Research Paper Received 4 March 2017
การออกแบบและทดสอบสมรรถนะทางเทคนิคของเครื>องกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวร แบบสองโรเตอร์สามสเตเตอร์สําหรับกังหันนํKาแบบไหลขวาง
Design and Performance Testing of Two rotors Three Stators Permanent Magnet Generator for Cross Flow Turbine
อัศวเทพ สารปิน1 วรจักร์ เมืองใจ2 และ ธีระศักดิZ สมศักดิZ2,*
1คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนา อ.เมือง จ.เชียงใหม่ 52200
2วิทยาลัยเทคโนโลยีและสหวิทยาการ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนา อ.ดอยสะเก็ด จ.เชียงใหม่ 50300 Assawathep Sanpin1, Worrajak Muangjai2 and Teerasak Somsak2,*
1Faculty of Engineering, Rajamangala University of Technology Lanna, Chiangmai, 52200
2College of Integrated Science and Technology,
Rajamangala University of Technology Lanna, Chiangmai, 50300 บทคัดย่อ
การออกแบบและทดสอบเครืGองกําเนิดไฟฟ้าหมุนตามแนวแกนแบบแม่เหล็กถาวรชนิด 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์สําหรับกังหันนํMาแบบไหลขวางสําหรับแหล่งนํMาทีGมีหัวนํMาสุทธิอยู่ในช่วง 3-5 เมตร อัตราการไหล 7-20 ลิตรต่อวินาที ในพืMนทีGทีGระบบสายส่งปกติเข้าไม่ถึงหรือพืMนทีGห่างไกล ได้ออกแบบขนาดของเครืGองกําเนิดไฟฟ้า แบบแม่เหล็กถาวรทีGพิกัด 600 วัตต์ ทีG 500 รอบต่อนาที 3 เฟส 17 โวลท์ มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.3 เมตร ประกอบด้วย สเตเตอร์ 2 ชุดและโรเตอร์ 3 ชุดโดยชุดเสเตเตอร์ประกอบด้วยขดลวดสเตเตอร์ขนาด 17 AWG จํานวน 6 ขด ในแต่ละขดพันขดลวดจํานวน 140 รอบวางตามแนวรัศมีต่อขดลวดแบบอนุกรมจํานวน 3 คู่ และ หล่อทับด้วยเรซิGนสําหรับจับยึดกับโครงสร้าง สําหรับแผ่นโรเตอร์ประกอบด้วย 3 ชุดโดยวางลักษณะสลับกับชุด โรเตอร์ให้ตําแหน่งของแม่เหล็กตัดแผ่นขดลวดทัMงสอง ข้างของสเตเตอร์ สําหรับแผ่นโรเตอร์ตรงกลางระหว่าง แผ่นสเตเตอร์ทําจากเหล็กแผ่นหนา 12 มิลลิเมตรและเซาะร่องสําหรับวางแม่เหล็กถาวรโดยแม่เหล็กถาวรทีGเป็น ชนิดนิโอดิเมียมมีค่าความเข้มของสนามแม่เหล็ก 200 มิลลิเทสลา และทําการทดสอบสมรรถนะทางเทคนิคภายใน ห้องปฏิบัติการจากผลการทดสอบพบว่าความสัมพันธ์ระหว่างแรงบิดกับกําลังไฟฟ้าทีGผลิตได้ของเครืGองกําเนิด ไฟฟ้ากรณี 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์ ทีGต่อขดลวดแบบสตาร์และเดลต้าทุกความเร็วรอบ ตัMงแต่ 200-600 รอบต่อนาที
นัMนเมืGอแรงบิดเพิGมสูงขึMนจะให้กําลังไฟฟ้าเพิGมขึMนเมืGอเทียบกับเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบ 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์
สําหรับประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้าของเครืGองกําเนิดทีGการต่อทัMงสองแบบอยู่ในช่วง 30-50% ในส่วนความสัมพันธ์ของกระแสและแรงดันทีGผลิตได้นัMนเป็นประโยชน์สําหรับการออกแบบอุปกรณ์
แหล่งนํMาทีGมีการปรับเปลีGยนตามฤดูกาล เครืGองกําเนิดไฟฟ้าชนิดนีMสามารถนําไปประยุกต์ใช้กับระบบผลิตไฟฟ้าทีG ต้องการ ความเร็วรอบตํGาเช่นกังหันลมได้
คําสําคัญ: เครืGองกําเนิดไฟฟ้าหมุนตามแนวแกน, กังหันนํMา, แม่เหล็กถาวร, นิโอดิเมียม Abstract
This project describes the development of a permanent magnet generator type 2 stators 3 rotors with cross flow turbine at total head range 3-5 meter and 7-20 liter per second for remote area.
The generator had a rated power 600 Watt, 500 round per minute and 3 phase 17 Volt. The diameter has 0.3 meter with 2 stator and 3 rotors. The copper winding AWG 17 was used to make a form with 140 rounds per coil and 6 coils per stator. The resin has been applied to stator structure and neodymium permanent magnet at 200 mT. The genertor has been tested under testrig in labolatory to find out the eletricle parameters. The results found that the relation of torque and power generated of 2 stators 3 rotors permanet magnet generator with internal coil wiring in star and delta with various speed 200 to 600 round per minute is higher than the 1 stator 2 rotors. The conversion energy of mechanical power to electrical power is around 30-50% within rage of testing. In order to development the scheme of converter and battery management, this experiment results in term of current and voltage is not only utilized for the devoloping converter to receive the energy at various seasoning but also applied to the low speed source of energy application such as wind generator.
