第九章(2/3) 永磁交流發電機的製作
本章譯自 Hugh Piggot – Scoraig Winf Electric – Febuary 2001。
線圈成形器的尺寸是50(長)x50(寬)x13(厚) mm。它的中 是圓的。兩個夾片尺寸是125 x 125 mm。線圈成形器的上下部份各有一個 20 mm寬的槽口。這個槽口是用於在線圈下方放置粘貼用膠帶用的，這樣子才可以在把線圈拿出來之前把線圈粘緊不會散掉。
把夾片和線圈成形器依圖8順序成一直線排列好後，鑽個洞用準備用來鎖螺絲。
洞的大小是6mm兩孔距離是40 mm。
用鑽床鑽出直直的個洞，不可歪斜。
圖8、堆疊小木塊及鑽孔
放兩根螺絲到剛剛鑽的兩個孔內把三片木片鎖緊，外側可能的話用蝴蝶螺絲固定(圖9)。
圖9、用蝴蝶螺絲固定線圈成形器與夾片
轉子的夾具
固定直徑(pitch circle diameter，PCD)的鑽孔
磁鐵轉子是固定在軸承輪轂(bearing hub)上(圖10)。一般輪轂的外緣會有預留的固定直徑的螺絲孔。例如會有4個相距102mm(4吋)的固定直徑(pitch circle diameter，PCD)螺絲孔。或者您可以改變PCD或螺絲數目，全因不同種的輪轂差異所致。本文則是指PCD是102mm的輪轂為主。
圖10、、軸承輪轂的固定直徑(PCD)
PCD夾具的用途是在轉子上鑽孔。
它也可以用於轉子的平衡校正。
這些孔要做記號而且要鑽的很精確(圖11)。
Step1：切一片125x125mm的鐵片。
Step2：從鐵片的4個角落畫兩條通過圓心的對角線，並且在心位置用衝頭打出記號。
Step3：設定圓規的半徑51mm(或者其它PCD)，畫一個圓。
Step4：圓的直徑就是PCD的直徑，也是軸承輪轂上螺絲孔的中心點位置。
Step5：在和對角線相交的位置用衝頭打出記號。
Step6：圓規半徑設成72mm。在Step5畫出的兩個記號位置為中心點用圓規畫出圓上的另外兩個交點。(如果您的PCD不是102mm，請自行計算出所需半徑)。
Step7：精確的在4個做計號位置鑽出4個孔。先用小鑽子再用大鑽子鑽，洞才會圓和正。
圖11、PCD夾具的螺孔標記及鑽孔
磁鐵位置夾具的製作(圖12)
這個夾具的用途是讓磁鐵能夠正確的擺放在鐵圓盤上。只需要一個。夾具用250x250mm的夾板或是鋁片製作(不可用鐵的)。
圖12、磁鐵定位夾具
Step1：找出板材的中心點。
Step2：各畫一個直徑50、102及200mm的圓。
Step3：以最小圓為邊，畫出如圖12的平行線。
Step4：在第一對平行線的垂直線位置夾角45及90度的位置再畫出三對平行線。
Step5：用這些線畫出放磁鐵位置，然後沿著磁鐵位置線把切出放磁鐵的位置。
Step6：在兩塊相對的磁鐵位置畫一條連接線。
Step7：把PCD夾具放在102mm的圓上，圓盤中心要對準，然後在鐵圓盤上鑽出4個孔。
製作模具
製作轉子及定子成形用的模具。您可以用木板或是鋁板做。也可以在輪子裏面灌用塑料土或是粘土內胚來做，像是做陶罐一樣。內胚的樣子會是您轉子和定子未來的形狀。接著在內胚內舖上玻璃纖維布。注意：每個模子的表面都要很平整。
模具和灌好的轉子是很不容易分開的，有時候需要用到錘子。所以，模子一定要夠堅固和平整，不然會被敲壞。
以下說明一種用組合木地板的木片做模子的方法。
定子外模
Step1：如圖13製作出數片直徑大約500mm的木板圓盤。
圖13、圓木盤
Step2：留一塊下來，其它的木盤在中間切出一個直徑360mm的圓，使圓盤變圓形木環(圖14)。
