星期一, 1月 14, 2008

風力技術篇 第九章 永磁發電機的製作 (1/3)

第九章 永磁交流發電機的製作(1/3)


本章譯自 Hugh Piggot – Scoraig Wind Electric – Febuary 2001。


目錄

  1. 說明

  2. 材料與工具清單

  3. 夾具與模具

  4. 定子的製作

  5. 轉子的製作

  6. 組裝

  7. 測試與接線

  8. 其它資訊


這本製造手册是英國政府的委託計畫成果的一部份。

計畫主持人：

Dr Smail Khennas

Senior Energy Specialist

Intermediate Technology

The Schumacher Centre for Technology and Development

Bourton Hall

Bourton on Dunsmore

Warwickshire

Tel +44-1788-661 100

Fax: +44 -1788 44-(0)1788-661 101

Email: smailk@itdg.org.uk

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Charity No 247257

with funding from the UK government DFID





  1. 說明

本DIY手册內容為教您如何自製”永磁鐵發電機(Permanent Magnet Generator，PMG，以下文章簡稱以PMG簡稱永磁鐵發電機)。您可以稱這種發電機為交流發電(alternator)，因為它產生的電流是交流電(alternating current，AC)。這台自製的發電機不會產生和家裏用的巿電一樣110或220伏特的電壓和電力。它只會產生低電壓的三相交流電，然後經過轉換變成12伏特的直流電對電池進行充電。


    1. PMG的主要構造是：

      1. PMG的爆炸圖

圖1、PMG構成的爆炸圖


    1. PMG (上圖)包括:-

• 一個鋼製固定座(steel spine)和一根轉軸(shaft)

• 一個內含線圈(coils of wire)的定子(stator)

• 兩個永磁鐵做的轉子(magnet rotors)

• 一個整流器(rectifier)


定子內有6組線圈，定子是玻璃纖維樹脂灌模法製成的。定子固定在固定座上，所以定子是固定死的不會轉動。由定子線圈延伸出的電線連接到整流器上，將交流電變成直流電而對電池進行充電。整流器固定在散熱鋁片上將整流過程產生的廢熱藉由鋁片散熱防止過熱。


兩片磁鐵轉子固定在軸承上，使它可以在轉軸上旋轉。在定子後面的是後位轉子(rear rotor)。前位轉子(front rotor)是在定子前方的轉子，兩個轉子透過轉軸周圍的孔洞用長螺栓(stud)互相連接固定。風車翼片也是固定在這幾根長螺栓上。風車翼片會因為與兩個轉子固定死了，所以風車翼片轉動時就會連帶帶動轉子轉動。當轉子轉動時，轉子上磁鐵跟著轉動而通過定子上的線圈。磁通量從一個轉子通過定子而到達另一個轉子。因此，移動的磁通量產生電流由定子的線圈中輸出。


    1. 製作PMG

本手册說明如何製造PMG。在開始製作前，請將本手册讀一遍。


第二節是製作PMG需要的材料和工具清單


第三節是說明一些自製PMG會用到的特殊工具(夾具)和鑄模。這些工具和模子可重覆使用做出很多PMG。夾具和模子的製法可能有很多種，本手册只說明一種。


第四節是定子的製作。本節首先說明如何用銅的漆包線製作線圈，接著說明如何用夾具和模子進行灌模成型。


第五節說明如何用磁鐵塊和鐵圓盤和如何灌樹脂方式製造磁鐵轉子。


第六節說明如何將各部份零組件組合起來成為PMG。本節說明機械部份如何組裝、轉子的平衡如何調整以及定子線圈的接線方法。


第七節說明PMG測試方法。內容包括正確平衡的做法、正確的電力輸出的配線方法以及說明PMG如何和電池相連。


第八節說明其它資訊，內容包括聚乙烯樹脂的使用方法以及如何應用PMG做抽水機。


    1. PMG的用途

PMG的用途是當做小型風車的發電機(圖2)。除了PMG您還需要下列部件才能構成完整的風力發電系統：

        • 支架(tower)：用鋼索(guy)固定的鋼管

        • 水平轉軸(yaw head)：裝設在支架頂端讓風轉動的部件。

        • 尾舵(tail)：控制風車正面迎風的裝置。

        • 風車翼片(blades)：促使風車轉動的主要部件。

水平轉軸和PMG的固定座用螺栓固定。風車翼片固定在PMG的前端。水平轉軸和尾翼需要以這樣的方式連接才能抵抗強風保護自己不會被吹壞掉。(本手册翼片、支架或水平轉軸部份不說明，請參閱其它著作)。


圖2、風力發電系統


PMG的工作條件是低轉速型發電機。下表說明不同轉速時PMG對12伏特電池充電的電力輸出大小。例發電機420 rpm(rpm，每分鐘多少轉的意思)時，產生180 w (瓦特)即15安培12伏特的電流(15A x 12V = 180 w)。


在高轉速時PMG可以產生較高的電能。但是大電流造成線圈發熱，相對的在較大電流發生時的發電效率是比較低的。為了要應付高轉速的發電方式最好的方式是改變定子線圈的電線粗細或是改變線圈成並聯或串聯方式。


如果PMG的工作環境是常處在較高轉速狀態下，最好用粗一點的漆包線以承載較大的電流防止過熱。較粗的漆包線表示能繞的線圈數較少，因此在低轉速時發電效率會很差無三小路用。


要讓PMG在高低轉速下都能工作愉快,最好的方式是改變接線方式。定子的線圈接到整流器上有星型(star)及三角型(delta)接線法兩種。詳見第七節。


圖3是電能(power)對轉速(speed)所做的關係圖。星型接線在低轉速(170rpm)時即開始發電。三角型接線法產生的電流較大，但是只在高轉速時發生。星型接線法在低轉速的表現佳，三角型接線法則在較高風速下表現佳。


