電磁發動機的制作方法

專利名稱：電磁發動機的制作方法
技術領域：
本發明關于一種電磁發動機。
背景技術：
由于直流電動機具有碳刷及換向片，于轉動時會有火花，易發生危險且需常維修， 因此，目前電動機伺服系統多使用永磁式同步電動機，以取代直流電動機。目前已知的永磁式同步電動機使用永久磁鐵，作為轉子側的激磁場，故轉子側不 需激磁場繞組，使其銅損為零，并可省略碳刷、銅環等直流電動機的設備，以降低已知永磁 式同步電動機的體積，使其多應用于電動機伺服系統的定轉速控制。工業革命后的能源獲取，大多仰賴石化燃料的能量轉化，其無法彌補的污染已釀 成對生態環境的嚴重破壞及氣候變遷，履受大自然的反撲，人類不得不轉換使用再生能源； 再生能源是最可靠能源，但其中天然能源不免受其天候環境的左右及限制；若考量其能量 產出的本益比，則生質燃料的生產可能嚴重影響食物供需，磁能的開發也許會啟動關鍵性 的變革，可是目前萌芽的磁動機僅著重在利用機械式的磁性換向以產生轉矩，構造復雜且 操控不易；而已知的電動機則是僅在控制領域里為提升效率而使用永久磁鐵，不具能源體 現的條件；為解決以上問題，就是關于一種電磁發動機的本發明動機。

發明內容
本發明提供一種電磁發動機，除磁能的高度發揮應用外，又兼具馬達般的操控性， 其包括一殼體、一轉子結構及一定子結構。該轉子結構具有至少一轉子座及多個磁鐵，所 述多個磁鐵設置于該轉子座的周邊，所述多個磁鐵具有一設定磁能。該定子結構具有多個 定子模塊，固定于該殼體，每一定子模塊具有一鐵心及至少一線圈繞組，該線圈繞組繞設于 該鐵心，使該鐵心產生一相對應磁場，相對于所述多個磁鐵，使該轉子結構轉動，該電磁發 動機輸出功率大于或等于輸入功率。本發明電磁發動機利用高磁鐵磁通、低電控磁通、高轉子磁極數、高頻轉速及高慣 量，并透過高性能的控制參數，滿足高磁鐵磁通的發揮及應用，將高磁鐵磁通的磁能轉成動 能，使得本發明電磁發動機的輸出功率大于或等于輸入功率。IMS 電力研究協會(Electric Power Research Institute,EPRI)報告指出，驅動 設備占用了全球一半的電能，若將所述多個耗能的驅動設備直接、間接或等效經由產能的 旋轉動力取代，則節能減碳豈不成效乍現；本創作已發明其中的關鍵因子，諸如主要的磁 能倍率因子、次要的磁路效率因子、分段的磁場避擾因子，整機的磁能利用率因子、重要的 慣量穩定因子、電曳的銜鐵保磁因子、分片的磁鐵抑熱因子、以及轉速、轉子半徑、旋轉氣隙 等的常設規格因子，終而體現為關于一種電磁發動機，不僅解決了磁能應用的高度直效性、 誘發的自生循環性，更開發了可于電與磁的高階能場轉變中直接產出動能，體現不須通過 第三媒體的能量轉換，可以沒有電力輸配的相關問題，不受經濟規模限制的實施層面，不受 天候地理環境的影響限制，不須消耗第三物質的能量轉化，也不制造第三產物的再議處理的一種高潔凈高創作的自產能源。


圖1顯示本發明電磁發動機的剖面示意圖；圖2顯示本發明電磁發動機的定子結構及轉子結構的示意圖；圖3顯示本發明電磁發動機的定子結構及轉子結構的局部放大立體示意圖；圖4顯示本發明調整鐵心對磁鐵間的距離的示意圖；圖5顯示本發明定子模塊與轉子結構對應的示意圖；圖6顯示本發明電磁發動機帶動發電機的第一實施例示意圖；圖7顯示本發明電磁發動機帶動發電機的第二實施例示意圖；及圖8顯示本發明電磁發動機的電路方塊示意圖；及圖9顯示用于測試本發明電磁發動機的馬力勘驗設備的示意圖；圖10顯示本發明具磁鐵的另一實施例的電磁發動機的剖面示意圖；圖11顯示本發明具定子結構的另一實施例的電磁發動機的剖面示意圖；圖12顯示本發明電磁發動機的定子結構及轉子結構另一實施例的示意圖；圖13顯示受外力施轉裝置帶動本發明電磁發動機的轉子結構的第一實施例示意 圖；圖14顯示受外力施轉裝置帶動本發明電磁發動機的轉子結構的第二實施例示意 圖；及圖15顯示受外力施轉裝置帶動本發明電磁發動機的轉子結構的第三實施例示意 圖。附圖標號10本發明的電磁發動機20 殼體21、22 側面23周邊面24 基座30轉子結構31轉子座32、33 磁鐵34 扇葉35 轉軸40第二定子結構50定子結構51定子模塊60發電機70轉軸支撐器71驅動單元72轉子位置傳感器
73整流單元74儲電單元75控制單元76發電裝置80發電機81第二轉軸90該馬力勘驗設備91 本體92第一力臂93第二力臂94 吊重95 試片110 飛輪111周邊齒輪或第一磨擦圓環面113活動把手120外力施轉裝置121起動軸122起動齒輪或第二磨擦圓環面123 彈簧124單轉向軸承125連結裝置210受外力施轉裝置220受外力施轉裝置311磁路環313受外力施轉裝置的周邊面321、331磁鐵的磁極面322-324 磁鐵片511 鐵心512線圈繞組513、514 夾制件515、516鐵心固定片517、518 鐵心的二端521、522 調整元件531 鐵心532 鐵心
