发电机结构的制作方法

专利名称：发电机结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电机结构，特别涉及一种具有扁平圆形或其它几何形式的 多极充磁磁铁，配合与铁心整合为一体，以及包覆于螺线管外部的爪极组的发电 机设计，其整体设计简洁、制作容易、体积小，相对地在低转速即可有良好的电 压输出表现，适用于发电机应用或制造等相关技术领域。
背景技术：
随着少电池化运动的推广，微小化高效能发电机的设计成为重要的课题，其 中一个产品实例就是自行车发电机，而花鼓内藏式发电机公认是阻力较小、较美 观的设计方式，在花鼓有限的空间里，配合自行车照明相关规范，必须达到低速(时速5Km/h左右)即可驱动12Q(奥姆)的灯泡微亮，而且在较高车速时能够抑制电压 上升的效果，因此多极的设计成为产品型态的主流。现行花鼓式发电机的结构源自于英国Sturmey-Archer公司提出的共轭多爪极 设计，如美国专利号5,769,750 「Epicyclic Change Gear System」，以及美国专利 号5，813，937 「Epicyclic Change Speed Gear System」，分别揭露两款该公司申请的 共轭多爪极发电机结构，并分别主张英国专利GB9409844、 GB9304189优先权； 所述共轭多爪极发电机结构的特点是采用圆管状磁铁包覆相互穿插设置爪极的基 本架构，且所述基本架构被广泛应用于各式发电机中，如图1及图2所示中国台 湾专利申请号第94109740号「轮毂发电机及自行车」，所述案同时主张日本专利 特开2001-327139优先权，其揭露一种轮毂发电机10，在轮毂体12内侧配置有永 久磁铁14，在轮毂轴11具有使与永久磁铁14磁极相向的多个极片74、 75设于 周面上的2个定子芯16、 17以及配置在定子芯16、 17间的巻绕线圈22，通过夹 持定子芯16、 17而设于轮毂轴11上的定位构件30、 31，使2个定子芯16、 17 定位固定在轮毂轴ll上，其特征在于，所述定子芯16、 17上开设有自贯穿轮毂 轴11的孔13朝向外周缘的凹槽孔15，在两定子芯16、 17与定位构件30、 31间 中介有绝缘物80而使定子芯16、 17凹槽孔15防止定位固定构件侧导电体跨接定
子芯16、 17;所述结构以共轭多爪极设计为基础，其特征仅在于设有所述凹槽孔15，藉以抑制(阻断)涡电流的产生，提高发电效率，然而，上述共轭多爪极设计的发电机结构虽广泛沿用已久，然始终存在以下许多弊端1、 磁铁为圆管状包覆于定子芯外，体积庞大且制作成本高；2、 磁力线经过极片(爪极)导引经过两次以上几何方向的转折，因而降低通过 螺线管铁心的磁通量；3、 因为定子芯必须制作3D造形，且磁通导引转折次数两次以上，且各极片 (爪极)之间的磁场容易互相干扰，使得整得效率偏低。请续参阅图3，中国台湾专利申请号第92137088号「发电花鼓」，所述发电 花鼓是由一本体2、 一线圈座3、 一线圈组4、 一铁芯5、 一包脚组6、 二磁块7 以及一轴承心轴8构成，所述专利揭露传统发电花鼓1的结构，如图4所示，其 是由一本体11、 一线圈座12、 一线圈组13、 一铁芯14、 一包脚组15、 一磁环16 以及一轴承心轴17所构成，所述专利指出传统所述发电花鼓1具有两大缺失，一 者为由于所述铁芯14、线圈座12、线圈组13、包脚组15及所述磁环16是由内 而外层层环覆于所述本体11内，使得所述发电花鼓1的体积无法有效縮减，二者 为传统铁芯14于安装时，必须以一片一片的硅钢片141相叠，其过程繁复、浪费 时间且不合经济效益；因此，所述专利的结构特征之一(权利要求l)是舍弃传统圆 