TWI741757B - 具有電磁感應發電裝置之電動車輛 - Google Patents

Abstract

一種具有電磁感應發電裝置之電動車輛，包括：車體；至少一電池組置於該車體之內；至少一發電機耦合該至少一電池組，用於對其充電；一變速裝置，耦接於該至少一發電機與非驅動輪間；至少一馬達，用於驅動該電動車輛，其中該至少一發電機可耦合至該電動車輛的至少一個非驅動輪用於將該非驅動輪之旋轉機械能轉換成電能。

Description

具有電磁感應發電裝置之電動車輛

本發明係關於電力生成設備，特別是一種用於電動車輛之電磁感應發電裝置。

目前，習知的電動車是由車載電池(單一能源)提供的電能來驅動車輛行駛。由於電池的容量是有限的，在使用時必然會出現電池能量耗盡導致電動車無行駛的問題，對使用者造成困在路途中的窘境。而將油電混合動力車，由於保留了機械傳動系統與燃油引擎其系統效率低，不利節能減排、低碳經濟的趨勢。

其中上述僅由電力驅動的車輛。這種類型的已知或可商購發動機(馬達)的一個可能的缺點是頻繁的充電需求，這些需求必須由家用或商用充電站來完成。這種純電動車輛具有另外的缺點，即在需要充電之前具有短程且不實際的行駛範圍。

因此，在電動汽車領域中，特別是在發電和/或改進的傳動系領域中，需要延長僅由或部分由電力驅動的車輛的可操作行駛距離，包括利用電力轉換器組件的混合動力車輛。為解決上述問題而提出的電力轉換器組件應該利用由車輛的非驅動輪系的連續旋轉提供的基本能量，以該方式提供的補充電流足以維持與電動車輛相關的所裝電池組件上的充足且可操作的電荷。此外，以這種較佳實施方式所提出的能量轉換器組件應該能夠將車輛的非驅動輪系的旋轉而浪費之機械能轉換成足夠的輔助電流，該輔助電流不僅能夠保持電池電源上的電荷不僅與此類車輛相關聯，而且還獨立地或適當地為車輛和/或通常與 車輛一起使用的輔助電子部件(例如個人電子設備)供電。

發電機自其發明以來，一直扮演電力生成的核心裝置，其主要作用是藉由將機械能轉化為電能。機械能來源可以來自內燃機、風機渦扇、壓縮空氣等、或是其他來源的機械能。在實際應用中，發電機幾乎為電網(power grids)提供全部的電力，因此基於環保以及環境永續等因素，如何提高發電效率是一重要課題。

馬達則是以反向操作將電能轉換為機械能，馬達與發電機有許多相似處。

發電機及馬達(例如交流感應或直流永磁)一般包括一外部定子(stator)或固定部件，通常為中空圓柱狀並包含導線線圈配置於其內側壁。於馬達的應用上，電流流入配置在定子內的成對線圈中(三相馬達通常包含三對單獨的線圈，它們以相對且部分沿著圓周方向偏移的方式排列)，使得內部定位的轉子組件旋轉。

轉子通常為固定於定子內部之實心圓柱體(在轉子的外圓柱表面和定子的內表面之間具有確定氣隙)，其外軸從轉子的軸向中心線向外延伸。

現有的電動馬達或發電機包含帶有鐵片的組件，例如層壓鋼片或矽鋼片，用作定子線圈繞組鐵芯，由這些組件產生之磁場可以與位於轉子上的永久鐵交互作用進而降低發電效率。

基於前面所提及的純電動車輛於需要再次充電之前其續航力不足之缺點，一種高效能量轉換器組件，亦即能整合於電動車輛之電磁感應發電裝置，能夠將車輛的非驅動輪系的旋轉而浪費之機械能轉換成足夠的輔助電流進而對電動車輛內裝設之電池組進行充電是必要的。

為解決上述純電動車輛續航力不足之缺點以及針對此缺點而需求一種高效電力轉換器組件，將車輛的非驅動輪系的旋轉而浪費之機械能轉換成足夠的輔助電流。本發明提出一種能夠整合高效電磁感應發電裝置的電動車輛。

透過將僅用銅線之線圈繞組使其配置為合適之線圈繞組堆疊並結合使用永久磁鐵組裝的轉子，一種高效無鐵損之發電機可以被實現。

基於上述目的，本發明提出了一種具有電磁感應發電裝置之電動車輛，包括：車體；至少一電池組置於該車體之內；至少一發電機耦合該至少一電池組，用於對其充電；一變速裝置，耦接於該至少一發電機與非驅動輪之間；至少一馬達，用於驅動該電動車輛，其中該至少一發電機可耦合至該電動車輛的至少一個非驅動輪用於將該非驅動輪之旋轉機械能轉換成電能。

