TWI398074B - 發電機及其使用的空心磁芯 - Google Patents

Description

發電機及其使用的空心磁芯

本發明關於一種發電機，該發電機用於發電場合，特別是關於一種發電機及其使用的空心磁芯，該發電機能把旋轉動能轉化為電能。

交流發電機用於多種應用場合，例如透過電氣裝置進行發電。此外，交流發電機在許多小型場合中得到應用，如家用電器、汽車等。然而，多數現有的發電機設計在這些小型應用場合中並不十分得體。舉例來說，當前的設計通常巨大而且笨重，其使用大量的導電金屬和鐵磁金屬(該金屬是密度大的材料，因而增加了發電機的總重量)作為遮罩和外殼材料。此外，為了保持發電的效率，還以實心或類似實心的方式使用這類材料，比如薄片、鐵芯，如此就更增加了發電機的重量和體積。再者，這類材料通常比較昂貴，因而增加了發電機的建造費用。

因此，本發明提供了一種交流發電機的設計，該設計能夠有效地把旋轉動能轉化為電能，且不需要笨重而又昂貴的遮罩材料和鐵芯材料。尤其是，本發明更提供一種空心磁芯，該磁芯重量輕且容易加工，而且這種構造能提供自我遮罩的特性，以及促進高效的發電過程，例如，能將所感應之渦電流而產生的損耗最小化。這種實施方式適合於小型化應用下使用，如高壓清洗機和其他掌上型裝置，當然可針對大型應用來製造。

本發明的示例實施方式提供了一種用於發電機的空心磁芯，該空心磁芯包括管狀空心磁芯，其具有高導磁率，並且具有第一端部和第二端部。管狀空心磁芯具有多個降低渦電流的縫隙，該縫隙從管狀空心磁芯的一放射狀外表面貫穿至管狀空心磁芯的一放射狀內表面。空心磁芯還具有一連續的線圈，該線圈由導線構成，其具有多個線圈環(loop)，該線圈環纏繞在管狀空心磁芯周圍，所述線圈安置在管狀空心磁芯的第一端部與第二端部之間。

一具體實施例中，所述縫隙係位在管狀空心磁芯的縱向軸方向上，且從管狀空心磁芯的第一端部向第二端部延伸。更進一步地說，所述縫隙幾乎完全延伸到線圈的全軸長度。

所述之空心磁芯還包括多個第二縫隙，該第二縫隙從管狀空心磁芯的外表面貫穿至管狀空心磁芯的內表面，所述第二縫隙位在管狀空心磁芯的縱向軸方向上，並從管狀空心磁芯的第二端部向第一端部延伸。

所述空心磁芯還包括凸緣，該凸緣具有高導磁率，且從管狀空心磁芯放射狀地向外延伸，該凸緣位於管狀空心磁芯的第一端部和第二端部之間。一具體實施例中，該凸緣的半徑至少與線圈的半徑一樣大。

更進一步地說，某些示例實施方式還包括一管狀的線軸(bobbin)，其中，線圈纏繞在該線軸周圍，而管狀空心磁芯係縱向地穿過線軸和線圈。

本發明所揭露之發電機之另一具體實施例中，至少包括一個如上所述的空心磁芯。所述發電機還包括旋轉輪，該旋轉輪係繞著旋轉軸來進行旋轉，所述旋轉輪包括一平面狀之轉片體，該轉片體至少具有一與旋轉軸正交之第一側面，並且具有多個附接至旋轉輪的永久磁鐵(permanent magnet)，該永久磁鐵具有數個磁極，所述磁極的方位與旋轉軸平行，其中，空心磁 芯置於對應於轉片體之第一側面的位置上，以便當旋轉輪旋轉時，至少有一個永久磁鐵緊鄰線圈通過。依照本實施例設置之空心磁芯，便與永久磁鐵的磁極大體上對齊，並與線圈之線圈環的平面正交。

由於從旋轉軸起等距地放置各個永久磁鐵，因此永久磁鐵均勻地佈置成環狀。一具體實施例中，係以交替磁極方位的方式佈置永久磁鐵。

另一具體實施例中，發電機還包括多個空心磁芯，其中，空心磁芯緊鄰轉片體的第一側面，均勻地排列成環狀，各個空心磁芯與永久磁鐵一樣，與旋轉輪之旋轉軸的距離都是相同的。空心磁芯的數量與永久磁鐵的數量相同。

發電機更包括多個第二空心磁芯，其中，第二空心磁芯緊鄰著轉片體的一第二側面，均勻地排列成環狀，各個空心磁芯與永久磁鐵一樣，與旋轉輪之旋轉軸的距離都是相同的。同樣地，第二空心磁芯的數量與永久磁鐵的數量相同。一具體實施例中，發電機更包括一非磁性外殼，其中，旋轉輪和空心磁芯安裝在外殼上。

另一具體實施例中，發電機至少有二個線圈以串聯方式連接在一起，或以並聯方式連接在一起。發電機還包括一輸出裝置，該輸出裝置與一個或多個線圈相連，其中，輸出裝置使線圈所感應的電動勢符合期望頻率和/或振幅。具體來說，輸出裝置包括數位控制器。發電機更包括一第二旋轉輪以及多個第二永久磁鐵，該第二旋轉輪係安裝成可以環繞旋轉輪之旋轉軸進行旋轉。

另外，發電機進一步更包括一輸出裝置，該輸出裝置與線圈相連。其特徵是，所述輸出裝置會從線圈所感應的電動勢來產生一單相輸出(single-phase output)。另一具體實施例中，輸出裝置係從線圈所感應 的電動勢來產生一多相輸出(multi-phase output)。

