【導(dǎo)讀】風(fēng)力發(fā)電以其投資少、成本低的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展猶為迅猛，很多電子愛好者也想嘗試制作，一位技術(shù)達(dá)人利用電動(dòng)自行車的廢舊電機(jī)改裝制作了數(shù)臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，效果較好，特奉獻(xiàn)給各位電子愛好者，旨在拋磚引玉，為發(fā)展綠色能源事業(yè)做一點(diǎn)貢獻(xiàn)。當(dāng)然有興趣的童鞋也可以借鑒，發(fā)展出更好的點(diǎn)子。
一、電動(dòng)自行車的電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介
目前電動(dòng)自行車使用的都是直流旋轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)。根據(jù)其磁場(chǎng)產(chǎn)生的不同方式，可分為勵(lì)磁式電動(dòng)機(jī)和永磁式電動(dòng)機(jī)二種類型。直流勵(lì)磁式電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)由線圈繞組產(chǎn)生，其特點(diǎn)是過載能力強(qiáng)，輸出功率大，常用在電動(dòng)三輪車等較大功率設(shè)備上：直流永磁式電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，由于無(wú)需繞組勵(lì)磁，這樣就省去了勵(lì)磁繞組工作時(shí)消耗的電能，提高了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換效率。所以直流永磁式電動(dòng)機(jī)被電動(dòng)自行車普遍采用，也是我們改裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的首選。
為了使電機(jī)能保持單向旋轉(zhuǎn)，必須使直流電機(jī)通過平衡點(diǎn)時(shí)電流要變換方向，通常有兩種方法：一是用機(jī)械式換向器（電刷）來(lái)改變電樞線圈通過平衡位置時(shí)的電流方向，二是通過電子開關(guān)電路來(lái)切換電樞線圈通過平衡位置時(shí)的電流方向，通常稱前者為直流有刷電機(jī)，稱后者為直流無(wú)刷電機(jī)。在直流有刷電機(jī)中磁鋼作為定子，線圈繞組作為轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子上裝有換向器，線圈繞組連接在換向器上，由換向器經(jīng)電刷與外部電源相聯(lián)，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)繞組線圈交替與電源的正負(fù)極相連，從而完成繞組線圈電流的換向，使電機(jī)持續(xù)單方向旋轉(zhuǎn)。直流無(wú)刷電機(jī)中磁鋼為轉(zhuǎn)子，線圈繞組作為定子，定子線圈由三個(gè)，在空間上均勻分布的繞組組成，當(dāng)通入線圈的電流在位置傳感器和電子開關(guān)的相互作用下順次切換時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子單向旋轉(zhuǎn)。
二、永磁發(fā)電機(jī)的改裝及注意事項(xiàng)
根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)原理，閉合線圈在磁場(chǎng)中切割磁力線就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，在電動(dòng)自行車中所用的電動(dòng)機(jī)均為永磁式電動(dòng)機(jī)，這就有了一個(gè)恒定的磁場(chǎng)，而電動(dòng)機(jī)繞組即是一個(gè)閉合的線圈，這時(shí)只要電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在繞組線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于結(jié)構(gòu)的差異，有刷電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)的改裝方法略有不同，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：
1．直流有刷電機(jī)：
可直接充當(dāng)發(fā)電機(jī)使用，此時(shí)輸出的就是直流電，但轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向不同，則輸出電壓的正負(fù)極性也會(huì)相反，為了使發(fā)電機(jī)輸出電壓的極性保持恒定，可在電壓的輸出端加接一個(gè)橋式整流電路，這樣無(wú)論發(fā)電機(jī)輸出的極性如何，均可保證輸出端的極性始終恒定。
為了使發(fā)電機(jī)輸出盡可能多的電能，應(yīng)使葉片正對(duì)風(fēng)向，制作時(shí)可在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尾部加裝一個(gè)導(dǎo)向舵（如上圖所示），若風(fēng)力發(fā)電機(jī)未能正對(duì)風(fēng)向，則導(dǎo)向舵舵面二側(cè)受力不等，其中對(duì)風(fēng)的一側(cè)受力大，背風(fēng)的一側(cè)受力小，同時(shí)由于導(dǎo)向舵的受風(fēng)面較大，在風(fēng)力的作用下會(huì)使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，直至導(dǎo)向舵平面與風(fēng)向平行，舵面二側(cè)受力均等，當(dāng)然此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片剛好正對(duì)風(fēng)向，槳葉受風(fēng)面最大，確保了發(fā)電機(jī)輸出的電壓最大，輸出電能的效率也最高。
