Генератор на магнитах 10 квт своими руками: Генератор на неодимовых магнитах | НПК «Магниты и системы» — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Разработка генератора на постоянных магнитах для автономных источников питания

Создание новых электрических машин. Прикладные разработки в области электромеханики

Российская Федерация, г.Воронеж

+7(473)202-87-47

Ведется разработка и изготовление опытных образцов генератора малой мощности (3 кВт) с возбуждением от постоянных магнитах. Генератор предназначен для эксплуатации в составе мобильных дизель-генераторных установках на базе двигателей HATZ1820 и YanmarL48N. В конструкции оптимизированы линейные размеры, что позволяет выполнить генератор без собственных подшипниковых опор с консольным способом установки на приводной двигатель, что в свою очередь снижает масса-габаритные характеристики ДГУ в целом.

Наименование параметра	Величина	Значение
Номинальная мощность, не менее	кВт	3
Действующее значение фазного напряжения	В	14±1,4
Номинальная частота вращения	об/мин	2500±150
Несимметрия фазных напряжений, не более	%	3
Число пар полюсов	2р	12
Число фаз	m	3
Схема соединения обмоток		Звезда
Степень защиты	IP	66

Примечание:
Предназначен для применения совместно с дизельными установками Hatz 1b20 (Германия) и Yanmar L48N (Япония), также может быть интегрирован с отечественными дизельными установками.

Опыт реализации генераторов для систем автономного питания

Кроме указанной разработки, специалисты НТЦ «Систэм» обладают практическим опытом реализации генераторов для систем автономного питания схожей характеристики (номинальной мощностью до 10 кВт) на базе других типов электрических машин, в частности, на базе вентильно-индукторной ЭМ.

«Вентильно-индукторный генератор»

Генератор предназначен для работы в качестве источника электроэнергии постоянного тока напряжением 27,5 В и номинальной мощностью 6 и 8 кВт соответственно.

Генератор представляет собой бесконтактную 18 (15) фазную электрическую машину с электромагнитным возбуждением со встроенным выпрямительным блоком и регулятором выходного напряжения.

Основные технические характеристики генератора представлены в таблице:

Наименование	Значение
Номинальное напряжение, В	27,5±1
Номинальная мощность, кВт	6 (8)
Номинальный ток, А	220 (290)
Номинальная частота вращения, об/мин	3300
КПД, %	не менее 82
Число фаз статора	18 (15)
Масса, кг	42
Коэффициент пульсации выходного напряжения при номинальной нагрузке и частоте вращения 3300 об/мин не более 11,2 %.
При сбросах и набросах 100% нагрузки отклонение выходного напряжения составляет не более ±20%, при этом время вхождения в зону регулирования ±2В составляет не более 2 с.
Стабилизация выходного напряжения в установившемся тепловом режиме при любой нагрузке от 0 до 100 % — ±1 В.
Класс применяемой системы изоляции – Н.
Степень защиты — IP22.
Электрическая схема – однопроводная (отрицательный потенциал на корпусе).

«Вентильно-магнитный генератор»

Генератор предназначен для работы в качестве источника электроэнергии переменного тока с действующим значением напряжения 27,5 В и номинальной мощностью 6 кВт.

Генератор представляет собой бесконтактную трехфазную электрическую машину с возбуждением от постоянных магнитов.

Основные технические характеристики генератора представлены в таблице:

Наименование	Значение
Номинальное напряжение, В	27,5±1
Номинальная мощность, кВт	6
Номинальный ток, А	220
Номинальная частота вращения, об/мин	3300
КПД, %	не менее 92
Число фаз статора	3
Масса, кг	20

Переделываем асинхронный двигатель под генератор для ветряка

Продолжение темы:
— Переделываем асинхронный двигатель под генератор для ветряка
— Переделка ротора генератора на магниты

Для того чтобы асинхронный двигатель стал генератором переменного тока надо чтобы внутри него образовывалось магнитное поле, это можно сделать путём размещения на роторе двигателя постоянных магнитов. Вся переделка и простая и сложная одновременно.

Сначала надо подобрать подходящий двигатель, который наиболее подойдёт для работы в качестве низкооборотистого генератора. Это многополюсные асинхронные двигатели, хорошо подходят 6-ти и 8-ми полюсные, низкооборотистые двигатели, с максимальными оборотами в режиме двигателя не более 1350об/м. Такие двигатели имеют наибольшее количество полюсов и зубцов на статоре.

Далее нужно разобрать двигатель и извлечь якорь-ротор, который надо сточить на станке до определённых размеров под наклеивание магнитов. Магниты необходимые, обычно клеят маленькие круглые магнитики. Сейчас я попробую рассказать как и сколько магнитов клеить.

Для начала нужно узнать сколько у вашего мотора полюсов, но по обмотке это понять достаточно трудно без соответствующего опыта, поэтому количество полюсов лучше прочитать на маркировке двигателя, если она конечно имеется, хотя в большинстве случаев она имеется. Ниже приведён пример маркировки двигателя и расшифровка маркировки.

По марке двигателя. Для 3х фазных: Тип двигателя Мощность, кВт Напряжение, В Частота вращения, (синх.), об/мин КПД, % Масса, кг

Например: ДАФ3 400-6-10 УХЛ1 400 6000 600 93,7 4580 Расшифровка обозначения двигателя: Д — двигатель; А — асинхронный; Ф — с фазным ротором; 3 — закрытое исполнение; 400 — мощность, кВт; б — напряжение, кВ; 10 — число полюсов; УХЛ — климатическое исполнение; 1 — категория размещения.

Бывает так, что двигатели не нашего производства как на фото выше, и маркировка непонятна, или маркировка просто нечитаемо. Тогда остаётся один метод, это посчитать сколько у вас зубцов на статоре и сколько зубцов занимает одна катушка. Если например катушка занимает 4 зубца, а их всего 24, то ваш мотор шестиполюсной.

Количество полюсов статора нужно знать для того, чтобы определиться с количеством полюсов при наклейке магнитов на ротор. Это количество обычно равное, то-есть если полюсов статора 6, то и магниты надо клеить с чередованием полюсов в количестве 6, SNSNSN.

Теперь, когда число полюсов известно надо рассчитать число магнитов для ротора. Для этого надо высчитать длину окружности ротора, по простой формуле 2nR где n=3,14. То есть 3,14 умножаем на 2 и на радис ротора, получается длинна окружности. Далее замеряем свой ротор по длине железа, которое в алюминиевой оправке. После можно нарисовать полученную полосу с длинной и шириной, можно на компьютере и потом распечатать.

Теперь нужно определится с толщиной магнитов, она примерно равна 10-15% от диаметра ротора, например если ротор 60мм, то магниты нужны толщиной 5-7мм. Для этого магниты покупают обычно круглые. Если ротор примерно 6см в диаметре, то магниты можно высотой 6-10 мм. Определившись какие магниты использовать, на шаблоне длинна которой равна длине окружности

Пример расчёта магнитов для ротора, например диаметр ротора 60см, высчитываем длину окружности =188см. Делим длину на количество полюсов, в данном случае на 6, и получаем 6 секций, в каждой секции магниты вклеиваются одинаковым полюсом. Но это ещё не всё. Теперь надо высчитать сколько магнитов войдёт в один полюс, чтобы их ровно распределить по полюсу. Например ширина круглого магнита 1см,расстояние между магнитами около 2-3мм, значит 10мм +3=13мм.

Длину окружности делим на 6 частей=31мм, это ширина одного полюса по длине окружности ротора, а ширина полюса по железу, допустим 60мм. Значит получается площадь полюса 60 на 31 мм. Это получается 8 в 2 ряда магнитов на полюс с расстоянием между собой 5мм. В этом случае надо пересчитать количество магнитов, чтобы они как можно плотнее уместились на полюсе.

Здесь пример на магнитах шириной 10мм, поэтому получается расстояние между ними 5мм. Если уменьшить диаметр магнитов например в 2 раза, то-есть 5мм, то они более плотно заполнят полюс вследствие чего увеличится магнитное поле от большего количества общей массы магнитом . Таких магнитов(5мм) поместится уже 5 рядов , а в длину 10, то-есть 50 магнитов на полюс, и общее количество на ротор 300шт.

Для того чтобы уменьшить залипание шаблон нужно разметить так, чтобы смещение магнитов при наклейке было на ширину одного магнита, если ширина магнита 5мм, то и смещение на 5мм.

Теперь когда с магнитами определился нужно проточить ротор, чтобы поместились магниты. Если высота магнитов 6мм, то стачивается диаметр на 12+1мм, 1мм это запас на кривизну рук. Магниты можно разместить на роторе двумя способами.

Первый способ это предварительно делается оправка, в которой сверлятся отверстия под магниты по шаблону, после оправка одевается на ротор, и магниты вклеиваются в просверленные отверстия. На роторе после проточки нужно дополнительно сточить на глубину равную высоте магнитов разделительный алюминиевые полоски между железом. А полученные бороздки заполнить отожжоными опилками смешанные с эпоксидным клеем. Это значительно увеличит эффективность, опилки будут служить дополнительным магнитопроводом между железом ротора. Выборку можно сделать отрезной машинкой или на станке.

Оправка для наклейки магнитов делается так, проточенный вал оборачивают полиэтиленом, потом наматывают слой за слоем бинт, пропитанный эпоксидным клеем, после стачивают на станке под размер и снимают с ротора, наклеивают шаблон и сверлют отверстия под магниты. После девают оправку обратно на ротор и наклеивают магниты клеют обычно на эпоксидный клей Ниже на фото два примера наклейки магнитов, первый пример на 2-х фото это наклейка магнитов с помощью оправки, а второй на следующей странице прямо через шаблон.На первых двух фотографиях хорошо видно и я думаю понятно как клеются магниты.

порядок сборки Самодельные генераторы для дома

Основная масса людей убеждена, что энергию для существования можно получать только из газа, угля или нефти. Атом достаточно опасен, строительство гидроэлектростанций — очень трудоемкий и затратный процесс. Ученые всего мира утверждают, что запасы природного топлива могут скоро закончиться. Что же делать, где же выход? Неужели дни человечества сочтены?

Все из ничего

Исследования видов «зеленой энергии» в последнее время ведутся все интенсивней, так как это является путем в будущее. На нашей планете изначально есть все для жизни человечества. Нужно только уметь это взять и использовать на благо. Многие ученые и просто любители создают такие устройства? как генератор свободной энергии. Своими руками, следуя законам физики и собственной логике, они делают то, что принесет пользу всему человечеству.

Так о каких явлениях идет речь? Вот несколько из них:

статическое или радиантное природное электричество;
использование постоянных и неодимовых магнитов;
получение тепла от механических нагревателей;

преобразование энергии земли и ;
имплозионные вихревые двигатели;
тепловые солнечные насосы.

В каждой из этих технологий для высвобождения большего объема энергии используется минимальный начальный импульс.

Свободной энергии своими руками? Для этого нужно иметь сильное желание изменить свою жизнь, много терпения, старание, немного знаний и, конечно, необходимые инструменты и комплектующие.

Вода вместо бензина? Что за глупости!

Двигатель, работающий на спирте, наверное, найдет больше понимания, чем идея разложения воды на молекулы кислорода и водорода. Ведь еще в школьных учебниках сказано, что это совершенно нерентабельный способ получения энергии. Однако уже существуют установки для выделения водорода способом сверхэффективного электролиза. Причем стоимость полученного газа равна стоимости кубометров воды, использованных при этом процессе. Не менее важно, что затраты электричества тоже минимальны.

Скорее всего, в ближайшем будущем наряду с электромобилями по дорогам мира будут разъезжать машины, двигатели которых будут работать на водородном топливе. Установка сверхэффективного электролиза — это не совсем генератор свободной энергии. Своими руками ее достаточно трудно собрать. Однако способ непрерывного получения водорода по данной технологии можно совместить с методами получения зеленой энергии, что повысит общую эффективность процесса.

Один из незаслуженно забытых

Таким устройствам, как совершенно не требуется обслуживание. Они абсолютно бесшумны и не загрязняют атмосферу. Одна из самых известных разработок в области экотехнологий — принцип получения тока из эфира по теории Н. Теслы. Устройство, состоящее из двух резонансно настроенных трансформаторных катушек, является заземленным колебательным контуром. Изначально генератор свободной энергии своими руками Тесла сделал в целях передачи радиосигнала на дальние расстояния.

Если рассматривать поверхностные слои Земли как огромный конденсатор, то можно представить их в виде одной токопроводящей пластины. В качестве второго элемента в этой системе используется ионосфера (атмосфера) планеты, насыщенная космическими лучами (так называемый эфир). Через обе эти «пластины» постоянно текут разнополюсные электрические заряды. Чтобы «собрать» токи из ближнего космоса, необходимо изготовить генератор свободной энергии своими руками. 2013 год стал одним из продуктивных в этом направлении. Всем хочется пользоваться бесплатным электричеством.

Как сделать генератор свободной энергии своими руками

Схема однофазного резонансного устройства Н. Тесла состоит из следующих блоков:

Две обычные аккумуляторные батареи по 12 В.
с электролитическими конденсаторами.
Генератор, задающий стандартную частоту тока (50 Гц).
Блок усилителя тока, направленный на выходной трансформатор.
Преобразователь низковольтного (12 В) напряжения в высоковольтное (до 3000 В).

Обычный трансформатор с соотношением обмоток 1:100.
Повышающий напряжение трансформатор с высоковольтной обмоткой и ленточным сердечником, мощностью до 30 Вт.
Основной трансформатор без сердечника, с двойной обмоткой.
Понижающий трансформатор.
Ферритовый стержень для заземления системы.

Все блоки установки соединяются согласно законам физики. Система настраивается опытным путем.

Неужели все это правда?

Может показаться, что это абсурд, ведь еще один год, когда пытались создать генератор свободной энергии своими руками — 2014. Схема, которая описана выше, просто использует заряд аккумулятора, по мнению многих экспериментаторов. На это можно возразить следующее. Энергия поступает в замкнутый контур системы от электрополя выходных катушек, которые получают ее от высоковольтного трансформатора благодаря взаимному расположению. А зарядом аккумулятора создается и поддерживается напряженность электрического поля. Вся остальная энергия поступает из окружающей среды.

Бестопливное устройство для получения бесплатного электричества

Известно, что возникновению магнитного поля в любом двигателе способствуют обычные изготовленные из медного или алюминиевого провода. Чтобы компенсировать неизбежные потери вследствие сопротивления этих материалов, двигатель должен работать непрерывно, используя часть вырабатываемой энергии на поддержание собственного поля. Это значительно снижает КПД устройства.

