エアギャップ発電機の製作

風力発電を自作しようとした時、一番最初に考える事。

「発電機は、どうしたら良いか？」

市販されている発電機の中で一番入手しやすいものといえば、自転車用ハブダイナモ。
確かに自転車用ハブダイナモなら、新品でも３０００円ほどで購入できます。わずか６Ｖ（交流）-２．４Ｗの出力でも、上手く風を拾う事さえ出来れば、低回転からでもバッテリーに充電する事も可能です。
耐久性、耐水性の面でも自転車で実証済みですからまったく問題はありません。

しかし、「もうちょっと上」を目指したいと思うと、その「もうちょっと上」の発電機がなかなか見つからないんです。

そこで、手作り派がみんな作っているエアギャップ発電機を製作する事にします。

●材料取り


まず図面を書きます。
作った発電機が２０ｃｍの鍋に入るように設計！

実は、入れ物は何でも良いのですが風力発電１号機の発電機完成後、発電機を収めるものが見つからず、１ヶ月以上ホームセンター廻りをしていた事がありました。意外に適当な物が見つからなかったんです。
発電機のケースとして適しているものは、ＦＲＰなど絶縁材を使ったものが良いらしいのですが・・・
電気系は度素人なものでよくわかりません。ただ何となく静電気を帯びるプラスチックは如何なものか？（根拠はない）
また、ホームセンターで見かける容器は、ＰＰ樹脂（ポリプロピレン）を使っているものが多く、ＰＰ樹脂は太陽光を1年以上浴びると、手で砕けてしまうくらいの風化が進みます。風化したＰＰ樹脂は、嫌な臭いを発するのでとても使う気にはなれませんでした。
僕の場合、１号機からアルミ鍋を使い始め、特には問題がなかった為（比較するものが無いので解らない）それ以来アルミ鍋をケースとして使っています。

では、製作開始です。
まず最初に、発電機の本体部品を切り出していきます。

右画像のように、躯体となる３ｍｍ厚のアルミ板が２枚（前・後）
ローター板２枚（ｔ３．２ｍｍ鋼板を研磨仕上げで２．２ｍｍへ）
ローター板に取り付けるマグネットガイド２枚（４ｍｍシナベニヤ）
ステータ用台座１枚（４ｍｍシナベニヤ）

他、組み付け部品は市販品を利用しました


●ローター

ローター板に取り付けるマグネットガイドを防水を兼ねて塗装します。

研磨でそりの修正と軽量化をした鋼板にエポキシ樹脂系接着剤でマグネットガイドを固定し、世界最強のネオジム磁石をＮ・Ｓ・Ｎ・Ｓと交互に接着していきます。

注：接着固定の終了したローター板２枚は絶対近付けないよう注意して下さい。なにせ世界最強のネオジム磁石ですから誤ってくっつけてしまったら、離す事は容易ではありません。下手をすると作り替えの恐れもあります。（※組立てまでは、新聞紙を厚めに重ね２枚をくっ付けておきます。外す時は横にスライドすれば外れます。）
この時使用するネオジム磁石は、僕が作る殆どの発電機にφ１５×ｔ５を使用します。（1号機はφ１７．５×ｔ５／貰ったもの）
ネオジム磁石の値段は、大きければ大きいほど、厚ければ厚いほど、磁力も強く、値段も高くなります。そんな中、たぶん一番の売れ筋なのか、このサイズが磁力の割には一番安く購入する事が出来るからです。
それと、コイルを巻く際に、巻き始めの内径はマグネットより大きくしなければいけませんから、マグネットの径が大きくなればなるほど、コイル内径も大きくなり、同じ巻き数なら、コイルの入るスペースも沢山必要になってきます。そんな訳で、φ１５×ｔ５の選定となりました。因みに、購入時の価格は１個１６０円くらいでした。

●ステーター

左は、完成したステーターです。
ローターの所でも説明したように、使用するネオジム磁石の径よりコイル内径が大きくなるように、縦・長手方向は１８ｍｍ（上下＋１．５ｍｍ）から巻き始めました。