Keywords: axial generator, hydro turbine, permanent magnet, neodymium
1. บทนํา
การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานทดแทน ในพืMนทีGซึGงอยู่นอกเขตบริการของการไฟฟ้าส่วนภูมิภาคในภาคเหนือ ส่วนใหญ่เป็นชุมชนชนบทบนพืMนทีGสูง ปัจจุบันชุมชนส่วนใหญ่มีระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์เป็น หลัก ข้อจํากัดของชุมชนบนพืMนทีGสูงคือลักษณะภูมิประเทศ และภูมิอากาศ ทีGไม่เอืMอต่อการผลิตไฟฟ้าด้วยพลังงาน แสงอาทิตย์ เช่น แผงโซลาร์เซลล์ถูกบังเงาจากภูเขาหรือเมฆหมอก ประกอบกับการมีช่วงฤดูฝนทีGยาวนาน ปัญหา เหล่านีMส่งผลต่อชัGวโมงการรับแสงของแผงเซลล์ทําให้ปริมาณการผลิตไฟฟ้าไม่เพียงพอ พลังงานนํMาจึงเป็นแหล่ง พลังงานทางเลือกอีกแหล่งหนึGงทีGควรนํามาพิจารณา เนืGองจากทรัพยากรนํMาบริเวณชุมชนบนพืMนทีGสูงหลายแหล่งมี
ศักยภาพเพียงพอสําหรับการติดตัMงเครืGองกําเนิดไฟฟ้าขนาดจิmวแต่ในพืMนทีGมักมีความหลากหลายทางด้านภูมิ
ในช่วงประมาณ 3-5 เมตร อัตราการไหล 7-20 ลิตรต่อวินาที ดังนัMนกังหันนํMาทีGมีความเร็วรอบไม่สูงมากจึงเป็น ทางเลือกสําหรับการนํามาใช้งาน เนืGองจากความเร็วรอบของกังหันขึMนอยู่กับหัวนํMาสุทธิและเพืGอให้เหมาะสมกับ การการผลิตไฟฟ้า เครืGองกําเนิดไฟฟ้าจึงต้องเป็นเครืGองทีGอาศัยความเร็วรอบทีGตํGาเพืGอลดการสูญเสียทางกล เมืGอมี
การปรับหรือเพิGมรอบของเครืGองกําเนิดไฟฟ้าด้วยเช่นกัน
การพัฒนาเครืGองกําเนิดไฟฟ้าหรือไดนาโมได้ถูกประดิษฐ์ขีMนโดยชาว ไมเคิล ฟาราเดย์ ในปี ค.ศ. 1821 ด้วยการใช้เส้นแรงแม่เหล็กตัดกับขดลวด เรียกกระแสไฟฟ้าทีGเกิดขึMนว่า กระแสไฟฟ้าเหนีGยวนํา (Induced current) โดยกระแสไฟฟ้าเหนีGยวนําจะเกิดก็ต่อเมืGอมีการเคลืGอนทีGตัดกันของสนามแม่เหล็กกับขดลวดเท่านัMน ถ้าหยุด เคลืGอนทีGกระแสไฟฟ้าก็หายไปและมีแนวคิดทีGจะให้กระแสไฟฟ้าไหลอยู่ตลอดเวลาจึงหมุนขดลวดตัดกับ สนามแม่เหล็กตลอดเวลาเกิดสิGงประดิษฐ์ทีGเรียกว่าไดนาโมหรือเครืGองกําเนิดไฟฟ้าในเวลาต่อมา [1] ด้วยหลักการ นีMทางคณะทํางานได้ ได้ออกแบบสร้างเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบ Permanent Magnet Generator (PMG) โดยเครืGอง กําเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร (Permanent magnet Generator) มีอยู่ 2 แบบด้วยกันคือ เครืGองกําเนิดไฟฟ้าชนิดแม่เหล็ก ถาวรตามแนวแกน (Axial flux Generator) และ เครืGองกําเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรตามแนวรัศมี (Radius flux Generator ) [3-7] โดยแล้วเครืGองกําเนิดทัMง 2 ชนิดนีMถูกพัฒนา มานานมากกว่า 150 ปีแล้ว แต่ในทีGนีMจะกล่าวถึง เครืGองกําเนิดไฟฟ้าชนิดแม่เหล็กถาวรตามแนวแกน (Axial flux Generator) ซึGงส่วนใหญ่จะถูกนํามาใช้ เป็นเครืGอง กําเนิดไฟฟ้าขนาดเล็ก (Micro Generator) เนืGองมาจากเครืGองกําเนิดชนิดนีM ถ้าเป็นเครืGองกําเนิดขนาดใหญ่จะถูก จํากัดด้วยในเรืGองของโครงสร้างทีGยุ่งยากและมีปัญหาในด้านความร้อนเกิดขึMนกระจายขดลวดอาเมเจอร์ (Armature Windings) [8-10] และอีกประเด็นถ้าทําเป็นขนาดเล็กแล้ว เครืGองกําเนิดชนิดนีMจะสร้างขึMนได้ง่ายมีประสิทธิภาพ พอเหมาะกับการใช้งานในการผลิตพลังงานไฟฟ้าในพืMนทีGห่างไกลทีGไม่มีไฟฟ้าใช้ทีGมีอยู่เป็นจํานวนมากเนืGองจาก อยู่ในพืMนทีGทีGเป็นภูเขา และเครืGองกําเนิดไฟฟ้าชนิดนีMยังสามารถประยุกต์ใช้เป็นเครืGองกําเนิดไฟฟ้าพลังงานนํMา ขนาดเล็กได้ ส่วนใหญ่ในปัจจุบันมีการสร้างเครืGองกําเนิดชนิดนีMเพืGอนําเอากระแสไฟฟ้าไปประจุเก็บไว้ใน แบตเตอรีGและยังเป็นทีGนิยมใช้งานสําหรับระบบกังหันลม [11-13]