В трансформаторе, работающем от неодимовых магнитов, нет катушек самоиндукции, соответственно и потери, связанные с сопротивлением, отсутствуют. При использовании постоянного вырабатываются ротором, вращающимся в этом поле.

Как сделать небольшой генератор свободной энергии своими руками

Схема используется такая:

взять кулер (вентилятор) от компьютера;
удалить с него 4 трансформаторные катушки;
заменить небольшими неодимовыми магнитами;
ориентировать их в исходных направлениях катушек;
меняя положение магнитов, можно управлять скоростью вращения моторчика, который работает абсолютно без электричества.

Такой почти сохраняет свою работоспособность до извлечения из цепи одного из магнитов. Присоединив к устройству лампочку, можно бесплатно освещать помещение. Если взять более мощный движок и магниты, от системы можно запитать не только лампочку, но и другие домашние электроприборы.

О принципе работы установки Тариэля Капанадзе

Этот знаменитый генератор свободной энергии своими руками (25кВт, 100 кВт) собран по принципу, описанному Николо Тесла еще в прошлом столетии. Данная резонансная система способна выдавать напряжение, в разы превосходящее начальный импульс. Важно понимать, что это не «вечный двигатель», а машина для получения электричества из природных источников, находящихся в свободном доступе.

Для получения тока в 50 Гц используются 2 генератора с прямоугольным импульсом и силовые диоды. Для заземления используется ферритовый стержень, который, собственно, и замыкает поверхность Земли на заряд атмосферы (эфира, по Н. Тесла). Коаксиальный кабель применяется для подачи мощного выходного напряжения на нагрузку.

Говоря простыми словами, генератор свободной энергии своими руками (2014, схема Т. Капанадзе), получает только начальный импульс от 12 В источника. Устройство способно постоянно питать током нормального напряжения стандартные электроприборы, обогреватели, освещение и так далее.

Собранный генератор свободной энергии своими руками с самозапиткой устроен так, чтобы замкнуть цепь. Некоторые умельцы пользуются таким способом для подзарядки аккумулятора, дающего начальный импульс системе. В целях собственной безопасности важно учитывать тот факт, что выходное напряжение системы имеет высокие показатели. Если забыть об осторожности, можно получить сильнейший удар током. Так как генератор свободной энергии своими руками 25кВт может принести как пользу, так и опасность.

Кому все это нужно?

Сделать генератор свободной энергии своими руками может практически любой человек, знакомый с основами законов физики из школьной программы. Электропитание своего собственного жилища можно полностью перевести на экологическую и доступную энергию эфира. С использованием таких технологий снизятся транспортные и производственные расходы. Атмосфера нашей планеты станет чище, остановится процесс «парникового эффекта».

При росте цен на электроэнергию повсюду идёт поиск и разработка её альтернативных источников. В большинстве регионах страны целесообразно применять ветрогенераторы . Чтобы полностью обеспечить электричеством частный дом, требуется достаточно мощная и дорогостоящая установка.

Ветряной генератор для дома

Если сделать небольшой ветрогенератор, с помощью электрического тока можно подогревать воду или использовать для части освещения, например, хозяйственных построек, садовых дорожек и крыльца. Подогрев воды для хозяйственных нужд или отопления – это простейший вариант использования ветровой энергии без её аккумулирования и преобразования. Здесь вопрос больше заключается в том, достаточно ли мощности будет для отопления.

Перед тем как сделать генератор, сначала следует выяснить особенности ветров в регионе.

Большой ветрогенератор, для многих мест российского климата, мало подходит из-за частой смены интенсивности и направления воздушных потоков. При мощности выше 1 кВт он будет инерционным и не сможет в полной мере раскручиваться, когда меняется ветер. Инерция в плоскости вращения приводит к перегрузкам от бокового ветра, приводящим к его выходу из строя.

С появлением маломощных потребителей энергии имеет смысл применять небольшие самодельные ветрогенераторы не более чем на 12 вольт, чтобы освещать дачу светодиодными светильниками или заряжать телефонные аккумуляторы при отсутствии в доме электричества. Когда в этом нет необходимости, электрогенератор можно применять для нагрева воды.

Тип ветрогенератора

Для безветренной области подходит только парусный ветрогенератор. Чтобы электроснабжение было постоянным, понадобится аккумуляторная батарея не менее чем на 12В, зарядное устройство, инвертор, стабилизатор и выпрямитель.

Для слабоветренных районов можно самостоятельно изготовить вертикальный ветрогенератор, мощностью не более 2-3 кВт. Вариантов есть много и они почти не уступают промышленным образцам. Покупать целесообразно ветряки с парусным ротором. Надёжные модели мощностью от 1 до 100 киловатт выпускаются в Таганроге.

В ветреных регионах можно сделать генератор для дома своими руками вертикальный, если требуемая мощность составляет 0,5-1,5 киловатт. Лопасти можно изготовить из подручных средств, например, из бочки. Более производительные устройства целесообразно купить. Самыми дешёвыми являются «парусники». Вертикальный ветряк стоит дороже, но он надёжней работает при сильных ветрах.

Маломощный ветряк своими руками

В домашних условиях небольшой самодельный ветрогенератор изготовить несложно. Для начала работы в области создания альтернативных источников энергии и накопления в этом ценного опыта как собрать генератор, можно изготовить самостоятельно простое устройство, приспособив мотор от компьютера или принтера.

Ветряной генератор на 12 В с горизонтальной осью

Чтобы сделать своими руками маломощный ветряк, необходимо сначала подготовить чертежи или эскизы.

На скорости вращения 200-300 об./мин. напряжение можно поднять до 12 вольт, а вырабатываемая мощность составит около 3 Вт. С его помощью можно зарядить небольшой аккумулятор. Для других генераторов мощность необходимо увеличивать до 1000 об./мин. Лишь в этом случае они будут эффективны. Но здесь понадобится редуктор, создающий значительное сопротивление и к тому же имеющий высокую стоимость.

Электрическая часть

Чтобы собрать электрогенератор, необходимы комплектующие:

небольшой мотор от старого принтера, дисковода или сканера;
8 диодов типа 1N4007 для двух выпрямительных мостов;
конденсатор ёмкостью 1000 мкф;
труба ПВХ и пластиковые детали;
алюминиевые пластины.

На рисунке ниже изображена схема генератора.

Шаговый мотор: схема подключения к выпрямителю и стабилизатору

Диодные мосты подключаются к каждой обмотке двигателя, которых две. После мостов подключается стабилизатор LM7805. В результате на выходе получается напряжение, которое обычно подаётся на 12-вольтную батарею.

Большую популярность получили электрогенераторы на неодимовых магнитах с чрезвычайно высокой силой сцепления. Их следует аккуратно использовать. При сильном ударе или нагреве до температуры 80-250 0 С (в зависимости от вида) у неодимовых магнитов происходит размагничивание.

За основу генератора, изготавливаемого своими руками, можно взять ступицу автомобиля.

Ротор на неодимовых магнитах

На ступицу производится наклейка суперклеем неодимовых магнитов диаметром около 25 мм примерно в количестве 20 шт. Однофазные электрогенераторы делаются с равенством количества полюсов и магнитов.

Магниты, расположенные напротив друг друга, должны притягиваться, т. е. повёрнуты противоположными полюсами. После приклеивания неодимовых магнитов производится их заливка эпоксидной смолой.

Катушки мотают круглыми, а общее количество витков составляет 1000-1200. Мощность генератора на неодимовых магнитах подбирается такой, чтобы его можно было использовать как источник постоянного тока, порядка 6А для зарядки АКБ на 12 В.

Механическая часть

Лопасти делают из пластиковой трубы. На ней рисуют заготовки шириной 10 см и длиной 50 см, а затем вырезают. Изготавливается втулка на вал двигателя с фланцем, к которому винтами крепятся лопасти. Их количество может быть от двух до четырёх. Пластик долго не прослужит, но на первое время его хватит. Сейчас появились достаточно износостойкие материалы, например, карбон и полипропилен. Затем можно изготовить более прочные лопасти из алюминиевого сплава.

Балансировку лопастей производят путём отрезания лишних частей на концах, а угол наклона создают путём их нагрева с изгибом.

Генератор крепится болтами к куску пластиковой трубы с приваренной к нему вертикальной осью. На трубу также соосно устанавливается флюгер из алюминиевого сплава. Ось вставляется в вертикальную трубу мачты. Между ними устанавливается упорный подшипник. Вся конструкция может свободно вращаться в горизонтальной плоскости.

Электрическую плату можно разместить на вращающейся части, а напряжение потребителю передавать через два токосъёмных кольца со щётками. Если плату с выпрямителем установить отдельно, тогда количество колец будет равно шести, сколько выводов имеет шаговый мотор.

Ветряк крепят на высоте 5-8 м.

Если устройство будет эффективно вырабатывать энергию, его можно усовершенствовать, сделав вертикально-осевым, например, из бочки. Конструкция меньше подвержена боковым перегрузкам, чем горизонтальная. На рисунке ниже изображён ротор с лопастями из фрагментов бочки, установлен на оси внутри рамы и на него не действует опрокидывающее усилие.

Ветряк с вертикальной осью и ротором из бочки

Профилированная поверхность бочки создаёт дополнительную жёсткость, за счёт чего можно применять жесть меньшей толщины.

Ветрогенератор мощностью более 1 киловатта

Устройство должно приносить ощутимую пользу и выдавать напряжение 220 В, чтобы можно было включить некоторые электроприборы. Для этого оно должно самостоятельно запускаться и вырабатывать электроэнергию в широком диапазоне.

Чтобы сделать ветрогенератор своими руками , прежде следует определить конструкцию. Она зависит от того, какая сила ветра. Если она слабая, то единственным вариантом может быть парусный вариант ротора. Больше 2-3 киловатт энергии здесь не получить. Кроме того, для него понадобятся редуктор и мощный аккумулятор с зарядным устройством.

Цена всего оборудования высокая, поэтому следует выяснить, будет ли это выгодно для дома.

В районах с сильными ветрами, самодельным ветрогенератором можно получить 1,5-5 киловатт мощности. Тогда его можно подключать в домашнюю сеть на 220В. Аппарат с большей мощностью самостоятельно сделать сложно.

Электрогенератор из двигателя постоянного тока

В качестве генератора можно использовать малооборотный мотор, генерирующий электрический ток при 400-500 об/мин: PIK8-6/2,5 36V 0,3Nm 1600min-1. Длина корпуса 143 мм, диаметр – 80 мм, диаметр вала – 12 мм.

Как выглядит двигатель постоянного тока

Для него нужен мультипликатор с передаточным отношением 1:12. При одном обороте лопастей ветряка электрогенератор сделает 12 оборотов. На рисунке ниже изображена схема устройства.

Схема устройства ветряка

Редуктор создаёт дополнительную нагрузку, но всё же это меньше, чем для автомобильного генератора или стартера, где требуется передаточное отношение как минимум 1:25.

Лопасти целесообразно изготавливать из алюминиевого листа размером 60х12х2. Если на мотор их установить 6 штук, устройство будет не таким быстрым и не пойдёт вразнос при больших порывах ветра. Следует предусмотреть возможность балансировки. Для этого лопасти припаиваются к втулкам с возможностью накручивания на ротор, чтобы можно было их смещать дальше или ближе от его центра.

Мощность генератора на постоянных магнитах из феррита или стали не превышает 0,5-0,7 киловатт. Увеличить её можно только на специальных неодимовых магнитах.

Генератор с не намагниченным статором для работы не годится. При небольшом ветре он останавливается, а после не сможет самостоятельно запуститься.

Для постоянного отопления в холодное время года требуется много энергии, и протопить большой дом — это проблема. Для дачи в этом плане он может пригодиться, когда туда приходится ездить не чаще 1 раза в неделю. Если всё правильно взвесить, система отопления на даче работает всего несколько часов. Остальное время хозяева находятся на природе. Используя ветряк как источник постоянного тока для зарядки АКБ, за 1-2 недели можно накопить электроэнергии для отопления помещений на такой промежуток времени, и таким образом, создать себе достаточный комфорт.

Чтобы сделать генератор из двигателя переменного тока или автомобильного стартера, требуется их переделка. Мотор можно модернизировать под генератор, если ротор изготовить на неодимовых магнитах, проточив на их толщину. Его делают с количеством полюсов, как и у статора, чередуя друг с другом. Ротор на неодимовых магнитах, приклеенных к его поверхности, при вращении не должен залипать.

Типы роторов

Конструкции роторов отличаются разнообразием. Распространённые варианты изображены на рисунке ниже, где указаны значения коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ).

Виды и конструкции роторов ветряков

Для вращения ветряки делают с вертикальной или горизонтальной осью. Вертикальный вариант обладает преимуществом в удобстве обслуживания, когда основные узлы расположены внизу. Опорный подшипник выполнен самоустанавливающимся и долго служит.

Две лопасти ротора «Савониуса» создают рывки, что не очень удобно. По этой причине его делают из двух пар лопастей, разнесённых на 2 уровня с поворотом одной относительно другой на 90 0 . В качестве заготовок можно использовать бочки, вёдра, кастрюли.

Ротор «Дарье», лопасти которого делают из упругой ленты, отличается простотой изготовления. Для облегчения раскрутки их количество должно быть нечётным. Движение происходит рывками, из-за чего механическая часть быстро разбивается. Кроме того, лента при вращении вибрирует, издавая рёв. Для постоянного применения подобная конструкция не очень подходит, хотя лопасти иногда делают из звукопоглощающих материалов.
В ортогональном роторе крылья выполняются профилированными. Оптимальное количество лопастей равно трём. Устройство быстроходное, но его необходимо раскручивать при пуске.

Геликоидный ротор имеет высокий КПД за счёт сложной кривизны лопастей, снижающей потери. Его применяют реже других ветряков из-за высокой стоимости.

Горизонтальный лопастный ротор исполнения является наиболее эффективным. Но он требует наличия стабильного среднего ветра, а также для него необходима ураганная защита. Лопасти можно изготовить из пропилена, когда их диаметр меньше 1 м.

Если вырезать лопасти из толстостенной пластиковой трубы или бочки, достичь мощности выше 200 Вт не удастся. Профиль в виде сегмента для сжимаемой газообразной среды не подходит. Здесь нужен сложный профиль.

Диаметр ротора зависит от того, какую мощность требуется получить, а также от количества лопастей. Двухлопастнику на 10 Вт нужен ротор диаметром 1,16 м, а на 100 Вт – 6,34 м. Для четырёх-, и шестилопастника диаметр составит соответственно 4,5 м и 3,68 м.

