Для умелых рук

В статье приведены конструкция и технология изготовления экспериментального генератора, которые могут быть полезны для практического изготовления рабочих генераторов большой мощности, а сам генератор может использоваться для экспериментального определения конструктивных параметров генератора с целью получения необходимой максимальной мощности .

В ВЭУ используются генераторы как с вертикальным, так и с горизонтальным расположением вала. Наиболее простыми и экологически приемлемыми являются тихоходные ВЭУ с вертикальным валом, напрямую связанным с генератором. Естественно, на малых оборотах требуется более объемный и дорогой генератор, но это окупается простотой и долговечностью всей конструкции.

Для увеличения э.д.с. генератора можно увеличить линейную скорость движения магнитных полюсов, не изменяя их количества, путем увеличения диаметров ротора и статора.

Конструкция генератора для ВЭУ

В общих чертах, генератор состоит из двух вращающихся стальных дисков с магнитами (рис.1), между которыми неподвижно установлен статор с катушками. Математический расчет таких генераторов довольно сложный по ряду причин, указанных в [1]. Оптимальный зазор между магнитами полюсов, параметры и количество катушек статора,

Рис.1

размеры и количество магнитов позволяют получить необходимую мощность генератора при заданной среднесуточной скорости ветра. Основная задача при проектировании генератора состоит в определении количества и объема магнитов, оптимальной величины зазора, размеров катушки, диаметра провода и количества витков.

Цели разработки экспериментального генератора

Основные рекомендации по конструированию таких генераторов и ориентировочное определение возможностей магнитов простыми приспособлениями даны в [1]. Для более точных измерений, отработки конструкции и технологии изготовления рабочих генераторов был разработан и изготовлен экспериментальный генератор на неодимовых магнитах диаметром 20 мм и толщиной 5 мм в соответствии с рекомендациями [1]. Генератор приводится в движение с помощью ременной передачи двигателем постоянного тока, что позволяет регулировать его обороты. Генератор снабжен устройством увеличения магнитного зазора для экспериментов. При увеличении этого зазора уменьшается противодействующая сила э.д.с. статора, и двигатель увеличивает обороты до неизвестной величины при том же напряжении питания. Для получения достоверных данных эксперименты необходимо производить на одних и тех же оборотах.

Для решения этого вопроса на ротор генератора установлен стробоскопический диск с определенным количеством меток К_м, освещаемый неоновой лампочкой или обычной ЛДС (рис.2). При частоте сети 50 Гц лампочка будет мигать 100 раз в секунду или 6000 раз в минуту. При оборотах диска, кратных количеству нанесенных меток, они принимают видимое неподвижное положение (рис.3). Количество оборотов диска в минуту определяется по формуле N=6000/K_M. Обороты ротора экспериментального генератора для опытов должны создавать такую же линейную скорость движения полюсов, как и у проектируемого генератора. Например, при диаметре ротора 300 мм, который должен вращаться со скоростью 200 об/мин, ротор экспериментального генератора

Рис.2

диаметром 100 мм должен вращаться со скоростью 600 об/мин. Количество меток на диске при этом должно быть равно 10.

Конструкция авторского варианта генератора показана на рис.3. Генератор трехфазный и состоит из восьмиполюсного ротора и шести катушек статора, которые подключены к выходным клеммам и могут включаться по схеме «звезда» или «треугольник». Для экспериментов генератор включен по схеме «звезда» и выведен на традиционный трехфазный мостовой выпрямитель, собранный на диодах типа КД213А.

Конструкция ротора экспериментального генератора

В качестве ротора применены однотипные стальные маховики диаметром 104 мм от магнитофонов, на которых закреплены магниты (рис.4). Нижний маховик вместе со штатным стаканом, в котором он вращается, установлен на основании генератора из фанеры размерами 230x230 мм и толщиной 12 мм. Верхний маховик снят со своего ведущего вала и надет на вал нижнего маховика. На вал нижнего маховика установлены ограничительные шайбы диаметром 34 мм для обеспечения исходного магнитного зазора между полюсами (рис.5). Из опыта, минимальный зазор выбирают не менее 10 мм. С учетом толщины магнитов и двух дисков фиксации магнитов из стеклотекстолита толщиной 1 мм суммар-

Рис.3

ная толщина ограничительных дисков рана 18 мм. Следует отметить, что ограничительные диски могут быть и стальными, что создаст дополнительную магнитную цепь между магнитами каждого полюса. Для исключения смещения магнитов под действием центробежной силы обычно их крепят на дисках эпоксидным клеем, но при этом обеспечить их точную установку может быть проблематично, так как в процессе полимеризации клея они могут сместиться под действием сил взаимного притяжения.