上述之用於電動車輛之電磁感應發電裝置，包括一圓柱狀外殼、一定子模組，具有複數個軸向且等間格固定的定子單元，每一個定子單元包含一定子基座及複數個線圈被徑向地且等徑向角配置於定子基座內、以及一轉子模組，具有複數個轉子單元，每一個轉子單元包含一轉子基座及複數個永久磁鐵被徑向地且等徑向角配置於轉子基座內，其中上述複數個轉子單元由一轉子轉軸連接用以同時旋轉且每一轉子單元被安排位於相鄰的定子單元之間。

上述定子基座是一具有中心孔以通過旋轉軸之圓柱狀基座。上述定子基座在圓形的內壁與外壁之間具有用於容置上述線圈的空間。

上述在圓形的內壁與外壁之間的空間被沿著其軸向均分為兩個子區域。

上述每個線圈均由漆包線繞線，並形成彎曲的Z形截面的環形結構。

上述每個線圈可以部份並排並堆疊在一起以形成緊密堆疊。

上述轉子單元包括一非磁性轉子基座，該基座具有用於連接旋轉軸的中心孔。

上述相鄰永久磁鐵的磁極以相反極性方式交替排列。

上述每個永久磁鐵都是具有等角截面的柱狀體，可以配置成使它們各自的垂直平分線與轉子基座上具有相等的徑向角分佈的一組徑向軸的其中之一重合。

上述具有第一類磁極性之永久磁鐵被配置為使其底面朝向轉子基座的中心，而具有第二類磁極性之永久磁鐵被配置為使其底面朝向轉子基座的外緣。

上述具有第一類磁極性之永久磁鐵，其磁極性為N極。

上述具有第二類磁極性之永久磁鐵，其磁極性為S極。

1a:馬達

2a:差動齒輪裝置

3a:車軸

(4a、5a):驅動輪

(6a、7a):電池組

10a、10b:發電裝置

8a、9a:非驅動車輪(free-running wheels)

15a、15b:輪軸

14a、14b:齒輪箱

(16a、20a'):線束

17a、17b:開關

(16b、20a):線束

13a:控制中心

10a、10b:電磁感應裝置

40:旋轉軸

50:圓柱形殼體

20:定子單元

30:轉子單元

22:定子基座

24:線圈

25:中心孔

(26a、26b):間隙

28、38:填充劑

31:中心孔

32:轉子基座

36:槽口

34:永久磁鐵

如下所述對本發明的詳細描述與實施例的示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用的參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。

圖1顯示根據本發明之一較佳實施例所提出具有電磁感應發電裝置的電動車輛之方塊示意圖。

圖2顯示根據本發明之一較佳實施例所提出用於電動車輛的電磁感應發電裝置之三維示意圖。

圖3顯示根據本發明之一較佳實施例所提出用於電動車輛的電磁感應發電裝置之截面示意圖。

圖4(a)顯示根據本發明之一較佳實施例所提出用於電動車輛的電磁感應發電裝置之正視圖。

圖4(b)顯示根據本發明之一較佳實施例所提出用於電動車輛的電磁感應發電裝置沿著E-E切割方向之截面示意圖。

圖4(c)顯示根據本發明之一較佳實施例所提出用於電動車輛的電磁感應發電裝置沿著F-F切割方向之截面示意圖。

圖5(a)顯示根據本發明之一較佳實施例所提出用於電動車輛的電磁感應發電裝置中一轉子單元之正視圖。

圖5(b)顯示根據本發明之一較佳實施例所提出用於電動車輛的電磁感應發電裝置中一轉子單元之截面示意圖。

圖6(a)-(b)顯示根據本發明之一較佳實施例所提出用於電動車輛的電磁感應發電裝置中定子單元的一個三相線圈配置圖。

圖6(c)顯示根據本發明之一較佳實施例所提出用於電動車輛的電磁感應發電裝置中定子單元與轉子單元的配置之截面示意圖。

圖6(d)顯示根據本發明之一較佳實施例所提出用於電動車輛的具有三相繞組定子單元的連線方式。

此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明的結構或步驟流程，其係供以說明用而非用以限制本發明的 申請專利範圍。因此，除說明書中的具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。以下藉由特定的具體實施例說明本發明的實施方式，熟悉此技術的人士可藉由本說明書所揭示的內容輕易地瞭解本發明的功效性與其優點。且本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述的各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明的精神下進行各種不同的修飾或變更。