本發明所揭露之發電機之再一具體實施例中，包括一集中元件、一導電元件、一旋轉元件以及複數個磁場發生元件。集中元件用於集中一磁場，集中元件具有一中空磁芯和至少一個降低渦電流的縫隙，該縫隙從外表面貫穿至內表面；導電元件係用於接收包圍所述集中元件的感應電動勢；旋轉元件係環饒一旋轉軸來進行旋轉；磁場發生元件係用於產生依附於旋轉元件的磁場。其中，集中元件係對應著旋轉元件進行安置，以便當旋轉元件環繞旋轉軸旋轉時，至少一個磁場發生元件能緊鄰導電元件而通過。

本發明更提供了一產生電力信號的方法，該方法包括產生一變化的磁場；利用一中空磁芯集中該磁場，該中空磁芯具有至少一個降低渦電流的縫隙，該縫隙從外表面貫穿至內表面；接收包圍空心磁芯之導體中所感應的電動勢；利用一輸出裝置把感應電動勢調節成一輸出信號；並提供輸出信號。

100‧‧‧發電機

101、101’‧‧‧旋轉輪

101a‧‧‧旋轉軸

102‧‧‧轉片體

103、103’‧‧‧永久磁鐵

103a‧‧‧開孔

103b‧‧‧第一側面

103c‧‧‧第二側面

104‧‧‧轉動軸

111‧‧‧定子元件

112‧‧‧線圈

113‧‧‧線軸

114‧‧‧空心磁芯

115‧‧‧凸緣

116‧‧‧縫隙

117、117a‧‧‧圓柱體

121‧‧‧外殼

122‧‧‧軸承

123‧‧‧基座

124‧‧‧平面

150‧‧‧縱向軸

152‧‧‧旋轉平面

201‧‧‧軸環

202‧‧‧定位螺絲

203‧‧‧螺母

801‧‧‧輸出裝置

802‧‧‧數位控制器

803‧‧‧整流器

804‧‧‧反向器

805‧‧‧連接器

第一圖係為本發明所揭露之一具體實施例之發電機之結構示意圖。

第二圖係為本發明所揭露之一具體實施例之旋轉輪之結構示意圖。

第三圖係為本發明所揭露之一具體實施例之定子元件之結構示意圖。

第四圖係為第三圖之定子元件之細部結構示意圖。

第五圖係為本發明所揭露之另一具體實施例之發電機之結構示意圖。

第六圖係為本發明所揭露之又一具體實施例之發電機之結構示意圖。

第七圖係為本發明所揭露之再一具體實施例之發電機之結構示意圖。

第八圖係為本發明所揭露之再一具體實施例之發電機之結構示意圖。

第九圖係為本發明所揭露之再一具體實施例之發電機之結構示意圖。

本發明實施例所提出的交流發電機，包括一或多個佈置在一旋轉輪(rotor)上之永久磁鐵(permanent magnet)以及一或多個定子元件(stator element)，該定子元件包含線圈，該線圈在運轉期間進行電動勢(EMF)感應。本發明所述實施例具備許多優於傳統交流發電機設計的優點。例如，實施例中，定子元件的結構為一空心磁芯設計，以能高效率地產生電力，如將渦電流(eddy current)減至最低；且由於磁芯自身具備遮蓋效果，故可達到使用輕質外殼材料之優點。此外，本發明實施例提供了一數位控制器(digital controller)，用來調節發電機的輸出，如此即使當發電機以非恒定速度轉動時，還能提供穩定輸出，因而不再需要考慮複雜的物理傳動。鑑於上述，本發明所揭露之實施例能夠在保持效率和穩定性的同時，提供緊湊、輕質且成本低廉的發電機。

第一圖係為本發明所揭露之一具體實施例之發電機100之結構示意圖。發電機100包括旋轉輪101。所述旋轉輪101的形狀基本上為圓盤狀或輪子狀，其被設計成在圓盤的平面上，圍繞旋轉軸101a進行旋轉。

第二圖係為本發明所揭露之一具體實施例之旋轉輪101之結構示意圖。如圖所示，旋轉輪101包括一轉片體102，其形狀通常為圓盤狀，且有多個永久磁鐵103附接至轉片體102上。第二圖所示的旋轉輪101具有許多開孔(aperture)103a，其穿過轉片體102(如圖所示，旋轉輪101具有8個開孔103a)，而每一開孔103a分別嵌置了一永久磁鐵103。所述之永久磁鐵103可以是任何適當的種類，如釹-鐵-硼磁鐵(neodymium-iron-boron magnet)、釤-鈷磁鐵(samarium-cobalt magnet)，或其他含鐵或鐵磁材料製成的永久磁鐵。本實施例中，任一永久磁鐵103產生的磁場都與其他永久磁鐵103產生的磁場相似，例如，永久磁鐵103都配置相同的尺寸、形狀、成份等。而永久磁鐵103可以具有任何合適的形狀，例如，可以為圓盤狀 ，或者大體上為矩形或梯形狀等。需要注意的是，在以下的描述中，本實施例所揭露的發電機100具有配置於旋轉輪101上的永久磁鐵103，以及配置於定子元件111上的線圈112。然而，上述元件的位置可以顛倒過來，而使得磁鐵及線圈固定在旋轉輪上，故不以揭露者為限。

