TWI407010B - 位移式發電裝置 - Google Patents

Description

位移式發電裝置

本發明是有關於一種發電裝置，且特別是有關於一種將單向磁通轉換為多極磁通的位移式發電裝置。

電磁式發電裝置之原理主要是利用線圈與磁場之相對運動產生的磁場變化，根據法拉第定律，在線圈中會感應產生電壓輸出。依照相對運動之不同，電磁式發電裝置可分為旋轉式與位移式。傳統旋轉式發電裝置已廣泛運用於大型發電設備中，具有轉換效率高，發電量大等優勢，但其缺點是體積較大。

習知技術中，日本專利JP2001327197利用人力對地板的作用力轉換為旋轉力，可應用於與鞋子或手杖等步行輔助用具結合之發電裝置。英國專利GB2359593利用路面上車輛重量產生的位移，透過機械或流體傳到旋轉式發電機。美國專利US4434374利用行人或車輛的重量來發電，由一些連接及傳動裝置將重量轉換為旋轉式發電機的輸入力矩。英國專利GB2065983利用轉換機構將往復運動轉換成轉動，連接至旋轉式發電機。麻省理工學院亦於1998年發表將旋轉式發電裝置加裝在球鞋上，利用行走時腳跟的作用力可驅動發電機動作。另外，Pittsburgh大學2005年發表將旋轉式發電機置於荷重的背包上，結合連動機構，可利用行走時背包的上下運動，驅動發電機發電。然 而，上述之旋轉式發電裝置的電磁轉換效率較高，但其通常需結合彈簧、飛輪、減速齒輪等機構，使得其結構較為複雜，且整合困難、動作振幅較大，且可靠度難以提高。

位移式發電裝置則具有結構較單純、可靠度較高之優點。日本專利JP2007215345利用磁石與線圈組合，相鄰的磁石以反向配置組成磁棒，磁石相對邊界位置設置線圈，可利用行人步行或車輛通行的重力來發電；美國專利US2008084121、US2008054731、US2005225181、US2005231044、US2008036306與世界專利WO9831090皆是由磁鐵及線圈組成之線性發電機，利用二者之間的相對往復運動，使線圈中產生感應電力。另外，2004年NUI Galway(National University of Ireland)Duffy博士亦發表了裝置於鞋底，以步行帶動磁石搖動而發電之裝置。一般來說，位移式發電裝置的結構大都利用磁石在線圈內部作往復運動，通常因動子行程太大，且磁路結構為開磁路，不僅磁石之磁通量與磁能利用不高，並有磁場洩漏及易與外界有干擾之虞，使得效率較差、功率較小。

另外，由於感應電壓取決於線圈圈數與磁通量變化率，因此為了提高發電效率，必須提高磁石之工作點，以增加磁通密度，或是增加磁石與線圈間之相對速度，以提升磁通之變化率。直接使用多極磁石結構雖然可提高磁通之切換頻率，但通常多極磁石受形狀尺寸因素限制，難以獲得較高之工作點。

本發明係有關於一種位移式發電裝置，係利用多極導磁結構將單向之磁石磁通轉換為多極，使工作點提高，並有效利用磁石之磁通，具有小振幅動作與高可靠度等優點，充分發揮材料之電磁特性，達到高電能轉換效率。

根據本發明，提出一種位移式發電裝置，此裝置包括一磁石組與一線圈組，其中，線圈組與磁石組可產生相對運動。磁石組包括一單向磁化之磁石與一第一多極導磁結構，其中，第一多極導磁結構設置在磁石上。線圈組包括一導磁中柱、一線圈與一第二多極導磁結構。線圈繞設在導磁中柱上。第二多極導磁結構設置在導磁中柱上，並與第一多極導磁結構相鄰設置。當磁石組與線圈組相對運動時會產生磁場變化，藉此以在線圈感應產生電壓輸出。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第1、2圖，第1圖係依照本發明較佳實施例的一種位移式發電裝置之示意圖，第2圖係第1圖位移式發電裝置之元件分解圖。如第1圖所示，位移式發電裝置100包括一磁石組101與一線圈組103，其中，線圈組103與磁石組101可產生相對運動。磁石組101包括一單向磁化之磁石105與一第一多極導磁結構107，其中，第一多極導磁結構107設置在磁石105上。線圈組103包括一導磁中柱109(見第2圖)、一線圈111與一第二多極導磁結 構113。線圈111繞設在導磁中柱109上。第二多極導磁結構113設置在導磁中柱109上，並與第一多極導磁結構107相鄰設置。當磁石組101與線圈組103相對運動時會產生磁場變化，藉此以在線圈111感應產生電壓輸出。