Если насадить ротор непосредственно на вал генератора, его подшипник долго не протянет, поскольку нагрузка на все лопасти неравномерная. Опорный подшипник для вала ветряка должен быть самоустанавливающимся, с двумя или тремя ярусами. Тогда для вала ротора будут не страшны изгибы и смещения в процессе вращения.

Большую роль в работе ветряка играет токосъёмник, который требуется регулярно обслуживать: смазывать, чистить, регулировать. Возможность его профилактики должна быть предусмотрена, хотя это сложно сделать.

Безопасность

Ветряки, мощность которых превышает 100 Вт, являются шумными устройствами. Во дворе частного дома можно установить промышленный ветродвигатель, если он сертифицирован. Его высота должна быть выше ближайших домов. На крыше нельзя устанавливать даже маломощный ветряк. Механические колебания от его работы могут создать резонанс и привести к разрушению строения.

Высокие скорости вращения ветрогенератора требуют качественного изготовления. Иначе, при разрушении устройства существует опасность, что его детали могут отлететь на большие расстояния и нанести травму человеку или домашним животным. Особенно это следует учитывать при изготовлении ветряка своими руками из подручных материалов.

Видео. Ветрогенератор своими руками.

Применение ветрогенераторов целесообразно не во всех регионах, поскольку зависит от климатических особенностей. Кроме того, изготавливать их своими руками не имеет смысла без определённого опыта и знаний. Для начала можно взяться за создание простой конструкции мощностью несколько ватт и напряжением до 12 вольт с помощью, которой можно зарядить телефон или зажечь энергосберегающую лампу. Применение неодимовых магнитов в генераторе позволяет значительно увеличить его мощность.

Мощные ветровые установки, берущие на себя значительную часть электроснабжения дома, лучше приобретать промышленные, на создание напряжения 220В, тщательно взвесив при этом все за и против. Если совместить их с другими видами альтернативных источников энергии, электричества может хватить на все хозяйственные нужды, включая систему отопления дома.

Содержание:

Уют и комфорт в современном жилье во многом зависит от стабильного обеспечения электрической энергией. Бесперебойное электроснабжение достигается различными способами, среди которых считается достаточно эффективным самодельный генератор асинхронного типа, изготавливаемый в домашних условиях. Качественно изготовленное устройство позволяет решить множество бытовых проблем, начиная от выработки переменного тока и заканчивая обеспечением питания инверторных сварочных аппаратов.

Принцип действия электрогенератора

Генераторы асинхронного типа являются устройствами переменного тока, способными вырабатывать электрическую энергию. Принцип действия этих аппаратов аналогичен работе асинхронных двигателей, поэтому они имеют другое название — индукционные электрогенераторы. По сравнению с в этих агрегатах намного быстрее поворачивается ротор, соответственно, скорость вращения становится более высокой. В качестве генератора можно использовать обыкновенный асинхронный двигатель переменного тока, которому не требуются какие-либо преобразования схемы или дополнительные настройки.

Включение однофазного асинхронного генератора осуществляется под действием входящего напряжения, для чего требуется подключение устройства к источнику питания. В некоторых моделях используются конденсаторы, подключаемые последовательно, обеспечивающие им самостоятельную работу за счет самовозбуждения.

В большинстве случаев генераторам требуется какое-то внешнее движущее устройство, вырабатывающее механическую энергию, которая, затем, преобразуется в электрический ток. Чаще всего используются бензиновые или дизельные двигатели, а также ветровые и гидроустановки. Независимо от источника движущей силы, все электрогенераторы состоят из двух основных элементов — статора и ротора. Статор находится в неподвижном положении, обеспечивая движение ротора. Его металлические блоки позволяют регулировать уровень электромагнитного поля. Это поле создается ротором за счет действия магнитов, находящихся на равноудаленном расстоянии от сердечника.

Однако, как уже отмечалось, стоимость даже самых маломощных устройств остается высокой и недоступной для многих потребителей. Поэтому единственным выходом остается собрать генератор тока своими руками, и заранее заложить в него все необходимые параметры. Но, это вовсе не простая задача, особенно для тех, кто слабо разбирается в схемах и не имеет навыков работы с инструментами. Домашний мастер должен обладать специфическим опытом по изготовлению таких устройств. Кроме того, необходимо подобрать все необходимые элементы, детали и запасные части с нужными параметрами и техническими характеристиками. Самодельные устройства успешно используются в быту, несмотря на то, что по многим показателям они значительно уступают заводским изделиям.

Преимущества асинхронных генераторов

В соответствии с вращением ротора все генераторы разделяются на устройства синхронного и асинхронного типа. Синхронные модели обладают более сложной конструкцией, повышенной чувствительностью к перепадам сетевого напряжения, из-за чего снижается их эффективность. У асинхронных агрегатов подобные недостатки отсутствуют. Они отличаются упрощенным принципом работы и прекрасными техническими характеристиками.

Синхронный генератор имеет ротор с магнитными катушками, существенно усложняющими процесс движения. У асинхронного устройства эта деталь напоминает обыкновенный маховик. Особенности конструкции оказывают влияние на коэффициент полезного действия. В синхронных генераторах потери КПД составляют до 11%, а в асинхронных — всего 5%. Поэтому наиболее эффективным будет самодельный генератор из асинхронного двигателя, обладающий и другими преимуществами:

Простая конструкция корпуса обеспечивает защиту двигателя от попадания внутрь влаги. Таким образом, снижается потребность с слишком частом техническом обслуживании.
Более высокая устойчивость к перепадам напряжения, наличие на выходе выпрямителя, защищающего от поломок подключенные приборы и оборудование.
Асинхронные генераторы обеспечивают эффективное питание для сварочных аппаратов, ламп накаливания, компьютерной техники, чувствительной к перепадам напряжения.

Благодаря этим преимуществам и высокому сроку эксплуатации, асинхронные генераторы, даже собранные в домашних условиях, бесперебойно и эффективно обеспечивают электроэнергией бытовые приборы, оборудование, освещение и другие важные участки.

Подготовка материалов и сборка генератора своими руками

Перед началом сборки генератора нужно подготовить все необходимые материалы и детали. В первую очередь понадобится электродвигатель, который может быть изготовлен своими силами. Однако это очень трудоемкий процесс, поэтому в целях экономии времени, нужный агрегат рекомендуется снять со старого нерабочего оборудования. Лучше всего подходят и водяных насосов. Статор должен быть в сборе, с готовой обмоткой. Для выравнивания выходного тока может понадобиться выпрямитель или трансформатор. Также, нужно подготовить электрический провод, а также изоленту.

Перед тем как сделать из электродвигателя генератор, необходимо рассчитать мощность будущего устройства. С этой целью двигатель включается в сеть для определения скорости вращения с помощью тахометра. К полученному результату прибавляется 10%. Эта прибавка является компенсаторной величиной, предупреждающей излишний нагрев двигателя во время работы. Конденсаторы выбираются в соответствии с запланированной мощностью генератора с помощью специальной таблицы.

В связи с выработкой агрегатом электрического тока, необходимо обязательно выполнить его заземление. Из-за отсутствия заземления и некачественной изоляции, генератор не только быстро выйдет из строя, но и станет опасным для жизни людей. Сама сборка не представляет особой сложности. К готовому двигателю по очереди подключаются конденсаторы, в соответствии со схемой. В результате получается генератор переменного тока 220В своими руками малой мощности, достаточный для снабжения электричеством болгарки, электродрели, циркулярной пилы и другого аналогичного оборудования.

В процессе эксплуатации готового устройства необходимо учитывать следующие особенности:

Требуется постоянно контролировать температуру двигателя во избежание перегрева.
В процессе эксплуатации наблюдается снижение КПД генератора в зависимости от продолжительности его работы. Поэтому периодически агрегату необходимы перерывы, чтобы его температура снизилась до 40-45 градусов.
При отсутствии автоматического контроля, эту процедуру нужно периодически выполнять самостоятельно с использованием, амперметра, вольтметра и других измерительных приборов.

Большое значение имеет правильный выбор оборудования, расчет его основных показателей и технических характеристик. Желательно наличие чертежей и схем, существенно облегчающих сборку генераторного устройства.

Плюсы и минусы самодельного генератора

Самостоятельная сборка электрогенератора позволяет сэкономить значительные денежные средства. Кроме того, генератор, собранный собственноручно, будет иметь запланированные параметры и отвечать всем техническим требованиям.

Однако, у таких устройств имеется ряд серьезных недостатков:

Возможные частые поломки агрегата из-за невозможности герметично соединить все основные части.
Неисправность генератора, значительное снижение его продуктивности в результате неправильного подключения и неточных расчетов мощности.
В работе с самодельными устройствами требуются определенные навыки и соблюдение осторожности.

Тем не менее, самодельный генератор на 220В вполне подходит как альтернативный вариант бесперебойного электроснабжения. Даже маломощные устройства способны обеспечить работу основных приборов и оборудования, поддерживая должный уровень комфорта в частном доме или в квартире.

Вам хотелось бы получать дешевую электроэнергию, используя силу ветра? Уверен, что да. Тогда встает вопрос, как сделать электрогенератор своими руками. Чтобы выполнить поставленную задачу, следует составить план его разработки, а именно:

заготовить материалы, из которых будут изготавливаться детали генератора;
составить чертеж, по которому можно сделать электрогенератор;
пролистать учебники физики для закрепления некоторых знаний об электрике в целом.

Таким целям соответствует установка ветряной «мельницы» — системы подачи электроэнергии посредством ветра. Этого маломощного механизма достаточно, чтобы, к примеру, осветить комнату небольшого здания или полить огород. Экономия в килловат-часах налицо.

Составляющие электрогенератора на энергии ветра

Механизм этой «мельницы» состоит из четырех половинок полого цилиндра, смещенных в сторону от общей оси. С одной стороны заметен аэродинамический перекос. Воздушный поток, циркулирующий поперек оси, стремится как бы соскользнуть вниз. Это происходит в выпуклой части одного из полуцилиндров. Другой же обращен вогнутым зазором к ветру и оказывает определенное сопротивление воздуху. При движении ветра обе половинки раскачиваются, меняясь местами. Это создает ускорение механизма, и упомянутый цилиндрический барабан крутится довольно быстро.

Чем эта схема отличается от вертушки-пропеллера

Электрогенератор, своими руками выполненный в форме пропеллера, должен изготавливаться очень точно. Приведенная же выше схема очень удобна в конструировании и монтаже. При этом мощность такой системы такая же, как и у пропеллера с тремя лопастями до 2,5 м в диаметре. Цилиндры обеспечивают достаточный крутящийся момент. Еще одно преимущество мельницы — отсутствие токосъемного механизма.

Электрогенератор своими руками. Детализация устройства

Устройство представляет четырехлопастный барабан, о котором говорилось выше. Для изготовления половинок барабана подойдет фанера, листовой пластик или Толщина стенок ротора не должна быть большой, следует обратить на это внимание, делая заготовки. Чем стенки легче, тем меньше будут тереться подшипники, то есть сопротивление воздуху при раскрутке будет незначительное.

Перед использованием материалов…

Для кровельного железа вертикаль лопастей нужно усилить. В бортики барабана для этого подкладывается армированный прутик толщиной в палец.

Если части ветрогенератора изготовлены из фанеры, то важно сделать их пропитку горячей олифой. Выпуклые стороны лопастей можно выполнить из легкого пластика или металла. В последнем случае все стыки необходимо тщательно прокрасить плотной масляной краской. Также для конструирования подойдет и древесина.

Из чего делать крестовины, соединяющие лопасти

Чтобы объединить лопасти в ротор, нужна крестовина. Ее лучше сделать из железных полосок сечением 5х60 мм или из деревянных заготовок толщиной около 25 мм и 80 мм по ширине. У краев лопастей с небольшим отступом следует высверлить крепежные отверстия для их закрепления. Всю конструкцию нужно насадить на ось.

Из чего сделать ось

Электрогенератор, своими руками сделанный, нужно закрепить на какой-то основе. Эта основа — стальная ось, имеющая 30 мм в диаметре. Перед сборкой оси нужно найти подходящие под диаметр оси шариковые подшипники. Затем в нее вваривается стальная крестовина, а если крепеж лопастей сделан из древесины, он клеится к оси и одновременно зажимается стальными болтами М12 в рассверленные на крестовине и трубе отверстия. Следите за расстоянием всех лопастей от оси, его примерная величина — 150 мм. Расстояние везде должно быть одним и тем же.

Последняя деталь устройства — станина. Как сделать

Подойдет сварка нескольких металлических уголков или дерево. Когда станина сделана, можно устанавливать подшипники. Главное, чтобы они стояли ровно, без перекоса. В нижнюю часть оси на ее конец проденьте соединительные ремни разного диаметра, зацепив их за шкив. Осталось соединить ременные концы с каким-нибудь токогенератором, к примеру, от автомобиля. Конструкция готова.

В наше неспокойное время иногда возникают перебои с электричеством. Солнечные батареи хороший вариант, но не в преддверии облачной и снежной зимы — тут требуется кое-что получше и мощнее. Дизельный генератор тоже неплохой вариант, только шумный и требующий расходы на обслуживание. Тогда почему бы не изобрести… велосипед? С помощью легко доступных деталей, можно построить достаточно мощный генератор тока, который будет заряжать телефон, ноутбук, или мощный аккумулятор для аварийного освещения дома. Сам велосипед без колёс будет стоять на деревянном основании, а вращение педалей передастся на электромотор генератора.

Велогенератор

Установка велосипеда выполняется следующим образом: заднее колесо велосипеда обеспечит вращение двигателя постоянного тока через ремень вентилятора, этот двигатель подключен к контроллеру заряда, контроллер заряда заряжает свинцово-кислотные батареи, а батарея подключается к инвертору. И затем вы можете подключить любое устройство на 220 В к выходу инвертора.

Основные материалы генератора

Плоская доска основание
Велосипедная рама с задним колесом
12 В свинцово-кислотный аккумулятор
DC-AC инвертор
DC-DC зарядное устройство
24 В DC электромотор
Ремень вентилятора
Провода, винты, и металлический стержень

Сначала прикрепим велосипед на кусок толстой фанеры. Убедитесь, что у вас достаточно места и прикрепите мотор за заднее колесо через шкив.

После установки подставки для велосипеда, переднее колесо должно сидеть плотно на блоках. Далее снять шину с заднего колеса. Прикрепить шкив для двигателя. Закрепить ремень на колесо и шкив. Убедитесь, что двигатель обеспечивает максимальное натяжение ремня вентилятора.