所述永久磁鐵103被固定在開孔103a中，該開孔103a成形於轉片體102中，從轉片體102的一側(第一側面)103b貫穿至另一側(第二側面)103c。所示永久磁鐵103均勻地分散成環狀，以旋轉輪101的旋轉軸101a為中心並環繞其四周。上述之佈置情形，可使每一永久磁鐵103的南極和北極的方位都垂直於旋轉輪101的平面。因此，各個永久磁鐵103的北極垂直地背向旋轉輪101一側，且其南極背向另一側。永久磁鐵103的磁極以交替佈局的方式進行佈置，如圖所示，如果永久磁鐵103佈置成將其北極背向旋轉輪101的一第一表面，那麼其相鄰的永久磁鐵103則將會佈置成將其南極背向相同的表面(第一表面)。因此，當觀察旋轉輪101相反的另一表面時，自然會出現類似的交替佈置樣式。此外，為了獲得所述的環狀樣式，所使用的永久磁鐵103的數量係為偶數。

但是在其他實施例中，可能使用不同的佈置方式。舉例來說，永久磁鐵103沿著旋轉輪101的邊緣對齊，其磁極會從旋轉軸101a放射狀地向外射出。而在其他實施例中，對於各個獨立的永久磁鐵103來說，磁極的佇列並不一定進行交替，例如，不一定每隔一個永久磁鐵103就要改變其磁極方位。此外，永久磁鐵103並不一定是單獨的一塊，更確切地說，亦可使用成群的永久磁鐵103。此外，永久磁鐵103並不一定是圓盤形狀，如圖所示，在某些實施方式中，永久磁鐵103沒有全部在轉片體102外邊緣附近對齊。舉例來說，某些實施例採用多個環形磁鐵103，如內環和外環，當然亦可採用其他任何合理的結構，不應以揭露者為限。

所示旋轉輪101係設計成能容納一轉動軸(shaft)104，該轉動軸104沿著旋轉軸101a穿過旋轉輪101，且與轉片體102連成一體，以便旋轉旋轉輪101。轉動軸104可以任何合理的方式與旋轉輪101連接，舉例來說，轉動軸104可建構成旋轉輪101之整體的一部分，而焊接在旋轉輪101上，或者，如圖所示，轉動軸104穿過旋轉輪101的開孔，並藉由五金器具將旋轉輪101固定住。例如，轉動軸104穿過一軸環201，該軸環201置於轉片體102上，並且通過一或多個定位螺絲202固定在適當位置上。此外，轉動軸104可以具有螺紋，並通過螺母203固定在適當位置上。當一轉矩(torque)施加到轉動軸104時，旋轉輪101應當保持平衡狀態，以便高速平穩地旋轉。

回到第一圖，旋轉輪101可組裝式地安裝在一外殼121中。舉例來說，外殼121具有任何合適的形狀，且具有一內腔，該內腔大到足以在其中安裝旋轉輪101，且讓旋轉輪101能夠自由地旋轉。如圖所示，外殼121具有大體上為矩形的橫截面，並且具有兩個側面，轉動軸104從兩個側面中穿過。所述兩個側面，如為圓盤狀、矩形狀等，且各個側面包含開孔，該開孔形狀允許轉動軸104穿過外殼121，並在外殼中支承旋轉輪101。開孔之內部可能是軸承(bearing)122，該軸承的構造允許轉動軸104穩定地旋轉，且磨擦力最小。

外殼121在運轉過程中必須避免旋轉，因此，可利用任何合理的結構將其固定在適當位置。舉例來說，如圖所示，外殼121包括基座123，該基座安置在平面124上。亦可選擇性地設計外殼121具有安裝點，該安裝點固定在非旋轉結構上，如發電機100的機體。

如下文之詳述，由於本發明所採用的定子元件111構造的緣故，外殼121並不一定由特殊材料製成。更為確切地說，外殼121可由任何材料製成，該材料具有合適的強度、重量或者其他物理屬性。舉例來說，外殼121由鋁、鐵 、塑膠等等製成。需要注意的是，這些材料中有些不是鐵磁的，且不會提供有效的電磁能遮罩。

需要注意的是，其他實施例並不一定要設置外殼121。所述的實施方式只是簡單地提供一框架或可以用來支承定子元件111的結構，如下文所述，把定子元件111維持在對應於旋轉輪101的穩定位置中。此外，所設置的任何外殼並不一定完全封閉。更進一步地說，外殼121會合併其他常用於發電機100的功能，例如，外殼121可合併冷卻系統、維護面板等。

外殼121同時還設置有安裝點，用於安裝多個分散開的定子元件111。例如，一實施方式中，如第一圖所示的兩個定子元件111，可在外殼121的一側設置有安裝點，且該側面位置與旋轉輪101平面平行，但在空間上與其隔開。可為許多定子元件111提供安裝點，例如，儘管也可提供其他數量的安裝點和定子元件111，所提供的安裝點數量與旋轉輪101上之永久磁鐵103的數量必須相等。此外，安裝點安置在外殼121上，其類似於永久磁鐵103安置在旋轉輪101上，如此一來，當旋轉輪101在外殼內旋轉時，永久磁鐵103會緊鄰著通過，卻不接觸到固定在對應的安裝點上之定子元件111。本實施例中的排列方式是，當旋轉輪101位於某個位置時，永久磁鐵103直接安置在定子元件111上方，其餘各永久磁鐵103亦直接安置在各自的定子元件111上方。

