2-1 前言
發電機與馬達都稱之為電動機，因兩者設計方法與結構相當的 類似，其差別於馬達是由外部供應電能轉換成動能，以產生出轉矩 來帶動負載，然而發電機則恰為相反，利用動能轉換成電能，以外 部所產生之動能來產生轉矩，進而達到發電之效果。因此發電機在 設計時必經過下列幾個重要的步驟:
發電機所需求之額定輸出功率。
發電機主要之尺寸，例如:轉子外徑、定子內徑及高度…等。
發電機內部之細部磁氣，例如:磁石充磁長度、定轉子間氣 隙、齒寬度、軛鐵寬度、槽部尺寸大小、轉子內徑與定子外 徑…等。
發電機電氣相關之參數，例如:線圈匝數…等。
再依此選定之尺寸計算其性能，當輸出之性能無法滿足需求時
，則須對發電機尺寸、材料、電氣等相關參數進行調整，進而達到 發電機設計的目標與需求。
一般而言，在設計發電機時必須依照需求來設計發電之容量、
負載電壓、頻率、轉速、效率、體積等相關條件，並做為設計時重
要的參考依據。
由於發電機的結構與材料是否得當，將對發電機之負載電壓、
各種損失與成本會有很大的關係，因此本章將對發電機之結構與材 料特性作簡單介紹。
2-2 發電機結構
傳統內藏式永磁發電機的結構與外轉式永磁發電機的結構分別 如圖 2-1 與 2-2 所示，其區別在於外轉子發電機的定子是固定於發 電機的中心，而轉子是圍繞著內定子在旋轉。整個發電機結構的關 鍵部份是在於轉子。永磁鐵沿著圓周之徑向均勻的裝置在轉子內側，
在發電機運轉時，永磁鐵受到離心力作用，使其向外壓迫，進而使 永磁鐵本身更為牢固的結合在轉子內圓。當轉子在外的形式時，發 電機本身的冷卻效果會比傳統的內轉子式發電機來得更好。這種風 力用的外轉子永磁發電機在其結構上，有下列的幾個優點:
驅動發電機的葉片可以直接安裝在發電機的外殼上，發電機與 葉片之間不須要有其它的傳動裝置，使風能可以充份的被利 用。
傳統的永磁發電機之永磁鐵均安裝於內轉子上，為了能讓發電 機在低速運轉時的輸出頻率正常，在設計時永磁鐵之極數要較
多，相對的轉子與定子直徑會比較大，成本也比較高。然而在 永磁發電機中，外轉子形式相對於傳統內轉子形式發電機之直 徑來的較大，多個磁極結構也比較容易，在效率上會較高，成 本上會降低。
風力用外轉子發電機其結構簡單，也不須要有傳動裝置，所以 在製造時，可省下傳動之費用，進而降低成本。
由於外轉子形式之發電機，其轉動慣量較大，在強風或降風的 情形之下，發電機也可以正常與平穩的運轉。
圖 2-1 內藏式永磁發電機結構[6]
圖 2-2 外轉式永磁發電機結構
2-3 發電機材料特性介紹
永磁發電機最要的重點於永磁體的特性，本章節將對永磁體的 特性與種類進行簡單的介紹。
2-3-1 永磁材料的主要性能和磁滯徊線
永磁材料(Permanent magnet material)的磁性能可以用一些磁參 數表示，如剩餘磁感應強度 Br、矯頑力 Hc、最大磁能積(BH)max等，
這些參數由退磁曲線決定，而退磁曲線是磁滯徊線的一部份，為了 說明這些參數，首先從磁滯徊線形成過程開始。
在直角坐標系中，作 B-H 曲線，初始狀態從原點開始，逐漸增 加外界磁場強度 H 值，則磁感應強度 B 值由 O 點沿著曲線 OA 上升，