具體實施例方式參考圖1，其顯示本發明電磁發動機的剖面示意圖；參考圖2，其顯示本發明電磁 發動機的定子結構及轉子結構的示意圖；參考圖3，其顯示本發明電磁發動機的定子結構及轉子結構的局部放大立體示意圖。配合參考圖1、2及3，本發明的電磁發動機10包括 一殼體20、一轉子結構30及一定子結構50。在本實施例中，該殼體20具有二側面21、22、 一周邊面23及一基座24，二側面21、22是為圓盤狀，該周邊面23固設于所述多個側面21、 22，以形成一容納空間，設置該轉子結構30及該定子結構50。該基座24用以將該殼體20 固定于地面。該轉子結構30具有至少一轉子座31及多個磁鐵32、33，所述多個磁鐵32、33設 置于該轉子座31的周邊，所述多個磁鐵具有一設定磁能，其中磁能為磁通(剩磁)與保磁 (矯頑)力的乘積。在本實施例中，36個磁鐵設置于該轉子座31的周邊，且每一磁鐵的磁 通約為5000高斯(N42H，42MG0e)。該轉子座31具有一磁路環311，磁路環311與轉子座31 的周邊形成一容置空間，以設置所述多個磁鐵。在本實施例中，以一個轉子座31說明，本發 明可具有多個轉子座。該定子結構50具有多個定子模塊51，固定于該殼體，每一定子模塊51具有一鐵 心511及至少一線圈繞組512，該線圈繞組512繞設于該鐵心511，使該鐵心511產生一相 對應磁場，相對于所述多個磁鐵，使該轉子結構30的轉動，將高磁鐵磁通的磁能轉成動能， 該電磁發動機輸出功率大于或等于輸入功率。本發明的電磁發動機10另包括一驅動單元(參考圖8的驅動單元71)，連接至該 線圈繞組512，以控制該轉子結構30的轉速至一設定轉速。本發明的電磁發動機10另包括 一轉子位置傳感器(參考圖8的轉子位置傳感器72)，設置于該殼體20，用以檢測該轉子結 構30的位置，提供訊號至該驅動器，俾控制該轉子結構30的轉速。在本實施例中，本發明電磁發動機10的該轉子結構30另包括多個扇葉34，設置于 該轉子座31，用于散熱。在其他的應用中，該轉子結構30另包括一轉軸35及多個扇葉，所 述多個扇葉可設置于該轉軸35。請配合參考圖3及圖4，本發明電磁發動機10的該定子結構50另包括多個固定 調整結構，用以將所述多個定子模塊51固定于該殼體20，并調整鐵心511對磁鐵32、33間 的距離。在本實施例中，每一個固定調整結構具有二夾制件513、514，用以夾制固定該鐵心 511，每一夾制件513、514具有至少一調整元件521、522，用以調整鐵心511對磁鐵32、33間 的距離。在本實施例中，調整元件521、522是為螺絲，用以調整固定鐵心511的位置，以移 動鐵心511，使得鐵心511對磁鐵32、33間的距離可調整。在本實施例中，該鐵心511是呈U型，該線圈繞組512繞設于該U型鐵心511的中 央區域，于該U型鐵心511的二端517、518產生一組相對應磁場，該U型鐵心511的二端 分別相對于相鄰不同極性的磁鐵32、33。所述多個磁鐵32、33的磁極面321、331是呈弧形 (外凸)，該U型鐵心511的二端517、518的磁極面是呈對應弧形(內凹)，相對于所述多個 磁鐵32、33的磁極面321、331。另外，該固定調整結構另包括二鐵心固定片515、516，用以 固定該U型鐵心511的二端517、518，防止該U型鐵心511的二端517、518震動。在本實施例中，相鄰磁鐵32、33的極性不同，且一磁鐵對應至鐵心的一端。在其他 應用中，參考圖12，其顯示該磁鐵32可由至少二個極性相同的磁鐵組成，同樣地，該磁鐵33 可由至少二個極性相同的磁鐵組成。因此，至少二相鄰磁鐵的極性相同，所述多個磁鐵區分 為一第一極性磁鐵組及一第二極性磁鐵組，該第一極性磁鐵組與該第二極性磁鐵組相鄰。 亦即，若磁鐵32由至少二個極性相同的磁鐵組成，則為該第一磁極組；若磁鐵33由至少二個極性相同的磁鐵組成，則為該第二磁極組。該U型鐵心的一第一端的磁極面是相對于該 第一磁極組磁鐵；亦即，該U型鐵心的第一端的磁極面是相對于至少二個極性相同的磁鐵。 該U型鐵心的一第二端的磁極面是相對于該第二磁極組磁鐵；亦即，該U型鐵心的第二端的 磁極面是相對于至少二個極性相同的磁鐵。在本實施例中，所述多個磁鐵32、33的磁極面是朝向該殼體20的周邊面23，該定 子結構50的所述多個鐵心511的磁極面是相對所述多個磁鐵32、33的磁極面。在其他應 用中，所述多個磁鐵的磁極面可朝向該殼體20的一側面(21或22)，則該定子結構50的所 述多個鐵心511的設置位置則須轉90度，使鐵心511的磁極面相對所述多個磁鐵32、33的