圖14、木製圓環
Step3：沒鋸的那一片在中間畫出一個直徑360mm的圓。
Step4：這片木盤的中心鑽一個12mm的孔，以利對準中心。
Step5：把木環一片片堆疊在木盤上，形成一個深至少60mm的模型。環與環間要用大量的膠水確實粘好。
Step6：做一片直徑140mm厚度15mm的圓盤，並且在中心鑽一個12mm的孔。
Step7：把小圓盤精確的放在原先做好的模子中間。並且用膠水牢牢的粘好。
圖15、堆疊
Step8：放一塊木板或板子在車床、馬達或是小車的輪子的輪轂上(例：三輪車)。這片木板是面板(faceplate)(圖16)。
Step9：轉動面板並且在面板中心用鉛筆畫出中心點。
Step10：在面板正中心精確的鑽一個12mm的孔。電鑽要和轉軸保持平行。
Step：把堆疊成的模子用12mm螺絲固定在面板的中心上。再用木螺絲把圓盤和面板緊密的固定在一起。
Step11：檢查模子的表面是否是平的。檢查方法是轉動模子，然後用鉛筆在上面畫線，如果畫到線表示那個面太高。用調整螺絲鬆緊及在面板和模子間塞紙的方式把模子調到平為止。
圖16、轉動模子
現在就可以用一把鑿子把模具的形狀修出來。請戴口罩防止吸入粉塵。請不要穿寬鬆的衣服，，防止被轉動的馬達捲進去而受傷。
圖、用馬達驅動的模具修整機(小心啊!!很危險!!)
Step12：圶模子的內面削出一個平滑的表面。
Step13：由內而外切出一個7度的斜角。
Step14：外緣的半徑因為7度角的關係會是380mm。
Step15：內緣最裏層的直徑是360mm。
Step16：內部壁緣是要光滑的不可以有尖刺感。
圖17、定子模具的形狀
Step17：把內部小圓盤的表面直徑削去成130mm(圖18)。中心還是呈正圓形。
圖18、中心圓盤
Step18：放一個線圈到模子裏面，看看是否能夠輕鬆塞進去。如果不進去，洞就要弄大一點或是中心盤要削小一點。最後，線圈的中心點必需是在距離模子中心250mm的位置。
Step19：把模子從馬達或是車床上拿下來。
圖19、模子的鑽孔
在模子的中心鑽4個螺絲孔，以便拆兩個公母模子時用(圖19)。模子的下方鎖幾片木板當模子的"腳"。
定子內模
Step1：切數片直徑370mm的圓盤數片。
圖20、定子內模及鋸內模的平面
Step2：每一片中心鑽12mm的孔。
Step3：中心用12mm的長螺絲固定，把圓盤用膠水牢牢的粘在一起。
Step4：堆疊厚度最少45mm，最好有50mm。
Step5：沿圓盤的邊緣削出20度角，使得直徑從368mm降至325mm。
Step6：將內外模組合，檢查模間隙是否有6mm寬。然後將內模從面板上取下。
Step7：在模子較寬的那一面畫2條線，兩線距離340mm(圖21)。
Step8：直線兩端的盤緣切出一個平面(圖21)。
圖21、內模的邊切出兩個平面
這兩個小平面會在灌成形時，在放固定螺栓的位置形成兩個較厚的部份。
磁鐵轉子的模子
PMG需要用到兩個磁鐵轉子。只要做一個模子就可以了。如果有兩個模子製作轉子的速度會快一點，所以一次做兩個模子比較好。
轉子外模(圖22)和定子的外模類似而且比較簡單。
圖22、轉子外模
在磁鐵圓盤上用PCD夾具鑽4個孔。
每一個磁鐵轉子的外模需要一個對應的內模(圖23)，也要有相對應的鑽孔位置。
圖23、磁鐵轉子內模
所有的模子都要用砂紙打磨抛光到很平滑，最後用聚氨酯亮光漆和蠟抛光。請不要用一般油漆潑模子。樹脂發熱會使得一般油漆起皺紋而破壞成品成形的表面光滑特性。