定子元件111可採用任何適當的結構固定在外殼121上，例如，嵌置在開孔中，該開孔成形於外殼121中，或者採用栓接(bolted)、鉚接(riveted)、粘接(glued)，、錫焊接(soldered)、焊接(welded)等方式固定至外殼121。第三圖和第四圖係為本發明所揭露之一具體實施例之定子元件之結構示意圖。如圖所示，定子元件111包括線圈112。所述線圈112由導線構成，該導線重複地纏繞在環狀圈周圍。任何類型的電線都可被採用，譬如傳 統電動機和發電機線圈所採用的標準電線。所述線圈112是通過電線在任何合適的物體周圍轉動而形成的。例如，如圖所示，電線在線軸113周圍轉動，通過維持其形狀，線軸為線圈112提供了穩定的結構，或者電線直接在空心磁芯114周圍轉動，在下文對其將更加全面地進行描述。具體來說，線軸113由絕緣材料製成，並且具有圓柱形磁芯，導線在該磁芯周圍轉動，在任何一端使用一凸緣(flange)115，用於防止線圈112滑離。此外，如下文所述，線軸113具有小孔，該小孔沿著圓柱體的縱向軸穿過線軸，線軸依據大小分類，安裝在空心磁芯114上方。此外，線軸113使線圈112連接至發電機100的支承更加容易。例如，凸緣115包含一個或多個小孔，該小孔允許線圈112的電線(導線)的兩端從裝置中引出。

各個線圈112都配有空心磁芯114。如圖所示，空心磁芯114還具有通常為圓柱形的形狀，並且還配有小孔，該小孔沿著圓柱體軸進行延伸。空心磁芯114由任何材料製成，該材料具有適當的磁性和導電性。更佳地，空心磁芯由具有高導磁率、低磁滯和可能是高電阻的材料製成。所述適當的材料包括鐵、鐵合金、如矽鐵合金，等等。空心磁芯114具有凸緣115，該凸緣從圓柱體向外放射狀地延伸，並且坐落於部分圓柱體的長度上。所述之凸緣115可為空心磁芯114整體的一部分，並採用與空心磁芯114支承一樣的材料製成；或者可單獨構成並且以合適的方式與空心磁芯114主體相連。凸緣115主要係作為線軸113和線圈112元件的支撐體，其具有足夠半徑和厚度，以便既為線軸113提供穩定的支承，又發揮遮罩的作用。

所述空心磁芯114的圓柱體117在遠離凸緣115的某一個方向上進行延伸，其依據大小分類，直到滑進線軸113的中空磁芯為止，並且大體上延伸到線軸113的長度，線圈係可選擇性地直接纏繞在空心磁芯周圍。因此，延伸穿過線圈112的中心之空心磁芯114部分會提供線圈112一磁性的磁芯。一或 多個縫隙116成形於空心磁芯114中，舉例來說，如圖所示，所形成之三個縫隙116，係從空心磁芯114的末端向內縱向地延伸。在其他功能中，當發電機運轉時，這些縫隙116限制了空心磁芯114所感應的渦電流。由於渦電流會降低發電機100的效率，故能使渦電流降至最低是具有重要意義的。

所述空心磁芯114的圓柱體117a在遠離凸緣115的另一個方向上進行延伸，其並不一定具有相同的大小或形狀等。舉例來說，如圖所示，空心磁芯114的一側通常同樣也是圓柱形，但具有比空心磁芯114線軸113端部更大的半徑。空心磁芯114的一端部之形狀適合於安裝點處的外殼，舉例來說，其滑進且穿過開孔，該開孔成形於外殼121中。空心磁芯的外殼一側同樣也具有縫隙116，再次降低了發電機100運轉時空心磁芯114所感應的渦電流。

在第一圖中，顯然示例了空心磁芯114安裝在發電機100中。該圖所示的是二個定子元件111中的二個空心磁芯114。所示為空心磁芯114圓柱體的虛線輪廓，其在縱向上延伸且穿過線圈112和線軸113。如上文所述，空心磁芯114的外殼端部伸入外殼121，或者通過其他方式安裝在外殼上。在第一圖中，所示外殼121為實心體，因此其不能夠看見空心磁芯114是否伸入外殼121。但是，如第五圖所示，可明顯看出，空心磁芯114伸入外殼121上的開孔。同樣，如第一圖所示，空心磁芯114包括凸緣115，所示凸緣115為圓盤狀，其包圍空心磁芯114的輪廓體。需要注意的是，如上文所述，凸緣115可與空心磁芯114形成一個整體，或者單獨成件。

如上文所述，藉由使用空心磁芯114，示例發電機100能夠在保持經濟性的同時有效地發電。例如，透過採用中空、圓柱狀的設計，上述空心磁芯114比傳統磁芯使用更少的材料。此外，藉由設置如上所述的縫隙116，在空心磁芯114幾個部分之間造成物理分隔，以別的方式對空心磁芯114材料內部所感應渦電流進行限制，進而使渦電流的產生保持在最小程度。渦電流的 降低為更高效的發電提供了可能性，這是因為所述渦電流通過加熱磁芯材料會產生能量損耗的結果。此外，通過為空心磁芯114設置凸緣115，該空心磁芯自身具有遮罩效果，示例發電機100的結構就無需昂貴而笨重的整合了遮罩材料之外殼121。

當參照第一圖進行安裝時，各個空心磁芯114和線軸線圈元件的縱向軸150都安置成垂直於旋轉輪101之旋轉平面152。這樣，當旋轉輪101轉動時，永久磁鐵103會在線軸113端部的上方通過。因此，當旋轉輪101轉動時，穿過線圈112的磁通量會不斷地進行變化，從而在線圈112中感應出電動勢(EMF)。因為磁鐵103以磁極交替的方式佈置在旋轉輪101周圍，所以感應電動勢同樣也會交替變化。舉例來說，如果旋轉輪101最初以某個角速度旋轉，當第一個永久磁鐵103在線圈112上方穿過時，在線圈112的第一個方向上感應出電動勢，並且當下一個永久磁鐵103在線圈112上方通過時，該磁鐵的磁極方位與第一個永久磁鐵103相反，那麼在相反的方向上感應出電動勢。這樣，電動勢會不斷地進行變化。