關於本文中所用之「第一」、「第二」、…等，並非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本發明，其僅為了區別以相同技術用語描述的元件或操作。

關於本文中所用之「連接」或「電性耦接」，可指二或多個元件相互直接作實體連接或電性接觸，或是相互間接作實體連接或電性接觸，而「連接」或「電性耦接」還可指二或多個元件相互操作或動作。

為解決純電動車輛續航力不足之缺點以及針對此缺點而需求一種高效電力轉換器組件，將車輛的非驅動輪系的旋轉之機械能轉換成足夠的輔助電流。本發明提出一種能夠整合於電動車輛之高效電磁感應發電裝置並將其整合於電動車輛。

圖1顯示一以電力驅動之車輛，其具有一馬達1a用於透過一差動齒輪裝置2a以及一車軸3a驅動車輛的一對驅動輪(4a、5a)。電池組(6a、7a)用於輪流對該馬達1a提供電力，電池組(6a、7a)由兩個發電裝置，第一發電裝置10a和第二發電裝置10b輪流充電，第一發電裝置10a透過非驅動車輪(free-running wheels)8a、輪軸15a、和變速裝置(例如齒輪箱)14a旋轉；第二發電裝置10b透過非驅動車輪(free-running wheels)9a、輪軸15b、和變速裝置(例如齒輪箱)14b旋轉。可以使用比例可變之齒輪箱。第一發電裝置10a產生之電能可以透過線束(16a、20a')以及開關17a提供給電池組6a，第二發電裝置10b產生之電能分別可以透過線束(16b、20a)以及開關17a提供給電池組7a。在本發明的該實施例中，電池組6b和7b上的感測器(未顯示)通過線束18a將存儲在 每個電池組中的電能的大小傳送到配電控制中心13a。在發電機與馬達之間可以透過變速裝置14a、14b將馬達動力調節至發電機之適當轉速。

當車輛處於平衡模式時(即，在水平路面上承載正常負載而不加速)時，發電裝置(10a、10b)與變速箱(14a、14b)結合，可為電池組7a提供一定量的電能，而馬達1a從電池組6a中抽出電能；發電機裝置(10a、10b)的容量被設置為向電池組7a提供預定量的能量。隨著車輛速度的降低，電信號或機械信號透過控制器(控制中心)13a發送至變速箱(14a、14b)，該變速箱改變齒輪比以增加齒輪箱的轉速。發電機(10a、10b)保持給電池組7a的預定電輸入。當電池組6a形成電池充電電路的一部分而電池組7a形成驅動電路的一部分時，情況同樣如此。

控制中心13a在兩個發電裝置10a和10b之間切換，以將電能供應到適當的電池組6a或7a。控制中心13a還根據需要將齒輪箱14a和14b中的一個或兩個的比例調節以及接合或分離，當在動力驅動電路中使用電池組7a並且在充電電路中使用電池組6a時，向所示的非動力電池組7a充分提供電能以對該電池充電，用於隨後驅動車輛。當正在供電的電池組6a上的感測器(未顯示)指示其電源減少到預設值時，分配控制中心13a將開關17b和17b從所示位置反轉，以便充滿電的電池組7a透過線束19a和21a以及開關17b向馬達1a提供電力，這些線束是用於驅動車輛的電氣驅動電路的一部分。同時，電池組6a經由控制中心13a、開關17a和線束20a'從發電裝置10a和10b進入充電模式。以一較佳實施例而言，兩個發電裝置10a和10b可以具有完全相同的構造。

為了將車輛的非驅動輪系的旋轉之機械能轉換成足夠的輔助電流，高效轉換效率之發電裝置是其中的關鍵核心。其可以透過與車輛中的非驅動輪系適當的機械耦合，例如齒輪組或類似之方式可旋轉地與發電裝置的旋轉軸耦接，將非驅動輪系的旋轉之機械能轉換成電能，並透過充電電路將發電裝置產生之電能儲存於設置於電動車輛上的電池組。

請參考圖2及圖3所示，其揭露一電磁感應裝置10a(發電機)用 以產生電力或發電。發電機包括由同軸組裝之電磁感應裝置10a裝配於一圓柱形殼體50內，上述電磁感應裝置10a包含一具有複數個定子單元20的定子模組以及一具有複數個轉子單元30的轉子模組。上述複數個定子單元20被軸向地且等間距的固定於殼體50內作為定子，上述複數個轉子單元30為一旋轉軸40耦接可以一起轉動。於電磁感應裝置10a內部，每一轉子單元30是被裝設於兩個相鄰定子單元20之間。