ดังนัMนในงานวิจัยนีMจึงมีความสนใจทีGจะพัฒนาเครืGองกําเนิดไฟฟ้าชนิดแม่เหล็กถาวรตามแนวแกน (Axial flux Generator) พัฒนาโดยการเพิGม โรเตอร์ และ สเตเตอร์ จากเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรชนิด 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์ และเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรชนิด 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์ โดยทําการทดสอบ ประสิทธิภาพของเครืGองกําเนิดไฟฟ้าทางไฟฟ้าสําหรับการการประยุกต์ใช้งานแหล่งนํMาทีGมีหัวนํMาสุทธิอยู่ในช่วง 1- 3 เมตร และมี อัตราการไหลประมาณ 10 – 20 ลิตร/วินาที ทีGเหมาะสมกับกังหันนํMาแบบไหลขวางในพืMนทีGห่างไกล 2. การออกแบบเครื>องกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรแบบหมุนตามแนวแกน
ในส่วนนีMจะกล่าวถึงเรืGองการคํานวณการออกแบบเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรชนิด 3 โรเตอร์ 2 สเตเตอร์ ขัMนตอนการดําเนินในการสร้างเครืGองกําเนิดไฟฟ้า การออกแบบส่วนทีGเคลืGอนทีG การออกแบบส่วนทีGอยู่
กับทีGและ การสร้างโครงสําหรับจับยึดเครืGองกําเนิดไฟฟ้าสําหรับการทดลองในห้องปฏิบัติการ
2.1 การออกแบบเครื>องกําเนิดทางไฟฟ้า 2.1.1 แรงเคลืGอนไฟฟ้าเหนีGยวนํา
การเปลีGยนแปลงสนามแม่เหล็กตามเวลาหรือสนามแม่เหล็กไดนามิกส์ หมายถึงการตัดผ่านระหว่าง แม่เหล็กและตัวนําทีGความเร็วหนึGงย่อมทําให้เกิดแรงเคลืGอนไฟฟ้าเหนีGยวนํา Electromotive Force (emf ) เป็น โวลท์ แรงเคลืGอนไฟฟ้าเหนีGยวนําก็คือแหล่งทีGทําให้เกิดกระแสไฟฟ้า โดยสามารถหาได้จากสมการดังต่อไปนีM
emf d dt
= − φ
(1)
เมืGอตัวนําดังกล่าวมี N รอบ จะได้สมการของ emf ใหม่ดังนีM
emf N d dt
= − φ
(2)
เมืGอ dφ = ฟลักซ์แม่เหล็กทีGเปลีGยนแปลง
dt = เวลาทีGใช้ในการเปลีGยนแปลง ฟลักซ์แม่เหล็ก N = จํานวนรอบของขดลวด
จากสมการกําหนดให้มีค่าเป็นลบ หมายความว่า emf ทีGเกิดขึMนได้สร้างสนามแม่เหล็กใหม่ มีทิศทาง ตรงกันข้ามกับทิศทางของสนามแม่เหล็กเดิมทีGทําให้สนามแม่เหล็กในวงจรลดลง
รูปทีG 1 แรงเคลืGอนไฟฟ้าเหนีGยวนําจากการเคลืGอนตัวนําตัดฟลักซ์แม่เหล็ก จากรูปทีG 1 เมืGอเคลืGอนตัวนําไปทางขวา ฟลักซ์แม่เหล็กทีGพุ่งผ่านเส้นลวด คือ
AB ( )lx B φ= =
(3)
จาก e d Bldx Blvdt
dt dt dt
= − φ = − = −
e= −Blv (4)
เมืGอ e คือ แรงเคลืGอนไฟฟ้าเหนีGยวนํา (V)
B คือความหนาแน่นของสนามแม่เหล็ก (Wb/m2) v คือ ความเร็ว(m/s)
l คือ ความยาวของขดลวดตัวนํา (m)
กรณีนีMเป็นกรณีทีGลวดตัวนําเคลืGอนทีGตัMงฉากกับสนามแม่เหล็ก หากลวดตัวนําเคลืGอนทีGโดยมีทิศการ เคลืGอนทีGทํามุมθ ใดๆ กับทิศสนามแม่เหล็ก แรงเคลืGอนไ ฟฟ้าเหนีGยวนําสามารถแสดงได้ดังสมการทีG 5
