風力技術篇 第九章永磁交流發電機的製作(3/3)

安土地真言：南無‧三滿哆‧母馱喃‧唵‧度嚕度嚕‧地尾‧薩婆訶

第九章 永磁交流發電機的製作

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

在開始之前，確定下列物料已經備齊：

• 已塗上脫模劑或是已抛光的模子

• 磁鐵和鐵盤已經打磨光亮，沒有油漬。

• 16片已經裁好的玻璃纖維布(CSM)。

• 5圈鋼絲的長度已經剪好並且已經用膠帶貼好。

• 磁鐵定位夾具已經準備好。

本程序中提及的樹脂量是一次做好兩個轉子的樹脂量。

圖37、磁鐵轉子模組

Step1：從外模底部插入4根螺栓(圖37)。置入一片圓鐵盤後，把內模放在鐵盤上。檢查內模的大小面，較小的面朝下，方便脫模。

Step2：200g樹脂加3cc催化劑後混合均勻後(如果有染劑則加20cc)，把鐵圓盤塗滿。剩下的樹脂加入100g的滑石粉後，沿著圓盤的周圍倒樹脂直到樹脂充滿間隙，液面則與上層鐵圓盤一樣高的水準。

Step3：把磁鐵固定夾具套進4個螺栓內。在您把磁鐵放進模子裏，仔細檢查磁極是否是一南一北按規則次序排列(圖35)。確定後依序將磁鐵放進模子裏。當所有的磁鐵都放好後，把磁鐵定位用夾具移出，換到另一個轉子上使用。請記住：兩個轉子的磁性要相反，做好後兩個轉子必需要互相吸引。

小心不要亂敲把磁鐵搞到移位，不然的話會因為磁鐵位置改變而使得磁性大亂而相吸粘成一團。

Step4：4根螺栓套上螺帽把中央圓盤向鐵盤逼緊。

Step5：500g樹脂加7cc催化劑及300g滑石粉後混合均勻。把CSM布條放入磁鐵和邊緣間隙之間。加一些樹脂讓CSM吸飽樹脂。輕拍及輕搖模子把氣泡趕出來。

Step6：把鋼絲圈鬆鬆的放進磁鐵的外圍，要放在內模的下面。不要讓鋼絲掉到磁鐵下方。讓鋼絲圈坐在CSM上面。這個動作要小心不要讓磁鐵移位。

Step7：500g樹脂加7cc催化劑及300g滑石粉後混合均勻。倒入磁鐵間隙間直到液面和模子的邊一樣高。

灌好的模子放置數小時等它硬化。等它硬了定形之後，有耐心的把轉子從模子裏弄出來。請勿用錘子劇烈敲擊，這樣做有可能敲破轉子。鐵錘敲的位置是模子，不可以敲轉子。

圖、轉子灌模的4個步驟

1. 組合

   1. 轉子平衡

每個轉子要先做平衡，否則做好的PMG在運轉時會產生振動。因為轉子可能會沒有精確固定，所以整個PMG做好後還要再做一次平衡校正。最後一步驟的平衡校準校準方式不同，後段將會說明。

轉子的平衡調校方式是先把轉子和PCD夾具(圖11)用4個螺絲固定在一起。然後用一根平衡校正基座的尖端頂在中心點(圖38)。

圖38、平衡夾具與平衡基座的組合

如果轉子保持水平則表示轉子已經平衡。如果沒保持水平，則適切的加上小小的重物或是削掉一些樹脂直到保持水平。轉動PCD夾具檢查有沒有達水平。重物用M10螺絲換掉，然後把螺絲鎖入磁鐵塊之間。

2. PMG固定座和軸承輪轂(圖39)

用長380mm的50x25x4mm方形鋼管(RHS)做固定座。在鋼管較寬的一面的中心點做記號並畫出一個8mm的孔，做法和定子螺栓夾具一樣。您也可以應用定子螺栓夾具輔助固定座的鑽孔作業。