磁極面。為增加轉動慣量，本發明電磁發動機10的該轉子結構30另包括一飛輪(圖未示 出)，可設置于該轉子座31或設置該轉子結構30的轉軸35。參考圖10，其顯示本發明具磁鐵的另一實施例的電磁發動機的剖面示意圖。本發 明的電磁發動機的磁鐵32可另包括多個磁鐵片，在該實施例中，磁鐵32包括三個磁鐵片 322、323、324，其極性相同。參考圖11，其顯示本發明具定子結構的另一實施例的電磁發動機的剖面示意圖。 本發明的電磁發動機的鐵心531的截面積加厚。參考圖12，其顯示本發明電磁發動機的定子結構及轉子結構另一實施例的示意 圖。本發明的電磁發動機的鐵心532的截面積寬度加大，也隨每相定子所轄轉子圓周角度 往外作徑向加大其扇形。參考圖5，其顯示本發明定子模塊與轉子結構上的磁鐵的極性對應的示意圖。在本 圖5實施例中，輸入電源為三相交流電源，依據輸入至所述多個定子模塊的輸入電源相數， 所述多個定子模塊設置于該轉子結構的周邊，亦即該定子結構50具有三個定子模塊，其設 置于該轉子結構30的周邊。另外，該定子結構不限于具有三個定子模塊，可具有三的倍數 個定子模塊。或者，該定子結構可具有二個定子模塊，對應至二個磁鐵磁極，則電氣角須相 差90度，二個定子模塊須部分重迭設置，以配合二相電源驅動。若該定子結構具有三個定子模塊，其中兩相鄰定子相距(360XN+120度)電氣角， N是零或正整數，其值可以不同，依據圖5，N = 2。實際測試的電磁發動機是6個定子模塊， 其N = 2或3。圖5的實施例，透過轉子位置傳感器取得轉子磁極相位后，以控制定子模塊電 流的相位及大小，當克服其磁阻轉矩后開始運轉，驅動頻率漸增并使定子繞組電流產生的 磁場的合成相位，經常與其磁極端面下作用的磁鐵磁場的合成相位保持接近，此與磁化同 方向的0度差的相位角，即本發明的電曳銜鐵保磁因子，可免退磁顧慮，并得最大效率的吸 曳力，即3/2倍單相最大磁通作用力。另因導電與導磁的效用比將近億倍，以致漏磁無所不 在，為提高各相間的磁阻，降低各相作用的磁通在定子鐵心中互相造成竄擾，而將習用定子 鐵心分段，以提升其磁能利用率，此即本發明的分段磁場避擾因子。在定轉速下，對于負載 變動時，勢必造成磁通作用的相角改變，此時透過轉子位置傳感器以電流大小追隨補償之， 為克服負載變動率太大，控制響應無法追補得上時，即以慣量來緩沖，此即本發明的重要的 慣量穩定因子，也因有此慣量穩定因子才能在轉速、負載不變下，使曳引電流與兩作用磁通 的相位角能做最佳的搭配，以提升電磁發動機的功率產出倍率，此偏離電曳銜鐵保磁因子 的相位角以不超過45度為宜，超過90度即易發生斥驅力而失步；若由轉子位置傳感器檢測得已達額定電流而相位角差不降反增的趨勢時，即提示過載，超過一設定的相位角差容限 時，即做停機準備，可免因與磁化異方向的斥驅力而導致有退磁的機會，尤其電磁通大于磁 鐵磁通的設計，或磁鐵保磁(矯頑)力不足的設計，甚至不當控制時。在較高轉速時，因磁 鐵處于較高的頻率作用下，為克制其所產生的渦流等熱損溫升的影響層面，此即本發明的 分片或等效分片的磁鐵抑熱因子，也可藉此以提高單位體積磁能的效果，或另利用助其導 熱加裝扇葉的方法以強化散熱；若受限于驅動器的轉速控制頻率，此即本發明的由至少二 個極性相同的磁鐵組成的磁極組或等效磁極組的方法，以降低轉子等效磁極數，提高轉速， 同樣也可藉此以提高單位體積磁能的效果。本發明電磁發動機10可用以另產生電能，例如每一定子結構具有一鐵心及二線 圈繞組，其中一輸入電源輸入至一第一線圈繞組，使轉子結構轉動，在轉子結構轉動時，使 一第二線圈繞組輸出電能。另外，該定子結構可具有一第一組定子模塊及一第二組定子模 塊，其中一輸入電壓輸入至該第一組定子模塊的線圈繞組，使轉子結構轉動，在轉子結構轉 動時，使該第二組定子模塊的線圈繞組輸出電能。上述本發明電磁發動機的該第二組定子 模塊產生的電能可再間接提供至本發明電磁發動機的該第一組定子模塊，使本發明電磁發 動機能利用其本身產生的電能，使其繼續運轉。在其他應用中，該轉子座可具有一第一表面及一第二表面，所述多個磁鐵包括一 第一組磁鐵及一第二組磁鐵，該第一組磁鐵設置于該第一表面的周邊，該第二組磁鐵設置 于該第二表面的周邊；該定子結構具有一第一組定子模塊及一第二組定子模塊，該第一組 定子模塊是對應至該第一組磁鐵，該第二組定子模塊是對應至該第二組磁鐵。如上述的結構，本發明電磁發動機可單純用以作為電動機，例如輸入電源可輸入 至該第一組定子模塊及該第二組定子模塊的線圈繞組，用以使轉子結構轉動。另外，本發明 電磁發動機可用以另產生電能，例如一輸入電源輸入至該第一組定子模塊的線圈繞組，使 轉子結構轉動，在轉子結構轉動時，使該第二組定子模塊的線圈繞組輸出電能。