freedomdesoo制作的小型旅游风力发电机要点.docx

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freedomdesoo制作的小型旅游风力发电机要点

小型旅游风力发电机

作者：

freedomdesoo

每当我看见微风吹拂大地时，我就曾幻想：

是否能将风能转换成电能来照耀前方的路呢？

当我学习了物理学中的电磁感应现象

后，我感到不可思议是：

电能怎么可能通过如此简陋的装置而闪烁它的光辉呢。

于是我自己做了一台发电机（如图一）。

在那跳动的灯火中，我终于信服了。

以下是我的制作过程：

一、验证发电机的原理（电磁感应）的可行性

提出问题：

由于我没有现成的发电机，于是我决定仿造一台发电机，但是需要深入了解其结构和原理，怎么办呢?

于是我上网查阅了相关知识：

直流电机工作原理和结构

一、直流电机工作原理

*直流发电机的工作原理

*直流电动机的工作原理

*电机的可逆运行原理

两个定理与两个定则

1、电磁感应定理在磁场中运动的导体将会感应电势，若磁场、导体和导体的运动方向三者互相垂直，则作用导体中感应的电势大小为：

e=B·l·v

符号物理量单位

B磁场的磁感应强度Wb/m2

v导体运动速度米/秒

l导体有效长度m

e感应电势V

电势的方向用右手定则

2.电磁力定律载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直（见下图），作用在导体上的电磁力大小为：

f=B·l·i

符号物理量单位

i导体中的电流A

l导体有效长度m

f电磁力N

力的方向用左手定则

（一）直流发电机的工作原理

1.直流发电机的原理模型

2.发电机工作原理

a、直流电势产生

用电动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边ab和cd分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势

因为电刷A通过换向片所引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势。

所以电刷A始终有正极性，同样道理，电刷B始终有负极性。

所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉动电动势

b、结论

线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷AB端的电动势却是直流电动势。

（二）直流电动机的工作原理

1.直流电动机的原理模型（图1.1.5）

直流电动机的工作原理

要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：

当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。

为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转,这就是直流电动机的工作原理

（三）电机的可逆运行原理

从上述基本电磁情况来看：

一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在电机理论中称为可逆原理

二、直流电机的结构

旋转电机结构形式,必须有满足电磁和机械两方面要求的结构

旋转电机必须具备静止和转动两大部分

1.直流电机静止部分称作定子

作用--产生磁场

由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成

2.直流电机转动部分称作转子（通常称作电枢）

作用--产生电磁转矩和感应电动势

由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成

直流电机电枢照片

（一）直流电机的静止部分

1.主磁极是一种电磁铁，用1-1.5毫米厚的钢板冲片叠压紧固而成的铁心

2.换向极（又称附加极或间极）

作用--改善换向

换向极装在两主磁极之间，也是由铁心和绕组构成

铁心一般用整块钢或钢板加工而成；换向极绕组与电枢绕组串联

图1.1.11主磁极和换向极示意图

3.机座机座通常由铸铁或厚铁板焊成，有两个作用：

固定主磁极、换向极和端盖；

作为磁路的一部分。

机座中有磁通经过的部分称为磁轭

4.电刷装置（图1.1.12）

作用--把直流电压、直流电流引入或引出

由电刷（图1.1.13）、刷握、刷杆座和铜丝辫组成

二）直流电机的转动部分

1.电枢铁心两个用处：

[电枢铁心装配图（图1.1.14）]

作为主磁路的主要部分；

嵌放电枢绕组，通常用０.５ｍｍ厚的硅钢片冲片叠压而成

2.电枢绕组

直流电机的主要电路部分，用以通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换，由许多按一定规律联接的线圈组成，元件及嵌放方法（图1.1.16）

3.换向器

直流电机的重要部件，作用---将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势

直流发电机的工作原理

直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。

电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。

这种电磁情况表示在图上。

由于电枢连续地旋转，，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边ab和cd交替地切割N极和S极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的．线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷A，B端的电动势却为直流电动势（说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势）。

因为，电枢在转动过程中，无论电枢转到什么位置，由于换向器配合电刷的换向作用，电刷A通过换向片所引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势，因此，电刷A始终有正极性。

同样道理，电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。

如每极下的线圈数增多，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。

这就是直流发电机的工作原理。

同时也说明子直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。

从基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可工作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是约束的条件不同而已。

在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机，如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。

同一台电机，能作电动机或作发电机运行的这种原理．在电机理论中称为可逆原理。

了解其原理后，我便开始制作了：

准备材料：

废旧吊扇、磁体若干（可从吊扇中的马达里拆出）、固定钢圈（五金店中可购买）、LED小灯（从电筒中拆出）、导线（从吊扇中拆出）、螺丝（五金店中可购买）、钢丝（五金店中可购买）、尼龙扎带（五金店中可购买）、铜丝（五金店中可购买）、电容、转子（线圈）、木板、胶钳、铜片（从插座中拆出）、502胶水、废变电器、小木块、电烙铁。