管状磁铁，而沿所述轴线方向X排列于所述包脚组6的两轴向侧分别贴靠一磁块 7，藉此达到縮减所述本体2径宽及体积的目的，据此可知，所述本体2实际所能 减少的径宽应为磁铁厚度的两倍，然而值得注意的是，相互比对图3与图4，除 了磁环16转换为磁块7之外，所述包脚组6、 15的外型完全不同，所述包脚组6 虽环绕设有多个径向延伸的爪极，然而所述爪极并不弯折，亦即所述两片包脚组 6是被分离设置于所述线圈组4的轴向两侧，其爪极并不相互穿插，此一有异于 传统包脚组15的结构设计，所述专利于说明书中完全无任何文字提及，然而，对 于熟悉所述类发电花鼓技艺的人士却可轻易得知，所述包脚组6的结构具有严重 缺失且不具有实施性，其原因在于，由于所述爪极因间隔设置，故仅能利用到两 端磁块7的各一半表面积，其余未与包脚组6对应的磁块7会产生回路问题，反 而导致发电效率严重降低；另针对传统铁芯14的安装问题，所述案提出可于出厂 前预先通过固定销52定位硅钢片51使成为一铁芯5，藉此提升组装的简便性， 节省组时间，然同样地，对于熟悉所述类发电花鼓技艺的人士而言，所述做法亦
不具可行性，其原因在于，图4所示传统硅钢片141堆栈后的厚度方向是与磁力 线(亦即所述轴线方向X)垂直，如此方能造成有效导磁效果，此堆栈方式广泛应 用于一般变压器、马达等装置中，且属于基本电原理，若依图3所示所述硅钢片 51，由于其堆栈方向及其形成的厚度是与磁力线(亦即所述轴线方向X)平行，反 而会造成磁滞与涡流损发热；据此可知，若为縮减体积、提升组装简便性而导致 发电效率严重降低，实不符合一般业者所期望，所述案结构实际上并不具有进步 性，故于市面上并未见有相同或相似结构的发电花鼓。请续参阅图5，美国早期公开专利20040135452号「Flat Rotary Electric Generator」，所述专利提供一种扁平式回转发电机设计，每一个对应的磁极组2 会配合一个螺线管线圈1，由于所述螺线管线圈1绕线有一定的尺寸限制，当采 取多极设计配置时，必须考虑中空部分直径等分后的尺寸大小，故整体直径很难 有效縮小，若为提高发电功率，则又必须将体积加大，因此，所述结构无法兼顾 电池微小化及功率密度的达成。由上述各专利前案结构可知，由于花鼓发电机容易与滚子煞车整合为一体， 适合自行车组装厂大量组装用，因此，改良现有花鼓发电机的效率并降低成本具 有重大的意义，进而可应用于自发电液晶电视等研发项目；再者，健身自行车等 产品所使用的电磁控制阻力系统，通常系统会内建一个发电机，若可把这种高效 能自行车发电机的设计用在这种场合，亦可解决发电效率与成本等问题；此外， 小型发电装置可以作为随身电子产品的电源，例如口袋内、鞋底或鞋面、眼镜、 手表等，亦可作为紧急用电时的需求，例如照明或收音机及通讯等用品的电源， 如何在有限的空间内产生足够的发电功率且成本合理，成为微小携带型发电装置 能否大量被推广的重要关键发明内容本发明的目的在于提出一种发电机结构，其具有扁平圆形或其它几何形式的 多极充磁磁铁，配合与铁心整合为一体，以及包覆于螺线管外部的爪极组，整体 设计简洁、制作容易、体积小，相对地在低转速即可有良好的电压输出表现。为达到上述目的，本发明提出一种发电机结构，其包括至少一磁铁，其具有两极以上充磁极数；至少一爪极组，是用以导引磁通，其是由一组内爪极与一组外爪极构成，所
述内爪极与所述外爪极是相互穿插设置；一铁心，是与所述内爪极相连接，用以导通内爪极与所述外爪极的回路； 一螺线管线圈，是缠绕设置于所述铁心外。较佳地，所述磁铁是呈扁平圆板状，其充磁极数是环绕其中心且径向分区设置。较佳地，所述铁心外径是小于所述磁铁的外径，所述内爪极是以所述铁心为 中心径向向外延伸。较佳地，所述磁铁是单片设置，于所述内爪极与所述外爪极之间设有一衔接 件，所述衔接件为一环体，所述环体具有相互连接的一内环侧以及一外环侧，所 述内环侧是与所述铁心相连接，所述外环侧是与所述外爪极相连接，藉此可使所 述磁铁、外爪极、内爪极以及所述铁心构成一磁力回路。较佳地，所述衔接件的内环侧及外环侧之间是形成一空间，用以容置所述螺 线管线圈。较佳地，所述磁铁为偏磁极多极充磁。较佳地，所述磁铁是双片设置，且所述双片磁铁之间具有一定间距，每一片 磁铁均相对应于一组爪极组。较佳地，所述双片磁铁是连接于一中空管状的第一连接件的轴向两端，通过 所述第一连接件可驱动所述两片磁铁同步转动；.所述两组爪极组的外爪极是连接于一中空管状的第二连接件的轴向两端，所 述第二连接件的外径是小于所述第一连接件的内径，通过所述第二连接件可驱动 所述两组外爪极同步转动。较佳地，所述第二连接件与所述铁心之间是形成一空间，用以容置所述螺线 管线圈。较佳地，所述爪极组及所述铁心为纯铁、硅铁或硅钢等材质其中之一或其组合。较佳地，所述外爪极、所述内爪极是利用冲压、铸造等金属加工方式与所述外管或内管一体成型或采用叠层等组合方式制成。较佳地，所述外爪极、所述内爪极是采用硅钢片堆栈而构成。较佳地，所述外爪极、所述内爪极延伸的宽度、厚度或长度可不相同，且所述外爪极及所述内爪极相互的宽度、厚度或长度可不相同。
较佳地，所述外爪极是呈由所述外管边缘朝向所述外管轴心宽度渐窄的锥型， 所述内爪极则是呈由所述内管边缘径向朝向所述内管外部宽度渐宽的扇型。较佳地，所述磁铁为钕铁硼、钐钴、铁氧体、铝镍钴等各式磁铁材料其中之 一或其组合所制成的多极磁铁。较佳地，所述外爪极及所述内爪极的爪数分别为所述磁体充磁极数的一半。较佳地，所述磁铁可为单面充磁或双面充磁。较佳地，所述磁铁各磁极的几何形状大致与所述外爪极或内爪极形状一致。 较佳地，所述外爪极或内爪极于半径方向具有螺旋角度的旋转，所述磁铁的 各磁极于半径与角度方向亦配合做扭转性磁极充磁。较佳地，其更包括至少一背铁组，所述背铁组包括-一背铁，是设置于所述磁铁远离所述爪极组的一面，用以封闭磁力线封闭； 一锁固螺帽，是轴设于所述磁铁及所述背体中心，所述锁固螺帽的一端是顶 抵于所述铁心；一轴承，是套设于所述锁固螺帽外； 一轴承盖，是包覆于所述轴承外；通过螺栓将所述轴承盖螺合于所述背铁，使所述磁铁、背铁、轴承、轴承盖 以及所述锁固螺帽组装为一体。较佳地，所述锁固螺帽具有一轴向延伸长度，使得所述锁固螺帽顶抵于所述 内爪极组件的内管铁心时，所述磁铁可与所述外爪极与所述内爪极之间形成一定 距离。较佳地，所述背铁为纯铁、铁钴合金、镍铁合金或硅铁等导磁材料其中之一 或其组合。较佳地，是串联设置有多个的爪极组，所述背铁组则是设置于位于轴向两外 侧端的磁铁外。较佳地，所述背铁与轴承盖为一体成型。较佳地，所述爪极组的远离所述磁铁的面上嵌入有金属棒或其它金属细长结 构，用以使爪极搜集的磁力线部分流过所述金属细长结构，使线圈感受较强的磁 通密度。较佳地，所述外爪极与所述铁心之间设有多个的连接件相互连接，所述连接 件上分别缠绕设有线圈，用以构成并联或串联发电输出。
较佳地，所述连接件的材质为纯铁、硅铁或硅钢等材质其中之一或其组合。 本发明所提供的发电机结构，其具有下列优点1、 其扁平圆板状磁铁的充磁方向与铁心轴向平行，散发自磁铁表面的磁力线 经过内、外爪极接受后，经过几何一次转折即可有效进入铁心，可减少磁铁使用 量，且可使整体设计的外观尺寸比例趋向扁平，适用于特殊空间限制的场合。2、 透过多极扁平圆板状磁铁及内外爪极的设计，有效引导磁通于线圈内部， 随着多极磁铁的转动，爪极与磁铁各极相对位置改变，使螺线管内磁通方向不断 进行顺向与逆向切换，此直接导致线圈磁通量时变的设计，与现有直交切割磁力 线的方式(如图3所示现有结构)截然不同，于增加感应电压输出效率的同时，可 减少磁吸阻力。3、 由于爪极的磁通均统一导入铁心管内，故可减少线圈组数，利用单一组线圈即可将磁铁表面的残留磁通量有效利用。4、 其扁平圆板状磁铁易于备料充磁。5、 低阻力、高转换效率。6、 在低转速即可有良好的电压输出表现。7、 整体体积縮小化、轻量化。8、 设计结构简单、低成本。为了对本发明的结构目的和功效有更进一步的了解与认同，配合图示详细说 明如后。


图1是现有轮毂发电机剖开一半的剖视图；图2是图一所示现有轮毂发电机定子的左侧视图；图3是现有发电花鼓的立体分解图；图4是传统发电花鼓的立体分解图；图5是现有扁平式回转发电机的立体结构图；图6是本发明第一较佳实施例的分解立体图；图7是本发明第一较佳实施例的组合剖面图；图8是本发明的外爪极与内爪极相互穿插的前视结构示意图；图9是本发明的线圈缠绕的另一态样的结构示意图IO是本发明第二较佳实施例的组合剖面图；图11A是本发明的单面磁铁结构于转速30RPM时的电压输出波形图； 图11B是本发明的单面磁铁结构于转速120RPM时的电压输出波形图； 图12A是本发明的双面磁铁结构于转速60RPM时的电压输出波形图； 图12B是本发明的双面磁铁结构于转速90RPM时的电压输出波形图； 图13A及13B是本发明针对自行车发电机需求的设计在不同发电机转速下的 开回路电压数据表及效率曲线图。附图标记说明10、 100-发电机结构;20、 200-爪极组;21、 210-外爪极组件; 211-外管；2110-第二连接件；212、 2120-外爪极；22、 220-内爪极组件；221、 2210-内管；222、 2220-内爪极;30、 300國心轴;40、 400-铁心;41-径向连接件;50、 500-衔接件;51-外环侧;52-内环侧;53-锁固螺帽;60、 600-螺线管线圈;70、 700-磁铁；71-磁极；711-N磁极；712-S磁极；720-第一连接件；80、 800-背铁组；81、 810-背铁；82、 820-锁固螺帽；83-轴承；84-轴承盖；85-螺栓；D-距离；L-锁固螺帽轴向延伸长度。
具体实施方式
以下将参照随附的图式来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效， 而以下图式所列举的实施例仅为辅助说明，但本案的技术手段并不限于所列举图式。请参阅图6至图8所示，本发明所提出的一较佳实施例，所述发电机结构10 为一单面磁铁结构，其包括一爪极组20、 一心轴30、 一铁心40、 一衔接件50、 一螺线管线圈60(图6未示出所述螺线管线圈60)、 一磁铁70及一背铁组80。所述爪极组20是包括一外爪极组件21以及一内爪极组件22，所述外爪极组 件21是用以构成外部磁回路，其是由一外管211以及多个的外爪极212构成，所 述外爪极212是设置于所述外管211的其中一轴向端，且由所述外管211边缘朝 向所述外管211轴心延伸；所述内爪极组件22是用以构成内部磁回路，其是由一 内管221以及多个的内爪极222构成，于本实施例中，所述铁心40是与所述内管 222连结为一体，直接由所述铁心40作为所述内爪极组件22的内管，所述内爪 极222是相对应于所述外爪极212设置于所述内管221的一轴向端，由所述内管 221轴心径向向外延伸与所述外爪极212相互穿插设置，关于所述外爪极212以 及所述内爪极222的数目及其外型，如图8所示实施例，是分别设置有十支外爪 