e= −Blvsinθ
(5) เมืGอθ คือ มุมระหว่างทิศทางและความเร็วทีGทํากับทิศของสนามแม่เหล็กแรงเคลืGอนไฟฟ้าเหนีGยวนํานีMทําให้เกิด การไหลของกระแสไฟฟ้า( )I ขึMนในวงจร สามารถแสดงได้ดังสมการทีG 6
e Blv I= R= R
(6)
เมืGอ R คือ ความต้านทานของขดลวด
เมืGอเกิดกระแสไฟฟ้าเหนีGยวนําในเส้นลวดทําให้เกิดแรงต้านเกิดขึMนในตัวนํากระทําต่อขดลวด มีทิศ ทางตรงข้ามกับการเคลืGอนทีGของลวดตัวนํา แรงนีMสามารถแสดงได้ดังสมการทีG 7
B l v2 2
F IlB
= = R
(7)
เมืGอแรงบิดทีGเกิดขึMนในตัวนํา สามารถแสดงได้ดังสมการทีG 8
τ =BIlr
(8) ค่ากระแสไฟฟ้าทีGต้องการนําไปใช้งาน สามารถแสดงได้ดังสมการทีG 9
I Blr
= τ
(9)
เมืGอ τคือ แรงบิด (N-m)
I คือ กระแสไฟฟ้าทีGเกิดในขดลวดตัวนํา (A) r คือ รัศมีของรูปทรงกระบอก (m)
2.1.2 การคํานวณหาประสิทธิภาพของเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวร จากสมการทีG 10 สามารถหาค่าของกําลังงานทางกลด้านขาเข้าได้ดังนีM
in app m
P =τ ω
(10) เมืGอ Pin คือ กําลังทางกลขาเข้า มีหน่วยเป็นวัตต์
τappคือ แรงบิดทางกลของเครืGองกําเนิดไฟฟ้า มีหน่วยเป็นนิวตันเมตร ωm คือ ความเร็วเชิงมุมทางกล มีหน่วยเป็นเรเดียนต่อวินาที
ประสิทธิภาพของเครืGองกําเนิดไฟฟ้าหาได้จากสมการ
out 100%
in
P η= P ×
(11)
เมืGอ Pout คือกําลังไฟฟ้าขาออก มีหน่วยเป็นวัตต์
Pin คือกําลังไฟฟ้าขาเข้า มีหน่วยเป็นวัตต์
2.1.3 พารามิเตอร์สําหรับการออกแบบ
ค่าพารามิเตอร์ทีGได้จากการออกแบบ (ดังตารางทีG 1) จะนําไปสร้างเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวร ชนิด 3 โรเตอร์ 2 สเตเตอร์ แบบหมุนตามแนวแกน
ตารางทีG 1 ตัวแปร สมการและพารามิเตอร์สําหรับการออกแบบ
ตัวแปร สมการ พารามิเตอร์
1) คํานวณหาอัตราเร็ว( )v ในการ หมุนของโรเตอร์
กําหนด ความเร็วรอบ 500 รอบ ต่อนาที และมีระยะห่างระหว่าง ขัMวแม่เหล็ก 0.24 เมตร คํานวณหา อัตราเร็วในการหมุนของโรเตอร์
v = 60 πDn
เมืGอ
D= ระยะห่างระหว่างขัMวแม่เหล็ก ( )m
n = จํานวนรอบต่อนาที (rpm)
6.28 m s/
ตารางทีG 1 ตัวแปร สมการและพารามิเตอร์สําหรับการออกแบบ (ต่อ)
ตัวแปร สมการ พารามิเตอร์
2) คํานวณหาความยาวของขดลวด ( )l1 ต่อเฟส
กํา ห น ด แ ร ง เ ค ลืG อ น ไ ฟ ฟ้ า เหนีGยวนํา 17 โวลท์ อัตราเร็วในการ หมุนของโรเตอร์ 6.28 เมตรต่อนาที
ความเข้มของสนามแม่เหล็กทีGวัดได้
อยู่ทีG 0.2 เทสลา คํานวณหาความยาว ของขดลวดต่อเฟส ในสมาการ
l1 = e vB
เมืGอ
e = แรงเคลืGอนไฟฟ้าเหนีGยวนํา( )V
v = อัตราเร็วในการหมุนของโรเตอร์
(m s/ )
B = ความเข้มของสนามแม่เหล็ก ( )T
13.54 m
3) คํานวณหาความยาวของขดลวด ( )l2 ต่อขด
กําหนดให้มีขดลวดจํานวน 9 ขด เนืGองจากเป็นเครืGองกําเนิดไฟฟ้า 3 เฟส จึงทําให้มีขดลวดจํานวน 3 ชุดๆ ละ 2 ขด
l2 =
1
l1
n
เมืGอ
n1= จํานวนขดลวดต่อเฟส
6.77 m
4) คํานวณหาจํานวนรอบต่อขด( )n กําหนด แม่เหล็กถาวรมี
พืMนทีGหน้าตัด 0.05 เมตร
n = l2 A
เมืGอ
A = พืMนทีGหน้าตัดของแม่เหล็ก( )m
136ร อ บ ห รื อ ≈ 140 รอบ
5) คํานวณหาแรงบิด( )τ
กําหนด เครืGองกําเนิดไฟฟ้ามี
กําลังไฟฟ้า 300 วัตต์
τ = P
ω =2 60 P
πn× N m.