Двигатель здесь применён 2800 об/мин, в то время как езда на скорости 30 километров в час даст всего 250 об/мин на заднем колесе. Таким образом, мы выбираем шкив с диаметром примерно в десять раз меньше, чем колесо, поэтому даже неспешное вращение педалей может дать нам нужные обороты (10х увеличение). Для практичности целей мы выбрали самые толстые ремни, которые могли бы вписаться в обод колеса. В зависимости от того, какую длину вы используете, мотор может устанавливаться на различных расстояниях от заднего колеса.

Зарядное устройство

Контроллер заряда регулирует ток поступающий в батарею и предотвращает избыточный заряд и разряд АКБ. Схему приводить не будем — во-первых на сайте их полно, во-вторых всё зависит от ваших возможностей и предпочтений.

Добавление стабилитрона

Важно не превысить уровень входного напряжения зарядки более предела (в нашем случае 24 В). Вы можете добавить мощный стабилитрон с напряжением пробоя 24V, так что если напряжение станет выше — стабилитрон не позволит избыточному напряжению пойти на зарядное устройство.

Аккумулятор

Если аккумулятор мы используем на 12 В, то и контроллер заряда для напряжения 12 В. Аккумулятор на фото ёмкостью 18 А/ч прекрасно работает в этой схеме генератора и имеет максимальный зарядный ток 5 А.

Инвертор

Ток, который выходит из розетки — переменного тока (AC). Инвертор преобразует низкое постоянное напряжение аккумулятора в повышенное 220 В переменного тока, поэтому вы можете подключать обычные электроприборы. При выборе инвертора убедитесь, что он способен дать выходной ток и напряжение на нужную мощность. Инвертор, рекомендуемые в этом проекте, имеет мощность 500 Вт.

Таким образом становится возможным без малейших дополнительных расходов получить достаточно мощный, экологически чистый источник электроэнергии хоть 12, хоть 220 вольт, который поможет в случае аварий на линиях электропередач во время бури или других стихийных бедствий. А по совместительству генератор работает как обычный велотренажёр!

Эксперименты без нагрузки и под нагрузкой

На этой странице

РезюмеВведениеВыводыБлагодарностиСсылкиАвторское правоСтатьи по теме

В этой статье представлены эксперименты и измерения низкоскоростного генератора с кабелем на постоянных магнитах для преобразования энергии морских течений. Измерения проводились без нагрузки и при номинальной нагрузке (4,44 Ом/фаза) при номинальной скорости (10 об/мин). Для любого режима нагрузки также измерялись магнитные поля в воздушном зазоре. Измерения на генераторе сравнивались с соответствующими симуляциями методом конечных элементов, использованными для проектирования машины. В статье показано, что измерения и моделирование соответствующих случаев показывают хорошее согласие. При номинальной скорости измеренное и смоделированное напряжения нагрузки (номинальная нагрузка) отличаются менее чем на 1 % для среднеквадратичных значений и менее чем на 5 % для пиковых значений. На холостом ходу измеренное и смоделированное напряжения имели большую разницу, т. е. <9% для среднеквадратичных значений и <5% для пиковых значений. Гармонический анализ измеренных и смоделированных фазных напряжений и токов показывает наличие только третьих гармоник. Процент гармоник в измеренных данных был сопоставим с соответствующими предсказаниями моделирования. Обсуждения и результаты, представленные в документе, могут быть полезны для будущего проектирования эффективных и надежных систем преобразователя энергии морских течений.

1. Введение

Для энергетических ресурсов, таких как энергия ветра, волн и приливов, может быть полезно адаптировать генераторы к характеру ресурса. Для энергии ветра и волн как промышленность, так и научные круги представили несколько конструкций генераторов [1–9].]. До сих пор опубликованных материалов, касающихся генераторов, разработанных специально для работы в режиме приливных течений, было меньше. Однако в последние годы в литературе были предложены интересные топологии генераторов, подходящие для турбин морских течений, например [9–12]. Авторы этой статьи ранее обсуждали преимущества наличия генератора прямого привода с постоянным магнитом (ПМ) с регулируемой скоростью для извлечения энергии из приливных и морских течений и представили модели, например [13]. Некоторые из основных целей проектирования заключались в достижении высокого КПД на низких скоростях, чтобы исключить использование редуктора, и в сохранении низкого угла нагрузки, чтобы обеспечить электрическое управление и останов турбины при высоких скоростях потока.

Для изучения электрических характеристик такой тихоходной машины был спроектирован и изготовлен прототип генератора с номинальными характеристиками 5 кВт, 150 В, 10 об/мин и 10 Гц для лабораторных испытаний, см. Рисунок 1 и Таблицу 1. Полное представление электрическую и механическую конструкцию генератора можно найти в [14]. Представленные здесь экспериментальные результаты подтверждают моделирование, представленное ранее в [13, 14]. Генератор разработан для системы с вертикальной осью турбины с фиксированным шагом лопастей и генератором с прямым приводом [15]. Для этого требуется генератор, который может эффективно работать при различных скоростях и нагрузках.

В этом документе представлены результаты работы без нагрузки и при номинальной нагрузке. Измеряются напряжения и токи, а также магнитное поле в воздушном зазоре. Эти измерения служат эталоном для сравнения с соответствующим моделированием методом конечных элементов (FEM), используемым для первоначальной конструкции генератора [14]. Также представлено моделирование производительности генератора при работе с переменной скоростью, чтобы подчеркнуть его способность электрически управлять и тормозить турбину при высоких скоростях потока, которые могут возникать в реках или приливных течениях. Такое управление электрической мощностью предназначено для замены механических систем управления мощностью, таких как механизмы шага лопастей и механические тормоза.

Нагрузочные испытания проводились главным образом для оценки производительности машины в условиях номинальной нагрузки. Представлен гармонический анализ измеренных данных и обсуждены возможные причины электромагнитных потерь и гармоник в экспериментальной машине. Результаты и обсуждения, представленные в статье, могут быть полезны для будущего проектирования и строительства генераторов для преобразования энергии морских течений.

2. Модель генератора конечных элементов

Для электромагнитного анализа и проектирования электрических машин МКЭ стал более или менее стандартным инструментом. Генератор, представленный в этой статье, был проанализирован в среде конечных элементов ACE (ACE, модифицированная версия 3.1, общая платформа ABB для полевого анализа и моделирования, ABB Corporate Research Center, ABB AB, Corporate Research, 721 78 Västerås, Швеция), основанная на двумерной полевой модели осевого сечения генератора.

После выбора геометрии генератора различным подобластям расчетной геометрии выделяются свойства материала, такие как электропроводность 𝜎 и относительная магнитная проницаемость 𝜇𝑟. Нелинейные свойства ферромагнитного материала стали статора представлены однозначной кривой BH. Трехмерные концевые эффекты учитываются путем введения импедансов концов катушек в уравнения цепи обмоток статора, а постоянные магниты моделируются поверхностными источниками тока.

Вращающиеся машины обычно имеют условия симметрии, которые позволяют сократить необходимую расчетную геометрию. В этом случае используется дробная обмотка с 7/5 пазами на полюс и фазу, и, таким образом, расчетная геометрия включает секцию из пяти полюсов и 21 паза статора (см. рис. 2).

Полная модель генератора описывается комбинированным набором уравнений поля и цепи. Магнитный векторный потенциал внутри генератора описывается выражением (1) где 𝜎 — проводимость, 𝜇 — проницаемость, 𝐴𝑧 — аксиальная составляющая магнитного векторного потенциала, а 𝑉 — приложенный потенциал (таким образом, правый член обозначает приложенную плотность тока).

Уравнения схемы описываются формулой 𝐼𝑎+𝐼𝑏+𝐼𝑐𝑈 = 0, (2) 𝑎𝑏 = 𝑈𝑎+𝑅𝑠𝐼𝑎+𝐿end𝑠𝜕𝐼𝑎𝜕𝑡 — 𝑅𝑠𝐼𝑏 — 𝐿end𝑠𝜕𝐼𝑏, 𝑈𝜕𝑡 (3) 𝑐𝑏 = 𝑈𝑐+𝑅𝑠𝐼𝑐+𝐿end𝑠𝜕𝐼𝑐𝜕𝑡-𝑈𝑏 −𝑅𝑠𝐼𝑏−𝐿конец𝑠𝜕𝐼𝑏,𝜕𝑡(4) где 𝐼𝑎, 𝐼𝑏 и 𝐼𝑐 — токи проводника в трех фазах 𝑎, 𝑏 и 𝑐 соответственно. 𝑈𝑎𝑏 и 𝑈𝑐𝑏 — напряжения на клеммах линии, а 𝑈𝑎, 𝑈𝑏 и 𝑈𝑐 — фазные напряжения, полученные в результате решения уравнения поля. 𝑅𝑠 — сопротивление обмотки, а 𝐿end𝑠 описывает индуктивность конца катушки. Кроме того, следует отметить, что потери на трение в подшипниках и потери на ветер не учитываются при оценке КПД из-за низкой скорости вращения и высокого крутящего момента.

3.

Параметры генератора

Перед проведением испытаний на машине были измерены некоторые параметры электрической цепи и геометрические параметры экспериментальной машины в условиях покоя. Сопротивление и индуктивность на фазу обмотки составляют 0,475 Ом и 11,5 мГн. Эти значения были измерены с помощью прецизионного моста [16]. Полное описание геометрии генератора см. в [14].

Используется дробная обмотка и количество пазов на полюс на фазу равно 1,4, следовательно, угловое смещение между пазами 𝛽=42,8∘ и угол разброса фаз равен 60°. Следовательно, коэффициент распределения 𝑘𝑑=0,977. В данном случае шаг полюсов составляет 4,2 прорези. Разработанный станок имеет короткий шаг на 35,5° и коэффициент шага 𝑘𝑝=0,952.

В целях безопасности и во избежание возможных плавающих состояний генератора или нагрузки нейтраль генератора и нагрузки закорочена и заземлена на общую землю источника питания моторного привода. И генератор, и нагрузки соединены звездой.

4. Производительность генератора

4.

1. Эксперименты без нагрузки

Испытание генератора без нагрузки проводилось при номинальной скорости 10 об/мин. После выхода генератора на постоянную скорость магнитное поле в воздушном зазоре измерялось на зубце статора с помощью измерителя 7010 Гаусс/Тесла [17], т. е. датчик Холла закреплялся на одном зубце статора перпендикулярно направлению магнитного потока. . Отметим, что в воздушном зазоре имеются две составляющие магнитных полей, а именно нормальная 𝐵𝑛 и тангенциальная 𝐵𝑡 составляющие. Датчиком Холла измерялась только нормальная составляющая. Моделируемое значение 𝐵-поля берется в точке на расстоянии 1 мм перед зубцом статора, как показано на рисунке 2, чтобы соответствовать положению датчика Холла во время измерений. На рис. 2 также показаны силовые линии магнитного поля в одной секции машины. Измеренная нормальная составляющая магнитных полей воздушного зазора без нагрузки показана на рисунке 3 вместе с магнитным полем, предсказанным в результате моделирования. Моделирование показывает, что максимальная нормальная составляющая и тангенциальная составляющая магнитного поля в воздушном зазоре составляют около 0,6 Тл и 0,15 Тл соответственно. Разница в пиковой нормальной составляющей измеренного и рассчитанного магнитных полей составляет около 6%. Усилие на единицу площади в воздушном зазоре на холостом ходу составляет 65 кН/м ² с помощью инструмента моделирования.

Фазные напряжения без нагрузки были измерены для всех трех фаз, все они были сбалансированы и сдвинуты по фазе на 120°. Следовательно, на рисунке 4 показано напряжение только для одной фазы вместе с напряжением, предсказанным моделированием. Различия в среднеквадратичных значениях смоделированных и измеренных напряжений показаны в таблице 2. Было обнаружено, что среднеквадратические значения смоделированных напряжений примерно на 9% выше по сравнению с измерениями. Скорее всего, это связано с неопределенностью измерений и неточностями моделирования, например, в отношении конечных эффектов. Кроме того, небольшие различия в осевой длине ротора и статора из-за конструктивных ошибок не учитываются при моделировании генератора. Напряжения измерялись с помощью трех пробников напряжения Tektronix P2220 [18].

4.2. Эксперименты с номинальной нагрузкой

Испытания генератора под нагрузкой проводились при номинальной скорости 10 об/мин и подключенной по схеме Y нагрузке 4,44 Ом/фазу. Магнитное поле измерялось так же, как и в случае без нагрузки. Измеренная нормальная составляющая магнитного поля показана на рис. 5. Также на рис. 5 показаны магнитные поля в воздушном зазоре, предсказанные моделированием при тех же условиях нагрузки на спроектированном генераторе в точке на расстоянии 1 мм перед статором. зуб.

Установлено, что рассчитанные максимальные нормальная и тангенциальная составляющие магнитного поля в воздушном зазоре составляют около 0,6 Тл и 0,04 Тл соответственно. Что касается различий в магнитных полях без нагрузки и в условиях нагрузки, видно, что на нормальную составляющую магнитного поля не оказывает существенного влияния ни одно из условий нагрузки при номинальных скоростях. Усилие на единицу площади в воздушном зазоре при работе с номинальной нагрузкой составляет около 63 кН/м ² согласно моделированию.

Фазные напряжения и фазные токи, измеренные в условиях нагрузки, показаны на рисунках 6 и 7 соответственно вместе с соответствующими значениями, рассчитанными с помощью моделирования. Различия в среднеквадратичных значениях смоделированных и измеренных напряжений и токов показаны в таблице 3. Из данных на рисунке 6 установлено, что различия между смоделированными и измеренными среднеквадратичными значениями напряжения при номинальной нагрузке составляют менее 1 %. Однако из рисунка 7 видно, что разница между смоделированными и измеренными среднеквадратичными значениями тока составляет около 4%. Токи измерялись универсальными силовыми клещами Metrix MX240 [19].]. Для всех измерений напряжения и тока использовался четырехканальный осциллограф Lecroy Wavesurfer 424 [20].

Для количественного определения содержания гармоник в машине измеренные напряжения и токи были преобразованы Фурье. Измерения проводились на частотах дискретизации, более чем в десять раз превышающих высшую гармонику (5-ю), обнаруженную при моделировании. В измеренных номинальных токах и напряжениях нагрузки видны только основная и третья гармоники. Моделирование также предсказывает незначительную пятую гармонику. В процентном отношении третья гармоника в измеренных токе и напряжении при номинальной нагрузке составляет 2 %, тогда как моделирование предсказывает 6 %. В таблице 4 показано содержание гармоник в фазном напряжении при номинальной нагрузке и без нагрузки.

