Ветрогенератор

 

Задачи поставленные перед этим устройством следующие: изготовить тихоходный генератор для зарядки аккумулятора 12 в в походных условиях при небольшой скорости вращения – 100-120 об/мин. В дальнейшем использовать в качестве:
1. Ветрогенератора, снабдив его ротором с лопастями.
2. Гидрогенератора, подвесив на транце при хождении под парусами.
3. На случай если нет ни солнца ни ветра – с приводом от мускульной силы приделав ручку от мясорубки)))
Генератор должен быть с прямым приводом, без редукторов и ремней, на которых то-же будут потери. Ещё одно важное требование – момент страгивания или стартовый момент должен быть минимальный, иначе на слабых ветрах зарядки не будет. Основой устройства должен стать одно или трёх фазный аксиальный генератор, без щёток и обмотки возбуждения, а так же без регулятора напряжения и контроллера заряда. Минимум наворотов и электроники – проще и надёжнее.

 

- Сверхтихоходный генератор -

 

Магниты. В качестве источника магнитного поля выбраны магниты из слава неодим–железо–бор (NdFeB) имеющие высокую магнитную индукцию 1,0-1,2 Тл. В расчетах будем принимать 0,8 Тл в связи с их китайским происхождением. Неодимовые магниты не зря называют супермагнитами: кроме большой индукции они имеют приличную магнитную энергию – 200-250 КДж/м³ (половинки ротора будут притягиваться с силой 150 кг)!, и огромную коэрцитивную силу – 800-900 Килоампер/метр. Другими словами, что бы его размагнитить до нуля, надо хорошо постараться и потратить немало энергии. Сама коэрцитивная сила никаким боком к нашему генератору не будет относиться, но цифра в почти тысячу килоампер, вызывает уважение к этой небольшой железяке. Из недостатков – повышенная хрупкость, ломаются на «раз – два». Подверженность окислению, будучи покрытые никелевым сплавом все равно ржавеют… и относительно невысокая рабочая температура 80-200º, после воздействия которой, безвозвратно теряют свои магнитные свойства.
Рассчитывался генератор по известной формуле E=B*V*L. Где «E» – вырабатываемая ЭДС, «B» – магнитная индукция, «L» – активная длина проводника над которым пробегает магнит и V – скорость с которой он пробегает. Сопротивление обмотки из расчета длины проводника, сечения и  удельного сопротивления меди = 0,017. Полученное напряжение при соединении в звезду умножаем на √3, а ток зарядки получаем из расчета полученного напряжения, за минусом 12 вольт на заряжаемом аккумуляторе и делении на сопротивление фазы, которое то же умножаем на √3, так как «звезда».
Статор: В большинстве статоры аксиальных генераторов изготавливают из эпоксидной смолы, путем вклеивания туда катушек. Способ простой, но имеющий серьёзны недостаток – эпоксидка не держит высоких температур 120-140°C макс. дальше она теряет прочность и попросту рассыпается. Посему решено изготовить статор из цельного куска текстолита и вклеить туда сами катушки. Так и сделано: в куске текстолита толщиной 12 мм. ручным способом «выфрезерованны» 9 отверстий под будущие катушки. Что бы катушки не выступали за плоскость статора, толщина их 11 мм.

При помощи болгарки из 12 мм. текстолита

При помощи болгарки из 12 мм. текстолита

Разметка окон для катушек через 40 град.

Разметка окон для катушек через 40 град.

Ручным способом сверлом и шарошками

Ручным способом сверлом и шарошками

Прочность образующим будет сам стеклотекстолит, а эпоксидка будет держать только катушки, что никак не повлияет на прочность статора. Да и позиционировать такой статор в сильном магнитном поле будет проще

Статор почти готов

Статор почти готов

Вкладываем катушки...

Вкладываем катушки…

... и заливаем эпоксидкой.

… и заливаем эпоксидкой.

Катушки: самая противоречивая часть во всем генераторе. Задача одна – разместить в окне статора как можно больше меди. Можно путём увеличением числа витков – тогда больше напряжение но ток меньше. Можно увеличением диаметра провода, тогда меньше сопротивление, больше ток но напряжение ниже.

Для намотки изготовлен небольшой станок

Для намотки изготовлен небольшой станок

Укладывал плотно виток к витку.

Укладывал плотно виток к витку.

Как ни укладывай последний слой такой

Как ни укладывай последний слой такой

Экспериментировал с проводами 1,05 и 0,5 мм. В первом случае вместилось около 70 витков и ток был значительно выше, но упало напряжение и что бы получить 15-20 вольт крутить приходилось шустрее.  Во втором, сколько витков не помню , но напруга от руки доходила до 50 в, а ток упал. Увеличить частоту вращения нельзя – тихоходный все же, но можно увеличить количество магнитов и тем самым чаще пересекать витки. Тогда расстояние между магнитами на диске уменьшиться, магниты сблизятся и будут обмениваться своими 0,8-0,9 Тл. между собой. Бежать к другому диску, потом пронизывать витки, и чего-то там вырабатывать смысла не будет, проще замкнуться через воздух с соседями по диску.