เมืGอ
P = กําลังไฟฟ้า( )W
n = จํานวนรอบต่อนาที(rpm)
5.73 .N m
6) คํานวณหากระแส( )I เพืGอเลือก
ขนาดของขดลวด I =
P e เมืGอ
P = กําลังไฟฟ้า( )W
emf = แรงเคลืGอนไฟฟ้าเหนีGยวนํา( )V
17.65 A
เลือกใช้ขดลวดเบอร์
17 A.W.G. ทน กระแสได้ 19 A
2.2 การออกแบบเครื>องกําเนิดทางไฟฟ้าทางกล
ในส่วนนีMจะกล่าวถึงเรืGองการคํานวณการออกแบบเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวร ชนิด 3 โรเตอร์ 2 สเตเตอร์ ขัMนตอนการดําเนินในการสร้างเครืGองกําเนิดไฟฟ้า การออกแบบส่วนทีGเคลืGอนทีG การ ออกแบบส่วนทีGอยู่กับทีGและ การสร้างโครงสําหรับจับยึดเครืGองกําเนิดไฟฟ้าสําหรับการทดลองในห้องปฏิบัติการ โดยการออกแบบและสร้างเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรจะแบ่งออกเป็น 3 ส่วนด้วยกันคือส่วนทีGเคลืGอนทีG หรือทีGเรียกว่าโรเตอร์ ส่วนทีGอยู่กับทีGหรือทีGเรียกว่าสเตเตอร์และโครงสร้างสําหรับการจับยึดเครืGองกําเนิดไฟฟ้า สําหรับการทดสอบในห้องปฏิบัติการกันดังรูปทีG 2
รูปทีG 2 โครงสร้างของเครืGองกําเนิดไฟฟ้า 2.2.1 การออกแบบส่วนทีGเคลืGอนทีGหรือโรเตอร์
ส่วนทีGเคลืGอนทีGหรือโรเตอร์จะมีอยู่ด้วยกัน 3 ส่วน คือ ส่วนตรงกลาง และ ส่วนข้างทัMง 2 ข้าง ในส่วนของ โรเตอร์ด้านข้างทัMง 2 ข้าง จะถูกออกแบบโดยใช้จานดิสเบรกของรถยนต์ทีGมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 280 มิลลิเมตร ทําการกลึงปาดหน้าในส่วนทีGต้องการวางแม่เหล็กเพืGอให้หน้าสัมผัสมีความเรียบเสมอกัน และกลึงปลอกแกนจับ สําหรับจับยึดกับแกนเพลาซึGงแกนเพลามีขนาด 1 นิMว 1 หุน ดังรูปทีG 3(ก) ขัMนต่อไปทําการกลึงจานดิสเบรกให้เป็น ร่องโดยวัดจากขอบ 14 มิลลิเมตร แล้วทําการกลึงเป็นร่องลึกลงไป 10 มิลลิเมตร มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 266 มิลลิเมตร ดังรูปทีG 3(ข) เพืGอวางแม่เหล็กถาวรขนาด กว้าง 25 มิลลิเมตร ยาว 50 มิลลิเมตร สูง 10 มิลลิเมตร จํานวน 8 ก้อน โดยจะวางสลับขัMวกันเป็นมุม 45 องศา แล้วทําการหล่อเรซิGนทับลงไป เพืGอให้แม่เหล็กยึดติดกับตัว โรเตอร์ ดังรูปทีG 3(ค)
(ก) ลักษณะของโรเตอร์ (ข) ลักษณะของโรเตอร์ทีGกลึงเสร็จ (ค) ลักษณะการวางขัMวแม่เหล็ก รูปทีG 3 การออกแบบโรเตอร์ด้านข้าง
ในส่วนของโรเตอร์ตรงกลางจะออกแบบโดยการกลึงเหล็กแผ่นหนา 12 มิลลิเมตร ให้เป็นวงกลมขนาด เส้นผ่านศูนย์กลาง 280 มิลลิเมตร แล้วทําการกลึงปาดหน้าแผ่นเหล็กให้มีความเรียบเสมอกัน และให้เหลือขนาด ความหนา 10 มิลลิเมตร ดังรูปทีG 4(ก) แล้วทําการกลึงปลอกแกนจับสําหรับจับยึดกับเพลาขนาด 1นิMว 1 หุนแล้ว เชืGอมแกนจับเพลาเข้ากันแผ่นเหล็กดังรูปทีG 4(ข) และวางแม่เหล็กถาวรลงไป ด้านละ 8 ก้อน โดยวางสลับขัMวกัน เป็นมุม 45 องศาแล้วทําการหล่อเรซิGนทับลงไป เพืGอให้แม่เหล็กยึดติดกับตัวโรเตอร์ ดังรูปทีG 4(ค)
(ก) การออกแบบโรเตอร์ (ข) ลักษณะของโรเตอร์ (ค) การวางขัMวแม่เหล็ก รูปทีG 4 แสดงการออกแบบโรเตอร์ตรงกลาง
2.2.2 การออกแบบส่วนทีGอยู่กับทีGหรือสเตเตอร์
ในส่วนแรกจะออกแบบฟร์อมในการพันขดลวดโดยขนาดของขดลวดจะขึMนอยู่กับขนาดของแม่เหล็กทีGใช้
ซึGงแม่เหล็กทีGใช้มีขนาดกว้าง 25 มิลลิเมตร ยาว 50 มิลลิเมตร ดังนัMนช่องว่างของขดลวดจึงเท่ากับขนาดของ
A.W.G ในการพันขดลวดจํานวน 6 ขด แต่ละขดจะพัน 140 รอบ เท่าๆกัน ดังรูปทีG 5 (ก) และวางขดลวดแต่ละขด เป็นมุม 60 องศา ในแต่ละเฟสจะมีขดลวดต่ออนุกรมกัน 2 ขดต่อหนึGงเฟสโดยแต่ละเฟสจะต่ออนุกรมกับขดทีGอยู่
ตรงข้ามกัน ดังรูปทีG 5 (ข) แล้วทําการหล่อเรซิGนทับลงไปเพืGอยึดติดกับโครงสร้างดังรูปทีG 5 (ค)
(ก) การออกแบบขดลวด (ข) ลักษณะการวางขดลวด (ค) หล่อเรซิGนทีGสเตเตอร์
รูปทีG 5 การสร้างสเตเตอร์
2.2.3 การออกแบบโครงสร้างของเครืGองกําเนิดไฟฟ้า
โครงสร้างนีMทํามาจากเหล็กฉากขนาด 1นิMว แล้วเชืGอมต่อกันเป็นโครงสร้างทีGมี ขนาด กว้าง 32 นิMว ยาว 44 นิMว สูง 32 นิMว โครงสร้างนีMสร้างขึMนมาเพืGอยึดติดกับตัวโรเตอร์ และ สเตเตอร์ดังรูปทีG 6 โดยโครงสร้างนีMได้ถูก ออกแบบให้มีขนาดเหมาะสมกับชุดทดสอบในห้องปฏิบัติการเพืGอสะดวกในการประกอบกับตัวต้นกําลังใน ห้องปฏิบัติการ