如上所述，在某些實施方式中，旋轉輪101的設計基本上是對稱的，其中，永久磁鐵103均勻地分散成環狀，從而引起相似的磁場。在所述對稱的實施例中，在特定的旋轉速度下，線圈112所感應的電動勢將近似為正弦曲線，當各個相連永久磁鐵103的磁場效應變得高於線圈112的磁場效應時，電動勢改變其方向。在下文將作進一步討論，需要注意的是，感應電動勢進行變化的速率，意即頻率，係依據旋轉輪101的角速度、旋轉輪101上磁鐵103的數量而有所不同，且不是交流動力系統常用的標準頻率，而且甚至不是恒定的。具體來說，上述感應電動勢會提供給一輸出裝置，其中該輸出裝置與線圈的導線相連，以下所述之數字控制器(digital controller)將有更詳細的解說。

如上所述，示例實施方式包括多個定子元件111。例如，如第一圖所示，用於每一個永久磁鐵103的一個定子元件111，係佈置成環狀，並面向旋轉輪101的一側。在所述實施方式中，當旋轉輪101轉動時，各個線圈112會感應出變化的電動勢。同樣地，如果旋轉輪101和定子元件111結構為對稱佈置，各個線圈112所感應的電動勢具有相似的特性，例如，以相同的頻率進行變化。在所述實施方式中，線圈112以串聯方式連接在一起，或以其他順序連接著。如此一來，各個線圈112中的感應電動勢增加到其他線圈112所感應的類似電動勢上，從而提高了發電機100的功率輸出。在此需要注意的是，線圈112必須連接在一起，以便各個線圈112所感應的電動勢同相，而所謂的各個線圈彼此相連，是指線圈112的導線必須以合適順序相連。在所述實施方式中，相連的定子線圈112以二根輸出導線為終端，該輸出導線與輸出系統相連。

在某些示例實施方式中，如第五圖所示，在旋轉輪101的兩側都有定子元件111。在上述情況下，空心磁芯114、線軸113、線圈112等直接安置在各個定子元件111對面的旋轉輪101的第一側面。這樣，旋轉輪101在二組定子元件111之間旋轉，並且當每個永久磁鐵103在旋轉輪101一側之定子元件111上方通過時，其會同時在旋轉輪101另一側的定子元件111上方通過。這樣，每個永久磁鐵103的北極和南極都會在定子線圈112的上方通過。

第二組線圈112同樣也以串聯的方式，既互相連接，又與旋轉輪101另一側的定子線圈112相連，從而進一步增加發電機100所輸出的功率。需要注意的是，如果維持對稱設計的話，例如，線圈具有相同的結構，定子元件111會以相似構造進行佈置，那麼第二組線圈112所感應的電動勢與第一組線圈112所感應的電動勢會具有相同的頻率。在此需要注意的是，每組定子元件111並不一定以串聯方式相連。例如，在旋轉輪101每一側的線圈112以串 聯方式連接在一起，但是其所構成的兩個元件以並聯方式連接在一起，當然亦可根據所需要的輸出，採用任何適當的連接組合。此外，各個線圈112的導線並不一定直接連接。更確切地說，發電機100具有任何適當的連接結構。例如，線圈的導線與連接器單元、車輛、電路板等等相連，從而使連接變得更加容易。

此外，還設置有多個旋轉輪101，其附接至轉動軸104上。如第六圖所示之發電機，該發電機包括兩個旋轉輪101、101’該旋轉輪101’具有第二組永久磁鐵103’。附接至第二旋轉輪101’的永久磁鐵103’數量與第一旋轉輪101的數量相同，同樣地，所述永久磁鐵103’亦係相同地排列。

第二旋轉輪101’利用第一旋轉輪101同一根轉動軸104進行轉動，因此會維持與第一旋轉輪101相同的方向轉動。此外，第二旋轉輪101’安裝在轉動軸104上，以便使第二旋轉輪101’上的永久磁鐵103’在第一旋轉輪101上的永久磁鐵103之上方對齊。更進一步地說，第二旋轉輪101’如此安裝，可使永久磁鐵103’的磁極與第一旋轉輪101所對應的永久磁鐵103具有同樣的定位方向。也就是說，如果第一旋轉輪101上的永久磁鐵103在第二旋轉輪101’的上方對齊的話，那麼與其中一個磁鐵的北極所面對的是另一個磁鐵的南極。

與單個旋轉輪的實施方式一樣，多個旋轉輪包括定子元件111，其可設置於每個旋轉輪的一側、兩側、或者是任何可能的組合。舉例來說，如圖所示，在二個旋轉輪101和101’之間設置有單組定子元件111。所述定子元件111以任何合理的方式固定在適當的位置上，例如，藉由杆子或其他結構等安裝在機架上，或安裝在外殼121上。如上文所述，定子元件111同時還包括空心磁芯114。其中，如圖所示，在二個旋轉輪之間設置有定子元件111，但是空心磁芯114並不一定包括凸緣115(如圖所示)。此外，定子元件 111包括一個或多個線圈，該線圈以任何適當的方式進行佈置。例如，如圖所示，單個大線圈112纏繞在空心磁芯114周圍，其可能從空心磁芯114第一端部附近的某個位置朝空心磁芯另一端部附近的某個位置延伸。在其他實施方式中，定子元件111包括二個或更多的線圈(以及線軸，若其被採用的話)，一個線圈置於更接近第一旋轉輪101的位置上，第二線圈置於更接近第二旋轉輪101’的位置上。如果感應電動勢或電流適當地進行相位調整的話，這些定子元件111的線圈以任何合理的方式，彼此相連，並且與其他被採用的線圈相連。