以下以第2圖之元件分解圖逐一說明各元件。先說明磁石組101之元件設計。磁石105具有相對之第一表面105A與第二表面105B。磁石105為一單向磁化之磁石，其在第一表面105A處具有第一磁極，例如為S極，磁石105在第二表面105B處則具有第二磁極，例如為N極。其中，第二磁極與第一磁極相反。以較佳的實施方式而言，磁石105係可為一長條形結構，且其長度可視需求變化。

第一多極導磁結構107(見第1圖)連接磁石105之第一表面105A與第二表面105B，用以將磁石105之一單向磁通轉換為一多極磁通。如第2圖所示，第一多極導磁結構107為二ㄇ形齒狀多極結構組合而成，包括一第一板件115與一第二板件117，其中，第一板件115設置在第一表面105A，而第二板件117設置在第二表面105B。第一板件115具有多個第一極齒115A朝第二表面105B之方向延伸。第二板件117則具有多個第二極齒117A朝第一表面105A之方向延伸，且任一第二極齒117A係位在二個第一極齒115A之間，也就是說，第一極齒115A與第二極齒117A交錯配置，使第一極齒115A之前後方皆與一個第二極齒117A相鄰，而第二極齒117A之前後方亦與一個第 一極齒115A相鄰。另外，較佳地，第一極齒115A垂直第一表面105A，而第二極齒117A垂直第二表面105B，並平行第一極齒115A。

在本實施例中，磁石組101與線圈組103之相對位移之方向是垂直第一極齒115A之延伸方向，而線圈111之繞設方向亦係垂直第一極齒115A之延伸方向。

以第1圖為例，第一極齒115A之延伸方向為負y方向。位移式發電裝置100之驅動方式可以是直接施加外力於裝置之位移方向，如z方向，或者是施加外力於垂直裝置之位移方向，如y方向，再利用連桿機構轉換為裝置之位移方向，如z方向。磁石組101與線圈組103之相對位移方向是正z或負z方向，線圈111則是沿著x－z平面繞設。磁石組101與線圈組103之相對運動例如是磁石組101相對於固定之線圈組103移動，或是線圈組103相對於固定之磁石組101移動。

以較佳的實施方式而言，如第2圖所示，第一極齒115A均分為二群並以磁石105為對稱中心分設在磁石105之二對側，而第二極齒117A也是均分為二群，並同樣以磁石105為對稱中心分設在磁石105之二對側。

由於磁石105在其第一表面105A與第二表面105B處之磁極相反，例如：第一表面105A之第一磁極為S極，第二表面105B之第二磁極為N極，連帶地使分別設置在第一表面105A與第二表面105B之第一板件115與第二板件117具有相反的磁極，即第一板件115為S極，第二板 件117為N極，而第一極齒115A與第二極齒117A亦具有相反之磁極，也就是說，第一極齒115A具S極，第二極齒117A具N極。由於第一極齒115A與第二極齒117A交錯配置，使得原本僅為磁石105之單向磁通轉換為S－N二極交錯的多極磁通。

請參照第3圖，其係第1圖的磁石組之側視圖。舉例說明，磁石105在第一表面105A處之第一磁極為S極，在第二表面105B處之第二磁極為N極，使得第一板件115及其第一極齒為S極，而第二板件117及其第二極齒117A為N極。由於第一極齒115A與第二極齒117A交錯排列，且各具有S極與N極，因此會產生N－S－N－S－N－S－N之磁極排列方式，如預期地將磁石105原本單一磁通轉換為多極磁通。

再如第2圖所示，導磁中柱109具有相對之第三表面109A與第四表面109B。線圈111係繞設在連接第三表面109A與第四表面109B之表面上。第二多極導磁結構113為二ㄇ形齒狀多極結構組合而成，包括第三板件119與第四板件121，其中，第三板件119設置在第三表面109A，而第四板件121設置在第四表面109B。

第三板件119具有多個第三極齒119A朝第四表面109B之方向延伸，而第四板件121則具有多個第四極齒121A朝第三表面109A之方向延伸。較佳地，第三極齒119A係垂直第三表面109A，第四極齒121A則垂直第四表面109B，並平行第三極齒119A。