使う銅線はホルマル線（ポリエステルエナメル線）でφ０．４５とφ０．６を使用して発電機特性により使い分けています。

コイルは、線径が太ければ太いほど大きな電流が、巻き数が多ければ多いほど高い電圧が生まれます。

同じスペースにコイルを埋め込む場合の特徴としては、

１．線径が太い（２に対し）と巻き数が少い　⇒　高速回転型

低速回転では電圧が上がらず、バッテリー充電電圧には至らない。
充電電圧に達した後は、２にくらべ充電電流は大きくなる。

２．線径が細い（１に対し）と巻き数が多い　⇒　低速回転型

低速回転からバッテリーに充電開始する。
１が充電する回転数で比較すると、充電電流は小さい。

それでは、線径の細い方が低速から高速まで安定して充電されるはず！
だったら、パワーを無視しても細い線径を選択した方がベストだ、と思って１号機には迷わずφ０．４５のコイルを使用しました。
手作り風力発電１号機　１５．５Ｖ×３Ａ　⇒　４６．５Ｗ（実）
これに習って２号機もφ０．４５でコイル作成。ついでに余ったφ０．６も使って予備を作ってみた。


テストしていくうちに、φ０．４５コイルに欠陥が・・・

１０００回転　・　１１００回転　・　１２００回転と回転数を上げていくとφ０．４５コイル使用のステータが発熱し始め、最後にはダイオードがパンクしてしまいました。（手で触れないくらいの発熱）
そんな訳で、今ではφ０．４５コイルは多翼型で立ち上がりが早く、回転が上がらない風車向けとして、φ０．６コイルは強風の時に活躍するハイパワー型として使い分けをしています。

コイルを巻く時には、右画像の巻き治具を使います。プラスチック樹脂を削って、押さえ板には３０ｃｍの物差しを削って作りました。
巻き幅にもちょっとした工夫があるんですが画像では解りませんよね。　
たとえば、φ０．４５のホルマル線の仕上がり直径はφ０．５１（被服部含）あります。
４ｍｍのステータ板に収める為には、巻き始め一段目に７回巻くとして、きっちり巻くと０．５１×７＝幅３．５７ｍｍとなります。しかし２段目の一回目には、ホルマル線が１段目の７回目と６回目の間（谷）に乗ってしまい、２段目は６回しか巻けない計算となります。そこで、２段目以降も７回ずつ巻ける様ホルマル線の半径分０．２２５を足して、巻き冶具幅３．８２５＋余裕スペースで３．９ｍｍとしました。
そこまで、遣る必要があるかどうかは別として、風力発電１号機のコイル一個１２０回巻きから３号機用コイル１３６回巻きが生まれたわけです。

ステータ板も防水性と耐久性を高める為、塗装をしておきます。
巻き上がったコイルをなるべく膨らまない様、１～２個づつ押さえながらエポキシ樹脂系接着剤で固定していきます。

この発電機の名前である「エアギャップ」は、このステータ板の厚み次第で能力が変わってしまいます。いかに薄く、そりがなく作るかがこの発電機の最大のポイントです。
ですから、エアギャップ発電機の一番重要かつ時間の掛かる作業なんです。



　　■　組立て　

３ｍｍ厚のアルミ板に、６角支柱とステータ調整用ボルト・ナットを固定します。
中心には、ベアリングホルダーセットを固定し、シャフトを立ち上げておきます。

※６角支柱・ボルト・ナットはステンレス製（ローターには強力な磁気が発生してる為）
スチール製の６角支柱やボルトを使用するとコギングの原因になります。

                                            
   ↓　ステンレス製のシャフト

ローターをセットカラーに固定し
中心のシャフトに固定します。

セットカラー（自作品）⇒

次に、ステータを先に付けておいたボルト・ナットで上下位置を調整し固定。２枚目のローターを冶具を使いゆっくり下げていきます。
画像には見えませんが、１枚目のローターと２枚目のローターの間にこれ以上近づかないようにアルミ（ステンレスワッシャーでも可）のスペーサーが入っています。

★慎重にローターのギャップを詰めていかないとステータを挟んで壊してしまうことがあります。２枚目のローターをゆっくり下げる冶具等を用意しないと難しい作業になってしまいます。

後は、３ｍｍ厚アルミ板に２個目のベアリングホルダーセットを固定し、ボルトで固定して終了となります。





★　追記：コイルの配線　　　　　　　　　　　

左が三相交流の配線。２個飛びでコイルを繋いでいきます。
それぞれ最後のコイルの出口を短絡して終わります。

右が単相交流の接続です。コイルを直列に繋ぎます。

僕の持つ風力発電の本には、三相交流の方が効率が良いと書いてあリました。素直な僕は何も考えずこの方法で発電機接続を行っています。