第五章 發電機
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無電刷直流馬達的應用範圍主要在自動機械、機械人、軍隊、醫療器材。這些應用領域汱舊換新速度快，在資源回收場算是常見的，又好又便宜，建議您到回收場翻翻找找。近幾年冷氣機和洗衣機都開始流行”直流變頻”這個新名詞，其實就是無電刷直流馬達啦。SO，…回收場一定有。
圖、永磁、感應、無電刷直流馬達與永磁發電機
感應馬達
一般稱做”同步馬達”。什麼!!沒聽過!!東元馬達聽過吧!!就是它啦!!這種馬達大概是最容易在生活中發現的馬達種類，問題是它也是最難搞懂的一種。它的特性是量產、便宜、無電刷、低維修。感應馬達的內轉子上有繞線，事實上它的外轉子很像用積層鋼片做成交流發電機。它的外轉子構造是裏面包著一個套著鋁環的鋁棒圍繞的”老鼠籠”外部是積層鋼片做成的鐵蕊。內轉子繞線內的電流感應鋁棒而產生勵磁電流。這顆馬達沒有電刷也沒有勵磁線圈但是要以無相(out of phase)作用的電流流給外轉子產生勵磁電流(下圖)。感應馬達有點複雜當做風車發電機也很麻煩，再講深下去就要去唸電機系了。
如果您硬是要感應馬達當做是風車的獨立發電機，它需要電容產生自激狀態。這要怎麼搞也是有點給它複雜。本書不做討論，我也沒在網上發現誰用感應馬達當做風車發電機的人曾說過這種做法有多好。如果您真要搞，可先參考”Motors as Generators for Micro-Hydro Power, IT publication這本書說明的搞法。這本書主要是搞小型水力發電，風車發電比水力發電複雜許多，原因出在風速是多變不穩定的。您可以把這種便宜的量產貨改成發電機，基於”發電效率”的最高指導原則，還是去弄一顆貴一點發電效率好一點的馬達比較實在吧。
圖、感應馬達的內部構造
永磁鐵交流發電機製作忍術大公開 – 回收場之永生回魂術
當您去詢問永磁交流發電機的價格後，您大概會覺得發那麼300~500W一點點電的永磁鐵交流發電機的價錢永遠都賺不回來，買不下去。來吧!!讓我告訴您便宜效率高的永磁鐵交流發電機製作密技，那就是到回收場發揮回魂大法吧!
陶磁鐵(ceramic magnet)
永磁鐵的種類在近幾年配合電機小型化有長足的發展，各式各樣的永磁鐵紛紛問世，種類繁多。最常聽到的有陶磁鐵、合金磁鐵、稀土磁鐵等等，這些磁鐵都比古老的鐵做的磁鐵強很多。其中用氧化鐵製成的強力陶磁鐵是最早量產和最便宜的磁鐵。合金和稀土磁鐵的磁通量更強而且重量也更輕，但是和陶磁鐵比較起來，還是陶磁鐵便宜、穩定、耐操。它的主要成分是由 Fe2O3(ferric oxid) 及 BaCO3(barium carbonate) 或 SrCO3(strontium carbonate)。經加打壓工、燒結、打磨及充磁後完成，再供給各客戶加工使用。又分為兩種磁性產品，分別為等方性及異方性兩種(異方性再可分幹壓和濕壓性)，兩種分別在於磁性方向的不同。它能忍受高溫，不易因高溫而退磁，因此可用於一般有溫和差別的工具上。
磁鐵的規格很多種，要買之前先查看目錄和磁鐵的詳細特性，再決定選用哪種磁鐵。通常賣出的磁鐵是標準尺寸，您也可以要求廠家幫您切割成您要的大小。如果您只買幾塊磁鐵，廠家不肯幫您加工時，您可以用鑽石鋸自己鋸或是砂輪打磨。。
圖5.20、輻向與軸向場電機，黃色箭頭為磁通量方向
要自製風車發電機，您必需找到適當的定子和外轉子才能湊出一台可以勝任的機器。依照圖5.3電磁效應圖上磁力線切割線圈的方向在定子上繞線。選擇鋼片或鑄鐵當做外轉子核心的材料，定子核心就必需使用積層鋼片防止鐵損失。鋁和塑膠類材料不適合做磁場。
因為您收集到的材料形狀或種類大不相同，所以您做出來的發電機種類樣式也會因人而異，這部份倒是可以發揮您的想像力和做做夢設計出自己發電機的樣子。但是，再怎麼設計您的發電機依照磁通量通過發電機氣隙的方向大概只有兩大類，一類是輻向場(radial field)和軸向場(axial field)兩種。(圖5.20)。
