第五章 發電機 (1/3)
設計開發小型風力發電系統最傷筋的部份就是搞出一台可以互相匹配的發電機。本章為您說明一些抉擇心法和實際的操作方法。
您需要找什麼???
您需要的是一個能在低轉速有高效能、在輕風拂過十里楊柳的浪漫低風速下發電能力特佳、在強風下猛發電不過熱燒掉的夢幻牌發電機。有一種發電機辦的到，那就是傳說中的------------永磁鐵交流發電機(permanent magnet alternator)---------。也是現今大部份小型風力發電風車所採用的發電機。無碳刷的直流馬達和永磁交流發電機的構造很類似，所以它也是發電機的不二選擇。不過呢!!可選用的電機不止這些，還有別的機種也不錯。
當然啦!!如果您不想自己搞發電機，那麼”現貨供應”的風車專用發電機也是不錯的選擇啦。這類大量生產的電機或馬達的價格當然蠻便宜的。運氣好的話，您搞不好可以在資源回收場找到一模一樣的東西。毫無疑問的，越常見的電機種類，您就越容易找到備用零件。很不幸的是，找的到的電機或馬達，很少有適合風車使用的。所以啦，”改造”電機是本章的一個重點。一種很別的腳踏車專用發電機(dynohub alternator)應用在製作小小風力發電風車是再好不過的現貨，可是在台灣您大概不太容易找到這玩意兒。
圖5.1、腳踏車專用發電機、1公尺風車、dynohub內部構造
除了回收再利用現成的永磁交流發電機及直流馬達或是從資源回收場弄回來的材料組裝之外，本章另外一個重點是教您如何”改造”現有的電機使它適用於低轉速下運轉發電。您也可以直接掛上一顆馬達就當做發電機使用，只是它看起來有點大。有一些直流伺服馬達也很容易在資源回收場或是店家裏找到。
如果您真的堅持要自己搞一顆發電機，建議您先從大量生產的現有零組件採購回
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來後開始開始練習組裝。例如：汽車車輪的輪轂和剎車鼓內的磁鐵和線圈應用在風車發電機的製作上就非常好用。風車達人Hugh Piggott開始都教人自己做永磁機，後來出了一本專書專門教人如何改造汽車剎車鼓成為發電機的專書。
電機工作原理
磁鐵
磁鐵有兩極，南(S)極和北(N)極。磁力線從北極方向發射出去由南極回來形成一個封閉的磁力線(圖5.2)。與其說磁通量(magnetic flux，透過磁力線來表示磁場的方向和大小的量)喜歡磁性物質上，不如說它們倆是磁性物質一體的兩面，一個實體一個看不見郤有作用。例如：鐵、鋼及其它磁性物質。不但是只有磁通量吸引這些磁性物質，而且使用磁性物質製造的物品其內部的磁力線的磁通量更強。
圖5.2、磁鐵與磁力線及磁場感應電場發生電流示意圖
圖、線圈內部若有磁性物質電流通過時其磁力增強情形
線圈
線圈指的是整齊繞在磁鐵外部的銅線，又稱為繞線或線圈。銅線的外部塗有防止導電的絶緣漆，如此銅線繞成的線圈才不會因為彼此相鄰接觸而發生短路的現象。線圈通常是用木頭做的繞線器繞線製作成線圈，然後從繞線器上取下來塞到電機內有磁鐵的線圈固定座上，最後灌上樹脂使它變成硬塊。
線圈有二種作用：
主線圈或稱為輸出線圈，即電流由線圈產生。
勵磁線圈或稱為串勵線圈，即必需供給電流使線圈產生磁場，使機器動作。
永磁交流發電機不需要勵磁線圈，原因是磁鐵是永磁鐵，磁性早就永遠的被激發出來了。
內轉子(定子、stator)與外轉子(rotor)的區別