當磁性材料中 B 值到達 A 點時，B 值達到飽和值，磁性材料被完全 磁化，OA 曲線被稱為初始磁化曲線。這時如果逐漸減少外界磁場強
度 H 值，則磁感應強度 B 值將隨之下降，但磁感應強度 B 值按另一 曲線 AC 下降，當 H 值下降為零時，永磁體中 B 值並不會為零，而 等於 OC，對應 Br值則稱為剩餘磁感應強度。如果此時改變 H 值方 向，在負方向上增加 H 值，則 B 值繼續下降，當 H 值下降到 Hc值 時，B 值降為零，此時的 Hc值稱為矯頑力。繼續負方向上增加 H 值，
B 值變為負值，逐漸增加到反方向飽和點 E 點，再在 H 值負方向上
減少 H 值到零，並在正方向上增加 H 值，則 B 值從負值逐步減少到 零後又在正方向上增加，最後達到飽和點 A 點，此曲線如圖 2-3 所 示，由圖可見，隨著 H 值的反覆變化，B 值將沿著 ACDEFGA 變化，
所構成的閉合曲線稱為磁滯徊線，磁滯徊線要經過 2 或 3 次反覆磁 化才能完全重合。磁滯徊線反映了磁性材料的許多特性，掌握永磁 材料的磁滯徊線對應用永磁材料是十分重要的[26]。
2-3-2 退磁曲線和永磁材料的磁參數
永磁體的磁特性是當它被外界磁場磁化後，即使除掉外界磁場，
在永磁體周圍仍然保留著一個恆定磁場，永磁體本身還可以對外提 供磁能，此時永磁體本身將受到一個退磁磁場作用，該退磁磁場與 原來的外界磁場相反，因而永磁體工作點的位置將在磁滯徊線的第 二象限部份上，即在退磁曲線上，如圖 2-4 所示，圖中，曲線 1、2 分別表示非線性與線性退磁曲線。圖中永磁體實際工作點用 P1、(P2) 來表示，永磁材料的磁能均可用退磁曲線上的物理量表示，如永磁 體剩餘磁感應強度 Br、矯頑力 Hc、永磁體實際工作時提供的磁感 應強度 BP1 (BP2)與磁場強度 HP1 (HP2)及永磁體的磁能積(BH)[26]。
圖 2-4 退磁曲線(1、2)及磁能積曲線(3、4)
剩餘磁感應強度 Br 及永磁體磁感應強度 Bm
永磁體被充磁至飽和後，假設去掉外界磁場後永磁體仍有磁場 存在，永磁體具有的磁感應強度稱為剩餘磁感強度 Br，其單位 用特斯拉(T)表示。在永磁電機的磁路中，由於有磁性材料本身 的磁阻及電機氣隙的存在而存在磁位降，這對永磁體來說，相 當於產生一個反向磁場，這就是使永磁體的工作點由 Br 點下降 至 P1或 P2點，而 P1或 P2點所對應的 B 值變為永磁體的工作點 BP1或 BP2，一般稱 BP1或 BP2為永磁體磁感強度[26]。
矯頑力 Hc、內稟矯頑力 mHc 及飽和磁場強度 Hs
永磁材料在反向磁場作用下，當剩餘磁感應強度 Br 下降到零時，
此時磁場強度稱為磁感應矯頑力，可用 BHc 表示，一般簡稱為 矯頑力 Hc，單位用 A/m 表示。另外還有一個是磁化強度 M 下 降為零，即已經完全失磁的磁場強度值，稱內禀矯頑力，用 mHc 表示，單位也是 A/m，實際上此矯頑力才是真的矯頑力，但對 於鋁鎳鈷永磁材料，兩者差異很小，而對於釹鐵硼等稀土材料，
兩者差異很大。永磁材料被完全磁化所需要的外界磁場強度，