รูปทีG 6 การออกแบบโครงสร้างเครืGองกําเนิดไฟฟ้า
3. การทดสอบเครื>องกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรหมุนตามแนวแกนในห้องปฏิบัติการ
การทดสอบเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรหมุนตามแนวแกนได้ทดสอบหาค่าพารามิเตอร์ทาง ไฟฟ้าเพืGอนําไปประยุกต์ใช้กับกังหันนํMาแบบไหลขวางในพืMนทีGแหล่งนํMามีหัวนํMาสุทธิไม่สูงมากนัก อยู่ในช่วง ประมาณ 3-5 เมตร อัตราการไหล 7-20 ลิตรต่อวินาทีนัMนได้ออกแบบการทดสอบในห้องปฏิบัติมีลักษณะการวาง อุปกรณ์และวงจรการต่อดังรูปทีG 7 และวงจรการต่อขดลวดภายในของเครืGองกําเนิดแสดงดังตารางทีG 2
การออกแบบการทดสอบได้อ้างอิงการทดสอบคุณลักษณะของเครืGองกําเนิดไฟฟ้าระดับห้องปฏิบัติการ และการต่อวงจรการทดสอบนัMนได้ออกแบบให้ตรงกับการนําไปใช้ประโยชน์โดยระบบทีGผลิตไฟฟ้าได้จะถูก นําไปประจุแบตเตอรีGผ่านวงจรเรียงกระแส (Rectifier Circuit) ทีGมีคุณสมบัติในการแปลงสัญญาณกระแสสลับให้
กลายเป็นสัญญาณไฟฟ้ากระแสตรง โดยจะต่อขดลวดของเครืGองกําเนิดไฟฟ้าเป็นสองแบบคือแบบสตาร์และ เดลต้าเนืGองจากจะมีผลของความสัมพันธ์ของลักษณะกระแส แรงดันกับความเร็วรอบ แรงบิดโดยผลการ ทดสอบทีGได้จะนําไปพิจารณาความเหมาะสมของวิธีการต่อและขนาดของแบตเตอรีG โดยในทีGนีMไม่พิจารณาเรืGอง คุณภาพไฟฟ้าทีGผลิตได้เพราะลักษณะการใช้งานของระบบเป็นแบบอิสระทีGไม่ได้เชืGอมต่อกับระบบสายส่งปกติ
รูปทีG 7 การทดสอบเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบหมุนตามแนวแกนบนแท่นทดสอบระดับห้องปฏิบัติการณ์
ลําดับ ลักษณะการต่อขดลวด วงจรการต่อ 1 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์ต่อ
ขดลวดวงจรแบบสตาร์
2 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์ต่อ ขดลวดวงจรแบบสตาร์
3 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์ต่อ ขดลวดวงจรแบบเดลต้า
4 2 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์ต่อ ขดลวดวงจรแบบเดลต้า
4. ผลการทดลอง
ทางคณะทํางานได้ทดสอบเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบเม่เหล็กถาวรชนิดหมุนตามแนวแกนแบบ 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์ และแบบ 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์ โดยทัMงสองแบบต่อวงจรขดลวดแบบสตาร์และเดลต้า ดังตารางทีG 2 และมี
ผลการทดลองดังรูปทีG 8 – 12 โดยมีรายละเอียดดังต่อไปนีM
จากรูปทีG 8 และ 9 คือผลการทดสอบจากการหาความสัมพันธ์ของกําลังไฟฟ้าด้านกระแสสลับทีGเครืGอง กําเนิดไฟฟ้าฯ ผลิตได้และแรงบิดด้านอินพุทของเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรชนิดหมุนตามแนวแกน แบบ 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์ และแบบ 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์ ทีGต่อวงจรขดลวดแบบสตาร์และเดลต้า โดยปรับ
ความเร็วรอบของการหมุนทีG 200, 300, 400, 500 และ 600 รอบต่อนาทีพบว่าเมืGอให้แรงบิดด้านอินพุทเพิGมสูงขึMน จะให้กําลังไฟฟ้าของเครืGองกําเนิดแบบ 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์เพิGมขึMนเมืGอเทียบกับเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบ 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์ประมาณสองเท่า ทัMงนีMเมืGอพิจารณาค่ากําลังไฟฟ้าทีGออกแบบพิกัด 300 วัตต์ทีGความเร็ว 500 รอบ ต่อนาทีของเครืGองกําเนิดแบบ 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์กับผลการทดลองนัMนกรณีทีGต่อขดลวดแบบเดลต้าได้
กําลังไฟฟ้าเท่ากับ 290 วัตต์และกรณีทีGต่อขดลวดแบบสตาร์ได้กําลังไฟฟ้าเท่ากับ 194 วัตต์ทีG ณ ทีGขนาดแรงบิด 6.2 นิวตันเมตรเท่ากัน สําหรับเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบ 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์ถ้าต่อขดลวดต่อสตาร์ ได้กําลังไฟฟ้า ทีGผลิตได้สูงสุดทีG 370 วัตต์ ทีGแรงบิด 11.6 นิวตันเมตร และถ้าต่อขดลวดต่อแบบเดลต้าได้กําลังไฟฟ้าทีGผลิตได้