由于風(fēng)力的大小往往并不恒定，同時(shí)根據(jù)所選用直流有刷電機(jī)的不同電壓等級(jí)，如24V、36V、48V等，電機(jī)輸出的電壓會(huì)有所不同，實(shí)際應(yīng)用中要以測(cè)量到的輸出電壓為準(zhǔn)。因?yàn)楦难b選用的是電動(dòng)自行車的廢舊電動(dòng)機(jī)，有些電機(jī)可能會(huì)有不同程度的損壞，根據(jù)筆者改裝的經(jīng)驗(yàn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)繞組線圈較少出現(xiàn)問題，絕大部分是電刷和換向器損壞，因?yàn)殡娝⒑蛽Q向器工作時(shí)處于摩擦狀態(tài)，長(zhǎng)期工作后，電刷會(huì)磨損，換向器會(huì)出現(xiàn)燒蝕，污損等現(xiàn)象，如果換向器燒蝕不嚴(yán)重，可用細(xì)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(yán)重?zé)o法修復(fù)，這時(shí)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(shí)輸出的電流不再是直流而是交流，其頻率、電壓會(huì)隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)的的速度變化而變化，但經(jīng)整流、濾波后，即可變?yōu)檩^平穩(wěn)的直流電。
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直流有刷電機(jī)改裝后的接線圖
直流有刷電機(jī)改裝后的接線圖2．直流無(wú)刷電機(jī)的改裝：
直流無(wú)刷電機(jī)的改裝要簡(jiǎn)單得多，只要從輸出的八根線中找出繞組線圈的三根引線即可，通常輸出的八根線中有五根細(xì)線，其中一紅一黑兩根線是霍爾位置傳感器的電源輸入線；另三根是霍爾位置傳感器的信號(hào)輸出線，控制電子開關(guān)適時(shí)為三個(gè)繞組線圈提供電源，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這五根線在改裝中沒有作用，可包好接頭放在一邊，無(wú)需理會(huì)。另三根粗線即是我們需要的繞組線圈輸出線，直流無(wú)刷電機(jī)的三相繞組線圈采用星形連接，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼旋轉(zhuǎn)時(shí)，繞組線圈輸出的是三相交流電。
經(jīng)三相整流、濾波后，變?yōu)檩^平穩(wěn)的直流電即可使用。在改裝的過程中筆者發(fā)現(xiàn)磁鋼脫落也是電動(dòng)自行車廢舊電動(dòng)機(jī)的常見故障，因該種電動(dòng)機(jī)工作環(huán)境惡劣，在雨天及潮濕環(huán)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(dòng)機(jī)定子與轉(zhuǎn)子互相磨擦（俗稱掃鏜），從而使電動(dòng)機(jī)不能正常工作。這時(shí)可打開電機(jī)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(shí)應(yīng)注意按原來(lái)的方向校正好磁鋼的位置，要求與其它磁鋼面平整一致，待固化后裝配好電機(jī)，即可恢復(fù)使用。改裝好的風(fēng)力發(fā)電機(jī)用手旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子時(shí)，用電壓表在輸出端應(yīng)測(cè)到相應(yīng)的輸出電壓，這時(shí)一臺(tái)永磁式發(fā)電機(jī)就改裝成功了。
直流無(wú)刷電機(jī)改裝后的接線圖
三、電壓調(diào)節(jié)器
由于風(fēng)力的大小通常是不確定的，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出來(lái)的電往往也是不穩(wěn)定的，會(huì)隨風(fēng)力的變化而變化，這樣的電源是不能實(shí)際使用的，為此筆者從市場(chǎng)上購(gòu)買了一只開關(guān)電源，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的改造，由于開關(guān)電源的輸入電壓范圍大、轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率大、輸出電壓穩(wěn)定，所以是做風(fēng)力發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器較理想的選擇，當(dāng)然讀者朋友們也可以另行設(shè)計(jì)電壓調(diào)節(jié)器，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的電壓在規(guī)定的范圍保持恒定。
四、安裝調(diào)試步驟及實(shí)例
發(fā)電機(jī)改造完畢后，就應(yīng)該給改裝好的風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝上合適的葉片了，筆者選用的是大型排風(fēng)扇的三個(gè)葉片做槳葉，由于現(xiàn)在的電動(dòng)自行車都是電機(jī)和輪轂連在一起的，這樣給改裝帶來(lái)極大的方便，將三個(gè)葉片空間上彼此相隔1200，分別固定在輪轂上即可（見上圖）。在電機(jī)的后部裝上一個(gè)導(dǎo)向舵，再在電機(jī)的下部裝上一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸，套上一段合適的金屬管，使其在外力作用下可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)(見下圖)0把改裝好的風(fēng)力發(fā)電機(jī)固定在塔臺(tái)上。高度應(yīng)適當(dāng)高一些，槳葉絕不能觸接到地面上的人和物，至此一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)改制安裝完成，即可試轉(zhuǎn)發(fā)電。
筆者選用的是一臺(tái)300W/36V的直流永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)改裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在一般風(fēng)力（3—4級(jí)，4~7.5米／秒）的情況下，發(fā)電機(jī)可輸出大約為20V的交流電壓，經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器整流穩(wěn)壓后，可輸出16V/IA左右的直流電給12V的蓄電池充電。近期，筆者為附近地區(qū)漁民已成功改裝多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，使用效果一直較好。