稱為飽和磁場強度，用 Hs 表示，單位也是 A/m，不同的永磁材 料，飽和磁場強度大不相同，鋁鎳鈷永磁材料和鐵氧體永磁材 料的飽和磁場強度是矯頑力的 3~6 倍; 而稀土永磁材料的飽和
磁場強大約是矯頑力的 2~3 倍[26]。
磁能積和最大磁能積
磁能積是指永磁體退磁曲線上每一點所對應的磁感應強度 B 值 與磁場強度 H 值乘積(BH)稱為磁能積，其單位為 J/m3，如圖 2-3 所示，圖中，曲線 3、4 表示之。它表明永磁體內部儲存能量的 大小。由於退磁曲線上各點位置不同，其(BH)值也不同，通常 把(BH)值最大的位置用(BH)max 表示，稱為最大磁能積。在永 磁電機設計時，總希望把永磁材料的工作點設計在最大磁能積 的地方，因為這樣才能把永磁體的磁能積利用得最充份[26]。
2-4 發電機材料的種類
永磁發電機之材料主要為兩種，第一種為永磁材料，第二種為 鐵心材料。特別是在永磁材料，一般又把永磁材料為三類，這三類 也在本章節作個簡單的說明。
這兩種材料對永磁發電機來說是最主要的材料，不管在輸出之 性能與效率都有非常大的關係，故本章節對這兩種材料作個簡單的 介紹。
2-4-1 鐵氧體永磁材料
鋇鐵氧體(BaO．6Fe2O3)和鍶鐵氧體(SrO．6Fe2O3)，鍶鐵氧體 Hc 值 略高於鋇鐵氧體，鐵氧體不含貴金屬而價格低價，製造工藝簡單。
使用時不需要進行穩磁處理，因而在一般小功率永磁電機中應用最 廣。但鐵氧體最大的缺點是剩餘磁感應強度低，最大磁能積小，因 而在設計時使用材料較多，電機體積大。其次，剩餘磁感應強度溫 度係數 αBr和矯頑力溫度係數 αHc大，特別應指出的是，αHc為正值，
即矯頑力隨溫度升高而增大，隨溫度下降而減小，所以是需要進行 低溫時最大去磁工作點的核算，以防止在低溫時產生不可逆磁現象。
再者，鐵氧體永磁材料硬脆，可加工性差，只能用軟質砂輪進行磨 削加工[26]。
2-4-2 鋁鎳鈷永磁材料
鋁鎳鈷(AlNiCo)永磁材料是於 20 世紀 30 年代研制成功的，由 於它的磁性能好，溫度係數小，因而取得廣泛應用。60 年代以後。
隨著鐵氧體永磁材料與稀土永磁材料相繼問世，鋁鎳鈷永磁材料逐 步被取代，所占比重逐步下降。
按製造工藝不同，鋁鎳鈷永磁材料可分為鑄造成型和粉末燒結 成型兩種，鑄造成型磁性好，粉末燒結成型工藝簡單，在永磁電機 中常用的是鑄造成型。這種材料剩餘磁感應強度最高達 1.35T，且溫
度係數小，目前仍被廣泛應用在高精度的儀器儀表的永磁電機中。
但是鋁鎳鈷永磁材料也有它的缺點，首先鋁鎳鈷永磁材料矯頑力低，
為了避免造成不可逆退磁和磁通分布畸形，在設計時一定要合理選 擇工作點，在使用時避免和鐵磁性物質接觸。其次，它退磁曲線成 非線性，因而和徊覆曲線不重合，在設計時除合理設計工作點外，
還必對永磁材料進行穩磁處理，可加工性差，即加工成型比較困難 [26]。
2-4-3 稀土永磁材料
稀土永磁材料與釹鐵硼(NdFeB)永磁材料分別為不同類型的稀 土永磁材料，它們都是高剩餘磁感應強度、高矯頑力及及高磁能積
稀土永磁材料與釹鐵硼(NdFeB)永磁材料分別為不同類型的稀 土永磁材料，它們都是高剩餘磁感應強度、高矯頑力及及高磁能積