用廢舊電機巧作風力發電機,Wind generator set

關鍵字：發電機

作者：謝彪

　一、電動機簡介
　　
　　目前電動自行車使用的都是直流旋轉式電動機。根據其磁場產生的不同方式，可分為勵磁式電動機和永磁式電動機二種類型。直流勵磁式電動機的磁場由線圈繞組產生，其特點是過載能力強，輸出功率大，常用在電動三輪車等較大功率設備上；直流永磁式電動機的磁場由永磁體產生，由于無需繞組勵磁，這樣就省去了勵磁繞組工作時消耗的電能，提高了電動機的轉換效率。所以直流永磁式電動機被電動自行車普遍采用，也是我們改裝小型風力發電機的首選。

　　為了使電機能保持單向旋轉，必須使直流電機通過平衡點時電流要變換方向，通常有兩種方法：

　　一是用機械式換向器（電刷）來改變電樞線圈通過平衡位置時的電流方向，二是通過電子開關電路來切換電樞線圈通過平衡位置時的電流方向，通常稱前者為直流有刷電機，稱后者為直流無刷電機。在直流有刷電機中磁鋼作為定子，線圈繞組作為轉子，在轉子上裝有換向器，線圈繞組連接在換向器上，由換向器經電刷與外部電源相聯，隨著電動機轉子轉動時，電機繞組線圈交替與電源的正負極相連，從而完成繞組線圈電流的換向，使電機持續單方向旋轉。直流無刷電機中磁鋼為轉子，線圈繞組作為定子，定子線圈由三個，在空間上均勻分布的繞組組成，當通入線圈的電流在位置傳感器和電子開關的相互作用下順次切換時，就會產生旋轉磁場，從而驅動轉子單向旋轉。

二、永磁發電機的改裝及注意事項
　　
　　根據法拉弟電磁感應原理，閉合線圈在磁場中切割磁力線就會產生感應電流，在電動自行車中所用的電動機均為永磁式電動機，這就有了一個恒定的磁場，而電動機繞組即是一個閉合的線圈，這時只要電機的轉子與定子間有相對運動，在繞組線圈中就會產生感應電流，由于結構的差異，有刷電機和無刷電機的改裝方法略有不同，現簡述如下：

　　1．直流有刷電機
　　
　　可直接充當發電機使用，此時輸出的就是直流電，但轉子旋轉的方向不同，則輸出電壓的正負極性也會相反，為了使發電機輸出電壓的極性保持恒定，可在電壓的輸出端加接一個橋式整流電路，這樣無論發電機輸出的極性如何，均可保證輸出端的極性始終恒定，如上圖所示。為了使發電機輸出盡可能多的電能，應使葉片正對風向，制作時可在風力發電機的尾部加裝一個導向舵（如下圖所示），若風力發電機未能正對風向，則導向舵舵面二側受力不等，其中對風的一側受力大，背風的一側受力小，同時由于導向舵的受風面較大，在風力的作用下會使整個風力發電機產生轉動，直至導向舵平面與風向平行，舵面二側受力均等，當然此時風力發電機的葉片剛好正對風向，槳葉受風面最大，確保了發電機輸出的電壓最大，輸出電能的效率也最高。由于風力的大小往往并不恒定，同時根據所選用直流有刷電機的不同電壓等級，如24V、36V、48V等，電機輸出的電壓會有所不同，實際應用中要以測量到的輸出電壓為準。因為改裝選用的是電動自行車的廢舊電動機，有些電機可能會有不同程度的損壞，根據筆者改裝的經驗，直流有刷電動機繞組線圈較少出現問題，絕大部分是電刷和換向器損壞，因為電刷和換向器工作時處于摩擦狀態，長期工作后，電刷會磨損，換向器會出現燒蝕，污損等現象，如果換向器燒蝕不嚴重，可用細砂紙打磨換向器并更換電刷即可正常工作，如果電刷，換向器磨損嚴重無法修復，這時干脆去掉電刷，不用電刷，斷開換向器上任意一處，引出兩根線作為輸出線，即可使用，不過這時輸出的電流不再是直流而是交流，其頻率、電壓會隨著電機旋轉的的速度變化而變化，但經整流、濾波后，即可變為較平穩的直流電。

　　2.直流無刷電機的改裝
　　
　　直流無刷電機的改裝要簡單得多，只要從輸出的8根線中找出繞組線圈的3根引線即可，通常輸出的8根線中有5根細線，其中一紅一黑2根線是霍爾位置傳感器的電源輸入線；另3根是霍爾位置傳感器的信號輸出線，控制電子開關適時為3個繞組線圈提供電源，產生旋轉磁場，驅動電機轉動，這五根線在改裝中沒有作用，可包好接頭放在一邊，無需理會。另3根粗線即是我們需要的繞組線圈輸出線，直流無刷電機的三相繞組線圈采用星形連接，當轉子磁鋼旋轉時，繞組線圈輸出的是三相交流電。

　　經三相整流、濾波后，變為較平穩的直流電即可使用，如下圖所示。在改裝的過程中筆者發現磁鋼脫落也是電動自行車廢舊電動機的常見故障，因該種電動機工作環境惡劣，在雨天及潮濕環境中使用，極易受潮而致生銹。生成的鐵銹在磁鋼和支架之間膨脹，撐開磁鋼，使磁鋼脫落或移位。造成電動機定子與轉子互相磨擦（俗稱掃鏜），從而使電動機不能正常工作。這時可打開電機端蓋，找出脫落或移位的磁鋼，清理殘余的樹脂膠和鐵銹，用AB膠重新粘牢磁鋼，粘接時應注意按原來的方向校正好磁鋼的位置，要求與其他磁鋼面平整一致，待固化后裝配好電機，即可恢復使用。改裝好的風力發電機用手旋轉轉子時，用電壓表在輸出端應測到相應的輸出電壓，這時一臺永磁式發電機就改裝成功了。

　　三、電壓調節器
　　
　　由于風力的大小通常是不確定的，所以風力發電機發出來的電往往也是不穩定的，會隨風力的變化而變化，這樣的電源是不能實際使用的，為此筆者從市場上購買了一只開關電源，進行了簡單的改造，由于開關電源的輸入電壓范圍大、轉換效率高、輸出功率大、輸出電壓穩定’，所以是做風力發電機電壓調節器較理想的選擇，當然讀者朋友們也可以另行設計電壓調節器，使風力發電機輸出的電壓在規定的范圍保持恒定。

　　四、安裝調試步驟及實例
　　
　　發電機改造完畢后，就應該給改裝好的風力發電機裝上合適的葉片了，筆者選用的是大型排風扇的三個葉片做槳葉，由于現在的電動自行車都是電機和輪轂連在一起的，這樣給改裝帶來極大的方便，將3個葉片空間上彼此相隔120°，分別固定在輪轂上即可（見下左圖）。在電機的后部裝上一個導向舵，再在電機的下部裝上一根轉動軸，套上一段合適的金屬管，使其在外力作用下可以自由轉動（見下右圖）。

　　把改裝好的風力發電機固定在塔臺上。高度應適當高一些，槳葉絕不能觸接到地面上的人和物，至此一臺風力發電機改制安裝完成，即可試轉發電。

　　選用一臺300W/36V的直流永磁無刷電動機改裝的風力發電機，在一般風力(3～4級，4-7.5m/s)的情況下，發電機可輸出大約為20V的交流電壓，經電壓調節器整流穩壓后，可輸出16V/1A左右的直流電給12V的蓄電池充電。近期，筆者為附近地區漁民已成功改裝多臺風力發電機，使用效果一直較好。