小型水力发电机的设计

李式林

（寿宁县托溪乡水利工作站，福建　寿宁　355506）

工程技术

小型水力发电机的设计

李式林

（寿宁县托溪乡水利工作站，福建寿宁355506）

为了使水资源得到更有效的利用，根据发电机原理，利用强力磁石，设计出一款体积小、构造简单、成本低且可高速运转的永磁式发电机，适用于一般的水龙头，从而利用流出水量产生电能，增加水能的使用率。

水力发电；永磁发电机；电能

引言

绿色再生能源众多，如水力发电、风力发电、太阳能、潮汐能或生质能等，其中水力发电的转换效率最高。水力发电最上游的能量为水的能量，水的能量可依水流的大小或高低来区分。常见的大型水力发电厂有水库式、川流式和抽蓄式等，技术成熟历史悠久。而微小型水力发电，因为能量少，产生的电力有限且不稳定，难以直接使用于一般家电，所以研究开发的也少。近年来能源费用高涨、环保意识增强，且低电压高功率LED灯照明科技不断进步，已陆陆续续可见微小型水力发电的相关研究［1］。林肯编［2］设计了低转速轮轴发电机，将磁铁装置在电枢绕组外围，外围较大空间放置较多的磁极，使低转速时能得到所需的电压，应用于自行车照明。林显宗［3］研制的小容量风力发电机，其电枢绕组结构设计在磁石的外侧，可减小风机的起动扭矩，使用稀土强力磁铁，所需要的转动力远比氧化铁磁石大。Hart［4］设计灵敏的流量计，利用中空的转子来减轻运动件的重量，并以宝石轴承来降低转动摩擦阻，且使用液体浮力支撑转轴，所以流量计可在很小的水流中转动。Kaya［5］用实验比较有无导流板的轴流泵与不同叶片数量对性能的影响。

针对家用水龙头或雨水排放管路进行能源回收，以小型化、低成本且要有一定大小电压的方向，设计出一款适合家用的小型发电机，小型水力发电机的设计具体如下所述。

1　发电机基本参数

1）基本尺寸大小。

发电机主要尺寸有转子直径D、长度L及磁石的固定方式。一般发电机的体积与发电量成正比，因此：

式（1）中：Pt为发电量；K为系数，与线圈匝数、转速、磁材及动态性能有关，具体选用可参照手册。

2）感应电压。

同步发电机在稳定运转下，转速与级数会成反比关系，如下式：

式（2）中：NS为转速发电量；f为频率。

三相同步发电机以一定转速驱动转子磁场旋转，定子线圈会产生感应电压，可由法拉第定律得知：

式（3）中：E为每相感应电压的有效值；N为每相匝数；φm为磁通的最大值。

感应电压可由线圈匝数及磁石的磁通量来控制，所以设计定子线圈的空间和磁石种类的选择将会影响感应电压的输出值，单相等效电图如下页图1所示。

当负载电阻下降时转速下降，电流增加，而输出电压会下降。若可变电阻无限大时，输出电压则为发电机的开路电压。当RL=RTH时，RL取得最大功率。

图1　发电机单向电路图

2　发电机的转子设计

转子的设计包括选择磁石的种类及磁石如何固定在转轴上。磁石材质脆外型加工困难，小发电机一般都使用表面黏着法，可获得较大的磁通密度，但不适合高速运转，但存在脱离的可能性。另一方式是将磁石内藏在转子槽内，较适合高速运转，但会增加磁阻减少磁通密度。本发电机设计选用转子为6极，选用中心有小孔的烧结磁石钕铁硼，采用尺寸：长度12mm、宽度12mm、厚度3mm，装置时在磁石中心孔内插入压花之插销，利用摩擦力把磁石和转轴固定在一起，并且加入黏着剂增加牢固性，如图2所示。

图2　发电机的转子图

3　定子绕线方式及导线选用

波绕法可用于产生较高的电压，不论磁极的多少都可使用，发电机定子绕线方式采用迭绕法。在槽数设计方面，槽数越多时，电压波形谐波含量较低，本机设计为6极3相，槽数为18槽，如图3所示。

选择导线时，需注意导线的截面积，线径较大者电阻较小可绕较少的匝数，但实际入线时线径较大者绕线较紧实，占槽率较低。发电机受到空间限制，选用线径为0.15mm，缠绕圈数每相300圈相当于1 800匝，每相电阻约90Ω。

图3　定子绕线方式

4　水轮机动叶轮设计

小水轮机固定使用在水龙头下游，而水龙头上游的水塔在三层楼高，静水头压力约1 kgf/cm2，选择冲击方式来带动水轮机，叶轮外径约40mm、内径为3mm，因为尺寸小无法使用涡轮机，所以设计为冲击式开放式叶轮。叶片又细分为冲击部分和排水部分，冲击部分必须配合喷嘴水柱的角度，叶面上缘为垂直排水部分，与水量和转速有关，为倾斜面，较理想的叶轮就是水冲击完成后迅速离开叶轮，也就是沿叶轮外径切线方向冲击，设计角度大于70°。

5　水箱及喷嘴设计

一般水龙头出口口径约15mm，要在此断面下装置多颗喷嘴会有难度，所以在水龙头的出口设计一水箱。水箱外径48mm、内径15mm、高25mm。水箱底部钻6个直径5.0mm孔，为放置喷嘴的位置，其中三孔的节圆直径为30mm，另三孔节圆直径为38 mm。喷嘴有两种尺寸，以外径4.6mm、高3mm的圆柱体加工而成，一种中心钻孔为1.5mm孔，另一种中心孔为2mm孔。中心孔两端再以导角刀进行导角，然后依叶轮旋转方向和设计冲击角度将喷嘴焊接在水箱底部6个孔内，如图4所示。

图4　水箱及喷嘴结构

6　结语

小型发电机使用单层强磁石，设计无铁芯无导磁结构，利用有限的空间将水轮机与发电机结合装置在水龙头，属于无铁芯、无导磁结构，设计的整体结构如图5所示。

图5　小型发电机模型

［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.低转转速轴发电机之研发［D］.台中:台湾逢甲大学，2005.

［3］林显宗.小容量风发电机的研制［D］.台中:台湾逢甲大学，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.

（编辑：贾娟）

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，福建寿宁人，毕业于福建职业技术学院，助理工程师，现就职于寿宁县托溪乡水利工作站，研究方向：电力系统自动化技术。