基于“一種特殊的車載風力饋電裝置”的發電機設計
——逆向雙轉風力發電機

王鵬興，馬 騁，李建紅

（1.太原理工大學 現代科技學院，山西 太原030024；2.山西澤清鑫新能源科技有限公司，山西 太原030024）

1 結構及設計思路

車（交通工具）載風力饋電的實現，首先取決于置于交通工具頂部的特殊結構的風力機殼體的構形。

1.1 裝置外形圖

裝置外形如圖1 所示。

圖1 裝置外形

圓筒形空間直徑約1.5 m，外高不超過20 cm，內置轉向相反的風力機葉片，由二圓板與外圓柱組成兩個空腔，矩形為前進風孔，橢圓形為后出風孔。這樣置于其中的風力機才可以在相同的阻力下，確保逆向旋轉，達到預期的效果。下面的支撐面可以由車頂負責實現。

1.2 風力機結構

風力機核心部分是可逆雙轉子風力機[1]，通過交通工具頂部充足的風力能源產生電能，再利用風扇轉動給交通工具帶來一定的升力，同時，裝置出風口還會產生部分推力。風力機端面結構如圖2 所示，永磁凸極內轉子如圖3 所示，凸極外轉子如圖4 所示。

圖2 風力機端面結構

圖3 永磁凸極內轉子

圖4 凸極外轉子（極柱上繞線圈）

2 雙轉風力發電機的發電原理

2.1 功率估算

一般的風力發電機為轉動的轉子和不動的定子，計算這種風力發電機機械功率如下。

設風速為v，空氣密度為ρ，風力機葉片半徑為R，扇葉半徑R 在t 時間內承受的空氣質量m=ρπR2vt。

扇葉獲得的能量為：

所以令這種發電機定子逆向轉動，當內外轉子異向轉動時，相對轉動（切割）速度翻倍。速度V 是立方量級，所以發電功率提升近8 倍。

2.2 逆向雙轉風力機的電氣連接

永磁性內轉子用釹鐵硼磁材B=1.3 T；薄疊硅鋼外轉子B=1.5 T，與一般發電機一樣用銅漆包線纏繞，設計產生的是四相交流電，先將交流電輸出為直流電，整流裝置設置在外轉子殼體上。然后將直流電通過電刷導入交通工具內。整流電路結構如圖5 所示。

圖5 整流電路結構[3]

3 輸出電能估算

基本參數：釹鐵硼磁材的磁感應強度B=1.3 T，硅鋼片B=1.5 T，取用B=1.3 T。

一個磁極面積ΔS=LH=6 cm×8 cm=0.004 8 m2。

車速：36 km/h=10 m/s，72 km/h=20 m/s，108 km/h=30 m/s。風力葉片直徑d=1.5 m，外周長πd=4.71 m。

3.1 車速為36～40 km/h 時

平均掠過一個磁極：

取N=100，則ε=5.288 V。

雙轉、等速時切割速度翻倍，ε≈10.6 V。

取N=120，則ε=12.7 V。

3.2 車速為50～60 km/h 時

V=13.89～16.66 m/s，按V=14 m/s 計算，則風葉轉速為

取N=100，輸出電壓就可達7.4 V。雙轉、等速時切割速度翻倍，ε≈14.8 V。

綜上所述，每個磁凸極上繞N=80 的D0.8 mm 漆包銅線，便可輸出電壓12 V 以上，功率不小于1 200 W。相當于一個100 AH 的電瓶。