基于“一种特殊的车载风力馈电装置”的发电机设计——逆向双转风力发电机

王鹏兴，马 骋，李建红

（1.太原理工大学 现代科技学院，山西 太原030024；2.山西泽清鑫新能源科技有限公司，山西 太原030024）

1 结构及设计思路

车（交通工具）载风力馈电的实现，首先取决于置于交通工具顶部的特殊结构的风力机壳体的构形。

1.1 装置外形图

装置外形如图1 所示。

图1 装置外形

圆筒形空间直径约1.5 m，外高不超过20 cm，内置转向相反的风力机叶片，由二圆板与外圆柱组成两个空腔，矩形为前进风孔，椭圆形为后出风孔。这样置于其中的风力机才可以在相同的阻力下，确保逆向旋转，达到预期的效果。下面的支撑面可以由车顶负责实现。

1.2 风力机结构

风力机核心部分是可逆双转子风力机[1]，通过交通工具顶部充足的风力能源产生电能，再利用风扇转动给交通工具带来一定的升力，同时，装置出风口还会产生部分推力。风力机端面结构如图2 所示，永磁凸极内转子如图3 所示，凸极外转子如图4 所示。

图2 风力机端面结构

图3 永磁凸极内转子

图4 凸极外转子（极柱上绕线圈）

2 双转风力发电机的发电原理

2.1 功率估算

一般的风力发电机为转动的转子和不动的定子，计算这种风力发电机机械功率如下。

设风速为v，空气密度为ρ，风力机叶片半径为R，扇叶半径R 在t 时间内承受的空气质量m=ρπR2vt。

扇叶获得的能量为：

所以令这种发电机定子逆向转动，当内外转子异向转动时，相对转动（切割）速度翻倍。速度V 是立方量级，所以发电功率提升近8 倍。

2.2 逆向双转风力机的电气连接

永磁性内转子用钕铁硼磁材B=1.3 T；薄叠硅钢外转子B=1.5 T，与一般发电机一样用铜漆包线缠绕，设计产生的是四相交流电，先将交流电输出为直流电，整流装置设置在外转子壳体上。然后将直流电通过电刷导入交通工具内。整流电路结构如图5 所示。

图5 整流电路结构[3]

3 输出电能估算

基本参数：钕铁硼磁材的磁感应强度B=1.3 T，硅钢片B=1.5 T，取用B=1.3 T。

一个磁极面积ΔS=LH=6 cm×8 cm=0.004 8 m2。

车速：36 km/h=10 m/s，72 km/h=20 m/s，108 km/h=30 m/s。风力叶片直径d=1.5 m，外周长πd=4.71 m。

3.1 车速为36～40 km/h 时

平均掠过一个磁极：

取N=100，则ε=5.288 V。

双转、等速时切割速度翻倍，ε≈10.6 V。

取N=120，则ε=12.7 V。

3.2 车速为50～60 km/h 时

V=13.89～16.66 m/s，按V=14 m/s 计算，则风叶转速为

取N=100，输出电压就可达7.4 V。双转、等速时切割速度翻倍，ε≈14.8 V。

综上所述，每个磁凸极上绕N=80 的D0.8 mm 漆包铜线，便可输出电压12 V 以上，功率不小于1 200 W。相当于一个100 AH 的电瓶。