電機有兩個主要部份：一個固定不動的部份稱為內轉子(定子)。另一運動部份稱為外轉子。內轉子通常在機器的外部，而外轉子在內轉子裏面。當您把發機拆開來看，您會發現內轉子在電機的外殼上，而外轉子則位在中間的中心轉軸上(圖5.3)。
圖5.3、固定內轉子(stator)與固定外轉子(rotor)發電機的構造差異
大部份的電機是類似圖5.3(上)的機殼為固定座，外轉子在中間轉動的型式。另外一種是外轉子在中間不轉動，靠內轉子在外部轉動。聽起來是不是有點怪怪的啊，這樣轉不是不太順的感覺?很有趣的是內轉子轉動形式的發電機應用在風車上是比外轉子轉動的多。看看圖5.3(下)風車用的發電機，內轉子上面的4根長螺絲直接和風車翼片連接成為轉動部份，外轉子和中心軸則固定不動。這種設計的好處是不需要變速箱而且風車翼片直接鎖在外轉子上，省去了變速箱和葉轂的重量和動能損失。
電機的發電原理是移動磁鐵使磁鐵通過線圈或是移動線圈使線圈通過磁鐵。是磁鐵動還是線圈動並不重要，因為兩者是相對運動嘛，只要有一個動就會產生感應電流(圖5.2右)。所以電機的磁鐵可以放在內轉子也可以放在外轉子，線圈可以繞在磁鐵外部也可以放在內部，只要能產生感應電流就可以了。
線圈放在外轉子的好處是風車發電機的外轉子是固定不動的。所以線圈接線就變的很簡單，不需要用到動態接線。這是風車發電機的一大特點。
您是否常聽到老和尚襌言襌語如是云：風吹旗飄，是風動還是旗動。還聽高僧如是說：見山不是山，見山是山….您有所不知…這些話是和尚在廟裏看到火星人搞風車搞不定內外轉子時說的話…..
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圖5.4、電流與感應磁場方向
圖、磁交鏈作用(左)單一線圈、(右)多重線圈示意圖
磁通量切割電線
電機內的磁鐵和線圈的構成如上圖所示，也就是讓磁通量通過線圈。也就是說磁力流和電流彼此交叉在一起。
我和她在一起這麼多年，都沒有來電的感覺….磁鐵和電線在一起怎麼就”來電”!!!!首先讓我們來了解一下，偉大的”電磁效應(electromagnetic induction)”吧!!現在讓我們轉動外轉子，那麼在外轉子的一個位置上，磁通量就會通過線圈，通過線圈的磁通量受電線影響產生集中的情形。當外轉子往前移動通動線圈時，磁通量會衰退減少直到降至零並且發生反轉。磁通量切割線圈的情形就像海邊的浪潮一樣一次又一次來來去去的起起落落。當磁力線切割線圈時，電線就會產電壓和輸出電流。這個現象就是所謂的電磁效應，如下圖所示：
圖、電磁效應及佛來明左手定則
現在我們從一個最簡單構造的二極交流發電機(圖5.4A)開始講解實體的發電機工作原理。中心轉軸是外轉子，外轉子上有一塊磁鐵。外轉子由矽鋼片(積層鋼片)構成，兩組線圈在矽鋼片預留的孔洞中(圖4.5B)。
圖5.5表示二極交流發電機發電的時間和電壓之間的關係，波浪一樣一高一低的正弦波，說明了電磁效應磁通量切割線圈的變化情形。
如何將電機的磁通量增加到最大
磁力線經常以類比方式比做電流，也就是磁通量等於電流的意思。在磁力線的氣隙(air gap)的作用類似電路的電阻。大氣隙限制周圍電路的磁通量。所以氣隙不可以太大。
為了讓氣隙變的很小，所以上述的簡易發電機內轉子上線圈就塞進內轉子的鐵心溝槽裏。為什麼要用到這些重的要死的鐵片呢?溝槽與溝槽中間的鐵片的作用是降低磁通量通過線圈時的阻抗，這樣子磁通量才會強。
圖5.4A、二極電機的縱及橫剖面構造示意圖
圖5.5、發電機交流電的電壓變化及外轉子磁鐵與線圈相對位置關係圖
鐵損(iron loss)
