小型水力發電機的設計

李式林

（壽寧縣托溪鄉水利工作站，福建　壽寧　355506）

工程技術

小型水力發電機的設計

李式林

（壽寧縣托溪鄉水利工作站，福建壽寧355506）

為了使水資源得到更有效的利用，根據發電機原理，利用強力磁石，設計出一款體積小、構造簡單、成本低且可高速運轉的永磁式發電機，適用于一般的水龍頭，從而利用流出水量產生電能，增加水能的使用率。

水力發電；永磁發電機；電能

引言

綠色再生能源眾多，如水力發電、風力發電、太陽能、潮汐能或生質能等，其中水力發電的轉換效率最高。水力發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分。常見的大型水力發電廠有水庫式、川流式和抽蓄式等，技術成熟歷史悠久。而微小型水力發電，因為能量少，產生的電力有限且不穩定，難以直接使用于一般家電，所以研究開發的也少。近年來能源費用高漲、環保意識增強，且低電壓高功率LED燈照明科技不斷進步，已陸陸續續可見微小型水力發電的相關研究［1］。林肯編［2］設計了低轉速輪軸發電機，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，使低轉速時能得到所需的電壓，應用于自行車照明。林顯宗［3］研制的小容量風力發電機，其電樞繞組結構設計在磁石的外側，可減小風機的起動扭矩，使用稀土強力磁鐵，所需要的轉動力遠比氧化鐵磁石大。Hart［4］設計靈敏的流量計，利用中空的轉子來減輕運動件的重量，并以寶石軸承來降低轉動摩擦阻，且使用液體浮力支撐轉軸，所以流量計可在很小的水流中轉動。Kaya［5］用實驗比較有無導流板的軸流泵與不同葉片數量對性能的影響。

針對家用水龍頭或雨水排放管路進行能源回收，以小型化、低成本且要有一定大小電壓的方向，設計出一款適合家用的小型發電機，小型水力發電機的設計具體如下所述。

1　發電機基本參數

1）基本尺寸大小。

發電機主要尺寸有轉子直徑D、長度L及磁石的固定方式。一般發電機的體積與發電量成正比，因此：

式（1）中：Pt為發電量；K為系數，與線圈匝數、轉速、磁材及動態性能有關，具體選用可參照手冊。

2）感應電壓。

同步發電機在穩定運轉下，轉速與級數會成反比關系，如下式：

式（2）中：NS為轉速發電量；f為頻率。

三相同步發電機以一定轉速驅動轉子磁場旋轉，定子線圈會產生感應電壓，可由法拉第定律得知：

式（3）中：E為每相感應電壓的有效值；N為每相匝數；φm為磁通的最大值。

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

當負載電阻下降時轉速下降，電流增加，而輸出電壓會下降。若可變電阻無限大時，輸出電壓則為發電機的開路電壓。當RL=RTH時，RL取得最大功率。

圖1　發電機單向電路圖

2　發電機的轉子設計

轉子的設計包括選擇磁石的種類及磁石如何固定在轉軸上。磁石材質脆外型加工困難，小發電機一般都使用表面黏著法，可獲得較大的磁通密度，但不適合高速運轉，但存在脫離的可能性。另一方式是將磁石內藏在轉子槽內，較適合高速運轉，但會增加磁阻減少磁通密度。本發電機設計選用轉子為6極，選用中心有小孔的燒結磁石釹鐵硼，采用尺寸：長度12mm、寬度12mm、厚度3mm，裝置時在磁石中心孔內插入壓花之插銷，利用摩擦力把磁石和轉軸固定在一起，并且加入黏著劑增加牢固性，如圖2所示。

圖2　發電機的轉子圖

3　定子繞線方式及導線選用

波繞法可用于產生較高的電壓，不論磁極的多少都可使用，發電機定子繞線方式采用迭繞法。在槽數設計方面，槽數越多時，電壓波形諧波含量較低，本機設計為6極3相，槽數為18槽，如圖3所示。

選擇導線時，需注意導線的截面積，線徑較大者電阻較小可繞較少的匝數，但實際入線時線徑較大者繞線較緊實，占槽率較低。發電機受到空間限制，選用線徑為0.15mm，纏繞圈數每相300圈相當于1 800匝，每相電阻約90Ω。

圖3　定子繞線方式

4　水輪機動葉輪設計

小水輪機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，葉輪外徑約40mm、內徑為3mm，因為尺寸小無法使用渦輪機，所以設計為沖擊式開放式葉輪。葉片又細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，與水量和轉速有關，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，設計角度大于70°。

5　水箱及噴嘴設計

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計一水箱。水箱外徑48mm、內徑15mm、高25mm。水箱底部鉆6個直徑5.0mm孔，為放置噴嘴的位置，其中三孔的節圓直徑為30mm，另三孔節圓直徑為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。中心孔兩端再以導角刀進行導角，然后依葉輪旋轉方向和設計沖擊角度將噴嘴焊接在水箱底部6個孔內，如圖4所示。

圖4　水箱及噴嘴結構

6　結語

小型發電機使用單層強磁石，設計無鐵芯無導磁結構，利用有限的空間將水輪機與發電機結合裝置在水龍頭，屬于無鐵芯、無導磁結構，設計的整體結構如圖5所示。

圖5　小型發電機模型

［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.低轉轉速軸發電機之研發［D］.臺中:臺灣逢甲大學，2005.

［3］林顯宗.小容量風發電機的研制［D］.臺中:臺灣逢甲大學，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，畢業于福建職業技術學院，助理工程師，現就職于壽寧縣托溪鄉水利工作站，研究方向：電力系統自動化技術。