如第七圖所示，定子元件111係位於一或多個旋轉輪101和101’的兩個側面。舉例來說，所示出的是三組定子元件111，一組位於旋轉輪101、101之間’，二組位於旋轉輪101、101’的另一側。在上述情況下，定子元件111並不一定都具有相同的結構。例如，位於旋轉輪101、101’之間的定子元件111所使用的空心磁芯沒有包括凸緣115，但包括線圈112，該線圈沿空心磁芯114長度的實質部分進行延伸，然而位於任一端部的定子元件111所採用的空心磁芯114可能包括凸緣115，由此為裝置提供遮罩，其同樣也包括線圈112，該線圈僅從位於旋轉輪101、101’附近的空心磁芯114端部向凸緣115附近某點進行延伸。

所使用的旋轉輪數量按照相似的方法進行擴大，以便根據應用需要包括任何數量的旋轉輪。此外，與各個旋轉輪關聯的線圈以任何適當的相位合併的方式連接在一起，它們自身和其他線圈之間也可連接在一起。此外，如果需要的話，它們最終可與單個輸出裝置相連，或者與多個輸出裝置相連。藉由採用多個旋轉輪，實施例所揭露之發電機100可按需求進行調整。

此外，發電機線圈之間所作的連接會產生具有理想電氣特性的發電機。例如，第八圖和第九圖所示的是兩種示例發電機的示意圖。兩張示意圖都顯 示具有二組三個線圈112的發電機100。例如，所述線圈112所組成的第一組線圈及第二組線圈位於旋轉輪101任何一側。但是，所述劃分成組只是為了圖解示出，並且並不一定對應於線圈112的物理佈置。

如第八圖所示，各個線圈112以串聯方式連接在一起。如上所述，所述線圈112所感應的電動勢必須與其相連的其他線圈112所感應的電動勢同相。當以這種方式相連時，各個線圈112所感應的電動勢的振幅增加到每隔一個的線圈112所感應的電動勢振幅上，從而導致其具有巨大的振幅信號。此外，如圖所示，第一組線圈及第二組線圈同樣也以相同的方式串連，並且具有相同的結果。需要注意的是，甚至在多個旋轉輪的發電機100中，各個旋轉輪101的線圈112能夠進行所述的連接，也就是說，如果旋轉輪101以同樣的速度驅動的話，各個線圈112所感應的電動勢與每隔一個的線圈112所感應的電動勢同相，例如，具有同樣的轉動軸104，以及旋轉輪101與定子元件111的結構大體上對稱。

在其他實施方式中，線圈112之間的連接並不一定以相同的方式進行。例如，在某些發電機100中，所有或者其中一些線圈112以並聯方式相連。例如，如第九圖所示，線圈112以串聯方式連接成組，而各組以並聯方式與所有其他組相連。以這樣的方式，當線圈組連接在一起時，線圈組所感應的電動勢振幅不會增加到一起，但是相連的線圈卻能夠比串聯構造提供更多的電流。此外，線圈112最終與一或多個輸出裝置801相連，該輸出裝置801針對用途來調節發電機100的輸出。

如上文所述，線圈112所感應的電動勢的特徵取決於多個因素，並且隨時間進行變化。例如，感應電動勢的頻率變化取決於永久磁鐵103和線圈112的數量和構造，以及旋轉輪101的旋轉速度等等。所述頻率高於或低於電力系統通常採用的頻率，如50或60赫茲，並且不是恒定的。例如，如第二圖所 示，在旋轉輪101具有八個永久磁鐵103的情況下，如果旋轉輪101以900RPM的速度進行旋轉的話，定子線圈112所感應的電動勢將在60赫茲附近發生振盪。但是如果旋轉輪101旋轉得快些或慢些，則頻率會高些或低些。如果旋轉速度不是恒定的，例如由於轉動軸104係藉由一變速源進行驅動，感應電動勢的頻率同樣也及時進行變化，並隨旋轉輪101旋轉速度的改變而改變頻率。此外，感應電動勢的幅度同樣也受制於旋轉輪101旋轉速度、以及發電機100的設計特徵，如永久磁鐵103的強度、線圈112之線圈環的數量等等，並且相頻率一樣，其與可用的標準規格不相符。更進一步地說，在某些示例實施方式中，發電機100的結構導致輸出變化著，但不是按正弦曲線變化。

因此，輸出裝置801主要是用來調節線圈112中感應電動勢的消耗量。所述線圈112與輸出裝置801相連，該輸出裝置801包括許多組成部分。舉例來說，該輸出裝置801包括數位控制器802，配置該數位控制器802是為了調節發電機100的輸出。所述數位控制器802使線圈112所感應的電動勢的電子特徵符合可用的標準規格，如110 V,60 Hz,or 220 V,50 Hz，等等。

數位控制器802具有任何一種適當的設計，其包括諸如處理器、記憶體等。所述數位控制器802的功能是調節發電機100的輸出，比如，在轉動軸104以恒定的、雖然是非標準的速度旋轉旋轉輪101的情況下使用，以及在轉動軸隨時間過去而變化的情況下使用。在某些示例實施方式中，數位控制器802使用來在二個主要程序中把感應電動勢轉化成適合輸出的形式。首先，數位控制器802進行矯正，如利用整流器803，線圈112的感應電動勢基本上以直流信號為結果。數位控制器802同樣也採用濾波器，以便獲得直流信號波形，該直流信號波形基本上是恒定的。需要注意的是，某些示例實施 方式提供能輸出上述形式的信號之直流發電機。

但是，在其他實施方式中，數位控制器802則從直流信號產生交流信號輸出。舉例來說，數位控制器802採用反向器(inverter)804，用以產生符合系統標準頻率的交流輸出，該系統將使用發電機100的輸出。例如，發電機100產生120 V,60 Hz的交流輸出，該交流輸出在美國可用於驅動標準的車輛。數位控制器802被設計成產生恒定的輸出，也就是說，即使旋轉輪101的旋轉速度發生變化，其仍舊不改變輸出特性。這樣，示例實施方式並不一定具有複雜的驅動傳動，從而確保轉動軸104以常速驅動。

如圖所示，反向器804可以是單相或多相反向器804。例如，該反向器804若是單相換流器，則用來將其輸入轉換為單相交流輸出，如基於提供標準120 V,60 Hz輸出的目的。但若反向器804是多相反向器，則反向器804能夠提供多相輸出。例如，反向器804被設計成提供包含三相的輸出。在這種情況下，輸出導體將不再是同相的。更進一步地說，反向器804通過相似的波形提供三種不同的輸出，但是每一種輸出與其它的輸出有120°的異相。例如，輸出裝置801旨在提供依據典型三相標準的輸出，該三相標準如120/208 V或277/480 V。在其他實施方式中，輸出裝置801旨在生成依據需要採用任何相數的輸出。

在某些示例實施方式中，發電機100的輸出是可配置的。例如，數位控制器配置成產生多個輸出，如20 V,60 Hz交流輸出，以及220 V,50 or 60 Hz交流輸出，等等。輸出裝置801同樣也進行配置，以便提供單相輸出和多相輸出，等等。發電機100提供用戶介面，該用戶介面允許使用者選擇所需的輸出，例如，開關、標度盤、互動式顯示面板等。

輸出裝置與一或多個連接器805相連，該連接器安裝在外殼121上。連接器805具有任何適當的形態，如插銷、插腳等，其配置成允許發電機100連接 至車輛。此外，連接器805具有不同形態，其適於提供特殊的輸出，該特殊輸出由輸出裝置801生成，如120 V,60 Hz單相系統中所採用的雙支流輸出，適合於三相電力系統的連接器，等等。

此外，本發明的示例實施方式同時還提供利用上述任何示例發電機100產生電力信號的程序。例如，示例實施方式包括利用空心磁芯114產生電力信號的程序。在所述示例程序中，例如利用旋轉輪101和永久磁鐵103，或者利用其他發生技術，產生可變的磁場。磁場則利用這裏所述的空心磁芯114來集中，該空心磁芯包括一個或多個降低渦電流的縫隙。集中後的磁場在導體中感應出電流，該導體環繞空心磁芯114。所述感應電流可以進行調節，例如利用上述的輸出裝置801，並且針對用途進行提供。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100‧‧‧發電機

101‧‧‧旋轉輪

101a‧‧‧旋轉軸

102‧‧‧轉片體

103‧‧‧永久磁鐵

103a‧‧‧開孔

104‧‧‧轉動軸

112‧‧‧線圈

113‧‧‧線軸

114‧‧‧空心磁芯

115‧‧‧凸緣

121‧‧‧外殼

122‧‧‧軸承

123‧‧‧基座

124‧‧‧平面

150‧‧‧縱向軸

152‧‧‧旋轉平面

Claims (28)

