用废旧电机巧作风力发电机,Wind generator set

关键字：发电机

作者：谢彪

　一、电动机简介
　　
　　目前电动自行车使用的都是直流旋转式电动机。根据其磁场产生的不同方式，可分为励磁式电动机和永磁式电动机二种类型。直流励磁式电动机的磁场由线圈绕组产生，其特点是过载能力强，输出功率大，常用在电动三轮车等较大功率设备上；直流永磁式电动机的磁场由永磁体产生，由于无需绕组励磁，这样就省去了励磁绕组工作时消耗的电能，提高了电动机的转换效率。所以直流永磁式电动机被电动自行车普遍采用，也是我们改装小型风力发电机的首选。

　　为了使电机能保持单向旋转，必须使直流电机通过平衡点时电流要变换方向，通常有两种方法：

　　一是用机械式换向器（电刷）来改变电枢线圈通过平衡位置时的电流方向，二是通过电子开关电路来切换电枢线圈通过平衡位置时的电流方向，通常称前者为直流有刷电机，称后者为直流无刷电机。在直流有刷电机中磁钢作为定子，线圈绕组作为转子，在转子上装有换向器，线圈绕组连接在换向器上，由换向器经电刷与外部电源相联，随着电动机转子转动时，电机绕组线圈交替与电源的正负极相连，从而完成绕组线圈电流的换向，使电机持续单方向旋转。直流无刷电机中磁钢为转子，线圈绕组作为定子，定子线圈由三个，在空间上均匀分布的绕组组成，当通入线圈的电流在位置传感器和电子开关的相互作用下顺次切换时，就会产生旋转磁场，从而驱动转子单向旋转。

二、永磁发电机的改装及注意事项
　　
　　根据法拉弟电磁感应原理，闭合线圈在磁场中切割磁力线就会产生感应电流，在电动自行车中所用的电动机均为永磁式电动机，这就有了一个恒定的磁场，而电动机绕组即是一个闭合的线圈，这时只要电机的转子与定子间有相对运动，在绕组线圈中就会产生感应电流，由于结构的差异，有刷电机和无刷电机的改装方法略有不同，现简述如下：

　　1．直流有刷电机
　　
　　可直接充当发电机使用，此时输出的就是直流电，但转子旋转的方向不同，则输出电压的正负极性也会相反，为了使发电机输出电压的极性保持恒定，可在电压的输出端加接一个桥式整流电路，这样无论发电机输出的极性如何，均可保证输出端的极性始终恒定，如上图所示。为了使发电机输出尽可能多的电能，应使叶片正对风向，制作时可在风力发电机的尾部加装一个导向舵（如下图所示），若风力发电机未能正对风向，则导向舵舵面二侧受力不等，其中对风的一侧受力大，背风的一侧受力小，同时由于导向舵的受风面较大，在风力的作用下会使整个风力发电机产生转动，直至导向舵平面与风向平行，舵面二侧受力均等，当然此时风力发电机的叶片刚好正对风向，桨叶受风面最大，确保了发电机输出的电压最大，输出电能的效率也最高。由于风力的大小往往并不恒定，同时根据所选用直流有刷电机的不同电压等级，如24V、36V、48V等，电机输出的电压会有所不同，实际应用中要以测量到的输出电压为准。因为改装选用的是电动自行车的废旧电动机，有些电机可能会有不同程度的损坏，根据笔者改装的经验，直流有刷电动机绕组线圈较少出现问题，绝大部分是电刷和换向器损坏，因为电刷和换向器工作时处于摩擦状态，长期工作后，电刷会磨损，换向器会出现烧蚀，污损等现象，如果换向器烧蚀不严重，可用细砂纸打磨换向器并更换电刷即可正常工作，如果电刷，换向器磨损严重无法修复，这时干脆去掉电刷，不用电刷，断开换向器上任意一处，引出两根线作为输出线，即可使用，不过这时输出的电流不再是直流而是交流，其频率、电压会随着电机旋转的的速度变化而变化，但经整流、滤波后，即可变为较平稳的直流电。

　　2.直流无刷电机的改装
　　
　　直流无刷电机的改装要简单得多，只要从输出的8根线中找出绕组线圈的3根引线即可，通常输出的8根线中有5根细线，其中一红一黑2根线是霍尔位置传感器的电源输入线；另3根是霍尔位置传感器的信号输出线，控制电子开关适时为3个绕组线圈提供电源，产生旋转磁场，驱动电机转动，这五根线在改装中没有作用，可包好接头放在一边，无需理会。另3根粗线即是我们需要的绕组线圈输出线，直流无刷电机的三相绕组线圈采用星形连接，当转子磁钢旋转时，绕组线圈输出的是三相交流电。

　　经三相整流、滤波后，变为较平稳的直流电即可使用，如下图所示。在改装的过程中笔者发现磁钢脱落也是电动自行车废旧电动机的常见故障，因该种电动机工作环境恶劣，在雨天及潮湿环境中使用，极易受潮而致生锈。生成的铁锈在磁钢和支架之间膨胀，撑开磁钢，使磁钢脱落或移位。造成电动机定子与转子互相磨擦（俗称扫镗），从而使电动机不能正常工作。这时可打开电机端盖，找出脱落或移位的磁钢，清理残余的树脂胶和铁锈，用AB胶重新粘牢磁钢，粘接时应注意按原来的方向校正好磁钢的位置，要求与其他磁钢面平整一致，待固化后装配好电机，即可恢复使用。改装好的风力发电机用手旋转转子时，用电压表在输出端应测到相应的输出电压，这时一台永磁式发电机就改装成功了。

　　三、电压调节器
　　
　　由于风力的大小通常是不确定的，所以风力发电机发出来的电往往也是不稳定的，会随风力的变化而变化，这样的电源是不能实际使用的，为此笔者从市场上购买了一只开关电源，进行了简单的改造，由于开关电源的输入电压范围大、转换效率高、输出功率大、输出电压稳定’，所以是做风力发电机电压调节器较理想的选择，当然读者朋友们也可以另行设计电压调节器，使风力发电机输出的电压在规定的范围保持恒定。

　　四、安装调试步骤及实例
　　
　　发电机改造完毕后，就应该给改装好的风力发电机装上合适的叶片了，笔者选用的是大型排风扇的三个叶片做桨叶，由于现在的电动自行车都是电机和轮毂连在一起的，这样给改装带来极大的方便，将3个叶片空间上彼此相隔120°，分别固定在轮毂上即可（见下左图）。在电机的后部装上一个导向舵，再在电机的下部装上一根转动轴，套上一段合适的金属管，使其在外力作用下可以自由转动（见下右图）。

　　把改装好的风力发电机固定在塔台上。高度应适当高一些，桨叶绝不能触接到地面上的人和物，至此一台风力发电机改制安装完成，即可试转发电。

　　选用一台300W/36V的直流永磁无刷电动机改装的风力发电机，在一般风力(3～4级，4-7.5m/s)的情况下，发电机可输出大约为20V的交流电压，经电压调节器整流稳压后，可输出16V/1A左右的直流电给12V的蓄电池充电。近期，笔者为附近地区渔民已成功改装多台风力发电机，使用效果一直较好。