В случае необходимости, замена магнитов в таких конструкциях связана с определенными трудностями. Неодимовые магниты хрупкие и могут повредиться при демонтаже.

Рис. 4

Для решения этих проблем были изготовлены диски из стеклотекстолита с точно вырезанными отверстиями для установки и фиксации магнитов без клея (рис.4, рис.5). Раздвинуть диски ротора вручную для увеличения магнитного зазора, даже с такими небольшими магнитами, практически невозможно из-за их сильного взаимного притяжения. Для выполнения этой операции изготовлено приспособление, на котором также закреплен стробоскопический круг с десятью метками (рис.6). Магниты устанавливают на маховики в процессе сборки, когда будут готовы все узлы. В первую очередь необходимо на основании генератора закрепить окончательно отрегулированный и смазанный нижний маховик в сборе. Маховик установлен симметрично боковым сторонам основания, а расстояние от его центра до дальнего края равно 70 мм. Для устойчивости и удобства в работе основание снабжено ножками. Верхний маховик с магнитами устанавливают после изготовления и закрепления статора на основании.

Конструкция статора генератора

Статор имеет разъемную конструкцию, позволяющую извлекать его для регламентных работ, модернизации или замены новым статором без разборки ротора. Обе части каркаса статора выполнены из фанеры размерами 170x85 мм и толщиной 8 мм, в которых точно вырезаны отверстия для катушек и ограничительных дисков.

Рис.5

Для этого обе части стыкуют и закрепляют на технологической подложке из тонкой фанеры. На них накладывают чертеж и шилом размечают центры всех отверстий, после чего в них сверлят вначале тонкие отверстия, а затем отверстия под приспособление для окончательной вырезки отверстий в дереве. Отверстия для катушек вырезают отдельно в каждой части каркаса, а центральное отверстие для ограничительных дисков вырезают в состыкованных частях на подложке (рис.6 в [1]). Все отверстия имеют диаметр 38 мм.

1- круг с метками, 2 - диск пластмассовый,  3-болт, 4 - втулка, 6- ротор, 7 - вал генератора Рис.6

Для крепления статора к основанию изготавливают две деревянные рейки длиной 170 мм и шириной 20 мм. Высота реек определяется расстоянием от основания до верхней плоскости нижнего маховика, «плюс» толщина магнита и 1 мм зазора между полюсом и статором. Обе части каркасов статора точно стыкуют и крепят к рейкам шурупами (всего 8 шт.). Для крепления каркаса к основанию между этими шурупами посередине тела реек сверлят четыре сквозных отверстий по диаметру шурупов (всего 4 шт.), например, диаметром 4 мм. На вал нижнего маховика в сборе устанавливают ограничительные диски. Каркас устанавливают на основании, центрируют относительно ограничительных дисков, плотно прижимают и сверлом диметром 4 мм вручную намечают центры отверстий для шурупов в основании. Каркас снимают, но не разбирают, а в основании сверлят отверстия диаметром 2 мм для шурупов крепления каркаса. Для свободного снятия половинок статора головки этих шурупов необходимо утопить в рейки. Ранее просверленные сквозные отверстия рассверливают до диаметра головок шурупов на глубину примерно до середины тела рейки. После этого каркас крепят к основанию, половинки каркаса снимают с реек для дальнейшего монтажа катушек статора, а рейки остаются на основании.

Катушки статора имеют наружный диаметр 37,5 мм и толщину 8 мм. Внутреннее отверстие имеет диаметр около 20 мм. Катушки намотаны проводом ПЭВ-2-0,51 и имеют около 300 витков каждая. Витки при намотке не считали, а измеряли диаметр катушки штангенциркулем, чтобы они с минимальным зазором входили в отверстия каркаса статора. Тем не менее, при измерении всех катушек после намотки разброс их индуктивностей не превысил 2%. Каркас для намотки катушек состоит из двух фанерных дисков диаметром 50 мм и толщиной 8 мм, полиэтиленовых шайб и центральной втулки диаметром 18 мм и толщиной 8 мм. Полиэтиленовые шайбы (из крышек для стеклянных банок) необходимы для предотвращения приклеивания витков катушки к дискам. Перед намоткой провода на центральную втулку наматывают 2 витка прокладочной бумаги. Для быстрого скрепления витков катушки применен клей «APLAIS» (жидкий гвоздь), наносимый точечно с помощью ручного пневматического пистолета. После полного высыхания клея «APLAIS» катушки вклеивают эпоксидным клеем в отверстия каркаса, полностью заполняя щели между каркасом и катушками с обеих сторон.