另外，以較佳的實施方式而言，第三極齒119A係均分為兩群，並以導磁中柱109為對稱中心分設在導磁中柱109之二對側。第四極齒121A亦均分為兩群並以導磁中柱109為對稱中心分設在導磁中柱109之二對側，此外，第三極齒119A與第四極齒121A亦是交錯設置。第三極齒119A及第四極齒121A之排列方式係與第一極齒115A及第二極齒117A之排列方式相同，如第3圖所示。要說的是，在本實施例中，第一與第二多極導磁結構107、113皆為二ㄇ形齒狀多極結構組合而成，然第一與第二多極導磁結構107、113延伸出之第一、第二、第三與第四極齒115A、117A、119A與121A也可以不同形狀之結構來組成，並不以此為限。

此外，在本實施例中，位移式發電裝置100係由一磁石組101與一線圈組103相鄰設置而組成的，當然，位移式發電裝置也可以由複數個磁石組101與線圈組103交錯設置，以達成位移發電的效果，在此不予贅述。

上述第一多極導磁結構107之第一板件115與第二板件117、第二多極導磁結構113之第三板件119與第四板件121，以及導磁中柱109皆可由導磁材料製作。導磁材料之種類包含鐵、鈷、鎳與上述金屬之化合物，以及上述金屬之一磁性氧化物。磁性氧化物係可為錳鋅系鐵氧磁體、鎳鋅系鐵氧磁體、鋰鋅系鐵氧磁體或上述材質之組合。

當磁石組101之單向磁通轉換為多極磁通後，此磁通通過磁石組101與線圈組103之間之後，可透過線圈組103 之第二多極導磁結構113與導磁中柱109，使磁通導向線圈111之內部。因此，當磁石組101與線圈組103有位移式之相對運動時，線圈111便可根據磁通的變化而產生一感應電壓。此外，由於第一多極導磁結構107、第二多極導磁結構113與導磁中柱109之設置，使磁力線密集分佈形成閉磁路，讓磁石105之工作點提高，並且由於第一多極導磁結構107與第二多極導磁結構113各別之交錯磁極設計，因此，僅需要小振幅的移動，便可產生足夠的磁場變化，本實施例之位移式發電裝置100具有高可靠度。

感應電壓取決於線圈圈數與磁通變化量，由於本實施例位移式發電裝置100之磁石105具有高工作點，使磁通密度增加，進而在磁石組101與線圈組103產生相對運動時，提高了磁通之切換頻率。以下係使本實施例之位移式發電裝置100於特定參數設定下作測試。

在本實施例之測試中，是使用厚度1公釐之低碳鋼薄片，以線切割方式加工為ㄇ形齒狀多極結構之第一板件115、第二板件117、第三板件119與第四板件121，極齒寬度w(見第3圖)與極齒間距d(見第3圖)皆為2公釐。其中。第一板件115與第二板件117是與釹鐵硼製作之磁石105組合而成磁石組101。第三板件119與第四板件121另與低碳鋼之導磁中柱109與線圈111組合成線圈組103，其中，線圈111之導線線徑為0.33公釐，線圈111之圈數為60圈。

測試時，利用氣壓缸為外力輸入，固定磁石組101， 移動線圈組103，並以示波器量測線圈111之感應電壓，負載電阻為20 Ω。請參照第4圖，其係根據所設定之參數測試所量測之測試結果。如第4圖所示，線圈111之感應電壓Vp－p＝2.54 V，磁石組101與線圈組103之相對運動速度為4公釐/2.6毫秒，由感應電壓與負載電阻可計算出感應功率Pp＝80 mW。本實施例之位移式發電裝置100確實具有高電能轉換效率之特點。

本發明上述實施例所揭露之位移式發電裝置，利用多極導磁結構將磁石之單向磁通轉換為多極磁通，使磁力線密集分佈於導磁材料中，進而提高磁石的工作點，有效利用磁石之磁通，即使在小振幅的動作下也可產生磁場變化，使裝置具有高可靠度，且不僅可充分發揮材料之電磁特性，也可達到高電能轉換效率。另外，隨著能源日益短缺與環保意識高漲，許多研究紛紛針對環境中以及人類日常活動中所可能產生之動能，探討從中汲取並轉換為電能，以作為具環保性並且使用方便的新能源。本實施例之位移式發電裝置由於具有高電能轉換效率，可進一步地與人類日常活動相關之器械結合，以將人類活動所產生之動能有效地轉換為可使用之新能源，更可符合環保的需求。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧位移式發電裝置