影響內轉子鐵心內的一直在變化的磁通量的不是只有線圈，鐵心本身也會影響磁通量。這些鐵心裏的副作用可不是我們想要的，因為這些副作用會造成功率損失。
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鐵心造成的損失稱為鐵損，它發生的原因有兩個：
因為外轉子轉動造成磁通量快速的不斷的切割內轉子的線圈，而內轉子內的鐵心同時被不斷磁化及退磁。這個過程產生所謂的磁滯作用而將能量耗損。容易被磁化的鋼材，例如矽鋼片，可以用來降低磁滯效應損失。
隨著和不斷變化的磁通量周圍連接的任何導電通路，磁通量磁通量的變化使得導電的鋼片上產生循環電流(circulating current)。簡單的說，鋼片是用來降低磁滯效應的，但是它也是磁性物質，當然也會受到電流而感應產生電流。解決這個問題的方法是使用薄鋼片用堆積的方式疊出鐵心，這樣子可以中斷循環電流的路徑，消除所謂的”渦流(eddy current)”(圖)。
圖、渦流產生原因及消除渦流的積層鋼片
齒槽效應(cogging)
通過線圈的氣隙越小所獲得的磁通量越大，所以想出了把線圈放在鐵心的溝槽內。於是乎又產生了一個新問題，那就是鋼片做成的鐵心的齒槽很的和外轉子的磁鐵磁性相吸引，產生齒槽扭矩(cogging torque)以至於外轉子變的很難轉動。這就是所謂的齒槽效應(cogging)。齒槽效應不但讓電機變的很難啟動，而且轉動時因為作用力不平均影響外轉子轉軸運動而產生噪音。降低齒槽效應的方法是將安裝線圈的溝槽做成小小的傾斜角度，將齒槽扭矩消除。
圖、齒槽效應
多極電機
到目前為止，所舉的電機例子是巿面您大概買不到的二極電機。二極電機的內轉子只有一個南北極。雖然每一塊磁鐵只有一個南北極，可是電機可以是多極的。電機的極數一般都是雙數的，因為沒有一塊磁只有一個極，一定是兩個極。現在讓我們給他越來越複雜，先來顆四極電機研究研究吧!!!極數變多，要了解的也更多，首先要了解的有頻率、相、電壓的觀念和它們之間的關係。
頻率(frequency)
一顆二極電機內轉子轉一圈，電壓輸出變化剛好也一個正弦波。那麼四極電機內轉子轉一圈，電壓輸出變化為2倍，即2個正弦波。電壓變化的速率就稱為頻率，一般以每秒發生多少次為單位(次/秒)或以Hz(赫茲)表示。例如：家庭用電110V/60Hz的A.C 60Hz即表示每秒變換60次的交流電。風車發電機的頻率隨著風車葉片轉子的轉速變化而變化並不是定值，和家庭用電不一樣。
相(Phase)
大部份發電機都有不只一組的輸出線圈。您可以把發電機內所有的線圈串聯形成一條電路，即謂的單相交流發電機。這種接線法是可行的，因為所有線圈的電線排列方式都是一致的。電學的術語稱這種排列方式一致的線圈為”同相(in phase)”。
請參照圖5.6的電機示意圖，這台電機有4極和4個線圈。當外轉子轉動時每一極同時個別面對一個線圈。您可以使用圖5.7的串聯方式將4個線圈聯成一個電路，使電機成為高電壓輸出的單相交流發電機。此種串聯方式和您將數個電池串聯獲得高電壓是一樣的原理。還有另一種聯接線圈的方法，即您可以採用並聯的方式將線圈並聯在一起，使電機成為電壓比串聯的低但是電流比較大的單相交流發電機。
當電機裏的一個線圈正面對著一個磁鐵的南極時，另一個線圈一定同時面對著一個北極。因為兩個線圈面對著不同極性，產生的電流方向正好相反，因此要讓這兩個線圈合併聯接成一個線圈時，其中一個線圈在接線時就必需反接才能使得電流方向相同。要接對喔!!不然就會一點電也發不出來，而且線圈還會燒掉!!