制作过程：

1.做转子：

从吊扇中拆出转子（有铜丝缠绕的部分）,将转子里的铜丝去掉（因为铜丝太短或已烧毁），将购买到的新铜丝重新绕入。

将电容与绕好的铜线的一端用电烙铁焊接在一起，如此串联三个电容便可了。

2.做支撑板：

将木板用尺子量出长为四厘米宽为三厘米的矩形，在四边端点画出四个点，用锥子打上四个直径都为两毫米的洞。

3.做支架：

先用胶钳把钢丝剪成三段各10厘米，再用胶钳把AB两段钢丝弯成凹状插入支撑板上的洞中、其中A段和B段需在其中部用胶钳弯成一个圆圈，并用小锤轻轻敲入；其次用502胶水在每一个洞中滴入凝固固定；待其稳固后，将第三段弯成矩形套入两段钢丝间，用尼龙扎带将四角与AB两段钢丝两边固定。

.4.装入转子：

把转子装入AB间固定，将钢圈弯成圆套入转子两边，用螺丝在支撑板底边固定。

5.装上定子：

将风扇中拆出的磁体分成两份吸在钢圈两边，并与转子中的线圈平行。

6.做平台：

将变电器的壳取下，用502胶水将其固定在支撑板上，在其上表面用502胶水将小木块粘上。

7.装换向器：

将铜片剪成两条铜片并弯成Z字形用螺丝固定在木块上。

8.装LED小灯：

用电烙铁将LED小灯焊接两条导线，将两条导线的另一端焊接在木块上的螺丝上。

9.装入电池（储能）：

用电烙铁将电池的两极用导线焊接，在导线的另一端串联一个开关焊接在木块上的螺丝上；将电池放在变电器壳内。

进行试验：

用手拨动转轴，发现LED小灯发亮；观察小灯的亮度，转动的越快，小灯越亮。

打开开关，电池便开始储能了。

实验结论：

电确实可以通过电磁感应现象转化成光能，也证明了磁场的存在。

这次实验不仅解答了我的疑问，也为我下一步制作风力发电机做好了准备。

二、小型旅游风力发电机

在野营、骑车及在楼顶吹风时，我渴望珍惜每一份在风中逝世的清凉，让它们化作闪耀的灯火。

由此我做出了一台风力发电机（如图7）。

以下是我的制作过程：

提出问题：

由于我没有现成的发电机，于是我决定仿造一台风力发电机，但是需要深入了解其结构和原理，怎么办呢?

于是我上网查阅了相关知识：

查阅资料：

风力发电机结构

机舱：

机舱包容着风力发电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。

维护人员可以通过风力发电机塔进入机舱。

机舱左端是风力发电机转子，即转子叶片及轴。

转子叶片：

捉获风，并将风力传送到转子轴心。

现代600千瓦风力发电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。

轴心：

转子轴心附着在风力发电机的低速轴上。

低速轴：

风力发电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。

在现代600千瓦风力发电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。

轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。

齿轮箱：

齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。

高速轴及其机械闸：

高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。

它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风力发电机被维修时。

发电机：

通常被称为感应电机或异步发电机。

在现代风力发电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。

偏航装置：

借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。

偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来感觉风向。

图中显示了风力发电机偏航。

通常，在风改变其方向时，风力发电机一次只会偏转几度。

电子控制器：

包含一台不断监控风力发电机状态的计算机，并控制偏航装置。

为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风力发电机的转动，并通过电话调制解调器来呼叫风力发电机操作员。

液压系统：

用于重置风力发电机的空气动力闸。

冷却元件：

包含一个风扇，用于冷却发电机。

此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。

一些风力发电机具有水冷发电机。

塔：

风力发电机塔载有机舱及转子。

通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。

现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。

它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。

管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。

格状的塔的优点在于它比较便宜。

风速计及风向标：

用于测量风速及风向。

了解其原理后，我便开始制作了：

制作原因：

考虑到现代发电机大多数是大型化的，多数是在工厂才有配备。

难以普及到百姓中去，因此，我发明的这台小型风力发电机的主要目的是将节约能源的观念深入人心，让每一个人都能获得实现节约能源的美德的机会。

准备材料：

铜丝、铁片、磁体（做转子）（如图4）、大齿轮、小齿轮、木板、木条、卡纸、空心管、装订机、502胶、导线、LED灯、a转轴、b转轴、电烙铁、尼龙扎带。

制作过程：

1.先将铁片剪成两条并弯成凹状，再叠成十字形并在中间打一个洞，插入空心管。

2.将铜丝一圈一圈绕在铁片与空心管间，层叠到一定厚度方可。

（做成定子）（如图3）

3.将卡纸做成风叶，把木条叠成十字形用502胶固定。

再把风叶用装订机固定在木条上。

（如图2）

4.组装：

先将两条转轴固定在木板上，依次将定子、转子、小齿轮、大齿轮、装入转轴a。

其次将两根铜丝引出与导线相连,导线另一端连接LED灯固定在木板上，最后将风叶装入转轴b。

（如图5、6）

5.装入锂离子电池：

用电烙铁将电池的两极用导线焊接，在导线的另一端串联一个开关焊电路板，将电池用尼龙扎带扎在主干上。

应用前景：

1.用于野营，可将它固定在树上。

有风来时，便可发电。

（建议多装几个，效果更佳）

2.用于骑车，把它固定在车上，行驶时便发电了

3.用于头盔，可将它小型化装入头盔中，夜晚便可在灯光的照明中行驶了。