輻向場機械
大部份的電機都和圖5.4的類似，都是輻向場型機械。汽車發電機和感應馬達都是輻向場電機。您只要把汽車發電機和感應馬達的外轉子塞進大量的長方型磁鐵塊形成一個圓，它們就會變成交流發電機。詳細的改裝程序又臭又長，本書暫不多做介紹，有興趣的話請參考Hugh Piggott寫的Access Details)。
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圖、5.21、內部為積層鋼片鐵蕊的定子與外轉子(外殼)轉動的交流發電機構造
每個國家的人做風車和風車發電機的喜好設計不同，會有不同的問題存在。例如：英國的Hugh Piggott喜歡用永磁發電機、日本人喜歡用腳踏車發電機做小風車、荷蘭人喜歡用感應馬達的機殼改造成交流發電機。荷蘭人改造感應馬達的方式是在定子上的線圈孔內繞了很多匝數的線圈。因為定子上繞了一大堆多匝數的線圈，外轉子上的磁鐵也相對要多才會有高磁通量，因此才能發出更多電源輸出。結果就是外轉子因為磁鐵變的很重，轉起來離心力變的很大，加上高頻率的轉動發電，使得這種設計的發電機很容易發熱。發熱加上離心力作用會導致磁鐵脫落，沒有好的固定膠就會很危險。
為了上述設計的問題，於是乎有人就反過來把外轉子裝在外側。這麼做產生了兩個大大的好處。第一個是這種軸不轉(定子)外殼(外轉子)轉的離心力被外轉子的磁力往內推。另一個好處是您可以利用現成的剎車鼓或是車輪當做外轉子使用。例如：您可以用汽車車輪做外轉子，它的軸承非常堅固耐用，可以承受直接連接的風車葉片轉子的作用力。
外殼(外轉子)轉動的設計，使得它的定子就不能拿塊磁鐵塞在裏面而必需使用積層鋼片塞在線圈之間。而定子的線圈與外轉子的磁鐵之間要非常的靠近儘量減少氣隙的空間，以利形成緊密的磁通量。太寬的氣隙的磁通量相對的比較弱。平衡點是氣隙大約1mm的寬度比較剛好，1mm的磁通量損失不會太大。如果發生軸承安裝時沒裝正或是軸承鋼珠磨損或破掉後轉軸歪斜，會使得定子與外轉子會互相摩擦，把漆包線的絶緣弄壞造成短路。不要懷疑現實世界中馬達和風車發電機很多都是這樣壞掉的。
圖5.22、8吋馬達的外轉子與10吋剎車鼓組合的風力發電機
圖5.21是馬達改造成發電機的最佳繞線和積層鋼片組合的模式。但是，這種舊式馬達已經不太容易找到。資源回收場中找的到的馬達大部份是感應馬達，這類感應馬達的插槽是在鐵蕊裏。您需要改造的地方很多，就我所知台灣好像沒有人在賣這類改裝零件或套件，有興趣的話請參考Hugh Piggott寫的Access Details這本書，這本書中有介紹改造方法和國外改裝零組件的供應商。
圖5.22是用積層鋼片法將感應馬達改發電機的模式。例如：您可以用一台老式後輪驅動車子的直徑10吋(254mm)剎車鼓，在剎車鼓內側粘滿20mm寬的磁鐵(圖5.22)，然後再去把一個8吋(203mm)電動馬達的有積層鋼片的外轉子塞到剎車鼓中間，那麼您就會有一個50mm氣隙的發電機原型。此時再在這50mm的氣隙裏把線圈粘在外轉子的積層鋼片上，這樣子您就搞好一個剎車鼓+馬達混合型的風車發電機。酷吧!!!要怎麼搞，詳情請參閱Hugh Piggott寫的Access Details。(%$%^&…我好像需要把這本書讀一讀，很不幸的，我查了查台灣圖書館總目，台灣的圖書館裏目前沒有這本書…哎哎…)。
這種二個廢物變一個發電機的偷懶大法不錯吧!!又快又容易!!仔細看一下您大概了解這種做法的發電機功率不怎麼樣。原因很簡單：第一、線圈繞在內部的定子上，線圈的匝數和數量就比放在外部外轉子上少很多。第二、磁鐵在外面使得磁鐵產生的磁通量從磁極到下一個磁極時，沒有切割到任何線圈。兩個負面因子加成的結果，這種發電機的功率不太高。但是，它有兩個好處：第一、這種排列法在低風速時的弱電發電輸出功率比較高。其二是內部積層鐵蕊的優點是鐵損失比較小、沒有齒槽效應以及很容易啟動。
