【導讀】風力發(fā)電以其投資少、成本低的優(yōu)點，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)達人利用電動自行車的廢舊電機改裝制作了數(shù)臺風力發(fā)電機，效果較好，特奉獻給各位電子愛好者，旨在拋磚引玉，為發(fā)展綠色能源事業(yè)做一點貢獻。當然有興趣的童鞋也可以借鑒，發(fā)展出更好的點子。
一、電動自行車的電動機簡介
目前電動自行車使用的都是直流旋轉(zhuǎn)式電動機。根據(jù)其磁場產(chǎn)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(chǎn)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(shè)備上：直流永磁式電動機的磁場由永磁體產(chǎn)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(zhuǎn)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(fā)電機的首選。
為了使電機能保持單向旋轉(zhuǎn)，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(guān)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(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)，隨著電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(xù)單方向旋轉(zhuǎn)。直流無刷電機中磁鋼為轉(zhuǎn)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(guān)的相互作用下順次切換時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子單向旋轉(zhuǎn)。
二、永磁發(fā)電機的改裝及注意事項
根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)原理，閉合線圈在磁場中切割磁力線就會產(chǎn)生感應(yīng)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(zhuǎn)子與定子間有相對運動，在繞組線圈中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于結(jié)構(gòu)的差異，有刷電機和無刷電機的改裝方法略有不同，現(xiàn)簡述如下：
1．直流有刷電機：
可直接充當發(fā)電機使用，此時輸出的就是直流電，但轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向不同，則輸出電壓的正負極性也會相反，為了使發(fā)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(fā)電機輸出的極性如何，均可保證輸出端的極性始終恒定。
為了使發(fā)電機輸出盡可能多的電能，應(yīng)使葉片正對風向，制作時可在風力發(fā)電機的尾部加裝一個導向舵（如上圖所示），若風力發(fā)電機未能正對風向，則導向舵舵面二側(cè)受力不等，其中對風的一側(cè)受力大，背風的一側(cè)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(fā)電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，直至導向舵平面與風向平行，舵面二側(cè)受力均等，當然此時風力發(fā)電機的葉片剛好正對風向，槳葉受風面最大，確保了發(fā)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(jù)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(yīng)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(jù)筆者改裝的經(jīng)驗，直流有刷電動機繞組線圈較少出現(xiàn)問題，絕大部分是電刷和換向器損壞，因為電刷和換向器工作時處于摩擦狀態(tài)，長期工作后，電刷會磨損，換向器會出現(xiàn)燒蝕，污損等現(xiàn)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(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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直流有刷電機改裝后的接線圖
直流有刷電機改裝后的接線圖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輸出線，控制電子開關(guān)適時為三個繞組線圈提供電源，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)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。另三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(zhuǎn)子磁鋼旋轉(zhuǎn)時，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)磁鋼脫落也是電動自行車廢舊電動機的常見故障，因該種電動機工作環(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。造成電動機定子與轉(zhuǎn)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(yīng)注意按原來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，即可恢復使用。改裝好的風力發(fā)電機用手旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子時，用電壓表在輸出端應(yīng)測到相應(yīng)的輸出電壓，這時一臺永磁式發(fā)電機就改裝成功了。
直流無刷電機改裝后的接線圖
三、電壓調(diào)節(jié)器
由于風力的大小通常是不確定的，所以風力發(fā)電機發(fā)出來的電往往也是不穩(wěn)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(guān)電源，進行了簡單的改造，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，所以是做風力發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器較理想的選擇，當然讀者朋友們也可以另行設(shè)計電壓調(diào)節(jié)器，使風力發(fā)電機輸出的電壓在規(guī)定的范圍保持恒定。
四、安裝調(diào)試步驟及實例
發(fā)電機改造完畢后，就應(yīng)該給改裝好的風力發(fā)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(xiàn)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，將三個葉片空間上彼此相隔1200，分別固定在輪轂上即可（見上圖）。在電機的后部裝上一個導向舵，再在電機的下部裝上一根轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(見下圖)0把改裝好的風力發(fā)電機固定在塔臺上。高度應(yīng)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(fā)電機改制安裝完成，即可試轉(zhuǎn)發(fā)電。
筆者選用的是一臺300W/36V的直流永磁無刷電動機改裝的風力發(fā)電機，在一般風力（3—4級，4~7.5米／秒）的情況下，發(fā)電機可輸出大約為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風力發(fā)電機，使用效果一直較好。
