發電機設計與實驗

講者：許敦強

設計流程

風力葉片與發電機匹配流程

JAVAFOIL軟體利用葉片元素理論計算出的攻角分析出升力係數與阻力係數

利用BEM理論計算葉片的推力、扭力、扭矩

假如有B支葉片

𝐹𝑇 = Nd𝑇𝑖

𝑛

𝑖=1

= 1

2𝜌𝑊2𝐶𝑖(𝐶𝐿𝑖𝑐𝑜𝑠𝜙 + 𝐶𝐷𝑖𝑠𝑖𝑛𝜙)

𝑛

𝑖=1

Bdr

𝐹𝑄 = Nd𝑄𝑖

𝑛

𝑖=1

= 1

2𝜌𝑊2𝐶𝑖 𝐶𝐿𝑖𝑠𝑖𝑛𝜙 − 𝐶𝐷𝑖𝑐𝑜𝑠𝜙 𝐵

𝑛

𝑖=1

dr

𝜏 = Nd𝜏𝑖

𝑛

𝑖=1

= 1

2𝜌𝑊2𝐶𝑖(𝐶𝐿𝑖𝑠𝑖𝑛𝜙 − 𝐶𝐷𝑖𝑐𝑜𝑠𝜙)

𝑛

𝑖=1

𝐵𝑟𝑖dr

風機計算出不同風速下最佳效率點

1m葉片在不同風速下最佳效率之轉速與扭力

風速 發電機轉速 扭力 轉速*扭力

m/s rpm N*m W

4 115 2.2 26.5

6 172 4.8 86.4

8 229 8.8 211

10 286 13.8 413.23

12 344 19.9 716.734

永磁同步發電機設計

發電機是將機械能轉換為電能供應電力的轉換工具。

在設計上，可依其使用條件及基本的額定電壓、轉速及功率等條件，決定發電機主要尺寸，如定子內徑、積厚、轉子外徑等。決定這些主要尺寸再進行定子、轉子細部尺寸設計。

利用Maxwell電磁分析軟體進行磁場的計算和驗證公式

發電機模型建立以分析磁場、扭矩、電壓、電流

定子

定子槽

N35磁鐵

轉子

ω 網格化

磁通變化較大處，網格加密。

發電機粗估性能參數

在額定風速（12m/s）下決定額定轉速、扭矩、功率。

η =效率，初步定為70%

額定功率Pn=500W

額定轉速Nrpm =344rpm

額定扭矩Tn=19.9N*m

額定電壓Un=80V

初定發電機參數

同步發電機轉速、頻率f＝46Hz、極數的關係

額定極數Np =16極

額定槽數Ns =36槽，槽數越多每一槽面積越小，槽面積＝線圈面積*匝數*槽滿率（70%）

額定電流 ，線圈線徑越粗可承受電流越大，線圈匝數越少。

磁石材料NdFeB35剩磁1.17T

發電機定子與轉子細部尺寸

槽數 36

極數 16

匝數 60

積厚（mm） 50

定子內/外徑(半徑) 59.7/95

轉子內徑(半徑) 58.7

氣隙（mm） 1

極數 16

磁鐵厚度（mm） 3

磁鐵展開角（度） 21

轉子外徑(半徑) （mm） 58.7

轉子內徑(半徑) （mm） 40

Maxwell分析磁通密度

在磁通通過氣隙之後，顯然地集中進入齒部，並確認在額定轉速344RPM時，定子並未發生磁飽和現象，因為磁通密度超過1.6～1.7T，磁導率迅速下降，當磁通密度為2.1 T時，鐵芯磁導率幾乎與空氣相等。

