1-1 研究動機與目的
近二十年來全球的氣候異常與能源價格不斷上漲，已經嚴重影 響到人們的民生生活。因為台灣本身的能源不足，有 95%以上的能 源必須依賴進口，其中又以化石類能源為最大進口量，這對台灣這 個以出口為導向之海島型國家的經濟來說，是有非常大的影響。
最近幾年再生能源，已經成為了世界各國重要的發展項目，我 國政府也把再生能源列為的重大發展項目，因此如何運用再生能源 已經成為了現在最重要的課題。對於較偏遠地區、小型社區以及離 島，在輸電設施不易到達的地方，還是有輸電上的困難，要如何提 供比較低價又有品質穩定的電力，來提升這些區域人民的生活水準，
是一重要的研究課題，而風力發電是目前較成熟，較具應用價值的 發電技術。
雖然國內已逐漸應用風能這種再生能源，但就風力發電機的設 計開發還有許多不足的地方，本文主要研究適合上述輸電困難區域 可以使用的小型垂直軸風力發電之發電機，此發電機為 15kW 的外 轉子永磁發電機，其負載電壓與各種損失的最佳化參數將會是本研 究最主要目的。
1-2 文獻回顧
自從石油危機爆發後，化石燃料發電的成本就不斷攀升，據估 計，到公元 2025 年，全球的電力需求將會超過目前的 265%，這對 傳統化石能源的供應將造成相當大的壓力。目前以核能發電方式的 效能最大，但其投資成本龐大，發電後所產生各種廢料的處理及造 成生態環境之影響難以評估。
在二十一世紀的今天，無污染性的綠色能源科技受到許多國家 的重視，因為目前人類使用的能源有兩種，一為存在地球上之非再 生能源(Non-renewable energy)，如石油、煤爌、天然氣及核能…等，
其使用過程將產生二氧化碳帶來溫室效應，甚至污染空氣與環境 ; 另一種是自地球外來且能夠再生的能源(Renewable energy)，目前具 有發展價值有 : 風、太陽能、地熱、海水溫差; 波浪、潮汐、黑潮 與生質能…等，其中太陽能及風陽的利用與研究最受重視[1]。
能源與氣侯變遷問題是 21 世紀全球必須共同面對的重大挑戰，
臺灣是地球村的一員，自當善盡世界公民的責任，而發展再生能源 為目前各國最重要的因應對策之一。除了太陽能、生質能、水力等 以外，風力發電及海洋能源亦是極龐大而不可忽視之再生能源。我 國為海島型國家，自有能源資源貧乏，99%以上仰賴進口，能源安 全及供應多元化，一直為政府及各界關注之重要課題[2]。
風能基本上是太陽能的另一種形式。當太陽照射地球時，地表 被加熱、而被加熱的地表再將熱量傳遞給在其上的空氣。熱空氣因 密度較小而上升 ; 而熱空氣原來的位置再由冷空氣遞補，因而形成 氣流[3]。
由於地球表面對太陽輻射熱吸收不均勻使大氣壓力不平衡，造 成空氣循環流動現象，即是所謂的風。地球表面空氣因太陽加熱後 膨脹，熱空氣上升，低溫空氣下降，形成一個循環流動，這就是風。
冷熱空氣的壓力梯度大，風力越強。所以風力的能量來自於太陽。
人類藉由風的資源不斷的應用和發展將風力資源應用在人類日 常生活中。農業時代很早就運用在風力取水灌漑，磨碎稻穀，風力 帆船則運用運輸與航海等，近代則用於飛機與風力發電。台灣屬於 亞熱帶地區，日照量充裕，東北季風也相當盛行，在沿海、離島及 高山等地區蘊藏大量的風力，相當適合風力電。
早期的風力發電機具有吵雜、效率低、故障率高與佔地面積大 等缺點。但近年來發電機與電力電子的進步，加上離岸型風力發電 機與航太技術於葉片應用後，使其改善上述缺點，且提高了發電機 的效率，降低相對之成本[4]。
永磁發電機是已使用多年的風力渦輪機。許多小型風力渦輪機製 造商使用直驅永磁發電機。對於風力發電機的設計理念必須包括以下
幾個特點：成本低，重量輕，低轉速，高扭矩，和變速發電。發電機 是容易製造和設計，可以縮放尺寸較大的無重大換裝[5]。
就直流發電機結構而言，其轉子上具有換向器及電刷接觸元件，
而以同步發電機來說，在轉子上的場繞組會使用滑環及電刷接觸性 元件。但這些發電機的結構必須忍受在高速下所造成的磨損及電刷 的接觸性元件所造成的故障等現象，同時直流發電機的換向片間電 弧現象也會造成電磁干擾，嚴重影響到其他的電子、電器設備與操 作問題。因此解決的辨法就是在同步發電機上不採用轉子上的繞組 而改用永久磁石來提供主磁場，同時也可以消除在轉子繞組上的電 力損失。
再加上近年來永磁材料科技的進展迅速，特別是在高性能稀土 磁石方面，由 SmCo(釤鈷)磁石發展到 NdFeB(釹鐵硼)磁石，不僅最 大磁能積(BH)max 提升至 60MGOe 以上，更可大量生產以降低成本。
且由於永久磁石具儲能而不耗能的優點及今日環保及節能意識高漲 之際，永久磁石在應用上有大幅增加的趨勢[6]。
發電機外轉子式的設計，非常適合應用在風力發電系統上。因 製造的方便，許多的研究都選擇了這種配置。然而，在外轉子的設 計上會增加定子與轉子間的氣隙與磁鐵的數量。為了增加額定功率，
勢必磁鐵與繞線也會跟著增大。因此這種外轉子式的設計，是適合