同樣地，上 述本發明電磁發動機的該第二組定子模塊產生的電能可再間接提供至本發明電磁發動機 的該第一組定子模塊，使本發明電磁發動機能利用其本身產生的電能，使其繼續運轉。參考圖6，其顯示本發明電磁發動機帶動發電機的第一實施例示意圖。本發明電磁 發動機10的該轉子結構另包括一轉軸35及一轉軸支撐器70，該轉軸支撐器70用以支撐該 轉軸35，該轉軸35延伸至一發電機60，以帶動該發電機60，該發電機的結構與該電磁發動 機10的結構大致相同，略述如下。該發電機60包括一第二殼體、一第二轉子結構及一第二 定子結構，該第二轉子結構具有一轉子座及多個磁鐵，所述多個磁鐵設置于該轉子座的周 邊，該第二定子結構具有多個定子模塊，固定于該第二殼體，每一定子模塊具有一鐵心及至 少一線圈繞組，該線圈繞組繞設于該鐵心，相對于所述多個磁鐵，使磁鐵磁通透過該鐵心的 磁路感應至該線圈繞組，該線圈繞組輸出電能。另外，該第二轉子結構的轉子座可具有一第一表面及一第二表面，所述多個磁鐵 包括一第三組磁鐵及一第四組磁鐵，該第三組磁鐵設置于該第一表面的周邊，該第四組磁 鐵設置于該第二表面的周邊；該定子結構具有一第三組定子模塊及一第四組定子模塊，該 第三組定子模塊是對應至該第三組磁鐵，該第四組定子模塊是對應至該第四組磁鐵，該第 三組定子模塊及該第四組定子模塊的線圈繞組輸出電能。上述發電機60產生的電能可再 間接提供至本發明電磁發動機10，使本發明電磁發動機10繼續運轉。
參考圖7，其顯示本發明電磁發動機帶動發電機的第二實施例示意圖。本發明電磁 發動機10的該轉子結構30另包括-第一轉軸35及一轉軸支撐器70，該轉軸支撐器70用 以連接該第一轉軸35及一發電機80的一第二轉軸81，以帶動該發電機80。該發電機80 的結構與該電磁發動機10的結構大致相同，略述如下。該發電機包括一第二殼體、一第二 轉子結構及一第二定子結構，該第二轉子結構具有一轉子座、該第二轉軸及多個磁鐵，所述 多個磁鐵設置于該轉子座的周邊，該第二定子結構具有多個定子模塊，固定于該第二殼體， 每一定子模塊具有一鐵心及至少一線圈繞組，該線圈繞組繞設于該鐵心，相對于所述多個 磁鐵，使磁鐵磁通透過該鐵心的磁路感應至該線圈繞組，該線圈繞組輸出電能。另外，該第二轉子結構的轉子座具有_第一表面及一第二表面，所述多個磁鐵包 括一第三組磁鐵及一第四組磁鐵，該第三組磁鐵設置于該第一表面的周邊，該第四組磁鐵 設置于該第二表面的周邊；該定子結構具有一第三組定子模塊及一第四組定子模塊，該第 三組定子模塊是對應至該第三組磁鐵，該第四組定子模塊是對應至該第四組磁鐵，該第三 組定子模塊及該第四組定子模塊的線圈繞組輸出電能。本發明電磁發動機利用高磁鐵磁通、低電控磁通、高轉子磁極數、高頻轉速及高慣 量，并透過高性能的控制參數，滿足高磁鐵磁通的發揮及應用，將高磁鐵磁通的磁能轉成動 能，本發明電磁發動機輸出功率大于或等于輸入功率。參考圖8，其顯示本發明電磁發動機 的一實施例的電路方塊示意圖。如上所述，本發明的電磁發動機10包括轉子結構30、定 子結構50、驅動器及轉子位置傳感器72。第二定子結構40可為上述圖6或圖7的發電機 的第二定子結構，以輸出電能。該驅動器具有至少一驅動單元71、一控制單元75、一整流單 元73及一儲電單元74。第二定子結構40輸出的電能經由整流單元73及儲電單元74，將 輸出電能整流及儲存，以供給至驅動單元71，經該控制單元75的控制，使本發明電磁發動 機10繼續運轉；在其他應用，另包括一藉外力旋轉的發電裝置76，此發電裝置76的輸出電 能經由整流單元73及儲電單元74，將輸出電能整流及儲存，滿足其當儲電的電池損壞、長 時漏電或電力系統不及的獨立、偏僻地區，得以自助建構滿足其起動條件。依據本發明上述的實施例，磁鐵磁通(mm)及定子電磁通OiO是直接影響輸出倍率 大小的主要及次要變數，依實作經驗的累積，得有如此的概念及參考依據，分析實施成果背 后的原由，整理歸納出其他更重要而仍未揭示的關鍵因子，茲將理論簡化配合說明如下當系統效率η小于1時，設Ns為轉速，T為轉矩，d為轉子半徑，定子電磁通， mm為磁鐵磁通，r為兩磁通距離；則兩磁通參考磁性庫倫定律的關系，其作用力F如下式(1) 所示F = me*mm/4 π μ r2(1)，本發明電磁發動機輸出功率P如下式(2)所示