Через 4 ч после полимеризации эпоксиднопэ клея на каркасы устанавливают контактные стойки из винтов М 2,5 для перемычек между половинками статора и выводов генератора. Выводы катушек соединяют согласно монтажной схеме, показанной на рис.13 в [1]. Пересекающиеся проводники пропускают с другой стороны каркаса (на схеме показаны пунктиром). После этой операции каркасы полностью покрывают тонким слоем эпоксидного клея для закрепления соединительных проводников, головок винтов и обеспечения влагостойкости статора.

Сборка узлов генератора

Полную сборку генератора производят в следующей последовательности:

1    - на нижний маховик устанавливают диск фиксации магнитов и ограничительные шайбы;

2    - в отверстия диска фиксации устанавливают промаркированные магниты;

3    - на верхний маховик устанавливают диск фиксации и магниты;

4    - прижимая диск фиксации к маховику, равномерно без перекоса маховик устанавливают на вал до упора в ограничительные шайбы (при этом магниты сами установят маховик в нужном порадке);

5    - поочередно вставляют в зазор между магнитами половинки статора и закрепляют шурупами;

6    - выводы катушек обеих половинок статора соединяют перемычками, а выходные клеммы соединяют в «звезду»;

7    - на свободном месте приклеивают диоды трехфазного выпрямителя и подключают к выходным клеммам статора

8 - на верхнем маховике устанавливают приспособление для регулировки величины магнитного зазора со стробоскопическим диском согласно рис. (в начальном положении болт 3 не должен упираться в вал генератора).

Рис. 7

Сразу должен отметить, что для экспериментов достаточно одной катушки из нескольких секций разной толщины, которые нужно добавлять при увеличении магнитного зазора. Конструкция экспериментального генератора приведена не только для опытов, но и для наглядности более рациональной технологии изготовления рабочих генераторов. Электрические параметры данного генератора можно использовать для ориентировочного расчета рабочих генераторов. Известен объем магнитов, количество полюсов, количество катушек и витков (300 витков одной катушки имеют индуктивность 2,1 мГн), диаметр провода, величина магнитного зазора 10 мм, напряжение постоянного тока 30 В при 600 об/мин ротора на лампочке 28 В мощностью 10 Вт. Форма напряжения генератора близка к синусоидальной, что свидетельствует о правильном геометрическом соотношении размеров ротора и статора (рис.7).

Рекомендации по подготовке к практическим экспериментам

Для проведения практических экспериментов при конструировании генераторов рекомендую следующее:

1.    Изыскать два стальных диска или маховика от катушечных магнитофонов.

2.    Диски временно закрепить на вале ступицы, предназначенной для рабочего генератора, или в другом аналогичном механизме. Предусмотреть устройство для увеличения магнитного зазора и стробоскопический диск, аналогичный описанному выше.

3.    Промаркировать полярность магнитов, разнести диски на расстояние около метра друг от друга во избежание их слипания, наметить места установки магнитов (расстояние между магнитами выбрать 20...30 мм), поочередно и осторожно установить магниты на диски с чередованием полярности без приклеивания, устранить осевые биения и закрепить диски с магнитами на валу (количество магнитов должно быть четным).

4.    При отсутствии провода нужного диаметра можно намотать плотные бескаркасные катушки проводом любого диаметра, но не менее 0,5 мм, по описанной выше технологии. Наружный диаметр экспериментальных катушек рекомендую задать на 20 мм больше диаметра магнита внутренний диаметр равен диаметру магнита, толщина одной катушки 10 мм и двух других - по 5 мм. Крепление катушек, состоящее из двух деревянных реек длиной 100 мм, показа на на рис.8. При увеличении магнитного зазора добавляют сверху одну катушку, затем - вторую. Катушки при этом соединяют последовательно так, чтобы направления токов в них совпадало.

5.    Освещение стробоскопического диска осуществляется от сети обычной ЛДС или неоновой лампой, дающих 100 миганий в секуццу.

6.    Пока неизвестно, каким будет рабочий генератор, и в зависимости от диаметра ротора скорость вращения приводного устройства выбирают около 50% от максимальной, чтобы иметь возможность ее увеличивать и уменьшать. От этой скорости и количества витков катушки зависит точность измерений. Для ротора диаметром 100 мм рекомендую скорость N=600 об/мин. На стробоскопический диск наносят количество меток Км=6000/N, включают освещение диска ЛДС и можно начинать эксперименты.

Методика проведения экспериментов и применения полученных данных

Все измерения необходимо производить под нагрузкой, которую в процессе экспериментов желательно менять, поддерживая одну и ту же величину тока. Вначале устанавливают катушку толщиной 10 мм и сопротивление нагрузки 5...10 Ом. При установке по стробоскопу заданных оборотов измеряют и записывают напряжение U₁, затем также производят измерения U₂ и U₃ при увеличении зазоров и добавлении второй и третьей катушек.