Различия в измеренных и смоделированных гармониках могут быть связаны с конструкционными и модельными неточностями или различиями. Предпочтительно, чтобы гармоники в машине были низкими, так как они вызывают дополнительные потери в сердечнике машины и в меди. Более того, в будущем этот тип генератора будет подключаться к выпрямителю. Роль гармоник при работе с переменной скоростью синхронного генератора, подключенного к диодному выпрямителю, дополнительно обсуждается в [21].

Мощность, подаваемая на номинальную нагрузку при 10 об/мин, составляет около 4,7 кВт (см. рис. 8). Электромагнитные потери в генераторе из моделирования представлены в таблице 5. Потери в меди из измеренных токов и сопротивлений составляют около 0,5 кВт и хорошо согласуются с моделированием. Моделирование предсказывает эффективность этого генератора около 86% при номинальных условиях.

4.3. Моделирование работы с переменной скоростью

Чтобы продемонстрировать способность генератора управлять и тормозить турбину при различных скоростях потока, которые могут возникать в реках или приливных течениях, была смоделирована эффективность генератора с переменной скоростью, которая показана на рисунке. 9 для номинальной нагрузки и нагрузки 0,5 pu. Видно, что КПД разработанной машины находится в пределах 78–88 % в диапазоне скоростей 4–20 об/мин. Поскольку различия в моделировании и измерениях для обсуждавшихся ранее случаев невелики, можно ожидать, что реальный КПД экспериментального генератора будет находиться в том же диапазоне. Это позволило бы осуществлять электрическое управление турбиной, сохраняя при этом хорошую эффективность работы. Для сравнения, моделирование падения напряжения и КПД в сети при номинальной скорости и переменной нагрузке показано на рис. 10. Видно, что реакция якоря мала и что генератор можно использовать для управления турбиной лишь с небольшим уменьшением в эффективности.

В реальной морской среде эффективность всей системы зависит от коэффициента мощности 𝐶𝑝 турбины. Ожидаемый контроль системы заключается в поддержании фиксированного отношения скоростей наконечника (TSR), следовательно, поддержании оптимального 𝐶𝑝 для турбины без превышения пределов кавитации за счет управления нагрузкой генератора. При более высоких скоростях генератор будет удерживать турбину на более низком TSR (и, следовательно, на более низком 𝐶𝑝), чтобы ограничить мощность, поглощаемую турбиной. Следовательно, генератор будет работать как с различными скоростями, так и с различными нагрузками, чтобы контролировать TSR турбины. Эта стратегия управления была эффективно реализована в случае ветроэнергетических систем [22, 23].

Другим важным конструктивным критерием является способность генератора эффективно тормозить турбину в предполагаемом диапазоне работы, чтобы исключить использование шага лопастей и механических тормозов. Чтобы проиллюстрировать это, генератор был смоделирован с резистивной сбросной нагрузкой 1,5 Ом и сравнен с мощностью, выдаваемой гипотетической турбиной с вертикальной осью (𝐶𝑝 0,35, обеспечивающей 5 кВт при 10 об/мин при скорости потока воды 1,5 м/с). работает при фиксированном TSR при возрастающих скоростях воды, см. рис. 11. Видно, что генератор надежно тормозит турбину при скоростях, в два раза превышающих номинальную скорость.

5. Выводы

В этой статье представлены электрические испытания генератора с прямым приводом мощностью 5 кВт, 10 об/мин, с кабельной обмоткой и постоянными магнитами для преобразования энергии морского тока. Тесты без нагрузки и с номинальной нагрузкой сравнивались с соответствующими моделями конечных элементов с использованием разработанного генератора. В обоих тестах также сравнивались распределения магнитного поля в воздушном зазоре. Установлено, что расхождения между экспериментом и расчетом составляют менее 10 %. Гармонический анализ показывает наличие 2% содержания третьей гармоники. КПД спроектированной машины составляет 78–88 % в диапазоне скоростей 4–20 об/мин по данным моделирования. Низкая реакция якоря и высокая перегрузочная способность показывают, что генератор можно использовать для электрического управления и торможения турбины в предполагаемом диапазоне работы.

Благодарности

Настоящим выражается благодарность д-ру Арне Вольфбрандту и д-ру Карлу-Эрику Карлссону за разработку инструмента моделирования. Искренняя благодарность Ульфу Рингу за надзор и помощь во время строительных работ. Особая благодарность д-ру Нельсону Теэтайи за интересные обсуждения, поддержку и поощрение во время написания. Экспериментальная установка финансировалась Vattenfall AB и Шведским центром преобразования возобновляемой электроэнергии (финансируется Университетом Упсалы, Шведским агентством инновационных систем (VINNOVA) и Шведским энергетическим агентством (STEM)). Авторы также хотели бы поблагодарить Шведский исследовательский совет (грант № 621-2009).-4946).

Ссылки

C. Versteegh, «Проектирование ветряной турбины Zephyros Z72 с упором на генератор с постоянными магнитами с прямым приводом», в Proceedings of the Nordic Workshop on Power and Industrial Electronics (NORPIE ’04) , Trondheim, Норвегия, июнь 2004 г.
Посмотреть по адресу:
Google Scholar
2011 г., http://www.winwind.com/.
М. Дальгрен, Х. Франк, М. Лейон, Ф. Оуман и Л. Уолфридссон, «WindformerTM. Энергия ветра становится масштабной» ABB Review , №. 3, pp. 31–37, 2000.
Просмотр по адресу:
Google Scholar
Р. Скотт Семкен, М. Поликарпова, П. Ройттэ и др., «Генераторы с постоянными магнитами с прямым приводом для мощных ветряные турбины: преимущества и ограничивающие факторы», IET Renewable Power Generation , vol. 6, нет. 1, стр. 1–8, 2012 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Г. Рамтаран, Н. Дженкинс и О. Анайя-Лара, «Моделирование и управление синхронными генераторами для широкодиапазонных ветряных турбин с переменной скоростью», Энергия ветра , том. 10, нет. 3, стр. 231–246, 2007 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
P. Lampola, Низкоскоростные генераторы с постоянным магнитом и прямым приводом для ветроэнергетики [Ph.D. диссертация] , Хельсинкский технологический университет, 2000.
Дж. Чжан, З. Чен и М. Ченг, «Проектирование и сравнение нового генератора с постоянными магнитами внутри статора для ветряных турбин с прямым приводом», IET Возобновляемая энергетика , том. 1, нет. 4, стр. 203–210, 2007 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
H. Polinder, M.E.C. Damen, and F. Gardner, «Проектирование, моделирование и результаты испытаний линейного генератора AWS PM», European Transactions on Electrical Power , vol. 15, нет. 3, стр. 245–256, 2005 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Мюллер М., Макдональд А., Очие К. и Джеффри Дж. «Новый легкий генератор с постоянными магнитами для отбора мощности с прямым приводом в морских преобразователях возобновляемой энергии», в Proceedings of the 7th European Wave and Tidal Energy Conference , Порту, Португалия, сентябрь 2007 г. Исследование инновационной электрической машины, приспособленной к турбинам морских течений», в Proceedings of the Oceans 2007 Conferenc , Абердин, Шотландия, июнь 2007 г. , Бенбузид М. и Шарпантье Дж. Ф., «Сравнение производительности трех- и пятифазных генераторов с постоянными магнитами для применения в турбинах морского тока при обрыве цепи», в Proceedings of the International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG ’11) , стр. 1–6, 2011 г. А. Грант, К. Джонстон и С. Ордонез-Санчес, «Анализ системы одноточечного натяжения для удержания на месте турбины морского течения, вращающейся в противоположном направлении», IET Renewable Power Generation , vol. 4, нет. 6, стр. 473–487, 2010.
Просмотр:
Сайт издателя | Google Scholar
М. Лейон и К. Нильссон, «Система прямого преобразования электроэнергии для преобразования энергии морских течений», Труды Института инженеров-механиков, часть A , том. 221, нет. 2, стр. 201–205, 2007 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
К. Томас, М. Граббе, К. Юэн и М. Лейон, «Малоскоростной генератор для преобразования энергии морских течений — экспериментальная проверка моделирования», Труды Института инженеров-механиков, часть A , том. 222, нет. 4, стр. 381–388, 2008 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
К. Юэн, К. Томас, М. Граббе и др., «Согласование синхронного генератора с постоянными магнитами с турбиной с вертикальной осью фиксированного шага для преобразования энергии морских течений», IEEE Journal of Oceanic Engineering , об. 34, нет. 1, стр. 24–31, 2009 г.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Академия Google
General Radio 1658 RLC Digibridge, форма: 1658-0120-D.
2011, http://fwbell.com/file/Gaussmeter%20Catalog%20%282011-01%29.pdf.
2011, http://www2.tek.com/cmsreplive/psrep/13418/51W_17984_1_2011.01.19.17.28.13_13418_EN.pdf.
2011 г., http://www.chauvin-arnoux.com/display.asp?7987.
2011, http://www.lecroy.com/.
И. Ядрик, Д. Бороевич и М. Ядрик, «Моделирование и управление синхронным генератором с активной нагрузкой постоянного тока», IEEE Transactions on Power Electronics , vol. 15, нет. 2, стр. 303–311, 2000.
Посмотреть по адресу:
Сайт издателя | Google Scholar
Дж. Ф. Мануэлл, Дж. Г. МакГуан и А. И. Роджерс, Объяснение энергии ветра 舒 Теория, проектирование и применение , John Wiley & Sons, 2002.

Ветроэнергетика

Посмотреть по адресу:

Сайт издателя | Google Scholar

Copyright

Copyright © 2012 Karin Thomas et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Расчет цепи преобразования средней мощности ветра с магнитным множителем скорости

Авторская панель Войти

Что такое открытый доступ?

Открытый доступ — это инициатива, направленная на то, чтобы сделать научные исследования бесплатными для всех. На сегодняшний день наше сообщество сделало более 100 миллионов загрузок. Он основан на принципах сотрудничества, беспрепятственного открытия и, самое главное, научного прогресса. Будучи аспирантами, нам было трудно получить доступ к нужным нам исследованиям, поэтому мы решили создать новое издательство с открытым доступом, которое уравняет правила игры для ученых со всего мира. Как? Упрощая доступ к исследованиям и ставя академические потребности исследователей выше деловых интересов издателей.

Наши авторы и редакторы

Мы представляем собой сообщество из более чем 103 000 авторов и редакторов из 3 291 учреждения в 160 странах, в том числе лауреатов Нобелевской премии и самых цитируемых исследователей мира. Публикация на IntechOpen позволяет авторам получать цитирование и находить новых соавторов, а это означает, что больше людей увидят вашу работу не только из вашей собственной области исследования, но и из других смежных областей.

Оповещения о содержимом

Краткое введение в этот раздел, описывающий открытый доступ, особенно с точки зрения IntechOpen

Как это работаетУправление предпочтениями

Контакты

Хотите связаться? Свяжитесь с нашим головным офисом в Лондоне или командой по работе со СМИ здесь

Карьера

Наша команда постоянно растет, поэтому мы всегда ищем умных людей, которые хотят помочь нам изменить мир научных публикаций.

Открытый доступ

Автор:

Даниэль Мэтт, Жюльен Жак и Николя Циглер0003

DOI: 10.5772/51949

Из отредактированного тома

Под редакцией Руппа Карриво 2808 загрузок глав

Посмотреть полные показатели

Рекламное объявление

1. Введение

При проектировании ветровой турбины для выработки электроэнергии существует два метода подключения датчика ветра к генератору, как показано на рис. 1.

Рисунок 1.

Соединение ветряной турбины с генератором

Первый, наиболее распространенный, соединяет турбину с генератором через механический множитель скорости. В этой конфигурации механическая мощность с высокой скоростью передается на электрическую машину. После этого размер последнего может быть легко уменьшен. Основное преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет использовать синхронные или асинхронные генераторы простой конструкции, которые легко доступны и недороги.

Этот первый метод в основном используется для ветряных турбин большой мощности (выше нескольких десятков киловатт, чтобы установить порядок величины), потому что при этом уровне мощности большой размер генератора становится проблемой, становится трудно обойтись без множитель скорости.

Второй, более поздний вариант, заключается в подключении генератора напрямую к турбине без механического посредника [8]. Этот метод известен как «прямой привод» и стал экономически выгодным в последние годы благодаря прогрессу, достигнутому в области постоянных магнитов. Стоимость постоянных магнитов значительно снизилась, а их характеристики продолжали улучшаться. Они позволили разработать высокопроизводительные синхронные машины с высокой плотностью мощности, хорошо подходящие для работы на низких скоростях, обусловленных датчиком ветра, по разумной цене.

Метод прямого привода привлекателен тем, что он устраняет слабый элемент цепи преобразования: редуктор множителя скорости. Это действительно частый источник отказов, дополнительный источник шума, а также может потребоваться регулярное техническое обслуживание, что приводит к высоким эксплуатационным расходам [8,9]. Наконец, мультипликатор может быть источником химического загрязнения из-за смазочного масла. Это объясняет, почему последний вариант широко предпочтителен при установке малых и средних ветряных турбин для бытового применения, которые предназначены для работы в течение длительного времени без обслуживания.

При превышении определенного уровня мощности, обычно 10 кВт, оба метода становятся конкурентоспособными с точки зрения стоимости; только хорошее технико-экономическое исследование может склонить чашу весов в ту или иную сторону.

В рамках конструкции средней мощности существует третий метод, предлагающий интересную альтернативу механическому множителю скорости: использование магнитной передачи [3-7]. Таким образом, эта глава посвящена описанию этого устройства и показывает полезность и осуществимость такой цепи преобразования ветра. Представлены различные конструкции магнитных умножителей, и конструкция этого устройства позволит провести сравнение с традиционными решениями.

Преимущество магнитного множителя скорости по сравнению с его механическим аналогом заключается в бесконтактной передаче усилия, что позволяет работать без обслуживания. Мы также показываем, что размер и эффективность магнитного умножителя скорости не являются запретительными для предполагаемого применения.

2. Презентация магнитного умножителя скорости

Принцип работы магнитного умножителя или умножителя скорости в настоящее время хорошо известен, но использование этого типа преобразователя необычно и обычно предназначено для малой мощности [3-6] . Мы покажем, почему полезна передача значительной мощности с очень низкой рабочей скоростью ветряной турбины.

Действие мультипликатора скорости основано, во-первых, на принципе зубчатого соединения типа Вернье [1,2,10] между рядом чередующихся постоянных магнитов и рядом магнитных зубьев. Следующая диаграмма, представляющая цилиндрическую или дискообразную развернутую структуру, демонстрирует принцип, использованный при расчете магнитного поля в воздушном зазоре. В этом устройстве ряд переменных постоянных магнитов 2.N _r, расположенных вокруг ротора, движется перед рядом N _s магнитные зубья вокруг статора. Номер N _s отличается от N _r .