P N Ns*T=Ns*d*F ocNs* d*me*mm/4u^ir2 (2)其中轉速Ns與轉子半徑d的關系，等效于移動距離與施力臂的關系，互為正逆因 子(即轉速Ns大，半徑d縮小；若半徑d要大，則變轉速Ns要縮小)；而磁通距離r，則不離 轉子與定子間的氣隙的設計考量范疇；因而證實轉速Ns、轉子半徑d及磁通距離r，三者即 是本發明的常設規格因子，而非效率或倍率因子。本發明實施例所利用的U形定子鐵心，是基于將環狀連續的長電磁路徑加以切割縮短的理念，由E形再縮短改善而來，其理論可參考磁路歐姆定律來加以說明，即定子電磁 通如下式(3)所示me = I*Nt*yA/l (3)其中I為電流，Nt為匝數，A為電磁極鐵心端面積，1為磁路長度。即所產生的定子 電磁通me與磁路長度1成反比，至于面積A因與轉子磁極面的大小相對應，礙于空間限制， 故將暫列為規格因子，最后于實際空間上的利用，再做最佳化使等效截面積加大即可，如圖 11所示除電磁極鐵心531端面軸向加厚外，其余截面積的寬度如圖12的鐵心532所示，也 隨每相定子所轄轉子圓周角度往外作徑向加大其扇形。假設電磁路徑長度1是效率改善的關鍵要素之一，則參考式⑵及(3)，在相同 條件=k(為分析單純化，一般只改變關系式中的一個變數，然后觀察此變數對關系式的 結果會造成什么程度的影響，其余變數固定不變，這些固定不變的變數就以k表示之)的 情形下，將⑶式代入(2)式，得 P ^ Ns*d*I*Nt* μ A/l*mm/4 π μ r2，令 P = k/1，則 k = k' μ A*mm/47 π μ r2 (k'=內嵌常數)，若這些變數固定，只看1的變化，則變 化前與變化后的關系，即列式k/1 = ikZ/s5^—1。當本發明電磁發動機效率為η時，為 提升效率使接近1，則需滿足k*(l/l) = ηΛΙΙ// )、—1，前式表原磁路長度1時的效 率為η，后式表原效率η及其他變數k不變的情形下，須把原磁路長度7縮短成多短的1 s，才能使效率n提升至接近1。得倍，此n2倍的關系，是為長路徑U形定子模塊 (1)對短路徑U形定子模塊(1短)的效率驗證比對中的依據。另外，以功率為例說明，P/Pi = 11，P為輸出功率，Pi為輸入功率，設P短/Pi—1/η， 即能使效率接近1，則P /Ρ— l/η2，即—η2倍。其中Ps為須把原磁路長度1縮短成多 短的1 ，才能使效率η提升至1。另以長短路徑U形定子模塊施加定電流時，其對無電流鐵心的吊重，與對有電流 鐵心的吊重，雖然對有電流的吊重，其重量大于無電流的吊重，但驗算其所消耗的功率，對 所能吊起的重量的效率比，因對于有電流鐵心，必須輸入電流，增加總輸入功率，故其通有 電流的效率不敵無電流時的效率，證實其磁路的縮短，對效率的改善雖起了效果，但小于1 的效率n，相乘之后仍小于1，故稱n2為本發明的次要磁路效率因子。但如將通有電流的鐵心視為已被磁化后的磁鐵時，因通入電流是外部須要輸入電 力，鐵心才具有磁能，但這部分假如以磁鐵代替，則不須要輸入電力就具有磁能，所以輸出 的作用力不變的條件下，原兩組須輸入電流的鐵心，現在僅一組須要輸入電流，當然效率就 可大于1，除非原效率連0. 5都不到，例如兩組需輸入電流的鐵心效率為輸出功率/輸入功 率=η (0. 5 < η < 1)，如一組鐵心不輸入電流而以磁鐵取代之，則輸出功率/0. 5*輸入功 率=2η，所以2η >1，除非η≥0. 5才無法符合上式，則可應用磁路效率因子、磁場避擾 因子的方法先降低磁路磁阻，提升整機效率達0.5以上；而磁路的改善只是改變效率η的 大小，無法使n ^ 1，所以磁路改善只是效率因子，但如將一組原本需通電鐵心換成磁鐵， 則211 > 1，甚至達2倍的(輸出功率-輸入功率)/輸入功率≥1。參考上述式(1)及(2)，在相同條件=k下，即P ^ Ns*d*me*mm/4 Ji yr2，令P = k*mm，則k = k‘ *Ns*d*me/4 π yr2(k'=內嵌常數)，若這些變數固定，只看mm的變化，則 變化前與變化后的關系，即列式Wmm= n，k*mmiS*n =2。本發明電磁發動機的效率為η時，為提升效率n變成倍率，使其中ι倍用于輸入，則增強后的磁鐵磁通，至少需滿足下式 (4)及式(5)k*mm= n (4)k*mmS*n=2(5)可得mmiS/mm = ？/！^倍，其中！！^胃是為需把磁鐵磁通加強至多大的磁鐵磁通，才 能使(輸出功率-輸入功率)/輸入功率彡1 ；例η = 0.7，則2/η2 = 4. 08倍，即磁鐵磁 通較原來的磁鐵磁通mm必須增強至2/ η2 = 4. 08倍后，即可提升效率至倍率，即(輸出功 率-輸入功率)/輸入功率>1，即轉子磁鐵設定一至少等于系統小于1的效率η時的磁通 的2/ η2倍時，即得以實現電磁發動機的普遍利用性，而非僅節能長效，故稱本發明的主要 磁能倍率因子為2/η2。另外，以功率為例說明，P/Pi = η，P為輸出功率，Pi為輸入功率，設Pis/Pi = 2/ n，即能使效率n提升為倍率，則ρ強/P = 2/112，即HimisAim = 2/Ii2倍。其中P強為須把 原磁鐵磁通mm加強至多大的磁鐵磁通mmiS，才能使效率η提升為倍率。以下再說明為何本發明電磁發動機的輸出功率 > 輸入功率的另一分析，及倍率上 的應用例。如上所述，假設me為定子電磁通，mm為磁鐵磁通，r為兩磁通距離；依上述兩磁極 作用力F的式(1) =F = me*mm/4 ^ μ r2 ；即兩磁極作用力F與兩磁極磁通量乘積成正比，與兩 磁極距離的平方成反比；設無磁能磁鐵or鐵心的磁鐵磁通=1，磁鐵設定的磁通為mm，設電 磁鐵心對磁鐵的作用效率=n (0 < n < 1)，若令mm >> 1/ n ；則me* n*mm >> me*l*l， 其中me*l*l表示定子對于無磁能鐵心Oiim= 1)的作用，且其作用效率假設為1( η = 1)。 因此，若把電磁鐵心對無磁能鐵心的作用改成對有磁能磁鐵(其磁通為mm)的作用，其效果 就可超越即使效率=1的原對無磁能鐵心的效率；故？^^- >> F_1#1。設作用力的功效倍率為6，則6= (me*n*mm-me*l*l)/me*l*l，得G= n*mm，此即本 發明的整機的磁能利用率因子，因n受鐵心飽和系數影響(磁通大漏磁愈大效率愈降)， 故電磁輸入叫愈小，η愈不使倍率G下降(故磁路愈粗短對η的降幅也愈小)；因FnffiM->> Ffflew^1 ；故此扭力作用于半徑=d的圓周上的轉矩T = d*F，則轉矩>> Τ_Μ。依旋轉輸出功率公式P = 1.027*Ns*T(即約轉速*轉矩)，知相同的定子電磁通 me、扭力轉矩T下，若轉速Ns愈大，則P愈大，故以定子電磁通產生轉矩T起動，為增大Ns加 速，定子電磁通增大轉矩T亦增大，而輸出功率P也隨之增大，倍率G隨之減小，至輸出功率 P或轉矩τ達一設定值，此過程倍率G亦降到最小，在此轉速Ns下，所誘發出的磁鐵磁能與 所輸入的電磁磁能轉成儲存為慣量里的動能，此為第一階應用領域。 然后減小輸入電流以減小轉矩T，隨之增加電磁輸入頻率，行無段電子齒輪換檔作 用以提升轉速Ns，雖加速減緩但鐵心飽和度降低，回升磁能轉成動能過程中的倍率G，如此 基于加速時間與倍率G成反比的操控下，繼續將磁能轉成動能儲存在慣量中以增大負載變 動率的應對能力，繼續提升轉速Ns以增大輸出功率P的倍數基數，達失步前的最高轉速Ns 時，基數最大，動能最大，倍率G最佳，磁能功效比最大，此為第二階應用領域。
亦即磁能經過圓周半徑d的放大后，變成轉矩T，再經過轉速Ns的放大后，轉成輸 出功率P，故一經運轉后，磁能除轉成為對外輸出功率外，更可透過發電裝置提供自生循環 所需的電能；于上述的控制方法，在(輸出功率-輸入功率)/輸入功率> 1的目的下，可用較小容量的伺服驅動技術以降成本外，并利用電力電子功率元件的安全工作區的保護設計 特性，雖起動加速較慢，但卻可在達額定電流及一設定頻率后的再加速中，自動降低額定電 流來提高頻率，自動完成起動運轉過程，實現電磁發動機最高效的目標功能。故本發明電磁發動機是藉提高慣量及轉速Ns的手段，以TMg>> Twfi的方法(其 中Teffi為本發明的電磁發動機的轉矩，Twfi為無磁能鐵心的磁阻馬達的轉矩且其效率假設 達100%，但兩者輸入電流相同)，將磁能轉成動能的功能，而達到輸出功率大于或等于輸 入功率，甚至達(輸出功率-輸入功率)/輸入功率彡1的目的。參考圖9，其顯示用于測試本發明電磁發動機的馬力勘驗設備的示意圖。該馬力勘 驗設備90包括一本體91、一第一力臂92、一第二力臂93、一吊重94及一試片95。第一力 臂92與第二力臂93連接，且該試片95設置于第一力臂92與第二力臂93之間，該試片95 與本發明電磁發動機的轉軸35接觸。表1為本發明電磁發動機的實測數據，其輸出馬力是 達目標轉速下，才施以自制馬力勘驗設備的加載，若轉速不被壓低，則表示該電磁發動機在 此轉速的輸出功率，大于此吊重勘驗值，再由此吊重除0. 4公斤米而得勘驗馬力值，并非實 際輸出的功率值。若依吊重41. 5公斤米來算各轉速下勘驗馬力或功率值，則41. 5/0. 4*746 =77397. 5W，其勘驗倍率走勢亦雷同上述的分析，即倍率G隨轉速Ns的提升，由大而減小， 在扭力T達最大，倍率G達最小后，再隨轉速Ns的提升而回升。表權利要求
1.一種電磁發動機，其特征在于，所述電磁發動機包括一殼體；一轉子結構，具有至少一轉子座及多個磁鐵，所述多個磁鐵設置于所述轉子座的周邊， 所述多個磁鐵具有一設定磁能；及一定子結構，具有多個定子模塊，固定于所述殼體，每一定子模塊具有一鐵心及至少一 線圈繞組，所述線圈繞組繞設于所述鐵心，使所述鐵心產生一相對應磁場，相對于所述多個 磁鐵，使所述轉子結構轉動，所述電磁發動機輸出功率大于或等于輸入功率。
2.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，另包括一驅動器，連接至所述線圈繞組， 以控制所述轉子結構的轉速至一設定轉速。
3.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述轉子結構另包括多個扇葉，設置于所 述轉子座。
4.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述轉子結構另包括一轉軸及多個扇葉， 所述多個扇葉設置于所述轉軸。
5.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述定子結構另包括多個固定調整結構， 用以將所述多個定子模塊固定于所述殼體，并調整鐵心對磁鐵間的距離。
6.如權利要求5的電磁發動機，其特征在于，每一個固定調整結構具有二夾制件，用以 夾制固定所述鐵心，每一夾制件具有至少一調整元件，用以調整鐵心對磁鐵間的距離。
7.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，另包括一轉子位置傳感器，設置于所述殼 體，用以檢測所述轉子結構的位置。
8.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述轉子座具有一第一表面及一第二表 面，所述多個磁鐵包括一第一組磁鐵及一第二組磁鐵，所述第一組磁鐵設置于所述第一表 面的周邊，所述第二組磁鐵設置于所述第二表面的周邊；所述定子結構具有一第一組定子 模塊及一第二組定子模塊，所述第一組定子模塊對應至所述第一組磁鐵，所述第二組定子 模塊對應至所述第二組磁鐵。
9.如權利要求8的電磁發動機，其特征在于，一輸入電源輸入至所述第一組定子模塊 及所述第二組定子模塊的線圈繞組。
10.如權利要求8的電磁發動機，其特征在于，一輸入電源輸入至所述第一組定子模塊 的線圈繞組，所述第二組定子模塊的線圈繞組輸出電能。
11.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述轉子結構另包括一轉軸及一轉軸支 撐器，所述轉軸支撐器用以支撐所述轉軸，所述轉軸延伸至一發電機，以帶動所述發電機， 所述發電機包括一第二殼體、一第二轉子結構及一第二定子結構，所述第二轉子結構具有 至少一轉子座及多個磁鐵，所述多個磁鐵設置于所述轉子座的周邊，所述第二定子結構具 有多個定子模塊，固定于所述第二殼體，每一定子模塊具有一鐵心及至少一線圈繞組，所述 線圈繞組繞設于所述鐵心，相對于所述多個磁鐵，使磁鐵磁通透過所述鐵心的磁路感應至 所述線圈繞組，所述線圈繞組輸出電能。
12.如權利要求11的電磁發動機，其特征在于，所述第二轉子結構的轉子座具有一第 一表面及一第二表面，所述多個磁鐵包括一第三組磁鐵及一第四組磁鐵，所述第三組磁鐵 設置于所述第一表面的周邊，所述第四組磁鐵設置于所述第二表面的周邊；所述定子結構 具有一第三組定子模塊及一第四組定子模塊，所述第三組定子模塊對應至所述第三組磁鐵，所述第四組定子模塊對應至所述第四組磁鐵，所述第三組定子模塊及所述第四組定子 模塊的線圈繞組輸出電能。
13.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述轉子結構另包括一第一轉軸及一轉 軸支撐器，所述轉軸支撐器用以連接所述第一轉軸及一發電機的一第二轉軸，以帶動所述 發電機，所述發電機包括一第二殼體、一第二轉子結構及一第二定子結構，所述第二轉子結 構具有一轉子座、所述第二轉軸及多個磁鐵，所述多個磁鐵設置于所述轉子座的周邊，所述 第二定子結構具有多個定子模塊，固定于所述第二殼體，每一定子模塊具有一鐵心及一線 圈繞組，所述線圈繞組繞設于所述鐵心，相對于所述多個磁鐵，使所述鐵心產生一相對應磁 場，所述線圈繞組輸出電能。
14.如權利要求13的電磁發動機，其特征在于，所述第二轉子結構的轉子座具有一第 一表面及一第二表面，所述多個磁鐵包括一第三組磁鐵及一第四組磁鐵，所述第三組磁鐵 設置于所述第一表面的周邊，所述第四組磁鐵設置于所述第二表面的周邊；所述定子結構 具有一第三組定子模塊及一第四組定子模塊，所述第三組定子模塊對應至所述第三組磁 鐵，所述第四組定子模塊對應至所述第四組磁鐵，所述第三組定子模塊及所述第四組定子 模塊的線圈繞組輸出電能。
15.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述定子結構具有一第一組定子模塊及 一第二組定子模塊，一輸入電壓輸入至所述第一組定子模塊的線圈繞組，所述第二組定子 模塊的線圈繞組輸出電能。
16.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述多個磁鐵的磁極面朝向所述殼體的 一周邊面，所述定子結構的所述多個鐵心的磁極面相對所述多個磁鐵的磁極面。