圖、轉子模具的製作和使用
定子的夾具
定子的螺栓夾具(圖24)
定子成形時需要用到4根8mm支持用長螺栓。這4根螺栓需要用到夾具將螺栓固定在正確位置，直到灌模的樹脂化。夾具的尺寸是380x50x25mm。夾具要做的很精準，不然的話長螺栓沒辦法對準固定座的螺絲孔。
Step1：在較大的平面的中心點上用衝頭打出記號(圖24)。
Step2：使用圓規或分線規以中心點畫半徑178mm的弧形。
Step3：用衝頭在圓弧的中心點的兩側距木板邊10mm及相距30mm位置上兩邊共打出4個記號。
Step4：將做記的位置鑽出8mm的孔(先用小的確定中心點位置)。用鑽床鑽出來的孔才會正。
Step5：清除木板下方可能因鑽孔殘留的木屑或碎片，以避免木板接觸到玻璃纖維樹脂。
圖24、定子的螺栓夾具
紙模板(圖25)
定子要用到裁切成形(chopped strand mat，CSM)的玻璃纖維布。用紙板先做出一些預備要裁切成形(CSM)的模板。要裁切玻璃纖維布時只要將這些模板放在布上用粉筆沿邊畫出要裁切的形再加以裁剪即可得要用的纖維有形狀。紙模版就是裁縫師做衣服的時用的紙模版的做法是一樣的。
圖25、裁切玻璃纖維布用的紙模板
定子的製作
本章節說明如何利用前章節用製作的夾具和模具製作定子。做模具之前先做好線圈的次序比較好，因為好的線圈可以測試模具的大小是否適當。
繞線圈
Step1：把漆包線的捲筒(reel)套在放線用的支架軸上，另一端則與線圈成形器(coil former)相連。注意捲筒和成形器之間的漆包線要呈S型彎曲(圖26)
圖26、正確的饋線方式(上)正確、(下)錯誤
Step2：距離線尾100mm位置將銅線彎成90度。其它線段不要再做任何的彎曲變形動作，讓它保持直線。如果您把要繞的銅線做任何的彎曲，線圈就會繞的不夠緊實。
Step3：把銅線彎曲位置放在槽口(notch)內，那麼線尾自然從後端直直的伸出去。
Step4：輕輕的將銅線的尾端繞過蝴蝶螺絲並將它固定。
Step5：用一塊布把繞線器和捲筒間的銅線拉緊，讓銅線持緊。
Step6：轉動繞線器上的曲柄開始繞線。
繞線的第一圈要靠近線尾露出的夾片那一邊。第二圈則緊挨著第一圈繞線，不要有線交叉的情形發生。繞線的每一層要平整，最後整個線圈也要平整。仔細計算繞線圈數。一般繞線器以材料表中的銅線粗細繞出的線圈會有100圈。
Step7：線圈繞好後，把線圈的兩邊用膠帶綑緊。在綑緊之前不要把銅線剪斷，因為沒綑緊前線圈可能會鬆脫或是彈出來。在繞好的線圈後100mm的位置將銅線剪斷。
Step8：把線圈放在桌上檢查開始的兩個線頭是否都是在上層，沒有一上一下的情形(如果繞對所有製作的線圈都應該是繞成同一個樣子)(圖27)。
Step9：在固定線圈的膠帶上標示線圈編號1~6。
圖27、線圈個尾端必需都是同邊且朝上
Step10：將兩個線尾20mm漆包線的油漆刮除露出亮紅色的銅使之能導電。(邊被磨過的弓鋸鋸片用來刮漆包線的效果很好)。
Step11：用烙鐵把線圈和可彎曲的電線焊在一起(圖28)。
圖28、線圈與可彎曲的電線的焊接
建議每個線圈焊接電線尾的長度分別為：
線圈1和6：800 mm
線圈2和5：600 mm
線圈3和4：400 mm
Step12：焊接部份用熱熔膠套管管住，不可讓沒油漆會導電的銅線露出。
Step13：外接的電線分別標上線圈編號及A和B。
A表示線圈起繞端，B表示線圈結束端。不要把兩邊搞錯了。您也可以用有顏色的電線區分，一般黑色代表起繞端，白色代表結束端。