极212及所述内爪极222，所述外爪极212是呈由所述外管211边缘朝向所述外 管211轴心宽度渐窄的锥型，而所述内爪极222则是呈由所述内管221边缘径向 朝向所述内管221外部宽度渐宽的扇型，如此，可使所述外爪极212及所述内爪 极222相互嵌合，如图8所示，配合电压波形与制作方式的调整，所述外爪极212 及所述内爪极222本身，或所述外爪极212及所述内爪极222相互间锁延伸的宽 度、厚度或长度均可不同，可为等宽的矩形，或是局部做圆弧等外观轮廓的修正， 可为等厚度设计，亦可以配合磁通流路方向逐渐改变厚度，如图7所示，所述外 爪极212及所述内爪极222均呈现末端较薄，而与外管2U、内管221连接部位 较厚的设计；再者，所述外爪极组件21及所述内爪极组件22的材质可为纯铁、 硅铁、碳钢或硅钢等材质其中之一或其组合，以所述外爪极212为例，所述外爪 极212是利用冲压、铸造等金属加工方式与所述外管211 —体成型，或可将所述 外爪极212、外管211各自单独成型后，再以紧配合套叠方式组合，所述外爪极 212亦可采用硅钢片堆栈后再以塑料射出与所述外管211 —体成型，其同样地， 所述内爪极222与内管221(或铁心40)的成型方式与前述所述外爪极212与所述 外管211的成型方式相同，其原则在于能够形成对向磁极之间的导通即可。请续参阅图6及图7，于所述外爪极组件21及所述内爪极组件22的外管211 与内管221轴向贯穿所述心轴30，由于所述铁心40是与所述内管221轴向连结 为一体，因此，可将所述铁心40套设于所述心轴30外，由于所述外管211的内 径大于所述铁心40的外径，可避免不同磁通方向相互干扰，同时可于所述外管 211与所述铁心40之间形成一空间，用以将所述螺线管线圈60缠绕设置于所述 铁心40外，于所述铁心30外部缠绕有线圈。再如图6及图7所示，所述衔接件50为一环体，所述环体具有相互连接的一 外环侧51及一内环侧52，所述外环侧51是与所述外爪极组件21的外管211不 设置外爪极212的一轴向端相接触，所述内环侧52则与所述铁心40远离所述内 爪极222的轴向端相接触，藉此，可使得所述外爪极组件21与所述内爪极组件 22构成连接关系，依此连接关系可知，所述衔接件50亦可与所述外管211、铁心 40—体成型，再以与所述外爪极212及所述内爪极222相互连接；再于所述衔接 件50远离所述爪极组20的面上设有一锁固螺帽53，所述锁固螺帽53是锁固于 所述心轴30外，且所述锁固螺帽53的一端是顶抵于所述衔接件50，以确保所述
衔接件50与所述外管211、所述铁心40紧密接触。再如图6至图8所示，所述磁铁70套设于所述心轴30上，且设置于靠近所 述外爪极212与所述内爪极222处，此处所述磁铁70呈扁平圆板状，然亦可为其 它几何造型，所述磁铁70是径向分布设置有两极以上的充磁极数，如图8虛线区 域所示，所述磁铁70径性等分充磁为二十个磁极71，所述二十个磁极71为间隔 设置的十个N磁极711与十个S磁极712，所述N磁极711与S磁极712的几何 形状大致与所述外爪极212或内爪极222形状一致，所述外爪极212及所述内爪 极222的爪数分别为所述磁极71数目的一半，亦即，分别设置有十支外爪极212 及十支所述内爪极222，依表磁需求不同，所述磁铁40可为钕铁硼、钐钴、铁氧 体、铝镍钴等各式磁铁材料其中之一或其组合所制成的多极磁铁，此外，为了避 免线圈60缠绕位置与两种磁极711、 712的导磁距离不等，可以将磁铁70在做多 极充磁时做偏磁极设计；此外，如发电机相关技术领域人士所熟悉，所述磁铁70 可以采取单面充磁或双面充磁，当所述外爪极212或内爪极222于半径方向具有螺旋角度旋转时，所述磁铁70的各磁极71于半径与角度方向亦配合做扭转性磁 极充磁，而所述外爪极212与所述内爪极222的远离所述磁铁70的面上，则可嵌 入金属棒或其它金属细长结构(图中未示出)，用以使所述外爪极212与所述内爪 极222搜集的磁力线部分流过所述金属细长结构，使线圈60感受较强的磁通密度。 