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圖5.23、氣隙型交流發電機
軸向場機械
軸向場機械的意思是磁力線從定子圓片通過氣隙到外轉子圓片的方向和轉軸方向平行(圖5.20)。最常見的軸向場永久磁鐵發電機是氣隙型交流發電機。
圖5.23是氣隙型發電機的側面圖，從側面圖可以看出兩片外轉子圓盤上有磁鐵依極性排列整齊的排列。通常每個外轉子圓盤上有8個或更多的磁鐵，而面對的另一個圓盤的磁鐵排列看起來和另一個沒什麼兩樣。但是磁鐵的極性必需是南(S)極對北(N)極或北(N)極對南(S)極。如此，磁通量跨過氣隙而形成雙向的磁力線。音響喇叭裏面有一塊圓形的磁鐵很適合用來做外轉子用的磁鐵。如果您要自製軸向場發電機的磁鐵外轉子，您可以先做一磁鐵和線圈用的固定夾之後，再將這些磁鐵粘在鋼片做的圓盤上。這麼做有一個好處是磁鐵外轉子的磁鐵除了產生磁通量的作用外，兩片外轉子中間夾一片線圈定子的設計，轉動的外轉子的另一個作用像是一個風扇，可以對定子線圈起散熱作用。
定子像是三明治裏的夾心被片外轉子包夾。定子的構成是一個包埋著著線圈的樹脂圓盤。這種樹脂就是用來製作塑鋼(玻璃纖維)的聚酯類樹脂，材料行裏有賣。如果您做的是單相發電機，定子上的線圈要用串聯方式才能產生比較高的輸出電壓，因此線圈與線圈串聯接線時要注意極性是否正確。因為外轉子上的磁鐵是NSNS相反次序排列，所以對應的線圈產生的電流方向也會相反，所以線圈與線圈連接就必需要反接，才是正確的接法(圖5.8及5.24)。
圖5.24、軸向場單相發電機定子線圈接線法
當然您也可以將它接成三相交流電輸出，要這麼做即每4個南北極(NSNS或SNSN)要有3個線圈(即8極要6個線圈，以此類推)。。每3個線圈串聯(不需反接因為極性相同)成一串以形成1個相。如此，三組線圈連成三條單一電路。接著以星形接線方式將三條電路與整流器連接形成完整的三相交流發電機系統(圖5.9及5.11。
氣隙型軸向場發電機還有一個好處是您還可以決定是要定子(外殼)或是外轉子(轉軸)轉動(圖5.25)。一般軸向場電機通常是採用外殼(定子)轉動方式運轉。不過這種做法不太適合風車發電機，因為定子只有一片不易固定，轉動時也比較容易破裂和變形。它又必需和電源輸出線連接，如果發生轉動就必需有滑環和電刷等增加複雜構造的零組件增加維修項目和時間。相對的，外轉子的軸轉動方式比定子轉動強壯堅固多了。
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圖5.25、外殼及轉軸轉動方式的氣隙式交流發電機
氣隙式交流發電機沒有積層鋼片的構造有下列三項特性：
沒有鐵蕊造成的鐵損失
沒有齒槽效應也不需要最小啟動扭力
自己DIY不需要做積層鋼片的鐵蕊
氣隙式交流發電機的優點不少，不過它也是有缺點的。它的缺點來自它的薄薄一片定子的優點，因為定子裏面只有線圈所以很薄，以致於高速運轉時散熱不良容易燒毀。
設計重點提示
風車發電機的設計可以利用現有材料或是自行設計而儘其所能的發揮您的創意和設計天份。網路上有很多各式各樣的作品可供參考，比較深入的改裝及製造方式可以參考那本目前台灣沒有的Access Details。如果您要自製風車發電機請您善用您能收集到的資源以及腦袋多思考一點。做風車發電機的細節”磬竹難書”，以下是一些重點提示，供您參考：
氣隙的直徑
最佳低轉速交流發電機的形狀是"肥胖型"。圓形的氣隙應該要大一些。氣隙直徑增大，相對的，磁鐵通過線圈的速度也加快。同理，同樣重量的線圈、磁鐵和轉速，發電機的效率會因外轉子尖端速度高而發電效率也跟著升高。