Step14：把線圈放入定子外模內，記住線尾要朝上(外側)。
Step15：檢查線圈是否擺放適當以及所有線尾是否在第3及4號線圈位置露出的長度夠長。
切記：線圈有線尾的那一端要朝上而且要全部都同一邊。
圖29、定子外模裏的線圈排列方式
準備灌模成形
定子灌模成形需要用到的定子材料有：
6個線圈
聚酯樹脂和滑石粉(和色料)
已經裁切成形的玻璃纖維布(CSM)
4根8x100mm雙頭攻牙的長螺栓
當然所有的模具及相關的夾具等器具及工具也要事先準備好。例如：打磨、封灌和抛光。如果有PVA釋放劑，也請用上它。
利用CSM紙模版把玻璃纖維布裁好。外模需要用到2個圓型覆蓋上下兩面、數條弧形邊條以二層厚度覆蓋邊緣牆面。每片間的重疊部份要預留25mm的寬度。
當您確定您所有的材料都已經準備好，再開始進行灌模程序。您最好還是先讀一遍操作程序並確實了解如何開始和操作程序。聚酯樹脂的使用及注意事項在第8節會再說明。
定子灌模程序
圖30的程序說明樹脂及滑石粉秤重的程序。滑石粉只用在主體部分(CSM不用)，目的是防止過熱及增加樹脂混合物的體積。請依照下列指示一步驟一步驟的操作而且不同的混合物的原料重量比各不相同。圖31說明所有部件組合在一起的情形。
圖30、樹脂混合程序
催化劑與樹脂要完全均勻混合，但是混合的速度要慢防止過熱而產生氣泡影響散熱。滑石粉是在催化劑加入後再加進去。當所有原料混合好，儘快的使用不然就硬掉了。混合好數分鐘左右，混合物會開始發熱變硬。
使用精確量的催化劑。樹脂灌模所需的催化劑的量較一般玻璃纖維作業少(大約一半時間)。如果您灌模的地方溫度高，催化劑放少一點。如果搞不清楚，先做一些，試出最適催化劑用量。
如果沒有PVA釋放劑，請不要用刷子把模子的抛光面擦掉。請應用下列促進灌模的步驟：
Step1：工作枱上的模具下方舖些報紙。
Step2：樹脂200g加上催化劑3cc。(如果有染劑則使用15~30cc)。第一次的混合物不使用滑石粉。
Step3：在外模的內部用刷子塗滿樹脂。中央島部份不要塗。
Step4：舖上一層玻璃纖維布(CSM)，再塗上一層樹脂。然後把模子拍一拍把空氣泡排出。讓樹脂侵入纖維布內。
Step5：邊緣牆面貼上第二層的CSM。但是此時第二個圓片不用。
Step6：把線圈置入模具內。所有的線尾都從一3和4號線圈中間位置伸出來。
Step7：混合另外100g的樹脂和2cc的催化劑。把樹脂淋在線圈上，讓線圈把樹脂”吸”進去。不要用太多，弄成線圈裏有一池樹脂變成用”淹”的。
Step8：再混合600g樹脂、9cc催化劑和600g滑石粉。將混合物倒入線圈的間隙內。模子內會充滿樹脂，直到高度和中央島一樣高。
Step9：混合200g樹脂、3cc催化劑和100g滑石粉。把第二片玻璃纖維圓片(CSM)蓋在線圈上面，然後用樹脂塗佈。把刷子用稀釋劑完全的清洗乾淨。
Step10：把內模朝下覆蓋在外模上，並且用12mm的螺帽套在中心螺絲上。小心的把6個線圈的尾線整理好，在內模被切出一個平面位置的間隙把電線拉出來。把內模往下壓固定時，樹脂液面會升高甚至溢出來。
Step11：如果樹脂不夠多，再從兩個模具的間隙倒入一些樹脂讓液面和內模一樣高為止。做此工作您需要另外的100g樹脂和1.5cc催化劑的混合物。請記下實際樹脂用量以備下次灌模時用。
Step12：把夾具(圖24)放在內模上方，一邊跨過線尾。螺栓用螺帽固定鎖緊。插入4根頂部有螺帽的8mm長螺栓到孔洞裏，大概有一半的螺栓會浸在樹脂裏。
圖、定子灌模的6個步驟
圖31、定子灌模的材料元件