101‧‧‧磁石組

103‧‧‧線圈組

105‧‧‧磁石

105A‧‧‧第一表面

105B‧‧‧第二表面

107‧‧‧第一多極導磁結構

109‧‧‧導磁中柱

109A‧‧‧第三表面

109B‧‧‧第四表面

111‧‧‧線圈

113‧‧‧第二多極導磁結構

115‧‧‧第一板件

115A‧‧‧第一極齒

117‧‧‧第二板件

117A‧‧‧第二極齒

119‧‧‧第三板件

119A‧‧‧第三極齒

121‧‧‧第四板件

121A‧‧‧第四極齒

d‧‧‧極齒間距

w‧‧‧極齒寬度

第1圖係依照本發明較佳實施例的一種位移式發電裝置之示意圖。

第2圖係第1圖位移式發電裝置之元件分解圖。

第3圖係第1圖的磁石組之側視圖。

第4圖係根據所設定之參數測試所量測之測試結果。

100‧‧‧位移式發電裝置

101‧‧‧磁石組

103‧‧‧線圈組

105‧‧‧磁石

107‧‧‧第一多極導磁結構

111‧‧‧線圈

113‧‧‧第二多極導磁結構

Claims (12)

1. 一種位移式發電裝置，包括：一磁石組，包括：一單向磁化之磁石；以及一第一多極導磁結構，設置在該磁石上；以及一線圈組，與該磁石組可產生相對運動，並包括：一導磁中柱；一線圈，繞設在該導磁中柱上；以及一第二多極導磁結構，設置在該導磁中柱上，並與該第一多極導磁結構相鄰設置；其中，該磁石組與該線圈組相對運動時會產生磁場變化，藉此以在該線圈感應產生電壓輸出。
2. 如申請專利範圍第1項所述之位移式發電裝置，其中，該磁石具有相對之一第一表面與一第二表面，該磁石在該第一表面處具有一第一磁極，該磁石在該第二表面處具有一第二磁極，該第二磁極與該第一磁極相反，該第一多極導磁結構連接該第一表面與該第二表面，用以將該磁石之一單向磁通轉換為一多極磁通。
3. 如申請專利範圍第2項所述之位移式發電裝置，其中，該第一多極導磁結構包括：一第一板件，設置在該第一表面，並具有複數個第一極齒朝該第二表面之方向延伸；以及一第二板件，設置在該第二表面，並具有複數個第二極齒朝該第一表面之方向延伸，且任一第二極齒係位在二 個第一極齒之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之位移式發電裝置，其中，該些第一極齒係垂直該第一表面，該些第二極齒係垂直該第二表面，並平行該些第一極齒。
5. 如申請專利範圍第4項所述之位移式發電裝置，其中，該磁石組與該線圈組之一相對位移之方向垂直該些第一極齒之延伸方向。
6. 如申請專利範圍第3項所述之位移式發電裝置，其中，該些第一極齒係以該磁石為對稱中心分設在該磁石之二對側，而該些第二極齒係以該磁石為對稱中心分設在該磁石之二對側。
7. 如申請專利範圍第3項所述之位移式發電裝置，其中，該線圈之繞設方向係垂直該些第一極齒之延伸方向。
8. 如申請專利範圍第3項所述之位移式發電裝置，其中，該導磁中柱具有相對之一第三表面與一第四表面，該線圈係繞設在連接該第三表面與該第四表面的表面上，該第二多極導磁結構包括：一第三板件，設置在該第三表面，並具有複數個第三極齒朝該第四表面之方向延伸，且該些第三極齒相鄰該些第一極齒與該些第二極齒；以及一第四板件，設置在該第四表面，並具有複數個第四極齒朝該第三表面之方向延伸，且任一第三極齒係位在二個第四極齒之間。
9. 如申請專利範圍第8項所述之位移式發電裝置，其中，該些第三極齒係垂直該第三表面，該些第四極齒係垂直該第四表面，並平行該些第三極齒。
10. 如申請專利範圍第8項所述之位移式發電裝置，其中，該些第三極齒係以該導磁中柱為對稱中心分設在該導磁中柱之二對側，而該些第四極齒係以該導磁中柱為對稱中心分設在該導磁中柱之二對側。
11. 如申請專利範圍第1項所述之位移式發電裝置，其中，該第一多極導磁結構、該第二多極導磁結構與該導磁中柱之至少其中之一之材質係選自一群組，該群組包含鐵、鈷、鎳與上述金屬之化合物，以及上述金屬之一磁性氧化物。
12. 如申請專利範圍第11項所述之位移式發電裝置，其中，該磁性氧化物係錳鋅系鐵氧磁體、鎳鋅系鐵氧磁體、鋰鋅系鐵氧磁體或上述材質之組合。