高效能電動引擎供電系統的製作方法

2023-06-24 16:28:36

專利名稱：高效能電動引擎供電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電動引擎供電系統。
緣於人類科技的發達，科技產品日新月異地不斷問世，再加以各式科技產品為人們所普遍喜愛和利用，雖直接增進了人們的工作效率，簡化工作的流程及工時，然而，在無形之中一些機具的使用卻也間接地造成了地球自然生態的汙染，且此生態環境汙染的事實，亦已喚醒了人類對環保意識的覺醒。因此，對於地球生態汙染的來源，不論是廢氣、垃圾、油汙、自然礦產等汙染源，皆為全人類今日全力防止並剷除的工作努力目標。
在眾多汙染源中，廢氣的汙染堪稱最為普遍、最為常見、且時時在發生的重要汙染源。廢氣的汙染源來自以燃燒石油為主要動力的汽油引擎，其於燃燒時所產生的噪聲、排放出的殘存物質、高溫氣體元素及新的化合氣體等所造成的汙染最為嚴重，諸如汽車、機車及小型引擎工具割草機、鏈鋸機等汽油引擎，皆同屬於此類汙染的來源。
因此，近年來遂有人開始以充電式電池可反覆充電使用、不受場地的限制、不受石油短缺影響的優良特性，作為電動引擎中能量的來源，以取代汽油燃料的地位。除此，此直流電能的提供亦直接消除了汽油引擎在使用上所帶來的種種汙染，對於地球環保工作的推行，貢獻甚巨。
然而，此直流電能應用於電動引擎中時，也產生了一些技術上的瓶頸，諸如電能轉換成動能是藉由線圈產生的磁力來推動物體做功，在此轉換過程中，如使用以往的技術實施時，勢必造成電動引擎內電感線圈的轉換效率低、易生熱能、耗電、續航力(即持續使用時間)不足等缺點。

圖1所示即為電感由直流電源驅動的等效電路圖，在直流電源V串聯開關S、電感性負載L、電阻R的電路中，當開關S閉合而成為迴路時，其迴路中有V=I×R+L×(di/dt) V當開關S閉合時的壓降P=I×V=I2×R+L×I×(di/dt)I2×R阻抗所轉換的熱能L×I×(di/dt)電感上的能量(du/dt)=L×I×(di/dt) U電感儲存的能量對時間軸的積U=(1/2)L×I2分(如圖2所示斜線部分)因此，當電流I流經如線圈、馬達等電感性負載L時，其電感上所產生的壓降VL、電流IL對時間軸的曲線如圖2所示，由此曲線圖中明顯可見，當接點開關S導通後時間t自0開始時，其上的電壓VL便開始急劇下降，直至時間達t1時方維持於一穩定的低電位，其上的電流IL則隨時間的增長而開始急劇上升，直至時間到達t1以後則維持一穩定的高電流量，而電感上的功率(ILVL=L×I×di/dt)對時間軸也形成一曲線，電感上儲存的能量U則於時間t1內達到最高峰，於時間t1以後增進的能量已相當少。由此可見，以往所使用的諸多電能轉動能的轉換工具，利用電感儲存的能量轉換成動能，僅於其迴路導通後至時間t1內所發揮的效能最佳(t1的時間依所使用電感阻抗的不同而各異)，時間到達t1以後，電流IL維持穩定的高電流量(di/dt幾乎為零)，自此以後直流電源V所提供的電能皆落在I2R(熱)上，其目的僅為了維持能量U在電感上保存的時間，卻造成了I2R(熱)的產生。這樣，直流電源於電動引擎中除少部分消耗於磁能的轉換外，絕大部分電能則轉換成熱能消耗殆盡，對於充電完成的直流電力而言，其續航力將受嚴重的折扣影響。
由圖2可知，電感儲存的能量在t1時間內已幾乎充滿，t1以後的時段電池所供應的電能都消耗在I2R上並轉換成熱，如果我們只需要利用磁能，那麼在開關在時間軸上的0-t1內閉合為最經濟。又，電感儲存的能量U會轉換成磁場，磁場上的磁力就是要轉換為動能的驅動力，雖然U在轉換動能的過程中，會因磁阻而損耗部分能量，但也還剩餘許多能量，如能將此剩餘的能量回收，效率定可大幅度提升。
有鑑於上述，本發明的目的是提供一種高效能電動引擎供電系統，使加在電動引擎上的能量及其輸出的功率皆保持最高效率的狀態，並在供電系統中的適當位置處，將線圈上所產生的反電動勢能量予以轉換回收，使得供電系統得以發揮最佳的供電效益，創造最佳的功率輸出、完全回收殘餘能量、延長充電電池的使用周期等，以創造出一種最高效能的使用狀態。
