于自行車 花鼓發(fā)電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)150RPM時，功率密度可以達(dá)到45mW/cm3以上，若應(yīng)用 于健身自行車，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)500RPM時，功率密度可達(dá)到40mW/cm3以上。以上所述，僅為本發(fā)明的最佳實(shí)施例而已，當(dāng)不能以之限定本發(fā)明所實(shí)施的 范圍。即大凡依本發(fā)明權(quán)利要求所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)仍屬于本發(fā)明專利 涵蓋的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括有至少一磁鐵，其具有兩極以上充磁極數(shù)；至少一爪極組，是用以導(dǎo)引磁通，其是由一組內(nèi)爪極與一組外爪極構(gòu)成，所述內(nèi)爪極與所述外爪極是相互穿插設(shè)置；一鐵心，是與所述內(nèi)爪極相連接，用以導(dǎo)通內(nèi)爪極與所述外爪極的回路；以及一螺線管線圈，是纏繞設(shè)置于所述鐵心外。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述磁鐵是呈扁平圓板狀， 其充磁極數(shù)是環(huán)繞其中心且徑向分區(qū)設(shè)置。
3. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述鐵心外徑是小于所述 磁鐵的外徑，所述內(nèi)爪極是以所述鐵心為中心徑向向外延伸。
4. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述磁鐵是單片設(shè)置，于 所述內(nèi)爪極與所述外爪極之間設(shè)有一銜接件，所述銜接件為一環(huán)體，所述環(huán)體具 有相互連接的一內(nèi)環(huán)側(cè)以及一外環(huán)側(cè)，所述內(nèi)環(huán)側(cè)是與所述鐵心相連接，所述外 環(huán)側(cè)是與所述外爪極相連接，由此所述磁鐵、外爪極、內(nèi)爪極以及所述鐵心構(gòu)成 一磁力回路。
5. 如權(quán)利要求4所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述磁鐵為偏磁極多極充磁。
6. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述磁鐵是雙片設(shè)置，且 所述雙片磁鐵之間具有一定間距，每一片磁鐵均相對應(yīng)于一組爪極組。
7. 如權(quán)利要求6所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述雙片磁鐵是連接于一中空管狀的第一連接件的軸向兩端，通過所述第一 連接件驅(qū)動所述兩片磁鐵同步轉(zhuǎn)動；所述兩組爪極組的外爪極是連接于一中空管狀的第二連接件的軸向兩端，所 述第二連接件的外徑是小于所述第一連接件的內(nèi)徑，通過所述第二連接件驅(qū)動所 述兩組外爪極同步轉(zhuǎn)動。
8. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述爪極組及所述鐵心為 純鐵、硅鐵或硅鋼材質(zhì)其中之一或其組合。
9. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述爪極組是利用沖壓、 鑄造的金屬加工方式一體成型或采用疊層的組合方式制成。
10. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外爪極、所述內(nèi)爪極 是采用硅鋼片堆棧而構(gòu)成。
11. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外爪極、所述內(nèi)爪極 延伸的寬度、厚度或長度不相同，且所述外爪極及所述內(nèi)爪極相互的寬度、厚度 或長度不相同。
12. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述磁鐵為釹鐵硼、釤鈷、 鐵氧體、鋁鎳鈷其中之一或其組合所制成的多極磁鐵。
13. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外爪極及所述內(nèi)爪極 的爪數(shù)分別為所述磁體充磁極數(shù)的一半，且所述磁鐵各磁極的幾何形狀與所述外 爪極或內(nèi)爪極形狀一致。
14. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述磁鐵為單面充磁或雙 面充磁。
15. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外爪極或內(nèi)爪極于半 徑方向具有螺旋角度的旋轉(zhuǎn)，所述磁鐵的各磁極于半徑與角度方向亦配合做扭轉(zhuǎn) 性磁極充磁。
16. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括至少一背鐵組，所 述背鐵組包括一背鐵，是設(shè)置于所述磁鐵遠(yuǎn)離所述爪極組的一面，用以封閉磁力線封閉； 一鎖固螺帽，是軸設(shè)于所述磁鐵及所述背鐵中心，所述鎖固螺帽的一端是頂 抵于所述鐵心；一軸承，是套設(shè)于所述鎖固螺帽外；以及 一軸承蓋，是包覆于所述軸承外；通過螺栓將所述軸承蓋螺合于所述背鐵，使所述磁鐵、背鐵、軸承、軸承蓋 以及所述鎖固螺帽組裝為一體。
17. 如權(quán)利要求16所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述背鐵為純鐵、鐵鈷 合金、鎳鐵合金或硅鐵其中之一或其組合。
18. 如權(quán)利要求16所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述心軸上是串聯(lián)設(shè)置 有多個的爪極組，所述背鐵組則是設(shè)置于位于軸向兩外側(cè)端的磁鐵外。
19. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述爪極組的遠(yuǎn)離所述磁鐵的面上嵌入有金屬棒或其它金屬細(xì)長結(jié)構(gòu)，用以使爪極搜集的磁力線部分流過所述金屬細(xì)長結(jié)構(gòu)，使線圈感受較強(qiáng)的磁通密度。
20. 如權(quán)利要求l所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述外爪極與所述鐵心之間設(shè)有多個的連接件相互連接，所述連接件上分別纏繞設(shè)有線圈，用以構(gòu)成并聯(lián) 或串聯(lián)發(fā)電輸出。
21. 如權(quán)利要求20所述的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于所述連接件的材質(zhì)為純 鐵、硅鐵或硅鋼材質(zhì)其中之一或其組合。
全文摘要
一種發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其包括至少一磁鐵，所述磁鐵具有兩極以上充磁極數(shù)；以及，至少一爪極組，其是由相互穿插設(shè)置的一組內(nèi)爪極與一組外爪極構(gòu)成，所述內(nèi)爪極與所述外爪極是用以導(dǎo)引磁通；所述內(nèi)爪極連接一外徑小于所述磁鐵的鐵心，用以導(dǎo)通內(nèi)爪極與所述外爪極的回路；于所述鐵心外纏繞設(shè)置一螺線管線圈；所述內(nèi)爪極或外爪極的爪數(shù)各為磁鐵充磁極數(shù)的一半，當(dāng)磁鐵與爪極相對運(yùn)動時，通過螺線管內(nèi)的磁通量產(chǎn)生連續(xù)變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。
文檔編號H02K21/12GK101150276SQ200610152229
公開日2008年3月26日 申請日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月20日
發(fā)明者張復(fù)瑜, 彭文陽, 鄭慶祥 申請人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院