中間的孔徑是25mm(或是配合轉軸直徑)。用開孔鋸鋸出圓孔或是慢慢的用車床車出來。

圖39、方盒形狀的固定座

把固定座中心圓孔和25mm轉軸部份焊在一起。當焊接的時候請確實讓轉軸和固定座呈90度夾角。

軸承輪轂和轉軸套合(圖40)。軸承的內外徑是50x25mm。油封要選用防砂塵的塑膠油封。

軸承不要忘了要上黃油。軸承的黃油上一半就夠了，不要把軸承裏面灌滿黃油會阻滯轉動的流暢性。

圖40、軸承輪轂

3. PMG組合

Step1：取4根200mm長的M10螺栓。螺栓的用途是把兩片轉子固定在輪轂上。風車翼片也是固定在這4根螺栓上。圖、後位轉子的固定

Step2：每根螺栓套上6個螺帽(圖41)。圖、螺栓

Step3：從前方把4根螺栓插入輪轂。圖、固座與轉子的組合

Step4：把後位轉子放在螺栓的尾端。

Step5：每一根螺栓的後端套上個螺帽，然後把其它的螺帽向後端鎖緊，則轉子與輪轂外緣緊密結合。外面後端的螺絲要用油漆或是密封膠固定防止滑動。圖、轉子與軸承輪轂組裝完成

圖、組裝定子

Step6：固定座與轉軸焊接部份朝上後，用工作枱的固定鉗夾緊固定。把輪轂放入轉軸。在套合時請勿用錘子敲轉子。輪轂與轉軸的套合是用螺絲慢慢的鎖緊後用一根插梢固定。螺絲不要鎖太緊。最後在軸承輪轂上蓋上防塵套。

Step7：轉動轉子使轉子通過一根銅線，不要用鐵絲，鐵絲會被磁鐵吸引。量測銅線和磁鐵間的間隙大小，間隙不可超過+/-0.5mm的高低差。超過的話，，在輪轂和轉子之間塞小鋁片調整其高低差至誤差容許範圍內。

Step8：用水平儀調整固定座直到轉子呈水平狀態。水平儀要測東西和南北兩個方向。

Step9：取定子。定子的4根螺栓各套上8mm螺帽後鎖緊。

Step10：把定子放在後位轉子的上方，然後把支持定子的螺栓插入固定座的孔內。在螺栓的末端用8mm螺帽鎖上。

Step11：保持定子各方向的水平，慢慢的把定子放下去並且旋轉轉子。然後您會聽到定子碰到最高的那塊磁鐵的聲音。

Step12：碰到後用螺絲等高的慢慢的調整定子與轉子之間的間隙高度至1mm。

Step13：放幾個墊片到10mm的螺栓上以支持轉子。螺帽和墊片的數量要相等。每根螺栓有6個螺帽和2個墊片就夠了。接著套上第二個轉子。

Step14：如果前位轉子放下去發現它與定子的每一點間隙都小於1mm，則在轉子的下方多加幾個墊片。如果超過1mm太多，則拿掉下方的墊片。一片片拿掉墊片直到定子與轉子互相接觸摩擦，就可以知道需要幾個墊片。然後再調整到差1mm。

Step15：當前位轉子與定子的間隙是1mm後，上部套上數個螺帽小心的鎖緊。

圖、前位轉子組裝

4. 電力部份

第7節說明如何將整流器與定子連接。作者建議使用單向橋式整流器(single phase bridge rectifier)(圖42)。它的外型30x30mm黑黑一塊有4隻腳。2個正極接腳都接到電池的正極。(正極的接腳和另外三個負極的接腳方向不一樣，與負極呈90度)。所有的負極都接到電池的負極。剩下的4隻腳是用來和定子的交流電輸出端連接。您可能只需要用到3隻腳，適當的風速與接腳方式於第7節中說明。

圖42、整流器等電料

用接線端子(block connector)連接定子的電線相當的方便好用。也可以用焊接或是絞線方式接線。定子的電線和整流器之間的連接用烙鐵或是絞線插座方式連接。用烙鐵注意不要讓整流器過熱以免燒壞。把整流器用螺絲固定在散墊鰭片上。圖42只是散熱鰭片的一種，它也可以是一片大約250g或是更重些的鋁片。

所有的接線都要有氣候保護罩。

圖、兩個橋式整流器

2. 測試與接線

在PMG實用之前，確保PMG沒有任何的毛病。實用前發現問題比較容易送到工坊裏解決。

1. 機械測試

把固定座以垂直方向用工作鉗固定。此時轉子可以自由的轉動。轉軸為水平狀態，如同正常的風力發電機的固定方式一樣。檢查電線沒有和其它電線接觸形成短路，短路會使PMG轉子很難轉動。

1. 檢查轉子是否能自由的轉動

轉動轉子並仔細的聽聲音。當轉子轉動時，您不應該聽到拖地或是像是刷子在刷的聲音。正常的情形是轉動後沒有聲音，自由轉動大約數秒鐘後停下來。如果轉沒兩下馬上停下來不是電線接線錯誤就是軸承鎖太緊。