此時灌模程序已經完成。它會變的有點熱熱的，大概數小時後就會變硬。如果數小時後還沒成形，把它拿到較溫暖的地方加速成形。
當樹脂完全硬化後，將定子從模具裏取出。請有耐心一點而且動作要溫柔。把夾具從螺栓上移開。在中心孔的周圍使用螺帽輕敲內外模，然後把內模取下來。取下內模後，把外模面朝下，輕敲模的邊緣以及底部。定子就可以取下。
製作轉子
轉子也是用灌模的方式製作。首先把磁鐵片、磁鐵塊、不锈鋼索等等材料收集齊全。再來進行模具組合及灌模程序。
磁鐵片
每一個轉子都是建造在一片6mm厚的鐵片上(圖32)。千萬不要用不锈鋼或是鋁片做這個圓盤!!!這個圓盤一定要用磁性材料製作。這個圓盤要鑽洞以便於和輪轂固定在一起。這個輪轂上的孔是直徑10mm、固定直徑(PCD)是102mm。如果輪轂的尺寸不一樣，夾具和模具必需要和輪轂相配才行。
圓盤的中心是一個直徑65mm的孔。圓盤上在磁塊間隔也要鑽4個PCD220mm的孔。這4個孔要鎖入4根20mm長的M10螺栓。這些螺栓會和樹脂結合並且確定圓盤會被灌成模。
圖32、磁鐵轉子
磁鐵一定要平，沒有變形。圓盤切割邊緣成圓形時很難保持鐵片不會變形。裁切機可以把鐵片裁成八角形而不會使得鐵片變形(圖33)。用裁切機是一個不錯的變通辦法。首先先裁出一個四方形，在四方形中間畫一個圓，再以45度角切每一個邊，就會變成八邊形。這個八角形的鐵片邊長是116mm。
磁鐵要放在八角形的角落。
圖33、另一種可用的形狀(八角形)
中間的孔可以用圓心鋸或者是用車床車出來。
在把圓盤鐵片放在模子裏灌模前，裁切好的鐵圓片需要將它磨光並清潔乾淨。有油漬要用酒精或去漬油弄掉。
磁鐵塊
每一個轉子上有8塊磁鐵。每一塊磁鐵都有南極和北極(圖34)。
圖34、磁鐵塊的磁極特性
處理磁鐵時請小心。磁鐵會破壞磁碟片、錄音帶、信用卡及其它磁性物。要把兩塊相吸的磁鐵分開用拔的是不可能，要從側邊用力把兩個磁鐵推開。磁塊間的互相吸力很強，小心不要讓磁鐵一起飛起來而撞粘在一起或掉在地上，磁鐵很脆很容易破掉。絶對不在組裝PMG時用鐵錘。用鐵錘可能打破磁鐵或是把樹脂和磁鐵弄分開。
面朝上的磁鐵塊排列方式必需是北-南-北-南-(N-S-N-S-)…方式交互排列。有一個檢查您是否排對的方法是握住一塊磁鐵看看和下方的磁鐵是相吸還是相斥，如果是相斥(repel)就照原方向不翻面放在隔壁(圖35)。如果全部都已經排好，拿一塊磁塊檢查成一圈的磁鐵其磁性依序要相吸-相斥-相吸-相斥…。
圖35、磁鐵的排列方式
當把兩片磁鐵轉子放在一起時，兩片圓盤必需要相吸。因此，兩片轉子的磁鐵排列其磁極剛好相反(圖36)。
圖36、兩片看似一樣郤不一樣的轉子磁鐵排列方式
不锈鋼索
當PMG轉動時，圓盤上的磁鐵會飛出去。這是因為轉子轉動時產生強大的離心力會對磁鐵產生強大的向外拉力的關係。當我們最初的時候開始做PMG時，磁鐵只是簡單的粘在鐵盤上。後來發現當PMG轉的很快時，磁鐵就飛出去，把發電機都搞壞了。
現在我們做轉子不再只用粘的而是改用樹脂灌模的方式製造。只有樹脂的強度還不足以應付離心力，需要再加強。因此在轉子的外圍圍繞不锈鋼索加強將磁鐵拉住。鐵絲的強度也夠，但是鐵絲會改變磁性，因此選用不影響磁性的不锈鋼索。不锈鋼索一般用於魚船上。
在灌模成形的乾燥凝固過程之前，先用鋼索在磁鐵外圍繞上5圈後用鋼絲剪或是鑿子把鋼絲弄斷。5圈鋼索用膠帶貼緊後，準備放到模子裏。
轉子灌模成形程序
永磁發電機DIY手册 1
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