大一點的PMG則可在低轉速有高功率輸出。


圖3、功率(w)與轉速(rpm)的關係圖


    1. 注意：

製作和組裝PMG時要謹慎小心，轉子上的磁鐵不可以鬆脫。磁鐵在極惡劣狀況下是會掉下來的。鬆脫的磁鐵一定會和定子產生磨擦，結果就是毀了PMG。


  • 請依照說明進行轉子灌模成型作業，不要只是用膠水把磁鐵隨隨便便粘在鐵圓盤。

  • 組裝過程絶對不可以用鐵錘敲轉子。

  • 兩邊的轉子與定子之間至少都要保留1mm的氣隙(gap)。如果工作條件是高輸出或高轉速，氣隙要加大。

  • 風車用的PMG的轉速不要超過800rpm。因為風車在做水平轉動時，強大的廻轉力慣性會對轉子轉軸產生作用力，致使轉子的磁鐵可能會和定子磨擦到。

  • 不要把翼片直接和轉子組合在一起，這會造成轉子變形。您必需透過固定轉子的螺栓將翼片用螺帽固定在螺栓上。

  • 當您要把PMG固定在水平轉軸上，PMG固定座一定要向上垂直，不是水平斜交叉。


  1. 材料與工具

    1. 材料表

PMG材料

數量

大小

重量(g)

FIBREGLASS SUPPLIES 玻璃纖維

  1. Polyester resin 聚脂樹脂(預混凝固加速劑)



2700

  1. Catalyst催化劑(peroxide，過氧化物)



50

  1. Talcum filler powder滑石粉



1200

  1. Fiberglass mat玻璃纖維布

(1oz/呎2)

1m2

300

  1. Coloring pigment resin樹脂染料(選購)



50

  1. Plasticene脫模劑或putty油灰




  1. STAINLESS STEEL




  1. stainless steel wire不锈鋼絲

10m

2mm

200

MAGNETS磁鐵

  1. Grade 3 ferrite magnet blocks磁鐵 (磁化)

16

20x50x50mm

4000

ELECTRICAL電料

  1. 14AWG Enamelled winding wire漆包銅線


1.7mm

3000

  1. flexible wire

6 m

14AWG size


  1. 連接用Solder焊條、sleeving套筒




  1. 1/2 inch masking tape 噴漆護條




  1. Bridge rectifiers 單相橋式整流器

2

25A 200V


  1. Heatsink散熱片



250

STEEL鋼材

  1. Box section tube ('RHS') for spine方型固定座

1

380x50x25x4mm

1100

  1. Magnet disk 圓或八角鐵盤

2

6x305mm外徑

6000

  1. threaded rod ('studding')長螺栓


Φ10x1000mm

500

  1. nuts螺帽

32

Φ10mm

300

  1. washers 圓型螺絲墊片

16

Φ10mm


  1. threaded rod長螺栓


Φ8x400mm

125

  1. Nuts螺帽

8

Φ10mm

50

  1. nuts and bolts 整流器用螺絲和螺帽

2

Φ5x20mm


  1. Shaft轉軸


Φ25x150mm

500

MECHANICAL機械零件

  1. Bearing hub to fit shaft,轉軸及軸承

1


1250


圖、軸承輪轂(hub)、轉軸(shaft)、固定座(spine)及轉子(rotor)

    1. 夾具與模具的材料

  • 組合的地板材(其它板材也行)、木頭用膠水、砂紙、抛光用臘(如果能取得聚氨酯光漆和PVA清除劑最好)

  • 油漆刷、清除用稀釋劑。

  • 用於製作夾具(jig)、成形器(former)和定子模具的13mm厚合板

  • 繞線用的鐵棒或鐵管

  • 小鋼片或厚金屬片


螺絲數量(含螺帽及墊片)

直徑 (mm)

長度 (mm)

用途

2 含蝴蝶型螺帽

6

60

繞線器用

4

10

25

夾具平衡用

1

12

150

定子模用


    1. 工具

  • 安全護目鏡、面罩、手套等(視需要而定)

  • 有鉗具的工作枱

  • 焊接機

  • 定角研磨機

  • 弓形鋸、鐵錘、衝頭、鑿子

  • 指北針、量角器、捲尺

  • 8、10、13、17、19mm扳手各2支

  • 管鉗及轉子外孔用M10管材

  • 量磁鐵高度的銅線

  • 電鑽及6、8、10、12mm鑽頭

  • 25及65mm圓孔鋸

  • 木車床或是替代物

  • 木車床用的鑿刀

  • 木頭用線鋸

  • 秤樹酯的秤子、催化劑用的分注器、水桶

  • 剪刀

  • 烙鐵、焊鐵、剪線器、、刀子


  1. 夾具與模具

本節說明作PMG的夾具和模具的製作方法。這些夾具可以重覆使用。

圖、一些已做好的線圈


    1. 繞線圈的機器

PMG定子有6個銅線圈(圖4)。

圖4、線圈

線圈是在一個合板做成的線圈成形器輔助下繞出來的。

線圈成形器的頂端接一根曲柄，然後用手轉動繞線(圖5)。

圖5、繞線用曲柄

  • 切一片60x30x6mm(建議的大小)的鐵片，然後把它牢牢的焊接或是固定在曲柄的末端(圖6)。

  • 分別在轉軸的中心為中心點的兩邊，鑽2個6mm相距40mm的洞。

圖6、鐵片及鑽孔位置

  • 切三塊如圖7大小的的合板。

圖7、三塊不同大小的合板

永磁發電機DIY手册 1

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