再如图6及图7所示，于所述磁铁70外部设置一背铁组80，所述背铁组80 包括一背铁81,所述背铁81亦呈现圆板状，其是设置于所述磁铁70远离所述外 爪极212及所述内爪极222的一面，于所述磁铁70及所述背体81中心设有一锁 固螺帽82，所述锁固螺帽82是轴设且锁固于所述心轴30外，于所述锁固螺帽82 外的所述心轴30上设置一轴承83，再于所述轴承83外设置一轴承盖84，所述轴 承盖84是套设于所述心轴30外且包覆于所述轴承83外，通过螺栓85将所述轴 承盖84螺合于所述背铁81，使所述磁铁70、背铁81、轴承83、轴承盖84以及 所述锁固螺帽82组装为一体，所述锁固螺帽82朝向所述爪极组20的一轴向端是 顶抵于所述内爪极组件22的内管222，如图7所示，所述锁固螺帽82具有一轴 向延伸长度L，使得所述锁固螺帽82顶抵于所述内管222时，所述磁铁70可与 所述外爪极212与所述内爪极222之间形成一定距离D，通过所述背铁81封闭磁 力线，可减少磁通损失，增加导引爪极侧磁通密度，所述背铁81可采用纯铁、铁 钴合金、镍铁合金或硅铁等导磁材料其中之一或其组合，通过所述轴承83的设置，
则可使所述磁铁70于所述心轴30上形成一可枢转状态，此外，亦可于所述心轴 30上串联设置多个的线圈60、爪极组20及磁铁70,而只要于最远离所述衔接件 50的磁铁70外设置一片背铁81即可，另者，可将所述背铁81与轴承盖84—体 成型以简化结构。再请参阅图7及图8，通过上述各构件的组合，所述磁铁70、爪极组20以及 所述铁心40可构成一磁力回路，当所述磁铁70旋转与所述爪极组20相对转运动 时，通过所述外爪极212、所述内爪极222与磁铁70各磁极71相对位置的改变， 使线圈60内的磁通方向不断地进行顺向与逆向切换，所述外爪极212、所述内爪 极222与磁铁70相对运动回转一圈，通过线圈60内磁通方向的变化次数即为所 述磁铁70充磁的磁极数。另请参阅图9所示本发明的线圈缠绕的另一态样的结构示意图，其是于所述 外管2U与所述铁心40之间设有多个的径向连接件41，所述径向连接件41的材 质可采用与所述外管211及所述铁心40相同的为纯铁、硅铁或硅钢等材质其中之 一或其组合，于所述径向连接件41上分别缠绕设有副线圈61，藉此构成并联或 串联发电输出，其作用与前述所述线圈60相同，此外，亦可将所述副线圈61局 部缠绕于本发明的外爪极(请参阅图6所示的外爪极212)上，如此可造成外部磁回 路利用，增加发电量。以上述图6所示的单面磁铁结构的发电机结构IO为基础，，可衍生出图IO所 示的双面磁铁结构，所述发电机结构100包括一爪极组200、 一心轴300、 一铁心 400、 一螺线管线圈600、 二磁铁700及二背铁组800，上述各构件所能达成的作 用及其所能达到的功能与图6所示的所述单面磁铁结构的发电机结构10所包括的 爪极组20、心轴30、铁心40、螺线管线圈60、磁铁70及背铁组80相同，故此 处不予赘述，本实施例的特点在于，每一磁铁700均对应一组外爪极2120及一组 内爪极2220，同样地，所述两组内爪极2220是连接于所述铁心400的轴向两端， 而所述双片磁铁200是连接于一中空管状的第一连接件720的轴向两端，通过所 述第一连接件720可驱动所述两片磁铁700同步转动，所述两组外爪极2120则是 连接于一中空管状的第二连接件2110的轴向两端，所述第二连接件2110的外径 是小于所述第一连接件720的内径，通过所述第二连接件2110可驱动所述两组外 爪极2120同步转动，所述第二连接件2110与所述铁心400之间是形成一空间， 用以容置所述螺线管线圈600。于此实施例中，所述内爪极组件220是以套叠的