當轉子轉動時，用兩隻手抓住定子用力向反方向施力，看看定子是否有和轉子接觸到。正常情況下是不應該接觸到。如果有磨擦聲，您必需把PMG拆下來小心的再重新組裝一次，並且確實調整定子與轉子間的間隙。或者對定子與轉子間的固定螺栓進行微調。

把轉子停住並且在3點鐘位置的螺栓上掛一個100g重物(圖43)。轉子應該會以順時針方向旋轉。如果不會轉表示軸承黃油加太多或者是鎖太緊。

圖43、在轉子螺絲上掛一個重物

2. 檢查平衡

每個轉子已先在第6節時做過單一轉子片的平衡校正。接上風車翼片後的轉子也需要再做一次平衡校正。當風車翼片和轉子組合在一起後，您應該依照下列程序對風車轉子做平衡校正。這個動作是一定要做的，因為轉子的中心點不一定是在PMG的轉軸上。

重覆圖43的起始步驟，即在3點鐘位置的螺絲上掛重物。試不同的重量的重物，找出讓風車轉動的最小重量。如果某支螺絲需要更重的重量才能讓轉子轉動即表示轉子沒有平衡。加上重量直到整個轉子平衡為止。

2. 電力測試

   1. 線圈連線的測試

測試PMG的電力問題最好有三用電錶可以用。沒有的話，用個3伏特的小燈泡也行(圖44)。

Step1：

Step1：把電線1B接到4A、、2B5A、3B6A。(成對線圈串聯形成同相)。

Step2：把三用電錶調到10VAC或是類似的刻度。

Step3：在1A及4B的電線上接上電燈泡或是三用電錶。

圖44、線圈測試

Step4：用手以每秒一轉的速度慢慢的轉動PMG。

Step5：電錶讀值應該是大約2V或是燈泡會閃爍。。

Step6：重覆測試成對的電線：2A和5B、3A及6B。

每一對的測試結果都應該是一樣的。

如果測不到讀值或者是讀值很低，然後檢查串聯電路是否正確(1B-4A、2B-5A、3B-6A)。如果這些連線都沒有錯是正確的，那就有可能表示其中有一個線圈放反了。

如果有任一個線圈發生電流反向，您必需進行另外一個測試(圖45)，以找出問題出在哪裏。如圖45所示連接4B-2A及5B-3A。然後測試1A及6B。此時不應該測到比微小電壓更高的電壓。如果測到電壓或者是燈泡亮起來，那麼就反接連線(即A和B跳線，swap A for B)，此時重測電壓應該降到很低。

當您找到錯誤的線圈，電線重新標示正確的A及B。

圖45、檢查反向線圈

因為線圈放在模子裏的位置不會很精確，因此測試時一定會有一個小小的電壓。如果背景電壓超過1V，下次在做定子時，線圈放置要更精準，彼此的間距要更正確。

2. 直流輸出測試

當線圈的測試完成而且結果是正確的，然後將定子的電線連上整流器(圖46)。把電線1A、2A和3A連在一起。4B、5B及6B則個別接在整流器的交流電接腳(AC terminal，通常以”S”記號表示)。這種接法是星形接線法(star connection)。接一個燈泡或者一個設定在10VAC的三用電錶在輸出端。