Рис. 2.

Сечение верньера с распределенными обмотками

Для расчета магнитного поля в точке M в любом месте воздушного зазора необходимы азимутальные координаты θ _s и θ _r , обозначенные соответственно относительно оси D _s , связанной со статором, и D _r , связанной с ротором. Угол θ между двумя осями является функцией времени.

Волна плотности потока в воздушном зазоре, b _a (θ _s , θ), создаваемая постоянными магнитами, выводится из следующего уравнения:

ba(θs,θ) =P(θs )·εa(θs,θ)E1

, где ε _a (θ _s , θ) представляет скалярный магнитный потенциал, связанный с постоянными магнитами, а P(θ _s ) представляет плотность проницаемости воздушного зазора модулируется магнитными зубьями. Мы сохраняем только исходные гармоники этих волн.

εa(θs,θ)=ε1·cos Nr(θs−θ)E2

P=P0+P1s⋅cos(Nsθs)E3

Умножение приводит к:

ba(θs, θ) =½ ε1·P1s·cos((Ns−Nr)·θs+Nrθ) + ½·ε1·P1s·cos((Ns+Nr)·θs−Nrθ) +ε1·P0·cos Nr(θs−θ)E4

Второй член не представляет практического интереса, его периодичность 2π/|N _с +N _r | слишком мала для его реализации в синхронной связи с другим магнитным полем.

Третий член с периодичностью 2π/N _r довольно просто связан с распределением постоянных магнитов и, таким образом, не представляет для нас интереса в режиме связи Вернье, как определено здесь.

Мы будем рассматривать только первый член, который фактически является основным. Его периодичность, 2π/|N _с -N _r |, характерна для эффекта Вернье: = ½⋅ε1⋅P1sE5

Принимая θ = Ω _r .t, член выглядит как волна, вращающаяся со скоростью N _r .Ω _r /|N _s -N

_{8 | = к _v . Ω _r , коэффициент k _v известен как коэффициент Вернье.
Постоянные магниты небольшого размера (N _r большие) позволяют получить высокое соотношение скоростей между скоростью вращения магнитного поля и скоростью вращения ротора. Именно это явление используется для разработки множителя скорости. Основное физическое ограничение процесса состоит в том, что чем меньше магниты, тем меньше поле b _a1 , в результате невозможности достаточного уменьшения воздушного зазора.
В нониусной конструкции при большом числе магнитных зубцов или постоянных магнитов шаг τ _s , по-видимому, мало отличается от шага τ _rs , тогда можно выделить псевдоповторяющийся узор, характерный для магнитного взаимодействия между зубцом и двумя магнитами. Этот шаблон полностью определяется четырьмя параметрами размерности, α, Λ, s, ε, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3.
Элементарный домен; зубчатая муфта
Параметрическое исследование, проведенное на элементарной схеме [1,10], позволяет количественно оценить амплитуду первой гармоники плотности потока, b _а1 .
Таким образом, в [1] показано, что b _a1, что может быть выражено как:
ba1=α⋅Λ(ε+α)2⋅ksπ⋅BarE6
намагниченность постоянного магнита.
Первое приближение коэффициента сцепления зубьев, k _s , полученное путем численного расчета магнитных полей, зависит только от аразмерных параметров (α, Λ) и представлено на рисунке 4.
Рисунок 4.
w3.org/1998/Math/MathML» xmlns:xsi=»http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance» xmlns:sym=»http://www.w3.org/2012/symbol»> Изменение коэффициента связи по α и Λ
Принимая следующие типовые значения: Λ = 1, α = 0,2, ε = 0,05, B _ar = 1 Тл, получаем k _s ≈ 0,12, то есть b _a1 ≈ 0,12 Тл. Казалось бы, что магнитное поле, b _a , всегда слабое, но на самом деле поле меняется со временем до высокой частоты, становясь выше, когда N _r становится больше. Именно это явление будет успешно использовано при передаче механической силы внутри преобразователя, который мы опишем.
Вторым принципом, используемым в конструкции магнитного умножителя скорости, является магнитная муфта. Это устройство объединяет два ротора посредством магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами.
В магнитном умножителе скорости, как показано на рисунке ниже, промежуточный статор позволяет разъединить скорость двух роторов, используя принцип зубчатого соединения, как показано в конструкции Вернье.
Рис. 5.
Магнитная передача: принцип действия
Количество пар магнитных полюсов p этой конструкции определяется количеством пар постоянных магнитов, связанных с высокоскоростным ротором, N _rh . Это должно соответствовать количеству полюсов, создаваемых соединением между количеством пар постоянных магнитов N _rs на низкоскоростном роторе и зубьями статора N _s. Затем необходимо проверить следующую формулу:
|Ns− Nrs|= p = NrhE7
Возможна работа с N _s > N _r : высокоскоростной ротор будет двигаться в направлении, противоположном низкоскоростному ротору; или N _r > N _s : два ротора будут вращаться в одном направлении. Предыдущие исследования верньерных конструкций [2] показали, однако, что первая конфигурация, N _s > N _r, намного лучше, поскольку дает большее усилие по отношению к поверхности воздушного зазора.
При смещении тихоходного ротора на величину одного малого шага магнита, τ ₂ высокоскоростной ротор сместится на величину одного большого шага постоянного магнита, τ ₁ . Передаточное число просто получается путем вычисления отношения τ ₁ и τ ₂ :
km=|Nhigh/Nlow|=τ1/τ2= Nrs/Nrh= kvE8
Работа в синхронном режиме, характеризующаяся приведенное выше уравнение, возможно только в том случае, если крутящий момент на выходном валу не превышает максимальное значение. Мы также показываем последствия возможного срыва.
Реклама
3. Собственные характеристики магнитного умножителя скорости
В традиционном редукторе умножителя скорости, который передает усилие через механический контакт, размер с точки зрения передаваемого крутящего момента определяется соображениями износа и прочности материала. Это хорошее решение, которое позволяет создавать компактные конструкции, но при проектировании необходимо учитывать множество факторов безопасности, чтобы снизить риск поломки, который в конечном итоге довольно высок [9].
Уровень силы, передаваемой без контакта, через связь магнитного поля внутри магнитной шестерни, очевидно, намного слабее, чем при традиционном механическом решении. С другой стороны, нет необходимости вводить коэффициенты запаса прочности, ухудшающие конструкцию, поскольку отсутствует риск поломки.
Чтобы количественно оценить уровень производительности магнитного множителя скорости, мы введем тангенциальную плотность магнитной силы, определяемую следующим уравнением: получается, когда поля плотности потока, создаваемые постоянными магнитами обоих роторов, сдвинуты по фазе на электрический угол π/2, как показано на рисунке 6.
Плотность тангенциальной силы может быть рассчитана из элементарной области шириной τ ₁ и глубина L _f . Поверхность воздушного зазора S _e равна τ ₁ .L _f .
Рис. 6.
w3.org/2001/XMLSchema-instance» xmlns:sym=»http://www.w3.org/2012/symbol»> Положение при максимальной силе
Расчет F _st производится с использованием магнитного поля, конечных элементов, расчетного программного обеспечения. Параметры определяются относительной толщиной основного постоянного магнита β = l _a /l и коэффициентом умножения k _v . Размерные параметры магнитной картины относительно низкоскоростного ротора произвольно назначаются с использованием следующих значений:
Λ= 1,α= 0,2,ε= 0,05
Эти значения обычно дают хороший результат при проектировании нониусных машин [1,10].
Воздушный зазор на высокоскоростном роторе равен одной десятой толщины основного магнита. Однако этот аспект имеет меньшее значение.
На следующем рисунке показаны линии потока в конфигурации, аналогичной той, что показана на рисунке 6, для значения k _v, равного 5, и β, равного 1/2.
Рис. 7.
w3.org/1999/xlink» xmlns:mml=»http://www.w3.org/1998/Math/MathML» xmlns:xsi=»http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance» xmlns:sym=»http://www.w3.org/2012/symbol»> Линии потока в положении максимальной силы
Плотность тангенциальной силы F _st представлена на рисунке 8 в зависимости от относительной толщины β. Это кривые тренда в линейном режиме.
Важно отметить, что уровень плотности тангенциальной силы, достигаемый в множителе скорости от 40 до 50,10 ³ Н/м², значительно выше, чем полученный в обычном электромеханическом преобразователе, который ближе от 10 до 20,10 ³ Н/м², в установившемся режиме и при воздушном охлаждении [10]. Это сложное явление создается тем, что в электромеханическом преобразователе одна из составляющих магнитного поля, взаимодействующих для создания крутящего момента, создается токами с меньшей эффективностью, чем у постоянных магнитов, как в случае умножителя скорости. Это общий принцип, соблюдаемый во всех преобразователях, использующих магниты.
Рис. 8.
Плотность тангенциальной силы для различных значений k _v (B _ar = 1,2 Тл)
На рис. 9 на той же основе показано изменение плотности нормальной силы, F _sn = F/S _e , против , при значении k _v равном 10.
Сила F перпендикулярна поверхностям воздушного зазора; он не создает движущей силы, но, как мы увидим позже, имеет тенденцию вводить ограничения на подшипники. Нормальная плотность силы рассчитывается для низкоскоростного ротора и для высокоскоростного ротора. Она намного выше со стороны низкоскоростного ротора, что делает невозможным уравновешивание силы на статоре.
Нормальный уровень плотности силы, который вытекает из следующего соотношения для плотности потока B, в большинстве случаев все еще намного выше уровня тангенциальной плотности силы.
Fsn=B22⋅μ0E10
Рис. 9.
Нормальная плотность силы (k _v = 10)
Реклама
пути в цепи преобразования ветра.
Следует отметить, что взаимодействие типа Вернье магнитных зубцов с небольшими постоянными магнитами может быть достигнуто непосредственно в электродвигателе [1,8], который имеет двойное преимущество относительно простой конструкции, высокой производительность на низких скоростях, по указанным причинам (электромеханическое преобразование на высокой частоте). Это показывает его потенциал для использования с прямым приводом без мультипликатора.
На рис. 10 показана конструкция такой машины, при N _s = 12, N _r = 10, p = 2, k _v = 5. Эта конфигурация будет основой для сравнения производительности в следующем абзаце для размера 10 кВт, соответствующего ветряной турбине средней мощности/системе преобразования.
Несмотря на свою основную проблему, которая заключается в том, что она работает естественно с низким коэффициентом мощности (обычно от 0,4 до 0,7), эта конфигурация прекрасно подходит для конструкции генератора ветряной турбины, поскольку ее отношение массы к мощности не имеет себе равных в такого рода приложениях [8] .
Рисунок 10.
Синхронный генератор Вернье с постоянными магнитами
Основное преимущество конструкции цепи преобразования магнитного множителя скорости состоит в том, что она позволяет устранить связь между электрическими проблемами (перегрев, коэффициент мощности и т. д.) и проблемами, возникающими из-за эффекта Вернье при преобразовании скорости.
Мы также покажем, что, учитывая высокий уровень плотности тангенциальной силы, достигаемый в мультипликаторах, это решение может быть более эффективным с точки зрения веса и размера, чем более прямое решение, показанное на рис. 10.
Конструкция, обычно принятая для умножителя, полностью основанная на принципе, описанном на рисунке 5, выглядит следующим образом:
Рисунок 11.
Магнитный умножитель скорости с цилиндрической конструкцией этот тип устройства. Эта архитектура основана на перекрытии трех концентрических цилиндров, двух роторов и статора, вращающихся друг относительно друга, при этом направление вращения двух роторов обязательно является деликатным [3].
На рисунке 12 показаны два примера расположения подшипников для решения упомянутой проблемы, но во всех случаях дополнительные ограничения со стороны подшипников будут источником ускоренного старения конструкции.
В первом варианте (а) магнитные зубья действуют как низкоскоростной ротор. Небольшие постоянные магниты находятся на статоре. Во втором варианте (б) магнитные зубья закреплены; небольшие постоянные магниты находятся на низкоскоростном роторе, который является внешним.
Рисунок 12.
Расположение подшипников в цилиндрической конструкции
Следует также отметить, что сборку, состоящую из чередующихся магнитных и немагнитных зубьев, добиться непросто, поскольку магнитные зубья должны быть ламинированы или изготовлены из материала SMC. Достижение этой сложной, весьма неоднородной структуры все еще проблематично.
На следующих фотографиях показан пример такой конструкции. Магнитные зубья закреплены с помощью эпоксидной смолы, получившийся узел усилен резьбовыми стержнями, видимыми на рис. 13(с).
Рис. 13.
w3.org/2001/XMLSchema-instance» xmlns:sym=»http://www.w3.org/2012/symbol»> Прототип магнитной передачи
Альтернативное решение рис. 10 и 11, описанное в [5,7], состоит в объединении высокоскоростного генератора и умножителя скорости в одну структуру путем вставки многофазная обмотка между магнитными зубьями, в соответствии со следующим рисунком:
Рисунок 14.
Комбинация высокоскоростного генератора и умножителя скорости
Это решение привлекательно, но технологические сложности конструкции приводят к недооптимизации ( например, увеличение воздушного зазора…), поэтому маловероятно, что результат будет лучше, чем при упрощенном решении, показанном на рис. 10.
Принцип, который мы только что описали, может быть успешно реализован в дискообразных структурах, таких как на рисунке 15, выполняющих один или несколько каскадов умножения.
Рисунок 15.
Магнитный множитель скорости: одноступенчатая дисковая конструкция
Преимущество этой конструкции магнитной передачи состоит в том, что она более компактна, чем цилиндрическая конструкция, для более высокого уровня крутящего момента, поскольку она позволяет лучше использовать максимальный радиус. Прежде всего, он имеет то преимущество, что он механически проще; роторы могут поддерживаться простым подшипником с каждой стороны статора.
С другой стороны, в конструкции, показанной на рис. 15, роторы подвергаются огромным осевым нагрузкам, которые мы оценим количественно, что также ограничивает подшипники. Это типично для дисковидных структур и может быть сложным для контроля. Это главная проблема дизайна.
Объявление
5.
Конструкция магнитной передачи Чтобы прояснить потенциальное использование магнитных умножителей в конструкции цепи преобразования ветра, мы рассчитываем электромеханическое устройство на электрическую выходную мощность 10 кВт. Эта выходная мощность соответствует установке средней мощности, например, для небольшой фермы или небольшой группы изолированных домов. Этот тип турбин значительно вырос.
Чтобы количественно оценить уровень производительности, мы сравним комбинацию умножителя и высокоскоростного генератора с прямым приводом, низкоскоростным генератором: конфигурация Вернье, как на рис. 10. Исследование, проведенное в [1,8], показывает что плотность мощности этой конфигурации значительно лучше, чем плотность мощности, полученная при использовании более традиционной конфигурации с большим количеством полюсов.
Номинальная скорость N _low ветровой турбины, используемой в этом исследовании, составляет 150 об/мин.
В следующей таблице представлены основные характеристики, полученные при работе генератора Вернье в сочетании с активным выпрямителем.
Характеристики Значения
Н _с / Н _р 108 / 90
Количество пар полюсов, обмотка якоря 18
Номинальная скорость вращения (об/мин) 150
5″ border-bottom=».5″ border-left=»0″ border-right=»0″> f _e при номинальной частоте вращения (Гц) 225
Выходная мощность (кВт) 10
E при номинальной скорости вращения (установившееся состояние) (В) 166
r (установившееся состояние) (Ом) 0,44
Д _с (мГ) 5″ border-bottom=».5″ border-left=»0″ border-right=»0″ align=»center»> 2,2
Джоулевые потери (Вт) 650
Потери в железе (Вт) 720
Пульсации крутящего момента без нагрузки (зубчатый крутящий момент) (%) 0
Эффективность (%) 88
Таблица 1.
Электрические характеристики генератора Вернье мощностью 10 кВт
Основные размеры этого генератора приведены в таблице 2.
Размеры Значения
Внешний диаметр (мм) 500
Диаметр воздушного зазора (мм) 468
Длина статора (мм) 187
Длина ротора (мм) 5″ border-bottom=».5″ border-left=»0″ border-right=»0″ align=»center»> 127
Внутренний диаметр ротора (мм) 454
Масса ротора и статора (кг) 26
Таблица 2.
Основные размеры генератора Вернье
Мы видим, что высокая рабочая частота, 225 Гц, при низкой скорости, 150 об/мин, приводит к соотношению массы и мощности около 400 Вт/кг, принимая во внимание учитывать только вес активных частей. Соотношение массы и мощности обычной машины с большим количеством полюсов будет порядка 200 Вт/кг. Эффективность машины Вернье сравнима с эффективностью обычной машины при тех же условиях работы, с большими потерями в железе, но с меньшими потерями Джоуля. Это тоже прямое следствие увеличения частоты.
Множитель скорости, который будет связан с высокоскоростной машиной, будет рассчитан в рабочих условиях, аналогичных условиям работы машины Вернье, в частности, для рабочей частоты низкоскоростного ротора, f _rs, которая будет порядка 225 Гц.
Тихоходный ротор имеет N _rs пар постоянных магнитов, тогда рабочая частота, f _rs , равна:
frs=Nrs·Nslow60E11
№ _rs = 90 пар постоянных магнитов на весь тихоходный ротор.
Выбор коэффициента умножения является важным параметром для оптимизации системы; чем выше отношение, тем меньше размер генератора. С другой стороны, в соответствии с результатами рисунка 8, чем выше отношение, тем ниже плотность тангенциальной силы внутри умножителя, что приводит к увеличению размера умножителя.
В задачу данной главы не входит оптимизация этой системы; мы находим просто, что после k _v = 10, согласно результатам, представленным на рисунке 8, плотность тангенциальной силы быстро убывает, поэтому в качестве коэффициента умножения примем k _v = 10, что приводит к номинальной скорости вращения генератора, Н _{высокая}, 1500 об/мин.
Из этого значения мы получаем количество пар полюсов, p:
p=Nrskv=9E12
Эти выбранные значения p и N _rs позволят нам рассчитать основные размеры умножителя, как показано на рисунке 16:
Рис. 16.
Основные размеры мультипликатора скорости
Крутящий момент на тихоходном роторе рассчитывается по поверхности дисковидного воздушного зазора и плотности тангенциальной силы, F _st, следующим образом:
Tlow=23 ⋅π≤⋅(Rmax3−Rmin3)⋅FstE13
Генератор должен выдавать электрическую мощность 10 кВт с КПД 90%. В этом случае входная мощность генератора P _·м равна 11,1 кВт. Пренебрегая КПД множителя скорости, получаем крутящий момент Т _низкая , равная:
Tlow=60⋅Pm2⋅π⋅Nlow≈700 NmE14
Плотность тангенциальной силы, F _st , фиксируется на среднем значении 40,10 ³ Н/м² результаты на фиг. 8, радиус R _max и R _min можно вывести из приведенных выше формул. Принимая значение R _max, которое немного меньше внешнего радиуса верньерного станка, R _max = 210 мм, радиус R _min равен 100 мм.
Толщины дисков мультипликатора скорости, l ₁ , l ₂ , l ₃ , можно вывести из размеров малых постоянных магнитов в элементарной области, определенной на рисунке 3, приняв следующие значения. для безразмерных параметров: Λ = 1, α = 0,2, ε = 0,05. Расчет долгий, но не сложный. В следующей таблице приведены размеры множителя (скорости):
Размеры (мм) Значения
5″ border-left=»0″ border-right=»0″> Толщина малых постоянных магнитов 3
Толщина низкоскоростного магнитного ярма 20
л ₁ 23
Низкоскоростной воздушный зазор 0,75
Толщина высокоскоростных постоянных магнитов 7,5
5″ border-bottom=».5″ border-left=»0″ border-right=»0″> Толщина высокоскоростного магнитного ярма 20
л ₃ 27,5
Высокоскоростной воздушный зазор 0,75
Толщина магнитных зубьев, л ₂ 11
Общая длина 63
5″ border-bottom=»1″ border-left=»0″ border-right=»0″> Масса активных частей (кг) 50
Таблица 3.
Размеры магнитного умножителя скорости
Полученный результат показывает, что масса магнитной шестерни существенно больше, чем у верньерной машины, считая только активные части. Поскольку конструкция верньера полая, в отличие от мультипликатора скорости, добавление конструктивных элементов дает тот же результат, т.е. около 50 кг (на все устройство). Используемые технологии аналогичны, такой результат является ожидаемым.
С другой стороны, чрезвычайно компактная конструкция дискового мультипликатора дает меньший размер, чем у верньерного станка с прямым приводом, внешний диаметр немного меньше, а длина уменьшена почти на треть.
Связанный генератор работает с номинальной скоростью 1500 об/мин. Он приводится в движение с крутящим моментом, равным одной десятой момента холостого хода, т. е. 70 Нм. Сконструированный по принципу синхронной машины с постоянными магнитами, для которой возможен крутящий момент на единицу массы 2 Нм/кг [10], масса связанного с ней генератора составит около 30–40 кг. Это приводит к тому, что общая масса умножителя и генератора вместе взятых составляет менее 100 кг.
Тогда удельная мощность системы будет равна 100 Вт/кг.
Эффективность магнитной передачи в основном связана с потерями в малых постоянных магнитах низкоскоростного ротора и с потерями в магнитных зубьях, которые подвержены сильно переменному магнитному полю. Таким образом, КПД будет рассчитываться на основе этих потерь, без учета потерь в стали в магнитных ярмах.
На рис. 17 показана пространственная эволюция плотности магнитного потока в постоянных магнитах тихоходного ротора (конфигурация рис. 7).
В верньерной структуре временная эволюция магнитного поля аналогична пространственной эволюции, поэтому из рисунка видно, что амплитуда ΔB временной компоненты приблизительно равна 0,4 Тл, при магнитном поле 1,2 Тл, когда постоянные магниты поляризованы в прямом направлении, и 0,4 Тл, когда они поляризованы в противоположном направлении.
Рис. 17.
Плотность потока в тихоходных постоянных магнитах.
Постоянные магниты представляют собой параллелепипеды толщиной 3 мм (в направлении намагничивания), высотой 110 мм и шириной в среднем 5,4 мм; объем, В _и, равен 1782 мм3. Следующее уравнение позволяет рассчитать потери в постоянном магните: 156 Вт.
На рисунке 18 показана пространственная эволюция магнитного поля в магнитных зубьях (конфигурация рисунка 7).
Амплитуда изменения магнитного поля в зубьях 1 Тл. Расчет потерь зависит от характера материала, из которого изготовлены зубья, и от толщины пластин, если эти зубья выполнены из пакетированных пластин , поэтому невозможно количественно оценить уровень потерь. Однако, принимая среднее значение удельных потерь при 225 Гц и 1 Тл, т. е. 15 Вт/кг для обычного материала, с 2,75 кг магнитных зубцов, потери составляют порядка 40 Вт9. 0003
КПД магнитного редуктора, который следует из предыдущего расчета потерь, близок к 98%. Принимая во внимание дополнительные потери в железе и механические потери, вызванные нагрузкой на подшипники, эффективность остается значительно выше 90%.
Рис. 18.
Плотность магнитного потока в магнитных зубьях