本發明的目的是這樣實現的一種高效能電動引擎供電系統，為一含有電感線圈電感性負載迴路，負載前串接開關，負載後串接整流二極體和電容，電容的正極經充電二極體與可充電電池連接。
在本發明的實施措施中所述開關由方波脈衝發生器控制通斷，該方波脈衝發生器的脈寬可調整。
所述電感線圈可多組並聯，每組線圈其串接開關，各開關由方波脈衝發生器控制通斷，以達到衝杆最大的速度。
所述可充電電池直接提供電動引擎所需的能量，且反電動勢能量的回收亦直接輸入該電池中。
所述充電電池與一充電控制電路連接。
本發明藉由開關通斷的周期性反覆動作，使得電感性負載於最佳效能時段導通以進行功率輸出，而於開關斷開的時段將電感性負載上的反電動勢能量回收到充電電池中。其優點是可達到最佳能量輸出和減低熱能產生的功效，並藉由充電電池的回收再使用而使得充電電池在輸出效能上更具延續性、耐用性、功效性。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1為習知結構的等效電路圖2為電感能量輸出曲線圖；圖3為本發明原理電路示意圖；圖4為本發明工作波形圖；圖5為本發明之一實施電路圖；圖6為本發明衝杆連續加速等效示意圖；圖7為本發明之一實施動作波形圖；圖8為本發明之二實施動作圖；圖9為本發明之三實施動作圖。
首先請參閱圖3，本發明為一含有電感線圈L的電感性負載迴路，負載L前串接開關S，負載L後串接整流二極體D1和電容C，電容C的正極經充電二極體D2與可充電電池B連接。電容C上的電位提供給電池B一個V2電位。在開關S接通的T1時間內，直流電源V1提供電動引擎做功的能量(參見圖4)，開關的通斷可藉由功率半導體元件組成的方波脈衝發生器控制，該方波脈衝發生器的脈寬可調整。在開關S開路的瞬間，線圈L上將依電感原理產生一反電動勢emf，且此反電動勢V=--L×(di/dt)的能量會經二極體D1由電容C承接，將此電能經二極體D2輸入電池B中，達到能量回收的功效。如反電動勢所轉換的電能可與電池B的瞬間最高充電允許值相匹配時，則可省略電容C及二極體D2而令電動勢的轉換電能直接輸入電池B中。在能量的回收過程中，電流方向不變、電磁方向也沒變IMAX=(V1-V2-VD1-VD2)/ZLVemf=--L×(di/dt)當(V1-V2)越大時，di/dt也會越大，能量回收效果更好。由於在T1時間內I2R很少，儲存的磁能又能回收，則傳統所規定電壓值的線圈或馬達，在使用圖3的條件下，可以大幅度提升V1值，使在T1時間內U增大而得到更大的磁力。依物理動力學原理，質量m的物體在t時間內受到一個推力F,F對物體所作的功WW=F×d d物體行進的距離d=V0×t+(1/2)×a×t2=(1/2)×a×t2顯然磁力對物體做功多寡，時間也是一個重要因素，請一併參閱圖4，為了兼顧導通T1時間又能回收儲存在電感內的能量，物體亦有足夠的受力時間，開關S可用方波信號控制，其中T1是電感能量幾乎充滿的時間，T2是反電動勢回收至電池的足夠時間，對每一T1、T2的循環而言，符合高效率運轉原理，n個循環組成一個施力的循環，因V1的提高，F也會提高，雖然F施力時間比傳統的短，但F提升的比例很大，所以對物體所作功的總和還是比傳統的大很多。
圖5所示即為圖3中基本電路的另一變換實施，此電路中將開關S、線圈L、二極體D等三種元件作重複並聯，使三個開關S1、S2、S3於不同時間依序各自完成通斷的程序，便可獲得一連續驅動力F，並保持於L×i×(di/dt)的最佳功效狀態中，以增進電動引擎的使用功效。因此本發明的系統亦可用於如圖6所示的將數個線圈串聯、衝杆連續加速的結構中，圖中上部所示的衝杆為一導磁杆體，可被電感線圈coil吸引，產生直線運動的動量來對外做功。而其開關S1、S2、S3在時間軸上的控制(如圖7所示)，將視衝杆行進狀況而定，以使衝杆連續加速達到最快速度的目的。三個線圈上所產生的反電動勢將依序轉換成電能並以一連續的能量加到電容C上，再藉由二極體D4輸入至電池B中，使電池B獲得一連續性的充電能量。