圖4顯示定子單元20的正視圖，其包含一非磁性定子基座(線圈基座)22以及複數個線圈24徑向且等徑向角均勻地配置於一線圈基座22內。每一個線圈24均由漆包線(導線)纏繞並且形成一具有如圖3(b)所顯示之彎曲的Z形截面之環形線圈結構，圖4(b)為沿著E-E切割方向之截面示意圖；圖4(c)為沿著F-F切割方向之截面示意圖。如此一來，請參考圖4(a)-4(c)，每一個線圈24會形成彎曲截面，使得線圈與線圈間於堆疊排列時可以具有部分重疊，每個線圈可以與相鄰線圈部份並排並堆疊在一起以形成緊密堆疊，其中線圈24可以被配置為個別線圈之垂直平分線與定子基座22中的一組徑向軸(ax-1,ax-2,....)的其中之一重合。於一較佳實施例中，定子基座22是一圓柱具有一中心孔25用以使上述旋轉軸40通過而且具有在圓形的內壁與外壁之間用於容置上述線圈24的空間，上述容置空間被沿著定子基座的軸向(z軸)均分為兩個子區域，且兩個子區域間距有一隔牆隔開。設置於兩個位於定子基座22子區域的線圈可以與裝設於位於定子基座22兩側之轉子單元內的永久磁鐵產生交互作用(請一併參考圖2、圖5、及圖6)。於一較佳實施例中，每一線圈24是利用漆包線纏繞形成一等角三角形(或相似形狀，如梯形等)接著沿著其垂直平分線將其彎折成具有"Z"剖面形狀之線圈。每一形成等腰三角形(或梯形)之線圈以其底部(基部)朝向定子基座外緣之方式被排列及配置於定子基座22內。一旦這些線圈24被裝設於定子基座22內之正確位置，絕緣導熱填充劑28(例如，環氧樹指)填充其間之間隙(26a、26b)，使其填滿空隙用以將線圈固定於定子基座22內並起到絕緣導熱作用。

圖5(a)顯示個別轉子單元30之正視圖，轉子單元30包含一圓盤狀(圓柱狀)非磁性轉子基座32，其具有複數個永久磁鐵(例如，銣鐵硼永久磁鐵) 裝設其上、一中心孔31設置於轉子基座32的中心用以耦接一旋轉軸40、以及複數個槽口36形成於非磁性基座之外緣用於減輕重量及加強散熱效果。上述複數個永久磁鐵34徑向且等徑向角均勻地配置於轉子基座32內，並且相鄰永久磁鐵之磁極極性呈相反極性方式交互排列，即N極、S極交互排列。圖4(b)顯示個別轉子單元30沿著切割方向A-A之截面示意圖。一旦這些永久磁鐵34被裝設於轉子基座32內之正確位置，絕緣導熱填充劑38(例如，環氧樹指)填充其間之間隙(26a、26b)，使其填滿空隙用以將線圈固定於轉子基座32內。於一較佳實施例中，每一個永久磁鐵都是具有等角截面的柱狀體，可以配置成使它們各自的垂直平分線與轉子基座32的一組具有相等的徑向角分佈的徑向軸(ax-1,ax-2,...)的其中之一重合，並且上述具有第一類磁極性(例如，N極)之永久磁鐵34被配置為使其底面朝向轉子基座32的中心，而具有第二類磁極性(例如，S極)之永久磁鐵34被配置為使其底面朝向轉子基座32的外緣。

圖6(a)-6(b)顯示根據本發明的一個實施例中定子單元20的一個三相線圈配置圖，三相線圈A、B、與C的連接方式顯示於圖6(b)，其中圖式中的標號表示位於定子基座內之個別線圈。其中沿著圓周排列之第1、4、7、....號線圈串聯；第2、5、8、....號線圈串聯；第3、6、9、....號線圈串聯。

圖6(c)顯示根據本發明的一個實施例中所提出電磁感應發電裝置10a中定子單元20與轉子單元30的配置之截面示意圖。由圖6(c)可知本發明所提出的具有緊湊堆疊線圈之定子單元20以及安裝於轉子單元32中的等角三角形截面的柱狀永久磁鐵34可以提供高效能的電磁感應單元，而無需任何層壓鋼片來進行線圈繞組。