如果您有許多的電路或者您需要把交流發電機產生的轉成直流電供給電池充電，您最好將線圈分成三組使電機成為”三相”交流發電機。三相交流發電機的特色是利用三組不同步線圈，使得輸出的交流電電壓和頻率是固定的。它的作用原理是磁極平穩的掃過位在內或外轉子上的第一個線圈後接著次第通過第二及三個線圈，每個線圈之間因磁鐵掃過時有一個時間差，產生不同的電壓，但是三個線圈總加的電壓是固定的。您通常會聽到電匠說的三相電是480伏特或220伏特的三相電。但是實際上，所謂的三相交流電電壓可以是任何電壓的。例如：風車的三相交流電通常是12或24伏特。汽車用的12或24V交流發電機的繞線也是三相的。
把四極電機的內轉子拆開攤平，看起來就是4個磁極和圍繞在周圍的線圈，單相連接就是把4個線圈串接，簡單明暸。NS極則照著NSNS順序排列，，圖5.8中線圈與線圈連接要順反時針間隔接續。
圖5.6、四極交流發電機下視圖
圖5.7、四極發電機的串聯4個線圈產生4倍的電壓輸出
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圖5.9顯示三相電機的線圈排列方式。
圖5.9的三相電機的線圈總共有三對，分別用紅、藍及綠色線標明。第一對線圈因為同N極所以用串聯方式將二個線圈串成同一電路。同樣的，第二及三對線圈也採用同極串聯方式將其串聯成另外兩個單一電路。
圖5.8、單相電壓輸出的繞線法
圖5.9、三相電壓輸出的線圈排列及繞線法
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圖5.10、未整流前三相繞線的三組線圈隨時間而變化的電壓
三組線圈的排列位置錯開，所以外轉子磁極掃過線圈時有一定的時間差，電壓隨時間差而不同。
圖5.10表示三組線圈產生的電壓隨時間變化而各自變化，彼此間的電壓並不相同。但是三組總電壓則相同。
為什麼要搞的這麼複雜。單相不是很好嗎，為什麼要搞成三相。本來只有一組串聯的線圈構成的單一電路，現在搞成三組電路。只因為三相發電機優點較多，分別說明如下：
單相發電機的線圈只能固定在相同的位置，仔細看會發現剩下的空間還很多。三相發電機的線圈重疊排列在相同位置對空間的利用率遠高於單相發電機，相對的，三相的發電效率比較高。
單向發電機功率的輸出是以正弦波的脈衝(pulse)方式輸出，很明顯的它有明顯電壓升降變化(圖5.5)。在第一章內容提及壓降造成的功率損失，電壓越低損失越大，單向發電機在低電壓狀態時會造成功率下降。相反的，圖5.10的三相發電機的電壓輸出是穩定的連續輸出，沒有壓降的問題。三相繞線不因磁場變化產生振動，所以風車運轉時也較安靜。
三相交流發電機的電纜利用效率較單向交流發電機高，因為傳輸相同功率時，單向交流發電機需要的2倍的銅線。這項缺點存在於應用交流電方式，若是用於對電池充電系統則不很重要，因為直流電的電纜損失比三相交流電還低。
圖5.11、三相發電機的線圈星形及三角形接線法
星形及三角形接線法
一般接線的時候會將三相發電機的三條電路接在一起，接法比較特別分三角或星形接線法，看起來只是共用幾條電線而已。採用此類接線法的原因是三組電路有所謂的時間延遲現象(即同一時間的電壓不相同)，因此不能用併聯或串聯的方式將三條電路接在一起，但是可以共用幾條電線。圖5.11表示兩種接線法，不同的接法使用不同的整流器，而且在不同風速下輸出功率有很大的差異。有時候星形接線法會在共同接線位置加一條接線以維持電中性。
一般星形接線法用在低風速有較高功率輸出時使用。三角形接線法適合高風速條件下高功率輸出時使用。因此，決定接線方式之前應詳細了解您風車所在位置的風力特性，以決定接線方式。下表供您參考決定採用的接線法：
表、星形與三角形接線在不同轉數的功率、電壓輸出關係表
星形接線
三角形接線
RPM
電壓
安培
瓦特
電壓
安培
瓦特
200
12
7
300
18