肥胖型交流發電機的氣隙直徑越大越好的限制因子在於外轉子變大時變的不堅固而與定子互相碰接或摩擦。磁力、廻轉力和軸承歪斜或破損都會造成外轉子和定子摩擦的風險。同樣的，運轉也會限制氣隙直徑的大小。
線圈孔數
氣隙直徑越大，相對的容納線圈的孔數也會跟著增加。大、少、寬的線圈孔所產生的磁通量遠少於多、小、窄的線圈孔，因此您可以任意的決定線圈孔的數目。每個發電機的最佳組合條件受下列數項參數影響：
頻率由線圈孔數多寡而定，越多孔頻率越高。如果您使用的是變壓器，高頻是比好的設計，但是它的鐵損失相對也比較高。
銅損失和線圈寬度正相關。也就是說線圈孔越小，銅損失越低。缺點是線圈不是匝數不多就是銅線太細。
有時候磁力線不正常會直接從定子跳到下一個線圈孔位置而造成磁通量損失。因此寬氣隙和小、多、窄的線圈孔的損失比較大。
如果線圈孔的面積大些，磁力線可以藉大面積孔徑產生更多磁通量而不會因為面積太小而飽和無法產生更多的磁通量。
線圈的形狀
磁極掃過線圈時，磁通量的大小與線圈形狀有密切關係。也就是說線圈形狀要儘量讓最多的磁通量通過。線圈的厚度和氣隙大小和有效利用空間有絶對的關係。例如：氣隙型發電機的線圈厚度因為是軸向場所以線圈的厚度都一樣。而在積層鐵蕊內的線圈必需能置入有絶緣內襯的線圈插槽。如果您做的是三相交流電的發電機，每一線圈孔有三個重疊的線圈，那麼您的線圈空間就必需提供足夠深度的溝槽。
線圈匝數
您所希望的輸出電壓和轉速度是必需事先決定好的。通常運轉時的電壓/轉速比是不容易預測的很準的。更慘的是您的設計就從來沒有用過，沒有任何一個基本數據可以參考時，您所希望的輸出電和轉速的預測值和實測值就會差很多。
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參考附錄的公式加上經驗法則計算出您的發電機產生12V切入轉速所需的線圈匝數。這個公式要用到切入轉速、氣隙寬度、銅線直徑和接線方式等參數。(注意：這個公式算出來的是單相交流發電機的線圈匝數，如果您的是三相交流電發電機則需將計算值除以1.73才是三相發電機的線圈匝數。)
如果算了半天切入轉速太低或者是電壓太高，您可以把線圈的接線改成三角形或是併聯方式來補救。但是比較好的的做法是用比較少匝數的線圈置換掉原先的線圈。三角形或併聯接線方式可能會造成線圈與線圈之間的諧波電流(harmonic current)現象發生。
銅線粗細
粗的銅線的銅損失比較小也比較適合塞進空間裏。如果銅線太粗太硬不容易彎曲繞線，您可以用二或三條比較細的銅線併在一起代替又粗又硬的一條銅線。
線圈和電纜不一樣，電纜承載一定的電流和電壓且不做繞線因此有足夠的空間和安全設計可以穩定的散熱不致於燒毀電纜。線圈就不同了，線圈的電流和電壓大小隨發電機轉速的變動而變動。而且線圈是以不同的將合形狀將一堆銅線堆疊繞在一起，使得它本身的散熱能力就不太好。因此，定子的面積要夠大而且要有好的通風設計，將熱能及時的釋出，防止過熱而將內部線圈燒毀。
參考附錄的方程式計算銅損失預估銅線圈造成的能量損失百分比。檢查計算損失後的輸出功率是否超過可接受的50%以上。您也可以藉由測試台計算推測定子在不同電流及電壓條件下的升溫情形，推算出定子可以承受的電流大小。一般風車上有冷郤散熱系統會比較好。現在電腦散熱風扇上有一個不錯用的小玩意-熱導管。它的散熱效率超高，可以考慮如何將它放到定子裏面協助散熱。當然散熱鯺片、散熱兼發電的熱電晶片也是不錯的選擇。
小結
發電機是風力發電系統裏最重要的部份也是最難搞好的部份。搞定發電機，風力發電系統就成功一大半了。配合按照發電機轉速設計好的葉片，加上下兩章要探討如何搞定好的控制和支架系統，您的風車發電機就會有最佳表現。
古 云：門當戶對!!
今 云：王八配綠豆。穩龜交動憨。
吳了云：風配翼片翼片配發電機電機配控制控制配支架重婚真麻煩!!
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