17.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述多個磁鐵的磁極面朝向所述殼體的 一側面，所述定子結構的所述多個鐵心的磁極面相對所述多個磁鐵的磁極面。
18.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述鐵心呈U型，所述線圈繞組繞設于所 述U型鐵心的中央區域，于所述U型鐵心的二端產生一組相對應磁場，所述U型鐵心的二端 分別相對于相鄰不同極性的磁鐵。
19.如權利要求18的電磁發動機，其特征在于，至少二相鄰磁鐵的極性相同，所述多個 磁鐵區分為一第一磁極組磁鐵及一第二磁極組磁鐵，所述第一磁極組磁鐵與所述第二磁極 組磁鐵相鄰，所述U型鐵心的一第一端的磁極面相對于所述第一磁極組磁鐵，所述U型鐵心 的一第二端的磁極面相對于所述第二磁極組磁鐵。
20.如權利要求18的電磁發動機，其特征在于，所述多個磁鐵的磁極面呈弧形，所述U 型鐵心的二端的磁極面呈對應弧形，相對于所述多個磁鐵的磁極面。
21.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述轉子結構另包括一飛輪，設置于所 述轉子座。
22.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述轉子結構另包括一飛輪，設置于所 述轉子結構的一轉軸。
23.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，依據輸入至所述多個定子模塊的輸入電 源相數，所述多個定子模塊設置于所述轉子結構的周邊。
24.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，每一定子結構具有一鐵心及二線圈繞 組，其中一輸入電源輸入至一第一線圈繞組，一第二線圈繞組輸出電能。
25.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，另包括一發電裝置以輸出電能。
26.如權利要求10、11、12、13、14、15、24或25的電磁發動機，其特征在于，另包括一驅 動器，所述驅動器具有至少一驅動單元、一控制單元、一整流單元及一儲電單元，其中所述 整流單元及所述儲電單元用以將輸出電能整流及儲存。
27.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，所述磁鐵另包括多個磁鐵片，所述多個 磁鐵片具有相同極性。
28.如權利要求1的電磁發動機，其特征在于，另包括一受外力施轉裝置，設置于所述 轉子結構，以使所述轉子結構轉動。
29.如權利要求洲的電磁發動機，其特征在于，所述受外力施轉裝置設置于所述轉子 結構的所述轉子座。
30.如權利要求觀的電磁發動機，其特征在于，所述轉子結構另包括一轉軸，所述轉軸 延伸至所述殼體外，所述受外力施轉裝置設置于所述殼體外的所述轉軸。
31.如權利要求觀的電磁發動機，其特征在于，所述轉子結構另包括一轉軸及一飛輪， 所述轉軸延伸至所述殼體外，所述飛輪設置于所述殼體外的所述轉軸，所述受外力施轉裝 置設置于所述飛輪。
32.如權利要求四、30或31的電磁發動機，其特征在于，所述受外力施轉裝置為一齒輪。
33.如權利要求四、30或31的電磁發動機，其特征在于，所述受外力施轉裝置為一皮帶 輪軸。
34.如權利要求31的電磁發動機，其特征在于，所述受外力施轉裝置為一活動把手，設 置于所述飛輪的一外露面。
35.如權利要求30的電磁發動機，其特征在于，所述轉軸具有一軸端，所述受外力施轉 裝置為一驅動齒件，設置于所述軸端。
36.如權利要求四、30或31的電磁發動機，其特征在于，所述受外力施轉裝置為一磨擦 圓環面。
37.如權利要求觀的電磁發動機，其特征在于，所述受外力施轉裝置為所述轉子結構。
全文摘要
本發明關于一種電磁發動機，除將磁力開發成一種連續使用的能源外，其應用又兼具馬達般的操控性及方便性；概以磁鐵分片抑制高頻作用的熱損溫升及提高磁能，以磁極組磁鐵提高轉速及磁能，以分段定子避免擾磁，以磁路粗短提高磁能利用率，以轉子半徑的力臂慣量來穩定系統響應克服負載變動率等，滿足高磁能發揮及應用的條件，外施一低輸入電流曳引以輸出動能，實現一電磁發動機，且使該電磁發動機的輸出功率大于或等于輸入功率。
文檔編號H02N11/00GK102097979SQ20091025275
公開日2011年6月15日 申請日期2009年12月9日 優先權日2009年12月9日
發明者張瑞豐, 陳明元 申請人:陳明元