1. 一種用於一發電機的空心磁芯，包括：一管狀空心磁芯，其具有高導磁率且具有一第一端部和一第二端部，該管狀空心磁芯配有複數個降低渦電流的縫隙，該等縫隙從該管狀空心磁芯的一放射狀的外表面貫穿至該管狀空心磁芯的一放射狀的內表面；及一連續的線圈，該線圈由導線構成，並具有複數個線圈環，用來纏繞在該管狀空心磁芯周圍，該線圈置於該管狀空心磁芯的該第一端部與該第二端部之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之空心磁芯，其中與該管狀空心磁芯之該第二端部相比較，該線圈置於更接近該管狀空心磁芯之該第一端部的位置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之空心磁芯，該等縫隙從該管狀空心磁芯之該第一端部向該第二端部延伸，並位於該管狀空心磁芯的一縱向軸方向上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之空心磁芯，其中至少一之該縫隙延伸到該線圈的長度。
5. 如申請專利範圍第3項所述之空心磁芯，更包括：複數個第二縫隙，其從該管狀空心磁芯的該外表面貫穿至該管狀空心磁芯的該內表面，該等第二縫隙在該管狀空心磁芯的該縱向軸方向上，並從該管狀空心磁芯之該第二端部向該管狀空心磁芯之該第一端部延伸。
6. 如申請專利範圍第1項所述之空心磁芯，更包括：具有高導磁率的一凸緣，其從該管狀空心磁芯放射狀地向外延伸，該凸緣係位於該管狀空心磁芯的該第一端部和該第二端部之間。
7. 如申請專利範圍第6項所述之空心磁芯，該凸緣之半徑至少與該線圈的半 徑一樣大。
8. 如申請專利範圍第1項所述之空心磁芯，更包括：一管狀的線軸，該線圈係纏繞在該線軸周圍，且該管狀空心磁芯係縱向地穿過該線軸和該線圈。
9. 一種發電機，包括：一管狀空心磁芯，其具有高導磁率且具有一第一端部和一第二端部，該管狀空心磁芯配有複數個降低渦電流的縫隙，該等縫隙從該管狀空心磁芯的一放射狀的外表面貫穿至該管狀空心磁芯的一放射狀的內表面；一連續的線圈，該線圈由導線構成，並具有複數個線圈環，用來纏繞在該管狀空心磁芯周圍，該線圈置於該管狀空心磁芯的該第一端部與該第二端部之間；一旋轉輪，係圍繞一旋轉軸旋轉，該旋轉輪具有一平面狀的轉片體，該轉片體至少具有一第一側面，且該第一側面與該旋轉軸正交；以及複數個永久磁鐵，該等永久磁鐵附接至該旋轉輪，其具有與該旋轉軸平行的複數個磁極；其中，該管狀空心磁芯係設置在對應於該轉片體的該第一側面之位置，以便當該旋轉輪旋轉時，至少一之該等永久磁鐵會緊鄰該線圈通過。
10. 如申請專利範圍第9項所述之發電機，其中該等永久磁鐵的該磁極會對齊，並與該線圈之該線圈環的平面正交。
11. 如申請專利範圍第9項所述之發電機，其中每一之該等永久磁鐵係從該旋轉軸起等距地放置，故該等永久磁鐵係均勻地佈置成環狀。
12. 如申請專利範圍第11項所述之發電機，其中該等永久磁鐵係以交替該磁極方位進行佈置。
13. 如申請專利範圍第9項所述之發電機，其中該永久磁鐵係附接至該旋轉輪的一開孔，該開孔係從該轉片體的該第一側面貫穿至一第二側面。
14. 如申請專利範圍第12項所述之發電機，更包括：複數個空心磁芯，每一該等空心磁芯配有一線圈；其中，該等空心磁芯係均勻地佈置成環狀，並與該轉片體的該第一側面存在平行、非接觸的關係，該等空心磁芯與該等永久磁鐵一樣，離該旋轉輪之該旋轉軸的距離相同。
15. 如申請專利範圍第14項所述之發電機，其中該等空心磁芯的數量與該等永久磁鐵的數量相同。
16. 如申請專利範圍第14項所述之發電機，更包括：複數個第二空心磁芯，每一該等第二空心磁芯配有一線圈；其中，該等第二空心磁芯係均勻地佈置成環狀，並與該轉片體的該第二側面存在平行、非接觸的關係，該等第二空心磁芯與該等永久磁鐵一樣，離該旋轉輪之該旋轉軸的距離相同。
17. 如申請專利範圍第16項所述之發電機，其中該等第二空心磁芯的數量與該等永久磁鐵的數量相同。
18. 如申請專利範圍第9項所述之發電機，更包括：一非磁性的外殼；其中，該旋轉輪和該管狀空心磁芯係安裝在該外殼中。
19. 如申請專利範圍第14項所述之發電機，其中至少二組線圈以串聯方式連接在一起，每一該組線圈中具有至少一之該線圈。
20. 如申請專利範圍第14項所述之發電機，其中至少二組線圈以並聯方式連接在一起，每一該組線圈中具有至少一之該線圈。
21. 如申請專利範圍第9項所述之發電機，更包括：一輸出裝置，其與該線圈相連；其中，該輸出裝置使該線圈所感應的電動勢符合期望的頻率。
22. 如申請專利範圍第21項所述之發電機，更包括： 一輸出裝置，其與該線圈相連；其中，該輸出裝置使該線圈所感應的電動勢符合期望的振幅。
23. 如申請專利範圍第21項所述之發電機，其中該輸出裝置包括一數位控制器。
24. 如申請專利範圍第9項所述之發電機，更包括：一第二旋轉輪，係圍繞該旋轉輪之該旋轉軸旋轉，該第二旋轉輪包括複數個第二永久磁鐵。
25. 如申請專利範圍第9項所述之發電機，更包括：一輸出裝置，其與該線圈相連；其中，該輸出裝置從該線圈所感應之電動勢來產生一單相輸出。
26. 如申請專利範圍第9項所述之發電機，更包括：一輸出裝置，其與該線圈相連；其中，該輸出裝置從該線圈所感應之電動勢來產生一多相輸出。
27. 一種發電機，其包括：一集中裝置，係用來集中磁場，該集中裝置具有一中空磁芯，以及至少一個降低渦電流的縫隙，該縫隙從一外表面貫穿至一內表面；一傳導裝置，用於接收包圍該集中裝置周圍之電動勢；一旋轉裝置，用於繞一旋轉軸進行旋轉；以及複數個磁場發生元件，用於產生附在該旋轉裝置上的磁場；其中，該集中裝置係位在相對於該旋轉裝置之位置，以便當該旋轉裝置繞該旋轉軸旋轉時，至少一之該磁場發生元件會緊鄰該傳導裝置而通過。
28. 一種產生電力信號的方法，其包括：產生一會變化的磁場；集中該磁場，該磁場位於一中空空心磁芯，該中空空心磁芯配有至少一 個降低渦電流的縫隙，該縫隙從一外表面貫穿至一內表面；接收包圍該中空空心磁芯之導體所感應的一電動勢；利用一輸出裝置將所感應之該電動勢調節成一輸出信號；以及提供該輸出信號。