สูงสุดทีG 520 วัตต์ ทีGแรงบิด 9.2 นิวตันเมตรตามลําดับ
ด้านความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพการเปลีGยนพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงสําหรับการ ใช้งานนัMนพบว่าเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบ 1 สเตเตอร์ 2 และเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบ 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์ทีGต่อ ขดลวดแบบสตาร์และเดลต้าประสิทธิภาพอยู่ในช่วง 30-50% แสดงดังรูปทีG 10
รูปทีG 8 เครืGองกําเนิดไฟฟ้าทีGประกอบด้วย 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์ ต่อแบบสตาร์
0 100 200 300 400 500 600
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Power (W)
Torque (N-m)
200 rpm@1S2R
300 rpm@1S2R400 rpm@1S2R 500 rpm@1S2R
600 rpm@1S2R
600 rpm@2S3R
500 rpm@2S3R
400 rpm@2S3R 300 rpm@2S3R 200 rpm@2S3R
1S2R = 1 Stator 2 Rotor 2S3R = 2 Stator 3 Rotor
รูปทีG 9 เครืGองกําเนิดไฟฟ้าทีGประกอบด้วย 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์ ต่อแบบเดลต้า
รูปทีG 10 ความสัมพันธ์ระหว่างประสิทธิภาพของระบบและความเร็วรอบทีGการต่อวงจรภายในแบบต่างๆ 0
100 200 300 400 500 600
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Power (W)
Torque (N-m)
200 rpm@1S2R
300 rpm@1S2R400 rpm@1S2R 500 rpm@1S2R
600 rpm@1S2R 500 rpm@2S3R
400 rpm@2S3R 300 rpm@2S3R
200 rpm@2S3R 1S2R = 1 Stator 2 Rotor
2S3R = 2 Stator 3 Rotor
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
200 300 400 500 600
System efficiency (%)
rpm
1S2R-Star 2S3R-Star 1S2R-Delta 2S3R-Delta
รูปทีG 11 ความสัมพันธ์ของกระแสและแรงดันของเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรทีGต่อวงจรภายในเป็นแบบ เดลต้าแบบ 1 โรเตอร์ 2 สเตเตอร์และ 3 โรเตอร์ 2 สเตเตอร์
รูปทีG 12 ความสัมพันธ์ของกระแสและแรงดันของเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรทีGต่อวงจรภายในเป็นแบบ เดลต้าแบบ 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์ และ 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0 10 20 30 40 50 60
PMG Current (A)
PMG Voltage (V)
200-SI 300-SI 400-SI 500-SI 600-SI 200-SII 300-SII 400-SII 500-SII 600-SII
0 5 10 15 20 25
0 10 20 30 40
PMG Current (A)
PMG Voltage (V)
200-DI 300-DI 400-DI 500-DI 600-DI 200-DII 300-DII 400-DII 500-DII 600-DII
ภายในเป็นเดลต้าและสตาร์ชนิด 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์ และ 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์ ดังรูปทีG 11 และ 12 นัMน พบว่า สามารถใช้ประโยชน์จากกราฟทัMงสองสําหรับหาความสัมพันธ์ของกระแสและแรงดันเพืGอรองรับการออกแบบ ระบบประจุแบตเตอรีG ระบบแปรผันพลังงานและการต่อวงจรแบตเตอรีGทีGเหมาะสมเป็นต้น อีกทัMงยังเป็น ประโยชน์ของการดึงพลังงานทีGผลิตได้จากเครืGองกําเนิดไฟฟ้าให้ครอบคลุมทุกความเร็วรอบหรือแปรเปลีGยนของ แหล่งนํMาทีGมีการปรับเปลีGยนตามฤดูกาล
5. สรุป
ในงานวิจัยนีM ได้ออกแบบและสร้างเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวรเพืGอทําการทดสอบสมรรถนะทาง เทคนิคของเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กชนิดหมุนตามแนวแกนแบบ 1 สเตเตอร์ 2 โรเตอร์ และแบบ 2 สเตเตอร์ 3 โรเตอร์ ทีGต่อวงจรขดลวดแบบสตาร์และเดลต้า โดยปรับความเร็วรอบของการหมุนทีG 200, 300, 400, 500 และ 600 รอบต่อนาที ได้ทดสอบในห้องปฏิบัติการณ์เครืGองกลไฟฟ้าหาค่าพารามิเตอร์ทางไฟฟ้า