圖8所示為本發明系統的較佳實施例，其將電動勢所產生的電能予以回收後直接輸入電池B中，並由電池B直接提供電動引擎動能所需的電能。在此電路中，除了如前述採用多組開關S、線圈L、二極體D相互並聯以提升回收的電能外，於V2點上的電位將經由一DC/DC轉換器被提升為V1，並由V1點提供線圈L1、L2一個穩定的電源。依此，則電池B的電能將不斷於釋放及補充中反覆循環進行，因此，在開關S1、S2以方波中T1、T2的時間間隔作反覆通斷工作時，除使得電動引擎的線圈L獲得一最佳的輸出功效外，在開關S1、S2切斷後，自線圈L上的反電動勢所獲得的電能經回收後，將使得電池B內的電能獲得完整且充分的發揮。
圖9所示為圖3中基本電路的另一變換實施，此電路中於電池B的V2端點處設一與交流電源相連接的充電控制電路(此充電電路的詳細電路並非本發明的主要專利訴求，故此處不多加贅述)，利用此控制電路可於電池B的電位降低至一定的最低電位時，自動啟動充電電路，將交流電能轉換為直流電能，並對電池B進行充電，待充電達一定高電位時，充電電路將自動切斷充電迴路，等待下一次充電電路的啟動。由此可明顯證明，本發明如在此狀態下使用，將可完全取代傳統中以交流電源為能量來源的電感性負載電動機，以使得電感性負載電動機的使用更據經濟性、可移動性及便利性，由於效率提升、省電及充電時間的隨機分布，可降低使用者的用電成本。
綜上所述，本發明藉由可反覆充電使用的充電式電池作為其電能的來源，以提供電動引擎達到動能輸出的功效，且於迴路中分別設一開關、一回收電路，並藉由開關執行一通一斷的反覆動作，使得電動引擎的輸出功率達到最佳的狀態，而於電感性負載的一端所連接的充電電池除可達到電能回收的功效外，還可將此回收的電能同時反覆的供給電動引擎作為電能的來源。依此原理，本發明的應用除可取代汽油引擎達到動能輸出功效外，亦可取代交流馬達而應用於冷氣機、電扇等電器用品中，同時，藉由本發明的直流供電模式及充電時間隨機分布的特性，而有降低用電成本之效。
上述僅為本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明實施的範圍。凡依本發明的申請專利範圍所做的等同變換與修飾，皆應為本發明的專利範圍所涵蓋。
權利要求
1．一種高效能電動引擎供電系統，為一含有電感線圈的電感性負載迴路，其特徵在於負載前串接開關，負載後串接整流二極體和電容，電容的正極經充電二極體與可充電電池連接。
2．如權利要求1所述的高效能電動引擎供電系統，其特徵在於所述開關由方波脈衝發生器控制通斷，該方波脈衝發生器的脈寬可調整。
3．如權利要求1所述的高效能電動引擎供電系統，其特徵在於所述電感線圈多組並聯，每組線圈其串接開關，各開關由方波脈衝發生器控制通斷，以達到衝杆最大的速度。
4．如權利要求1所述的高效能電動引擎供電系統，其特徵在於所述可充電電池直接提供電動引擎所需的能量，且反電動勢能量的回收亦直接輸入該電池中。
5．如權利要求4所述的高效能電動引擎供電系統，其特徵在於所述充電電池與一充電控制電路連接。
全文摘要
本發明為一含有電感線圈的電感性負載迴路,負載前串接開關,負載後串接整流二極體和電容,電容的正極經充電二極體與可充電電池連接。本發明藉由開關通斷的周期性反覆動作,使得電感性負載於最佳效能時段導通以進行功率輸出,而於開關斷開的時段將電感性負載上的反電動勢能量回收到充電電池中。本發明可達到最佳能量輸出和減低熱能產生的功效,並藉由充電電池的回收再使用而使得充電電池在輸出效能上更具延續性、耐用性、功效性。
文檔編號H02J15/00GK1231538SQ9910606
公開日1999年10月13日 申請日期1999年4月29日 優先權日1999年4月29日
發明者劉丙寅 申請人:劉丙寅