Последняя проблема, которую необходимо учитывать при проектировании устройства, заключается в учете нормальных сил F ₁ и F ₂ , действующих на диски. Эти силы рассчитываются по поверхности воздушного зазора и по результатам рисунка 9.. Они показаны на рисунке 19.
Рисунок 19.
w3.org/2012/symbol»> Нормальные силы
Эти силы очень велики и представляют собой серьезную проблему при проектировании подшипников. Осевая сила, действующая на подшипники, равна равнодействующей силе, действующей на статор, т. е. 76 кН. Эта проблема существует в большинстве дисковидных машин и тормозит их развитие.
Объявление
6. Стабильность в работе
Работа множителя скорости синхронного типа, без возможности прямого управления, поэтому есть риск заклинивания одного ротора относительно другого. Точное изучение этого явления еще предстоит сделать (поскольку, как ни странно, в библиографии на этот счет нет ничего определенного). Само собой разумеется, что этот вопрос является деликатным.
При отсутствии всестороннего исследования основным решением этой проблемы при проектировании ветровой системы является контроль электрического угла ψ между магнитными полями от двух роторов с помощью датчиков положения, размещенных на двух валах, или косвенным измерением через напряжение, создаваемое детекторной катушкой, расположенной на магнитных зубьях.
Когда ψ стремится стать больше 90°, особенно во время быстрых изменений механической мощности ветряной турбины из-за порывов ветра, можно влиять на уровень электроэнергии, вырабатываемой генератором, чтобы воздействовать на динамику ведомой нагрузки, что позволяет ему легче следовать изменениям скорости.
Однако система становится более стабильной по мере того, как максимальный уровень крутящего момента, передаваемого множителем, отдаляется от максимального крутящего момента, поглощаемого генератором. Это обязательно приводит к завышению множителя скорости.
Последствия возможного срыва не представляют серьезной проблемы для предполагаемого применения, при условии, что существует электрический метод замедления ветровой турбины, обеспечивающий механическое торможение или управление шагом лопастей.
Добавление электрических проводников на высокоскоростной ротор, предназначенных для работы в качестве амортизаторов электрических ударов и позволяющих передавать высокий асинхронный крутящий момент, делает работу более безопасной.
Реклама
7. Заключение
Было показано, что система, объединяющая магнитный умножитель скорости и высокоскоростной генератор, является интересной альтернативой использованию генератора с прямым приводом. Высокий уровень производительности дисковой конструкции магнитной передачи позволяет спроектировать более компактную систему с большей эффективностью.
В этом контексте, несмотря на свою ограниченную способность передачи крутящего момента, магнитный умножитель скорости имеет много преимуществ по сравнению с его механическим аналогом, но стоимость неизбежно будет выше из-за использования дорогих материалов.
Отсутствие технического обслуживания магнитного устройства, тем не менее, может склонить экономический баланс в пользу последнего.
Дискообразная конструкция магнитной передачи особенно подходит для уровней мощности в десятки киловатт. Расчет, сделанный в пункте 5, для ветродвигателя мощностью 10 кВт, подтверждает это. Те же расчеты показывают, что мультипликатор скорости для ветровой турбины мощностью 40 кВт (около 4000 Нм при 100 об/мин) будет иметь внешний диаметр 800 мм, что вполне приемлемо с учетом механической конструкции.
Для значительно более высоких мощностей, свыше 100 киловатт, проектирование дисковой структуры большого диаметра становится затруднительным, в частности, из-за осевых сил, действующих на диски, согласно тому, что обсуждалось в разделе 5. Решение больше не является экономически выгодным.
На противоположной стороне шкалы мощности, для ветряной турбины мощностью от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт, использование множителя, механического или магнитного, нецелесообразно. Например, конструкция генератора с прямым приводом, как на рис. 10, позволяет создать более экономичную и надежную конструкцию.
Технология магнитных передач еще не полностью разработана, и многие механические проблемы цилиндрической или дисковой конструкции еще предстоит решить.
Ссылки
1. Matt D., Llibre J.F. Сравнительные характеристики машин с целью и переменной сопротивления, J. Phys. III Франция 5 октября 1995, 1621-1641.
2. Тоба А., Липо Т.А. Общая методология проектирования с максимальным крутящим моментом нониусной машины с поверхностными постоянными магнитами. Транзакции IEEE в отраслевых приложениях, том. 36 № 6, ноябрь-декабрь 2000 г., 1539 г.-1545.
3. Аталла К., Калверли С.Д., Хоу Д. Проектирование, анализ и реализация высокопроизводительного магнитного редуктора, IEE Proc. электр. Power Appl., Vol. 151, № 2, март 2004 г., стр. 135–143.
4. Мезани С., Аталла К., Хоу Д. Высокоэффективная магнитная передача с осевым полем, Журнал прикладной физики 99, 1, 2006.
5. Аталла К., Ренс Дж.Дж. Патент WO2007/125284 A1, PCT/GB2007/001456.
6. Brönn L., Wang R.J., Kamper M.J. Разработка магнитной передачи затворного типа, Труды 19Конференция по энергетике университетов Южной Африки, SAUPEC 2010, Университет Витватерсранда, Йоханнесбург, 78-82.
7. Цзянь Л., Сюй Г., Гонг Ю., Сонг Дж., Лян Дж., Чанг М. Электромагнитный расчет и анализ нового ветрового электрогенератора с магнитным приводом с использованием метода конечных элементов с временным шагом, Прогресс в исследованиях электромагнетизма, 113, 2011, 351-367.
8. Matt D., Enrici P., Dumas F., Jac J. Оптимизация объединения электрического генератора и статического преобразователя для ветряной турбины средней мощности, «Wind Power», InTech, http://www.intechopen .com/books/fundamental-and-advanced-topics-in-wind-power/optimisation-of-the-association-of-electric-generator-and-static-converter-for-a-medium-power-wind-t .
9. Рагеб А.М., Рагеб М. Технологии редукторов ветряных турбин, «Энергия ветра», InTech, http://www. intechopen.com/books/fundamental-and-advanced-topics-in-wind-power/wind- турбина-редуктор-технологии.
10. Matt D., Tounzi A., Zaim M.E. Низкоскоростные зубчатые муфты. В: Нетрадиционные электрические машины, ISTE (Великобритания) и WILEY (США), 2012, 39-116.
Секции
Информация об авторе
1. Введение
2. Представление магнитного множителя скорости
3. Интризовая производительность магнитной скорости умножителя
4. Дифферентные конфигурации систем магнитной скорости,
5. Дизайн магнитной передачи
. Написано
Даниэль Мэтт, Жюльен Жак и Николя Зиглер
Подано: 14 марта 2012 г. Опубликовано: 21 ноября 2012 г.
СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО © 2012 Автор(ы). Лицензиат IntechOpen. Эта глава распространяется в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution 3.0, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.
Магнитные двигатели на свободной энергии — устройства на свободной энергии
Последнее обновление: среда, 05 октября 2022 г. |
Устройства свободной энергии
Нам говорят, что постоянные магниты не могут выполнять никакой работы. О да, магниты могут противостоять силе тяжести, когда они прилипают к вашему холодильнику, но, как нам говорят, они не могут выполнять никакой работы. Действительно?
Что такое постоянный магнит? Что ж, если вы возьмете кусок подходящего материала, например «мягкого» железа, поместите его внутрь катушки с проволокой и пропустите через катушку сильный электрический ток, тогда это превратит железо в постоянный магнит. Какое время ток должен находиться в катушке, чтобы образовался магнит? Меньше одной сотой секунды. Как долго получившийся магнит сможет удерживать собственный вес против силы тяжести? Годы и годы. Вам это не кажется странным? Посмотрите, как долго вы сможете удерживать вес собственного тела против силы тяжести, прежде чем устанете. Годы и годы? Значит, месяцы? Нет. Даже дней? №
Ну, если ты не можешь, то почему может магнит? Вы предполагаете, что одиночный импульс в течение минутных долей секунды может накачать в кусок железа достаточно энергии, чтобы питать его годами? Это не кажется очень логичным, не так ли? Итак, как магнит это делает?
Что ж, ответ в том, что магнит на самом деле не обладает никакой силой. Точно так же, как солнечная панель не прилагает никаких усилий для производства электричества, мощность магнита исходит из окружающей среды, а вовсе не из магнита. Электрический импульс, который создает магнит, выравнивает атомы внутри железа и создает магнитный «диполь», который имеет тот же эффект, что и электрический «диполь» батареи. Он поляризует окружающую его квантовую среду и создает большие потоки энергии вокруг себя. Одним из свойств этого потока энергии является то, что мы называем «магнетизмом», и это позволяет магниту прилипать к дверце вашего холодильника и годами бросать вызов гравитации.
В отличие от батареи, мы не помещаем ее в положение, при котором она немедленно разрушает собственный диполь, поэтому в результате энергия течет вокруг магнита практически бесконечно. Нам говорят, что постоянные магниты нельзя использовать для выполнения полезной работы. Это неправда.
Это фотография китайца Ван Шум Хо, который спроектировал и построил электрический генератор мощностью пять киловатт. Этот генератор питается от постоянных магнитов и поэтому не использует топливо для работы. Это было продемонстрировано публично, и два из этих генераторов только что успешно завершили обязательную шестимесячную программу испытаний «надежности и безопасности» китайского правительства в апреле 2008 года. Один крупный китайский консорциум начал скупать угольные электростанции в Китае в чтобы отремонтировать их экологически чистыми большими версиями генератора Ванга. Несколько компаний соревнуются за право производить версии с домашним питанием мощностью менее 10 кВт.
Не очень просто расположить постоянные магниты по схеме, которая может обеспечить постоянную силу в одном направлении, поскольку обычно существует точка, в которой силы притяжения и отталкивания уравновешиваются и создают положение, в котором ротор останавливается. и палочки. Существуют различные способы избежать этого. Можно изменить магнитное поле, отклонив его через компонент из мягкого железа. Примером этого является простой дизайн Джона Бедини, показанный здесь:
В конструкции Джона магнитное поле магнита статора изменяется железным ярмом, и это подавляет отталкивание, которое обычно возникает между северным полюсом магнита статора и северным полюсом каждого магнита ротора, когда он приближается к магнит статора. Такое расположение позволяет магнитам ротора получать толчок, когда они проходят мимо магнита статора, создавая повторяющуюся тягу, поддерживающую вращение ротора. Для увеличения мощности, по-видимому, нет никаких причин, по которым не должно быть двух статоров, как показано здесь:
По-видимому, нет никаких причин, по которым несколько таких узлов ротор/статор не следует присоединять к одному валу, чтобы увеличить мощность, прикладываемую к валу, и позволить устройству выполнять повышенный уровень полезной работы. .
Существует много других конструкций двигателей с постоянными магнитами, но прежде чем показывать некоторые из них, вероятно, стоит обсудить, какую полезную работу может выполнять вращающийся вал двигателя с постоянными магнитами. С самодельным двигателем с постоянными магнитами, в котором использовались дешевые компоненты, а качество изготовления может быть не таким уж хорошим (хотя это определенно не так в некоторых домашних конструкциях), мощность на валу может быть не очень высокой. Выработка электроэнергии является общей целью, и ее можно достичь, заставив постоянные магниты проходить через витки проволоки. Чем ближе к проволочным катушкам, тем больше мощность, вырабатываемая в этих катушках. К сожалению, это создает магнитное сопротивление, и это сопротивление увеличивается с увеличением электрического тока, потребляемого катушками.
Существуют способы уменьшить сопротивление вращению вала. Один из способов — использовать электрический генератор типа Эклина-Брауна, в котором вращение вала не перемещает магниты мимо катушек, а вместо этого перемещает магнитный экран, который попеременно блокирует и восстанавливает магнитный путь через генерирующие катушки. Коммерчески доступный материал под названием «мю-металл» особенно хорош в качестве материала магнитного экрана, а кусок в форме знака плюс используется в генераторе Эклина-Брауна.
Джон У. Эклин получил патент США № 3 879 622 29 марта 1974 года. Патент относится к генератору с магнитным/электрическим двигателем, который производит выходную мощность, превышающую входную мощность, необходимую для его работы. Есть два стиля работы. Основная иллюстрация для первого:
Здесь (умная) идея состоит в том, чтобы использовать небольшой маломощный двигатель для вращения магнитного экрана, чтобы скрыть притяжение двух магнитов. Это вызывает флуктуирующее магнитное поле, которое используется для вращения привода генератора.
На приведенной выше диаграмме двигатель в точке «А» вращает вал и экранирующие полосы в точке «В». Эти прямоугольные полосы из мю-металла образуют очень проводящий путь для магнитных силовых линий, когда они выровнены с концы магнитов, и они эффективно отключают притяжение магнита в области точки «С». В точке «С» подпружиненный бегун тянется влево, когда правый магнит экранирован, а левый магнит не экранирован. Когда вал двигателя вращается дальше, бегунок тянется вправо, когда левый магнит экранирован, а правый магнит не экранирован. Это колебание передается механической связью в точку «D», где оно используется для вращения вала, используемого для питания генератора. 0003
Поскольку усилие, необходимое для вращения магнитного экрана, относительно невелико, утверждается, что выход превышает вход и поэтому может использоваться для питания двигателя, вращающего магнитный экран.
Второй способ использования этой идеи описан в патенте как:
Здесь та же идея экранирования используется для создания возвратно-поступательного движения, которое затем преобразуется в два вращательных движения для привода двух генераторов. Пара магнитов «А» помещена в корпус и прижата друг к другу двумя пружинами. Когда пружины полностью растянуты, они едва касаются магнитного экрана «В». Когда небольшой электродвигатель (не показан на схеме) перемещает магнитный экран в сторону, два магнита сильно отталкиваются друг от друга, поскольку их северные полюса находятся близко друг к другу. Это сжимает пружины, и через соединения в точке «С» они вращают два вала для выработки выходной мощности.
Модификацией этой идеи является Генератор Эклина-Брауна. В этом устройстве подвижное устройство магнитного экрана обеспечивает прямой электрический выход, а не механическое движение:
Здесь используется тот же двигатель и устройство вращающегося магнитного экрана, но магнитные силовые линии блокируются от прохождения через центральный I-кусок. Этот I-образный элемент сделан из ламинированных железных лент и имеет катушку или катушки, намотанные вокруг нее.
Устройство работает следующим образом:
В положении, показанном слева, магнитные силовые линии проходят вниз через катушки датчика. Когда вал двигателя повернется еще на девяносто градусов, возникает ситуация справа, и магнитные силовые линии текут вверх через катушки датчика. На схеме это показано синими стрелками. Это изменение направления магнитного потока происходит четыре раза при каждом обороте вала двигателя.
Хотя в конструкции Эклина-Брауна предполагается, что для вращения экрана из мю-металла используется электродвигатель, кажется, нет никаких причин, по которым вращение не должно выполняться с помощью двигателя с постоянными магнитами.
Еще одна эффективная система отбора мощности используется в «Phi Transformer» («Phi» произносится как «Fi»). В этой конструкции магнитное сопротивление уменьшается за счет удержания магнитного потока в многослойном железном кольце или «тороиде». Опять же, конструкция предполагает, что для вращения ротора будет использоваться электродвигатель, но, похоже, нет веской причины, по которой вместо этого не следует использовать двигатель с постоянными магнитами.
Тороидальные формы явно важны для многих устройств, получающих дополнительную энергию из окружающей среды, вплоть до того, что Боб Бойс предостерегает от высокочастотных последовательных пульсаций катушек, намотанных на тороидальное ярмо, создающих вращающееся магнитное поле в виде непредсказуемого выброса события могут генерировать около 10 000 ампер дополнительного тока, который сожжет компоненты схемы и может очень хорошо вызвать накопление лучистой энергии, которая может вызвать удар молнии. В самого Боба попал именно такой удар молнии, и ему повезло, что он выжил. Меньшие системы, такие как тороидальный трансформатор, используемый в системе электролизера Боба, безопасны, даже несмотря на то, что они генерируют прирост мощности. Таким образом, многие конструкции тороидальных систем, безусловно, заслуживают изучения.
Одним из них является «Phi-Transformer», который выглядит несколько похожим на MEG, описанный в главе 3. Однако он работает совсем по-другому:
(j) Преобразователь
(j) Трансформатор
Здесь линии магнитного потока, исходящие от постоянного магнита, проходят через многослойное ярмо, которое фактически представляет собой круглый сердечник сетевого трансформатора. Разница заключается в том, что вместо электронного управления катушкой для изменения потока, исходящего от постоянного магнита, в этой системе магнит вращается с помощью небольшого двигателя.
Производительность этого устройства впечатляет. Мощность, необходимая для вращения магнита, не зависит от тока, потребляемого катушками. Поток направляется через многослойный железный сердечник, и в ходе испытаний была достигнута мощность 1200 Вт при входной мощности 140 Вт, а это КПД 8,5, что очень достойно, особенно для такого простого устройства.
На http://jnaudin.free.fr/html/dsqromg2.htm показана конструкция генератора Дейва Сквайрса, датированная 1999 годом. Все попытки связаться с Дейвом Сквайрсом не увенчались успехом, поэтому неизвестно, из испытаний на устройстве, которое действительно было построено, или если это просто теоретический проект, хотя вполне вероятно, что оно не было построено в то время. Дизайн почти идентичен Phi Transformer. Центральный сердечник изготавливается путем отливки формы, показанной ниже, с использованием смеси порошка аморфного железа и эпоксидной смолы. Однако, поскольку рабочая частота низкая, всего 50 Гц или 60 Гц, кажется, нет причин, по которым не следует использовать обычные пластины трансформатора, и в этом случае шесть наборов прокладок имеют такую форму:
во время сборки ярма сердечника.
Однако полный сердечник имеет следующую форму с катушками, размещенными в пазах:
Идея, стоящая за этим расположением, заключается в том, что магнитный поток «противо-ЭДС», который обычно вызывает сопротивление закону Ленца свободному вращению магнитов вокруг тороида, отводится за катушкой и поворачивается так, что вместо того, чтобы препятствовать вращению, фактически помогает ему:
Скорость вращения указана как 1000 об/мин для 50 Гц и 1200 об/мин для 60 Гц. Предполагается, что обмотки катушки состоят из 180 витков AWG 14 (16 SWG) для 120 вольт переменного тока при предполагаемом токе 100 ампер, что кажется нереалистичным, поскольку максимальный ток для провода такого размера составляет 5,9.ампер Неодимовые магниты имеют длину 2 дюйма и глубину 1 дюйм, установленные в круглый ротор диаметром 12 дюймов. Конечно, на одном валу может быть более одного ротора, и количество витков будет удвоено для выходного напряжения 240 вольт переменного тока.
Ярмо, на котором намотаны катушки, фактически представляет собой серию тороидов, хотя, по общему признанию, не совсем круглой формы. Альтернативная форма, которую можно рассмотреть, будет такой, как показано ниже, где секция, несущая магнитный поток для любой одной катушки, более изолирована от других тороидов. Неясно, делать ли участок, проходящий через катушку, прямым, а не изогнутым, поэтому я оставлю эту деталь людям, которые разбираются в магнетизме.
Возвращаясь к двигателям с постоянными магнитами, одним из ведущих специалистов в этой области является Говард Джонсон. Ховард построил, продемонстрировал и получил патент США 4 151 431 24 апреля 1979 года от весьма скептически настроенного патентного бюро на свою конструкцию двигателя с постоянными магнитами. Он использовал мощные, но очень дорогие кобальтово-самариевые магниты для увеличения выходной мощности и продемонстрировал принципы работы двигателя для весеннего выпуска журнала «Наука и механика» за 1980 год. Его конфигурация двигателя показана здесь:
Обратите внимание, что зазоры между магнитами не имеют постоянной ширины.
Суть в том, что магнитный поток его двигателя всегда несбалансирован, что приводит к непрерывному вращательному движению. Магниты ротора соединены ступенчатыми парами, соединенными немагнитным ярмом. Магниты статора размещены на пластинчатом цилиндре из мю-металла. Мю-металл очень хорошо проводит магнитный поток (и дорог). В патенте указано, что магнит якоря имеет размер 3,125 дюйма (790,4 мм) в длину, а магниты статора имеют ширину 1 дюйм (25,4 мм), глубину 0,25 дюйма (6 мм) и длину 4 дюйма (100 мм).}