圖46、星形接線法(star connection)的直流電測試

如前所述以每秒一轉速度(60 rpm)轉動轉子。三用電錶應該讀出穩定的4V直流電(或是有接燈泡時是3V)。燈泡應該是亮亮的，不是之前的忽明忽暗。。

如果電錶沒讀值或是燈泡閃爍，則表示電路接錯或是整流器有問題。仔細檢查電路。換另一個整流器再試看看。

您也可以不用電錶或燈泡測試PMG。把整流器的正負極(4個)全接在一起形成短路。然後轉動PMG。PMG轉動會有點費勁但是還可以轉的蠻順的。如果轉不動就表示有問題。

3. PMG與12V電池的連接

   1. 星形(star)和三角形(delta)接線法

低風速用星形接線法。高風速、高電流輸出則使用三角形接線法(圖47)。

圖47、三角形接線法

也可以在電路上接一個繼電器(圖48)做為星形和三角形接線法的切換開關。

圖48、繼電器切換星形與三角形接線的方法

還有另外一種可以選用的星形接線法。

這個繼電器切換的方法，是一個基本概念的電路圖。是可以自動切換兩種接線法。因為有點複雜，所以沒搞好是會出現問題的，使用時請小心。

如果您不想要在高低風速間切換接線方式，PMG還是可以正常工作的。但是電能產生量是稍微少一點的啦。以下有兩種方案供您選擇：

• 如果您希望風車大部份時間是以低風速運轉方式供電，您可選用星形接線法(圖46)。

• 如果您也需要在高風速下產生更多的電能。您可以使用17AWG的銅線(直徑1.2mm)繞200圈的線圈。您可以連接一組成星形一組三角形接線(圖49)。這種接法您會有6個交流電的電線尾端，因此您需要3個整流器。

圖49、星形及三角形混合繞線法

2. PMG到電池的電纜尺寸

從PMG連到電池的電可能是三相交流電也可能是直流電。如果整流器裝在發電機則是直流電。直流電的傳輸效率比交流電稍微高些。

12伏特電池用電纜要粗一點。即使電流只有15安培，也建議您用粗一點的電纜。距離20公尺用6mm²(10AWG)的電纜。這個規格的銅線的直徑(厚度)大約是3mm。15安培的電流從發電機經過這種電線到電熱器，它的電能損失達15%。如果電纜越長，電纜就越重。

3. 電力安全

12伏特的直流電不會電人。但是風車發電機沒有接電池或是任何電器負載時，發電機快速空轉會產生比12V高很多電壓，有可能高過50伏特。千萬不可以在沒有接電池的情形下高速空轉PMG。

電池內儲存電能。因此當發生正負極電線相接的短路現象時，電能會以大電流的方式快速釋出。電纜會一下子變的很熱並且燒毀。因此，您需要在電池的正極主電源線上接一根保險絲當做斷電器使用。一根用在發電機以及一根用在連接電器端(圖50)。

圖50、保險絲(fuse)與電池的連接方式

酸性電池液會燒壞皮膚和衣服。不要把電池液潑灑出來。特別是對眼睛要做特的保護。如果不小心發生被電池液噴到的情況，要立即用大量的清水沖洗。

電池充電會釋出氫氣，氫氣具爆炸性。不要在電池方抽煙、點火或是製造任何火花，可能會引起爆炸。電池爆炸時，酸液和破片可能會彈到眼睛。

4. 電池充電

補充電池液到可充電的液液高度。在風力發電系統中，電池必需等有風的時候才能充電。因此，小心不要讓電池放電放過頭或是太久沒充電，過放電及太久沒充電會造成電池極板硫化壞掉而無法蓄電。電池沒充飽前，絶不使用電池的電能。如果風車壞了沒電充電，要找一個替代電源每兩周對電池充電避免電池損害。

過度充電也會造成電池的損壞。當電池已放電，開始用大電流進行充電是安全的，但是快充飽時電流要減少，不然的話電池會過熱使得極板損壞。最好的電池充電方式是用小電流長時間持續穩定的方式充電。

注意電池電壓。如果電池電壓低於1.5V，表示放電放過頭了。電壓超過14V表示充電充太飽。電壓太低則加大電流充電，太高則減少電流。如果您沒有裝電壓錶(伏特計)，您需要依照下列法則注意燈泡亮度的變化：

• 亮度變暗，表示電池沒電。少用一點電。

• 太亮表示風車輸出太多電能，多用點電。

使用電力的最佳方式是對更多的電池進行充電。鄰居家的沒事也把它充飽電唄。

有一種電路可以自動調整電池電壓，這個電路稱為低電壓斷路器(low voltage disconnect或是shunt regulator)。如果您不想每次用電都要去看電壓錶或是看電燈亮不亮，裝一個低電壓斷路器是一個很好的選擇。

3. 其它資訊

   1. 聚酯樹脂的使用

聚酯樹脂是一種塑膠類產品，主要用於造船、車體等等物件的玻璃纖維成形作業。不同的工作要加入不同的材料才能做出最好的東西。買的時候要向供應商講清楚您要樹脂做什麼東西。供應商會提供您協助。

1. 硬化劑

有兩種讓樹脂硬化的方法，每一種方法用到種化學物質。對樹脂灌模及玻璃維維作業使用過氧化物(peroxide)及鈷(cobalt)。(主體填充粘貼”body filler pastes”用另外一種系統)。