方式组合于所述铁心400的两轴向端，然亦可如图6的内爪极组件22，将所述内 爪极组件220与所述铁心400 —体加工成型，由所述铁心400作为所述两内爪极 组件220共享的内管，至于所述外爪极2120与所述内爪极2220相互穿插设置的 态样可参考图8所示。同样地，可于所述心轴300上串联设置多个的线圈600、 爪极组200，并于各组线圈600及爪极组200之间设置所述磁铁700，且只有所述 直向两外侧端的磁铁700需要搭配所述背铁810，其它位于中间段的磁铁700则 不需要搭配所述背铁810。利用电磁仿真软件(ANSOFT)对本发明于转速30RPM、 120RPM时的磁通密 度进行模拟，可以发现铁心部分与爪极相较其磁通密度较接近饱和，图11A及图 11B为分别对应30RPM、 120RPM的电压输出波形图；于转速60RPM、 90RPM 时进行模拟，可以发现铁心部分的磁通密度都达饱和，证明双面磁铁结构磁通路 径较短传导效率较佳，图12A及图12B则为分别对应60RPM、 90RPM的电压输 出波形图，经上述模拟验证本发明确实可达到有效发电应用的目的。请参阅图13A及13B，是本发明针对自行车发电机需求的设计在不同发电机 转速下的开回路电压数据表及效率曲线图，其显示于同一转速及车速时，单面磁 铁与双面磁铁结构所能获致的不同感应电压，换言之，无论单面磁铁或双面磁铁， 在不同转速下，均可达到所需的电压，验证本发明可达到的功效，如图13B的曲 线Ll、 L2分别代表单面磁铁及双面磁铁结构发电机在不同发电机转速下的开回 路电压变化趋势；除此之外，经发明人实际实验亦验证，将本发明应用于自行车 花鼓发电机，当转速达150RPM时，功率密度可以达到45mW/cm3以上，若应用 于健身自行车，当飞轮转速达500RPM时，功率密度可达到40mW/cm3以上。以上所述，仅为本发明的最佳实施例而已，当不能以之限定本发明所实施的 范围。即大凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利 涵盖的范围内。
权利要求
1.一种发电机结构，其特征在于，包括有至少一磁铁，其具有两极以上充磁极数；至少一爪极组，是用以导引磁通，其是由一组内爪极与一组外爪极构成，所述内爪极与所述外爪极是相互穿插设置；一铁心，是与所述内爪极相连接，用以导通内爪极与所述外爪极的回路；以及一螺线管线圈，是缠绕设置于所述铁心外。
2. 如权利要求1所述的发电机结构，其特征在于所述磁铁是呈扁平圆板状， 其充磁极数是环绕其中心且径向分区设置。
3. 如权利要求1所述的发电机结构，其特征在于所述铁心外径是小于所述 磁铁的外径，所述内爪极是以所述铁心为中心径向向外延伸。
4. 如权利要求1所述的发电机结构，其特征在于所述磁铁是单片设置，于 所述内爪极与所述外爪极之间设有一衔接件，所述衔接件为一环体，所述环体具 有相互连接的一内环侧以及一外环侧，所述内环侧是与所述铁心相连接，所述外 环侧是与所述外爪极相连接，由此所述磁铁、外爪极、内爪极以及所述铁心构成 一磁力回路。
5. 如权利要求4所述的发电机结构，其特征在于所述磁铁为偏磁极多极充磁。
6. 如权利要求1所述的发电机结构，其特征在于所述磁铁是双片设置，且 所述双片磁铁之间具有一定间距，每一片磁铁均相对应于一组爪极组。