圖6(d)顯示具有三相繞組A、B、以及C之定子單元20的連線方式，其中由電磁感應裝置10a所生成的AC交流電可以饋入負載中應用。

一實施例是本發明的一實作或實例。在說明書中當提到「一實施例」、「一個實施例」、「一些實施例」或「其他實施例」是指關於該實施例所描述的一特定的特徵、結構或特性，是包含於至少一些實施例中，但不 必定為所有實施例中。「一實施例」、「一個實施例」或「一些實施例」的若干出現並不必定全部指到相同的實施例。應理解者為，在前述本發明的示例性實施例的敘述中，若干特徵有時候可以在單一個實施例、附圖或其敘述中群組在一起，以用於簡化揭露內容並說明瞭解一或多個不同發明觀點。然而，此揭露方法並不欲被解釋為反映本發明需要比每個請求項所明確記載者還要多的特徵的意圖。而是，如申請專利範圍之請求項所反映，發明觀點存在于比單一個前述所揭露的實施例的所有特徵還要少的特徵中。因此，請求項藉此明確地合併至此敘述中，每個請求項獨立作為本發明的個別實施例。

上述敘述係為本發明的較佳實施例。此領域的技藝者應得以領會其係用以說明本發明而非用以限定本發明所主張的專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附的申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域的技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作的更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成的等效改變或設計，且應包含在下述的申請專利範圍內。

1a:馬達

2a:差動齒輪裝置

3a:車軸

(4a、5a):驅動輪

(6a、7a):電池組

10a、10b:發電裝置

8a、9a:非驅動車輪(free-running wheels)

15a、15b:輪軸

14a、14b:齒輪箱

(16a、20a'):線束

17a、17b:開關

(16b、20a):線束

13a:控制中心

Claims (12)

1. 一種具有電磁感應發電裝置之電動車輛，包括：一車體；一電池組置於該車體之內；一發電機耦合該電池組，用於對其充電；一變速裝置，被設置在一非驅動輪與該發電機之間，使該非驅動輪的機械能能被傳送至該發電機；及一馬達，用於驅動該電動車輛，其中該發電機耦合至該電動車輛的該非驅動輪用於將該非驅動輪之旋轉機械能轉換成電能。
2. 如請求項1所述之具有電磁感應發電裝置之電動車輛，其中該至少一發電機包含一圓柱狀殼體；一定子模組，具有複數個軸向且等間格固定的定子單元，每一個該定子單元包含一定子基座及複數個線圈被徑向地且等徑向角配置於該定子基座內；以及一轉子模組，具有複數個轉子單元，每一個該轉子單元包含一轉子基座及複數個永久磁鐵被徑向地且等徑向角配置於轉子基座內，其中該複數個轉子單元由一轉子旋轉軸耦接用以同時旋轉且每一該轉子單元被安排位於相鄰的定子單元之間。
3. 如請求項2所述之具有電磁感應發電裝置之電動車輛；其中上述之定子基座是一具有中心孔用以通過上述旋轉軸之圓柱狀基座；其中上述定子基座在圓形的內壁與外壁之間具有用於容置上述線圈的空間。
4. 如請求項3所述之具有電磁感應發電裝置之電動車輛，其中上述在圓形的內 壁與外壁之間的空間被沿著其軸向均分為兩個子區域。
5. 如請求項3所述之具有電磁感應發電裝置之電動車輛，其中上述之線圈被裝設於上述兩個子區域內。
6. 如請求項2所述之具有電磁感應發電裝置之電動車輛，其中上述每個線圈均由漆包線繞線，並形成彎曲的Z形截面的環形結構。
7. 如請求項6所述之具有電磁感應發電裝置之電動車輛，其中上述每個線圈與線圈間可以部份重疊在一起以形成緊密堆疊。
8. 如請求項1所述之具有電磁感應發電裝置之電動車輛，其中上述定子基座是具有非磁性的。
9. 如請求項1所述之具有電磁感應發電裝置之電動車輛，上述轉子單元包括一非磁性轉子基座，該基座具有用於連接上述旋轉軸的中心孔。
10. 如請求項2所述之具有電磁感應發電裝置之電動車輛，其中上述相鄰永久磁鐵的磁極以相反極性方式交替排列。
11. 如請求項2所述之具有電磁感應發電裝置之電動車輛，其中上述每個永久磁鐵都是具有等角截面的柱狀體，可以配置成使它們各自的垂直平分線與上述轉子基座具有相等的徑向角分佈的一組徑向軸的其中之一重合。
12. 如請求項2所述之具有電磁感應發電裝置之電動車輛，其中上述具有第一類磁極性之永久磁鐵被配置為使其底面朝向上述轉子基座的中心，而上述具有第二類磁極性之永久磁鐵被配置為使其底面朝向該轉子基座的外緣。

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