低額定功率的風力發電機，對於多數的發電機，在高、低速比較與 設計上，沒有使用齒輪驅動的多磁極永磁發電機，是比較適合用於 風力發電上[7]。
高性能永磁材料的使用可以降低成本，特別是NdFeB（釹鐵硼）
被研發出來之後，已在最近的二十年讓永磁電動機得到快速發展。例 子是永磁無刷直流電動機，混合動力電動機，永磁同步電動機。這些 電動機內都有使用大小不等的永磁材料，永磁材性可使電動機具有重 量輕，體積小，機械結構簡單，維護方便，可靠性好及高效率的優勢 [8]。
風能是能量密度較低的一種能源，由風能驅動的風力機工作在較 低的轉速，傳統的同步或異步發電機由於極數的限制，需要在風力機 和發電機之間採用增速齒輪提高轉速，直接驅動永磁風力發電機取消 了增速齒輪，因此具有一系列優點，如重量輕、效率高、動態響應快、
安裝方便與維護費用低等[9]。
1996 年 P. La mpola 等 人 對 永 磁 發 機 依 照 其 機 械 結 構 與 運 轉 原 理 分 為 徑 向 式 與 軸 向 式 兩 種，其 中 表 面 型 式 之 永 磁 發 電 機 又 區 分 為 內 轉 子 式 與 外 轉 子 式，但 又 因 表 面 型 式 之 發 電 機 磁 石 因 離 心 力 而 容 易 脫 落，所 以 適 合 於 低 速 的 風 力 發 電 來 使 用 [10]。
外轉子永磁同步風力發電機空載與負載運行時的工作點。對 20kW發電機的實驗証明，這種電機雖然結構簡單，但是可以在較寬 的速度範圍內穩定運行，非常適合於小型偏遠地區和沿海風力資源豐 富的地帶[11]。
與電勵磁同步發電機相比，永磁同步發電機具有結構簡單、運行 可靠、體積小、質量輕、損耗小、效率高、電機的形狀和尺寸可以靈 活多樣等顯著優點。隨著永磁材料性能的不斷提高和完善，特別是釹 鐵硼永磁材料的熱穩定性和耐腐蝕性的改善，價格的逐步降低，以及 電力電子器件的進一步發展，永磁同步發電機在國防、工農業生產和 日常生活等方面獲得了越來越廣泛的應用[12]。
外轉子結構可以使永磁體的極距小和極數增多，也容易安裝。可 製成具有經濟效益的直驅式永磁發電機。在實際的設計中，所有磁鐵 的磁化方向都為徑向，均勻的安裝於轉鼓內圍。雖然發電機在運行時，
磁體受到離心力的作用，但這種作用會使得永磁體與轉子粘的更牢。
由於轉子直接觸外在的自然風因此可以直接使用自然風減少發電機 的溫度。此種簡單的外轉子結構設計也具有重量輕、堅固耐用與容易 被安裝在塔架頂部的優點[13]。
有限元素方法是求解線性和非線性偏微分方程的數值方法。它 是一個可以準確的和強大的設計工具，可以允許不同的材料特性，
將非線性和結構上的細節都考慮進來。該方法基本將機器截面成較 小的有限元素並離散化。使整個機器的磁勢空間變異，將一個非線 性偏微分方程利用麥克斯韋方程來推導結果[14]。
2003年 T. F.C hen等 人 [15]對 交 流 永 磁 發 電 機 的 結 構、特 性 及 分 析 ， 其 轉 子 的 使 用 材 料 為 釹 鐵 硼 ， 因 為 此 轉 子 為 逆 凸 極 式 (inverse rotor saliency)的 轉 子 ， 故 可 使 得 交 軸 電 抗 增 加 ， 可 有 效 改 善 電 壓 調 整 率 。 文 中 使 用 二 維 時 間 (time-stepping) 有 限 元 素 法 來 分 析 無 載 時 的 磁 通 密 度 的 分 佈 ， 由 該 磁 通 密 度 分 佈 的 狀 況 可 證 實 在 定 子 及 轉 子 之 間 的 軟 式 鐵 極 片 (soft-iron pole pieces)可 降 低 轉 子 的 漏 磁 通 。 若 發 電 機 連 接 單 位 功 率 因 數 的 負 載 時 ， 則 可 發 現 氣 隙 磁 通 可 提 升 ， 因 感 應 電 動 勢 也 可 提 高 。 文 中 最 後 再 探 討 在 無 載 及 滿 載 時 ， 相 電 壓 、 線 電 壓 、 線 電 流 的 波 形 ， 由 結 果 可 以 發 現 滿 載 時 的 諧 波 量 較 小 。
2003年 P.Van Tichelen等 人 [16]討 論 關 於 應 用 在 混 合 電 動 車 (hybrid electric vehicles,HEV)之 軸 向 磁 通 量 (axial flux)永 磁 發 電 的 發 展，此 發 電 機 的 時 點 是 堅 固、低 的 重 量 /功 率 比 、 高 效 率 、 可 控 制 的 輸 出 電 壓 和 廣 範 圍 的 操 作 速 度 。 為 了 符 合 上 述 的 特 性 ， 此 永 磁 發 電 機 的 定 子 U形 定 子 繞 組 ， 而 永 久 磁 鐵 也 是 圓 柱 形，此 種 飛 輪 型 式 (flywheel-type)的 發 電 機 的 特 點
是 對 於 系 統 要 求 的 功 率 、 效 率 、 體 積 、 重 量 範 圍 很 廣 、 具 彈
是 對 於 系 統 要 求 的 功 率 、 效 率 、 體 積 、 重 量 範 圍 很 廣 、 具 彈