鈷製成紫色液體。看使用說明或問供應商樹脂和硬化劑鈷的使用比例。混合之後，樹脂必需要放在暗處，照光就會硬化。

過氧化物是一種有害的化物質。避免與皮膚接觸。貯存在25℃、不透光的PVC容器內。絶對不可以把過氧化物和鈷混在一起(除非鈷已經混在樹脂內)，會引起爆炸。比例1~2%的用量與樹脂混合就夠了，不然會過熱。

2. 無臘空氣阻隔樹脂B(wax-free “air inhibited resin B)

這種樹脂是用在船模的膠被覆(gel coat)，這種樹脂依照一定程序操作才能使用。不建議用這玩意做PMG。這玩意的表面會粘粘的。要用樹脂A或是灌模用樹脂。

3. 觸變(搖溶，thixothropic)添加劑

一種特殊的輕質矽粉用以增加厚度，可以用刷子輕易的塗佈。灌模用樹脂用不到這玩意。大部份都已經加進去了，無害。

4. 苯乙烯單體(styrene monomer)

樹脂內大約有35%的苯乙烯單體加在裏面。這種東西的用途是讓樹脂變薄。它有味道。多加10%讓樹脂的液態流動性更好些。

5. 染料(pigment)

染料是用來料鑄件用的，如果您覺得染色很重要的話。只要在第一次混合物加染料就可以了，表面層染色就夠了，裏面不用染。添加量為樹脂混合物的10%。沒有用染料，灌好的鑄件呈半透明，看的到線圈和磁鐵。

6. 玻璃纖維(fiberglass)

樹脂沒有玻璃纖維加強則一點強度都沒有。您可以買來自裁成條(CSM)或是買現成一條一條的，再和樹脂混在一起。這東西在做轉子時很有用。在加很多樹脂到模子裏之前，加一點樹到玻璃纖維內，再把氣泡趕出來。

7. 滑石粉

滑石粉是很便宜的樹脂填充劑，在過氧化物加進去之後再加進樹脂內。它讓樹脂混合物的成本低些，厚度增加些。滑石粉的最大用量是樹脂重量的兩倍。滑石粉也有降低大鑄件的發熱速度。

2. 灌模的準備工作

   1. 聚氨酯亮光漆

一般的油漆不可以用在塗模具。最好什麼都不用。如果可能用聚氨酯亮光漆。這種漆可以防止木頭、油土或是粘土做的模子的水份跑到鑄件內。在抛光前用砂紙把亮光漆磨平。

2. 抛光劑

第一次用模子時用抛光劑塗數次。用抹布把塗上去的抛光劑擦掉後放置數小時後再做一次。矽質抛光劑不適用於PVA脫模劑。用臘質抛光劑。

3. PVA脫模劑

模具內塗佈此物質後讓模乾燥。它會形成一層PVA薄膜，這對脫模程序很有幫助。

圖、灌模過程

3. 使用PMG當做水力發電機

PMG也可以接在小型水車葉片上對電池充電。因為PMG只產生數瓦特的電力，因此對低水頭和低水力的地方特好用。PMG也可以用在高水頭和高水力的地方，因為PMG在高轉速時會產生較大的電能。

磁鐵轉子在濕度大的地方應用會有锈蝕的危險。建議有鐵的部份要鍍鋅。

4. 低水頭地區

下列條件是PMG可以在完全不修改直接接在渦輪葉片上用在水力發電的條件：

水頭(m)	10	10	5
流量(公升/秒)	1	5	5
淨電能(watts)	40	200	100
PCD runner (cm)	37	27	23
轉速 (rpm)	325	440	360

5. 高水頭地區

PMG也可以用在高水頭和高水力的地方。速度升高2倍電壓及電流也會升高2倍則電能增加4倍。在這條件下PMG可能會過熱,最好讓電流不變，效率會較高。電量多寡取決於冷郤水的冷郤效率。

在任何情況下，增加轉速都會增加PMG的電能產出量。這也會有一個廻轉力的風險，可能會使磁鐵塊脫落，但是這在水力發電系統沒有問題因為轉軸是固定的。

如果不需要高電壓輸出，則定子線圈繞線可以改高轉速時提供較大的電流。做法是將線圈改併聯而不用串聯。或者用粗一點的銅線繞出較少匝數的線圈。這個方法比較好，因為不管是星形或是三角形接線去都會有內部寄生電流減低效率的問題。

定速水流的地方要要用星形/三角形混合接線法。這種做法在定速上一點用都沒有。

永磁發電機DIY手册 1