7. 如权利要求6所述的发电机结构，其特征在于所述双片磁铁是连接于一中空管状的第一连接件的轴向两端，通过所述第一 连接件驱动所述两片磁铁同步转动；所述两组爪极组的外爪极是连接于一中空管状的第二连接件的轴向两端，所 述第二连接件的外径是小于所述第一连接件的内径，通过所述第二连接件驱动所 述两组外爪极同步转动。
8. 如权利要求1所述的发电机结构，其特征在于所述爪极组及所述铁心为 纯铁、硅铁或硅钢材质其中之一或其组合。
9. 如权利要求1所述的发电机结构，其特征在于所述爪极组是利用冲压、 铸造的金属加工方式一体成型或采用叠层的组合方式制成。
10. 如权利要求1所述的发电机结构，其特征在于所述外爪极、所述内爪极 是采用硅钢片堆栈而构成。
11. 如权利要求l所述的发电机结构，其特征在于所述外爪极、所述内爪极 延伸的宽度、厚度或长度不相同，且所述外爪极及所述内爪极相互的宽度、厚度 或长度不相同。
12. 如权利要求1所述的发电机结构，其特征在于所述磁铁为钕铁硼、钐钴、 铁氧体、铝镍钴其中之一或其组合所制成的多极磁铁。
13. 如权利要求l所述的发电机结构，其特征在于所述外爪极及所述内爪极 的爪数分别为所述磁体充磁极数的一半，且所述磁铁各磁极的几何形状与所述外 爪极或内爪极形状一致。
14. 如权利要求l所述的发电机结构，其特征在于所述磁铁为单面充磁或双 面充磁。
15. 如权利要求l所述的发电机结构，其特征在于所述外爪极或内爪极于半 径方向具有螺旋角度的旋转，所述磁铁的各磁极于半径与角度方向亦配合做扭转 性磁极充磁。
16. 如权利要求l所述的发电机结构，其特征在于还包括至少一背铁组，所 述背铁组包括一背铁，是设置于所述磁铁远离所述爪极组的一面，用以封闭磁力线封闭； 一锁固螺帽，是轴设于所述磁铁及所述背铁中心，所述锁固螺帽的一端是顶 抵于所述铁心；一轴承，是套设于所述锁固螺帽外；以及 一轴承盖，是包覆于所述轴承外；通过螺栓将所述轴承盖螺合于所述背铁，使所述磁铁、背铁、轴承、轴承盖 以及所述锁固螺帽组装为一体。
17. 如权利要求16所述的发电机结构，其特征在于所述背铁为纯铁、铁钴 合金、镍铁合金或硅铁其中之一或其组合。
18. 如权利要求16所述的发电机结构，其特征在于所述心轴上是串联设置 有多个的爪极组，所述背铁组则是设置于位于轴向两外侧端的磁铁外。
19. 如权利要求l所述的发电机结构，其特征在于所述爪极组的远离所述磁铁的面上嵌入有金属棒或其它金属细长结构，用以使爪极搜集的磁力线部分流过所述金属细长结构，使线圈感受较强的磁通密度。
20. 如权利要求l所述的发电机结构，其特征在于所述外爪极与所述铁心之间设有多个的连接件相互连接，所述连接件上分别缠绕设有线圈，用以构成并联 或串联发电输出。
21. 如权利要求20所述的发电机结构，其特征在于所述连接件的材质为纯 铁、硅铁或硅钢材质其中之一或其组合。
全文摘要
一种发电机结构，其包括至少一磁铁，所述磁铁具有两极以上充磁极数；以及，至少一爪极组，其是由相互穿插设置的一组内爪极与一组外爪极构成，所述内爪极与所述外爪极是用以导引磁通；所述内爪极连接一外径小于所述磁铁的铁心，用以导通内爪极与所述外爪极的回路；于所述铁心外缠绕设置一螺线管线圈；所述内爪极或外爪极的爪数各为磁铁充磁极数的一半，当磁铁与爪极相对运动时，通过螺线管内的磁通量产生连续变化，产生感应电动势。
文档编号H02K21/12GK101150276SQ200610152229
公开日2008年3月26日 申请日期2006年9月20日 优先权日2006年9月20日
发明者张复瑜, 彭文阳, 郑庆祥 申请人:财团法人工业技术研究院