Если U₂ будет больше U₁ в 1,2 раза, то есть смысл увеличить зазор на 5 мм. При увеличении U₃ в 1,05 раза мощность увеличится только в 1,1 раза, и здесь нужно подумать, стоит ли увеличивать количество провода и ее активное сопротивление на 25% при таком увеличении мощности.

Рис.8

Если остановиться на увеличении зазора на 5 мм, и суммарное количество витков w двух катушек (450 витков) разделить на U₂, получим количество витков на 1 В. Катушки данных генераторов бескаркасные с открытым внутренним диаметром, обдуваемые вращающимися магнитами, что позволяет определять диаметр провода из расчета плотности тока 5 А/мм². Далее определяем напряжение для питания нагрузки с учетом среднесуточной скорости вращения ветродвигателя. Например, для зарядки аккумуляторной батареи напряжением 12 В нужно, с учетом непостоянства скорости ветра, задать напряжение генератора порядка 20 В, которое снижается и поддерживается импульсным стабилизатором напряжения до уровня 13,8 В для зарядки, а остальная мощность может использоваться другими потребителями. Суммарный потребляемый ток нагрузкой зададим равным 10 А.

Для однофазного генератора сечение провода должно быть 10 А:5 А/мм²=2 мм², а диаметр - 1,6 мм. В объем экспериментальной катушки, например, с количеством витков w=450 и диаметром провода 0,51 мм (сечением 0,204 мм²) поместится количество витков провода сечением 2 мм² меньше в 2:0,204=9,8 раз (46 витков). Например, при напряжении U₂=8 В, что, исходя из проведенных опытов, вполне реально, количество витков на 1 В будет 450:8=56. Для получения напряжения 20 В необходимо 56x20=1120 витков всех катушек. Отсюда необходимое количество катушек будет 1120:46=24. Зная диаметр и количество катушек, можно определить диаметр основной окружности, проходящей через центры магнитов с учетом зазоров между ними. Например, для магнитов диаметром 30 мм и расстоянием между ними 25 мм этот диаметр будет (55x24/3,14) равен 420 мм. Диаметр стального диска составит 420+30=450 мм. Наружный диаметр катушек с учетом зазора между ними порядка 3 мм для монтажной прочности каркаса будет равен 52 мм.

В трехфазных генераторах получение заданного напряжения отличается от однофазного. Для получения заданного напряжения 20 В необходимо, чтобы катушки каждой фазы выдавали напряжение 20 В:1,73=12 В. Для получения тока в 10 А провод катушек должен быть рассчитан на ток 10 А: 1,73=5,8А. В нагрузке напряжения и токи суммируются с учетом сдвига фаз, и в результате получаются заданные параметры. Используя предыдущие данные, определим общее количество витков W катушек каждой фазы для получения напряжения 12 В. W=56x12=672. Общее количество витков чашек трех фаз равно 2016. Сечение провода будет 5,8 А:5 А/мм²=1,16 мм², а диаметр - 1,2 мм. Количество витков такого провода в объеме экспериментальной катушки уменьшится в 1,16 мм²:0,204 мм²=5,7 раза, т.е. будет равно 4505,7=79 витков. Учитывая, что количество катушек в этом генераторе меньше, чем в однофазном, их диаметр и количество витков будет в 1,35 раза больше, т.е. 79x1,35=107 витков. Количество катушек одной фазы равно 672:107=6, трех фаз - 18 катушек. Количество полюсов при этом будет равно 24.

Для генератора с разъемной конструкцией статора количество катушек должно быть еще и четным, т.е. 6, 12, 18, 24 и тд., а количество полюсов соответственно будет равно 8, 16, 24, 32 и т.д. Например, если один полюс достиг центра одной катушки фазы «А», то окажется, что против центров остальных катушек этой фазы также будут находиться полюса той же полярности. Это возбудит во всех катушках этой же фазы э.д.с. одинаковой полярности, в результате чего на выходе получим амплитудное значение напряжения фазы «А». При дальнейшем вращении ротора этот процесс последовательно повторится в фазах «В» и «С» со сдвигом на 120°. После этого к катушкам фазы «А» подойдут полюса обратной полярности, в результате чего получим амплитудное значение напряжения обратной полярности фазы «А» и завершение одного периода колебания напряжения. То же произойдет и в фазах «В» и «С». Частота напряжения переменного тока генератора кратна половине полюсов ротора при его одном обороте за 1 секунду. Например, ротор экспериментального генератора имеет 8 полюсов и вращается со скоростью 10 об/с. Частота напряжения будет 10x4=40 Гц.

Анатолий Журенков, г. Запорожье

Литература

1. Журенков А. Особенности конструирования генераторов для ВЭУ // Электрик. - 2012. - №5. - С.62-65; №6. -С.44-47.

Пример конструкции ветроколеса с вертикальной осью: