小型水力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

李式林

（壽寧縣托溪鄉(xiāng)水利工作站，福建　壽寧　355506）

工程技術(shù)

小型水力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

李式林

（壽寧縣托溪鄉(xiāng)水利工作站，福建壽寧355506）

為了使水資源得到更有效的利用，根據(jù)發(fā)電機(jī)原理，利用強(qiáng)力磁石，設(shè)計(jì)出一款體積小、構(gòu)造簡單、成本低且可高速運(yùn)轉(zhuǎn)的永磁式發(fā)電機(jī)，適用于一般的水龍頭，從而利用流出水量產(chǎn)生電能，增加水能的使用率。

水力發(fā)電；永磁發(fā)電機(jī)；電能

引言

綠色再生能源眾多，如水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能、潮汐能或生質(zhì)能等，其中水力發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率最高。水力發(fā)電最上游的能量為水的能量，水的能量可依水流的大小或高低來區(qū)分。常見的大型水力發(fā)電廠有水庫式、川流式和抽蓄式等，技術(shù)成熟歷史悠久。而微小型水力發(fā)電，因?yàn)槟芰可?，產(chǎn)生的電力有限且不穩(wěn)定，難以直接使用于一般家電，所以研究開發(fā)的也少。近年來能源費(fèi)用高漲、環(huán)保意識增強(qiáng)，且低電壓高功率LED燈照明科技不斷進(jìn)步，已陸陸續(xù)續(xù)可見微小型水力發(fā)電的相關(guān)研究［1］。林肯編［2］設(shè)計(jì)了低轉(zhuǎn)速輪軸發(fā)電機(jī)，將磁鐵裝置在電樞繞組外圍，外圍較大空間放置較多的磁極，使低轉(zhuǎn)速時(shí)能得到所需的電壓，應(yīng)用于自行車照明。林顯宗［3］研制的小容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其電樞繞組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在磁石的外側(cè)，可減小風(fēng)機(jī)的起動扭矩，使用稀土強(qiáng)力磁鐵，所需要的轉(zhuǎn)動力遠(yuǎn)比氧化鐵磁石大。Hart［4］設(shè)計(jì)靈敏的流量計(jì)，利用中空的轉(zhuǎn)子來減輕運(yùn)動件的重量，并以寶石軸承來降低轉(zhuǎn)動摩擦阻，且使用液體浮力支撐轉(zhuǎn)軸，所以流量計(jì)可在很小的水流中轉(zhuǎn)動。Kaya［5］用實(shí)驗(yàn)比較有無導(dǎo)流板的軸流泵與不同葉片數(shù)量對性能的影響。

針對家用水龍頭或雨水排放管路進(jìn)行能源回收，以小型化、低成本且要有一定大小電壓的方向，設(shè)計(jì)出一款適合家用的小型發(fā)電機(jī)，小型水力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)具體如下所述。

1　發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

1）基本尺寸大小。

發(fā)電機(jī)主要尺寸有轉(zhuǎn)子直徑D、長度L及磁石的固定方式。一般發(fā)電機(jī)的體積與發(fā)電量成正比，因此：

式（1）中：Pt為發(fā)電量；K為系數(shù)，與線圈匝數(shù)、轉(zhuǎn)速、磁材及動態(tài)性能有關(guān)，具體選用可參照手冊。

2）感應(yīng)電壓。

同步發(fā)電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)下，轉(zhuǎn)速與級數(shù)會成反比關(guān)系，如下式：

式（2）中：NS為轉(zhuǎn)速發(fā)電量；f為頻率。

三相同步發(fā)電機(jī)以一定轉(zhuǎn)速驅(qū)動轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)，定子線圈會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，可由法拉第定律得知：

式（3）中：E為每相感應(yīng)電壓的有效值；N為每相匝數(shù)；φm為磁通的最大值。

感應(yīng)電壓可由線圈匝數(shù)及磁石的磁通量來控制，所以設(shè)計(jì)定子線圈的空間和磁石種類的選擇將會影響感應(yīng)電壓的輸出值，單相等效電圖如下頁圖1所示。

當(dāng)負(fù)載電阻下降時(shí)轉(zhuǎn)速下降，電流增加，而輸出電壓會下降。若可變電阻無限大時(shí)，輸出電壓則為發(fā)電機(jī)的開路電壓。當(dāng)RL=RTH時(shí)，RL取得最大功率。

圖1　發(fā)電機(jī)單向電路圖

2　發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)包括選擇磁石的種類及磁石如何固定在轉(zhuǎn)軸上。磁石材質(zhì)脆外型加工困難，小發(fā)電機(jī)一般都使用表面黏著法，可獲得較大的磁通密度，但不適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)，但存在脫離的可能性。另一方式是將磁石內(nèi)藏在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，較適合高速運(yùn)轉(zhuǎn)，但會增加磁阻減少磁通密度。本發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)選用轉(zhuǎn)子為6極，選用中心有小孔的燒結(jié)磁石釹鐵硼，采用尺寸：長度12mm、寬度12mm、厚度3mm，裝置時(shí)在磁石中心孔內(nèi)插入壓花之插銷，利用摩擦力把磁石和轉(zhuǎn)軸固定在一起，并且加入黏著劑增加牢固性，如圖2所示。

圖2　發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子圖

3　定子繞線方式及導(dǎo)線選用

波繞法可用于產(chǎn)生較高的電壓，不論磁極的多少都可使用，發(fā)電機(jī)定子繞線方式采用迭繞法。在槽數(shù)設(shè)計(jì)方面，槽數(shù)越多時(shí)，電壓波形諧波含量較低，本機(jī)設(shè)計(jì)為6極3相，槽數(shù)為18槽，如圖3所示。

選擇導(dǎo)線時(shí)，需注意導(dǎo)線的截面積，線徑較大者電阻較小可繞較少的匝數(shù)，但實(shí)際入線時(shí)線徑較大者繞線較緊實(shí)，占槽率較低。發(fā)電機(jī)受到空間限制，選用線徑為0.15mm，纏繞圈數(shù)每相300圈相當(dāng)于1 800匝，每相電阻約90Ω。

圖3　定子繞線方式

4　水輪機(jī)動葉輪設(shè)計(jì)

小水輪機(jī)固定使用在水龍頭下游，而水龍頭上游的水塔在三層樓高，靜水頭壓力約1 kgf/cm2，選擇沖擊方式來帶動水輪機(jī)，葉輪外徑約40mm、內(nèi)徑為3mm，因?yàn)槌叽缧o法使用渦輪機(jī)，所以設(shè)計(jì)為沖擊式開放式葉輪。葉片又細(xì)分為沖擊部分和排水部分，沖擊部分必須配合噴嘴水柱的角度，葉面上緣為垂直排水部分，與水量和轉(zhuǎn)速有關(guān)，為傾斜面，較理想的葉輪就是水沖擊完成后迅速離開葉輪，也就是沿葉輪外徑切線方向沖擊，設(shè)計(jì)角度大于70°。

5　水箱及噴嘴設(shè)計(jì)

一般水龍頭出口口徑約15mm，要在此斷面下裝置多顆噴嘴會有難度，所以在水龍頭的出口設(shè)計(jì)一水箱。水箱外徑48mm、內(nèi)徑15mm、高25mm。水箱底部鉆6個(gè)直徑5.0mm孔，為放置噴嘴的位置，其中三孔的節(jié)圓直徑為30mm，另三孔節(jié)圓直徑為38 mm。噴嘴有兩種尺寸，以外徑4.6mm、高3mm的圓柱體加工而成，一種中心鉆孔為1.5mm孔，另一種中心孔為2mm孔。中心孔兩端再以導(dǎo)角刀進(jìn)行導(dǎo)角，然后依葉輪旋轉(zhuǎn)方向和設(shè)計(jì)沖擊角度將噴嘴焊接在水箱底部6個(gè)孔內(nèi)，如圖4所示。

圖4　水箱及噴嘴結(jié)構(gòu)

6　結(jié)語

小型發(fā)電機(jī)使用單層強(qiáng)磁石，設(shè)計(jì)無鐵芯無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，利用有限的空間將水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)結(jié)合裝置在水龍頭，屬于無鐵芯、無導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　小型發(fā)電機(jī)模型

［1］A.Bansal，D.A.Howey，and A.S.Holmes.Cm-scale air turbine and generator for energy harvesting from low-speed flows［J］.IEEE Transducers，2009（22）:529-532.

［2］林肯.低轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速軸發(fā)電機(jī)之研發(fā)［D］.臺中:臺灣逢甲大學(xué)，2005.

［3］林顯宗.小容量風(fēng)發(fā)電機(jī)的研制［D］.臺中:臺灣逢甲大學(xué)，2002.

［4］H.R.Hart.A sensitive rotary flow meter for hotwater［J］.Journal of Physics E:Scientific Instrument，1977，10:499-501.

［5］D.Kaya.Experimental study on regaining the tangential velocity energy of axial flow pump［J］.Energy Conversion and Management，2003，44:1 817-1 829.

（編輯：賈娟）

Design of Small Hydropower Generator

Li Shilin
（Shouning County TuoxiW ater W orkstation，Shouning Fujian 355506）

In order tomakemore effective use ofwater resources，according to the principle of the generator，a small volume，simple structure，low costand high speed permanentmagnet generatorwas designed，which was using the powerfulmagnet.It is for the general taps to produce electricity using the outflow ofwater，so it can increase thewater available for use rate.

hydroelectric power；permanentmagnetgenerator；electric energy

TP23

A

2095-0748（2016）11-0030-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.11.12

2016-04-28

李式林（1968—），男，福建壽寧人，畢業(yè)于福建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，助理工程師，現(xiàn)就職于壽寧縣托溪鄉(xiāng)水利工作站，研究方向：電力系統(tǒng)自動化技術(shù)。