เมืGอพิจารณาปัจจัยทางเทคนิคทีGมีผลกระทบของการผลิตพลังงานของเครืGองกําเนิดไฟฟ้าแม่เหล็กถาวร ใน รูปแบบต่างๆเช่น ลักษณะการต่อขดลวดภายใน การแปรเปลีGยนพลังงานทางกลเป็นไฟฟ้า ผลของตําแหน่งติดตัMง ระยะห่างของช่องอากาศทีGส่งผลต่อแรงเครืGองเหนีGยวนําไฟฟ้า ค่าความเข้มของแม่เหล็กถาวร และการทดสอบ ภาคสนามโดยค่าทีGทดสอบได้นีMจะนําไปสู่การปรับปรุงให้มีประโยชน์ทางวิชาการทีGสามารถทํางานได้จริงทัMงนีM ข้อมูลจากการทดสอบสามารถเป็นข้อมูลพืMนฐานใช้ในการคํานวณทางคณิตศาสตร์ด้วยการหาค่าสภาวะทีG เหมาะสมของกําลังไฟฟ้าทีGผลิตได้กับประสิทธิภาพ และการวิเคราะห์ทางเศรษฐศาสตร์ทีGจะได้ดําเนินการต่อไป ในอนาคต
6. กิตติกรรมประกาศ
คณะทํางานขอขอบคุณมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนาทีGสนับสนุนทุนวิจัยประปีงบประมาณ 2559 และขอขอบคุณ ศูนย์ความร่วมมือมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรีและมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี
ราชมงคลล้านนาเพืGอมูลนิธิโครงการหลวงและกิจกรรมวิชาการทีGเอืMอเฟืMอข้อมูลความต้องการในพืMนทีG และ ขอขอบคุณคณะทํางานกลุ่มวิจัยระบบพลังงานสะอาด มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนาทีGสนับสนุน เครืGองมืออุปกรณ์การทดสอบ
เอกสารอ้างอิง
[1] A.E. Fitzgerald, Jr. C. Kingsley and S.D. Umas. Electric Machinery, UK: McGraw-Hill, 1990, pp. 95-132.
[2] บัลลังค์ เนียมมณีและสุขสันติ หวังสถิตย์วงษ์. เครืGองจักรกลไฟฟ้ากระแสสลับ. กรุงเทพฯ, มหาวิทยาลัย
[3] ดุสิต สูรย์ราช. ทฤษฎีมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ.กรุงเทพฯ, ศูนย์ส่งเสริมวิชาการ, 2550, หน้า. 1-30 [4] ไชยหาญ หินเกิด. เครืGองกลไฟฟ้า 1. กรุงเทพฯ, สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี (ไทย-ญีGปุ่น), 2537, หน้า. 1-40 [5] P. Anpalahan and M. Lamperth, “Design of multi-stack axial flux permanent magnet generator for a hybrid
electric vehicle,” presented at Vehicle Power and Propulsion Conference, 2006. VPPC '06. IEEE, 2006.
[6] T. F. Chan, W. Wang and L. L. Lai, “Magnetic Field in a Transverse- and Axial-Flux Permanent Magnet Synchronous Generator From 3-D FEA,” in IEEE Transactions on Magnetics, vol. 48, no. 2, 2012, pp.
1055-1058.
[7] J. M. Davila-Vilchis and R. S. Mishra, “Performance of a hydrokinetic energy system using an axial-flux permanent magnet generator,” Energy, vol. 65, 2014, pp. 631-638.
[8] G. Ahmad and U. Amin, “Design, construction and study of small scale vertical axis wind turbine based on a magnetically levitated axial flux permanent magnet generator,” Renewable Energy, vol. 101, 2017, pp.
286-292.
[9] W. Fei, P. C. K. Luk and K. Jinupun, “Design and analysis of high-speed coreless axial flux permanent magnet generator with circular magnets and coils,” in IET Electric Power Applications, vol. 4, no. 9, 2010, pp. 739-747.
[10] L. Soderlund, A. Koski, H. Vihriala, J. T. Eriksson and R. Perala, “Design of an axial flux permanent magnet wind power generator,” 1997 Eighth International Conference on Electrical Machines and Drives (Conf. Publ. No. 444), Cambridge, 1997, pp. 224-228.
[11] J. R. Bumby and R. Martin, “Axial-flux permanent-magnet air-cored generator for small-scale wind turbines,” Electric Power Applications, IEE Proceedings -, vol. 152, 2005, pp. 1065-1075.
[12] B. J. Chalmers and E. Spooner, "An axial-flux permanent-magnet generator for a gearless wind energy system," in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 14, no. 2, 1999, pp. 251-257.
[13] G. C. Lee and T. U. Jung, “Design of dual structural axial flux permanent magnet generator for small wind turbine,” IEEE 2013 Tencon - Spring, Sydney, NSW, 2013, pp. 90-94.