降低啟動扭矩之研究-槽極配

12極36槽 16極36槽

磁鐵弧長相等

磁鐵厚度相等

啟動扭矩:4Nm 啟動扭矩:0.2Nm

磁鐵正對齒槽 磁鐵未正對齒槽

額定功率的下扭力決定主要尺寸

額定扭矩與電磁負荷和電動機尺寸關係：

Bδ：氣隙磁密基波幅值（T），由Maxwell分析

A：線負荷（A/cm）

每相串聯導體數N= N匝數* Ns/m

相數m=3

決定定子積厚與內徑

Li=50：定子積厚（mm）

Dil=119.4：定子內徑（mm）

法拉第電磁感應定律與定、轉子細部修改

感應電動式之方均根值

已知Nrpm為機械轉速、 Np為極數、 Ns為槽數、 D為轉子直徑、Li為積厚。

未知Bgap為氣隙平均磁通密度、Kw為繞線因數 ，由Maxwell分析。

N匝數為匝數。

不同匝數匹配之比較

發電機損失主要有銅損、鐵損

銅損為發電機銅線產生感應電流，因導線電阻產生熱之損耗 R為單相電阻

鐵損包括遲滯損及渦流損。

其中，V為定子體積， 為定子矽鋼片材料密度， 最大磁通密度，fe為電氣頻率， 、α、β之大小與鐵磁材料有關，可根據矽鋼片規格，取得不同頻率下之鐵損密度曲線，再藉由最小平方法計算出。

Maxwell分析調整電阻負載與扭力匹配

分析60匝線圈發電機與公式（扭矩19.9N*m、電壓80V、功率500W）驗證，結果合適

發電機轉速

扭矩 電流 電壓 發電功率

rpm N*m A V W

115 -2.11 0.63 35 22.05

172 -4.73 1.443 50 72.15

229 -8.3 2.56 63.9 163.58

286 -13.18 4.31 73.3 315.92

344 -19.24 6.25 81.28 508

發電機與電控匹配

風速 扭矩 空載實驗 耀能電控 短路 太陽能電控

m/s N*m V V A V

2 0.53

4 2.11 26 26

6 4.73 47 2.1

8 8.3 52 3

10 13.18 65 4.5

12 19.24 70 6.1

15 30

加載，轉速三次方與功率成正比

115

172

229

286

344

轉速rpm

功率W

發電機最終規格

極數 16 定子外徑 190mm 相數 3

槽數 36 定子內徑 119.5mm 線電壓 81.28V

匝數 60 轉子外徑 117.5 線電流 6.25A

磁石材料 NdFeB35 積厚 50mm 額定轉速 344rpm

磁鐵厚度 3mm 線徑 0.9mm 額定扭力 19.9Nm

磁鐵剩磁 1.17T 空載頓轉扭矩 0.2N*m 頻率 45.87Hz

發電機製作

1.設計出配合定子大小的外殼。

2.機械式減速煞車以降低頓轉扭矩。

3.表面式磁鐵N、S極交互貼在轉子上。

4.定子製作。

前蓋板2.573kg

中間外殼2.875kg

後蓋板2.516kg（不含軸承）

直徑8cm軸承和彈簧0.418kg

煞車1.637kg

錐度0.753kg

機械式減速煞車

磁鐵吸力太強要先給20kg的力才能把轉子向前推。

錐度煞車部份減速會摩擦生熱或直接卡死。

改進：

拉長彈簧的長度和增加彈簧常數。

將錐度改成兩段式，減速（風速12m/s）選用耐磨耗的材料，煞車（風速15m/s）錐度直接契合。

後圓筒1.546kg

轉子表面式磁鐵N、S極交互貼

發電機組裝圖

定子繞線，先用模具繞所需匝數

每槽先上絕緣紙避免漏電，最後加上竹棒避免線跑出來和減少槽口磁通

單相2.6Ω，順便檢查現有沒有斷掉

淋上凡立水

實驗檢測各項性能參數

空載時可知不同轉速下發電機最大電壓

短路時可知不同轉速下發電機最大電流

加載設定風機控制器功率曲線可調整不同轉速下的扭力與發電機匹配

量測流程

發電機實驗示意圖

量測發電機在不同狀態、轉速下的扭力

扭力計與夾制具連接5kW和500W發電機，扭力計連接顯示器。

空載

空載配線圖

空載，轉速和相電壓成正比

空載的轉速rpm

20

30

33

38

電壓V

短路

短路配線圖

短路，扭力和電流成正比 圖表標題

2

2.8

4

5.3

扭力Nm

相電流A

三相電錶量測三相電壓、電流、功率、頻率、功率因數

實驗量測設備-交流電錶

加載

加載配線圖

調整電阻使發電機發電功率曲線與風機葉片匹配

電控系統（加載實驗）

紅色：RS485資料傳輸 紫色：接10-30V直流電

發電機三相電接電阻板與電控（並聯）

電控煞車與減速接線圖

變頻器調整馬達轉速

8月17日下週早上在博愛校區

實驗二館107室（一層樓紅色屋頂廁所旁）

可搭乘2路公車

1路公車，來光復校區在過溝站下（加油站）

光復校區到博愛校區路線

博愛校區

2路公車