1.39
19.5
10
400
24
3.41
47.8
14
500
30
5.43
76
17
4.64
65
600
36
7.45
104
21
6.93
97
700
42
9.47
132
24
13.96
195
800
48
11.49
161
27
18.62
260
900
54
13.51
189
31
23.29
326
1000
60
15.5
217
34
27.91
391
電壓
電壓是驅動電路裏的電流的主要”力量”來源。電力系統中的所有的組件和元件都必需在相同的電壓(額定電壓)下才能工作。我們很習慣的就認定電力供應的電壓是固定的，我們也自自然然的認為使用中的電力系統的電壓也是恆定的。所以啦，您就不太了解電力系統是如何的維持穩定的電壓的。
電壓高低銅線切割磁通量所產生的。因此，電壓會隨下列的因子而改變：
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轉速
磁通量強度
線圈的圈數
即然電壓受到上述三個因子而變來變去，似乎沒有個定值，那麼伏特計量到的”電壓”到底是啥玩意?電壓從伏特計讀出來只是一個代表交流電電源的一個簡簡單的計量值，圖5.12可以明顯了 解電壓隨時間改變而改變。伏特計怎麼可能讀到一個固定值，這個固定值真正代表的意義是什麼?
事實上伏特計上數值是一個均方根的數值。在交流電中，有無數的瞬時值，電流和電壓都隨時在變，為了能將交流的效果與直流的效果相比較，我們找到一值，經試驗結果（負載為純電阻），其所產生的熱（功率）與等值的直流電相等，這個值就稱為”均方根值”(rms，Root Mean Square，在物理意義上，RMS 功率即是以電壓訊號對於時間的變化，取其方均根，再進一步求得功率值，也就是代表真正的平均功率)。如果您要將交流電轉變成直流電做為電池充電用，除了均方根的電壓值之外，高峰電壓值也很重要，因為高峰電壓值若沒有高過電池電壓，是無法充電的。
內部壓降
到目前為止我們都一直假設發電機的輸出是一個開放電路，也就是沒有電流從發電機中流出去。開放電路的電壓亦稱為電機的電動勢(electromotive force, emf：在電源內部進行能量轉換的過程中，電子從電源的正極經其內部移到負極，使正極與負極產生電位高低， 由此建立並維持電源正負極間一定的電位差而產生一種電源力稱之為”電動勢”，請記住是”勢”不是”力”)。當您接上電器開始使用發電機的電能時，電能從繞線中流出而消耗而發生壓降現象。
當汽車用12伏特發電機的轉速增加到切入速度(cut-in，開始發電的轉速)之後，電壓隨之發生。汽車發電機發電的切入轉速大概要1,200rpm以上，此時所產生的電壓是開放電路的電動勢12伏特。當轉速上升到2,000rpm時，開放電路電壓會高到20伏特。當您接上12伏特的電池充電時，您會發現2,000rpm的開放電路的電壓會降到12伏特傳送20安培的電流到電池內。消失掉的8伏特到哪裏去了呢?這8伏特用於克服汽車發電機的內部阻抗而被消耗掉了。圖5.13是轉速與電壓的關係變化圖，從圖中可以看到電路壓降產生的電壓變化。
實際操作上，磁通量變化和電池電壓等因素，都會造成不同程度的壓降問題。
直流電輸出
因為大部份小型風力發電風車發出來的電能不是很多，所以都需要一個電池做為能源儲存的場所，因此大部份小型風力發電機是用來對電池充電。如果風車使用的是交流發電機，就必需將交流電轉換成直流電。交直流轉變使用的元作叫做二極體(diode)，它的作用是電流的單向流動控制閥。圖5.14是將4個二極體橋接將交流電整合成直流電。三相交流電的發電機輸出也是利用此原理和接線模式將交流電整流成直流電。
圖5.13、風車轉速與發電機的開放電路電壓因負載而改變的電流變化圖
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