Для придания прочности пропитка лаком

Для придания прочности пропитка лаком

Сушим зажатыми, иначе не влезут в статор

Сушим зажатыми, иначе не влезут в статор

5-6 пропиток лаком и неделя сушки.

5-6 пропиток лаком и неделя сушки.

Ещё способ впихнуть больше меди в окно статора – уменьшить внутреннюю дырку в катушке. Но и здесь не просто… ширина внутреннего окна катушки не должна быть меньше ширины магнита. Иначе идущий над катушкой магнит еще не освободит правую сторону витков, уже начнет наводить ЭДС в левой, того же направления. Как следствие появиться встречный ток в каждом витке на время полного «затмения» дырки – получим хороший разогрев обмотки и падение КПД. Описывать лавирование между законами физики больше не буду, скажу сразу: Изготовлен 3-х фазный генератор по три катушки в фазе, итого 9 катушек по 150 витков проводом 0,71 мм. и 12 пар неодимовых магнитов 30х15х10 мм. Катушки можно в «звезду» – больше напряжение но меньше ток, можно в «треугольник» – току больше, напряжения меньше.
Ротора два: с размещенными на них неодимовыми магнитами в количестве 24 шт. Толщина диска ротора не должна быть меньше толщины магнита, это обусловлено замыканием магнитного потока через вал на другой диск, и соотв. через катушку. Хотя из условия прочности достаточно 3-5 мм, пришлось делать аж 10 мм, отсюда и приличный вес генератора.

Неодимовые магниты 30х15х10 мм

Неодимовые магниты 30х15х10 мм

12 шт. на диске с шагом в 30 град.

12 шт. на диске с шагом в 30 град.

Важно: толщина диска = толщине магнита.

Важно: толщина диска = толщине магнита.

Магниты размещены с чередованием полярности «N» – «S» – «N» – «S»…  и приклеены по периметру, что совсем не лишнее. Усилие притягивания дисков между собой около 150 кг. Что бы не переломать пальцы при сборке/разборке в дисках предусмотрены выжимные отверстия с резьбой. Пара М6 пищат конечно, но отжимают.

Внутренности генератора

Внутренности генератора

Отжимные винты

Отжимные винты

Отжимные винты

Отжимные винты

Следует сказать, что магнитопровод генератора разомкнут сознательно и в катушках нет сердечников из ЭТС. Сделано это для того, что бы обеспечить лёгкий старт на малых ветрах. Выбить деревянные чурки, и вставить туда пластины от трансформатора не сложно, но при таких мощных магнитах сразу появиться залипание и сдвинуть ротор будет сложнее, хотя КПД будет намного выше. Сейчас вращение свободное, и обусловлено только трением в подшипниках. Дальше, когда пойдет первый ампер зарядки, крутить становиться сложнее, но ротор уже разогнался.
Токарные дела. Здесь чертежи и шаблон разметки статора и ротора. Чертил от руки, без циркуля и линейки, но опытный токарь разобрался и все сделал как надо. Диски и вал стальные, остальное АМГ или Д16. Между дисками вставлена шайба 4,4 мм. которая удерживает зазор между магнитами в 14 мм. и снимает нагрузку с крепления дисков к валу.

Заказ токарю

Заказ токарю

чертёж7

Приводной фланец.

Передняя подшипниковая крышка

Передняя подшипниковая крышка

Задняя подшипниковая крышка

Задняя подшипниковая крышка

Втулка крепления диска

Втулка крепления диска

Диск ротора

Диск ротора

Вал

Вал

Сборочный чертёж

Сборочный чертёж

Шаблон разметки ротора и статора

Шаблон разметки ротора и статора

Подшипниковые щиты из 5 мм Д16. На заднем смонтирован 3-х фазный диодный мост по схеме Ларионова на сборках с барьером Шоттки MBR20100CT. Сделано это для уменьшения прямого падения напряжения при выпрямлении.

Звезда с изолированной нейтралью

Звезда с изолированной нейтралью

Выжимные отв. для снятия диска

Выжимные отв. для снятия диска

Зазоры между магнитами и ротором 1 мм.

Зазоры между магнитами и ротором 1 мм.

Теплоотводом моста служит задний подшипниковый щит, там же выходные клеммы генератора и вольтметр. Для защиты от дождя изготовлен кожух из ПВХ – герметичным исполнение не назовешь, но для походных условий вполне пригоден.

DSCF4474

.

Сзади клеммы и встроенный вольтметр

Сзади клеммы и встроенный вольтметр

Перед генератора, сюда турбинку

Перед генератора, сюда турбинку

 

- Тестирование генератора -

 

Генератор действительно получился свертихоходным с параметрами близкими к расчётным. По результатам испытаний были сняты два видео: на первом – работа без нагрузки, на втором нагрузкой была лампа PY21W мощностью 21 вт.

Генератор в сборе

Генератор в сборе

Вид сбоку

Вид сбоку

Плечо оптимальное для зарядки 12 v

Плечо оптимальное для зарядки 12 v

При вращении от руки можно длительное время заряжать 12 вольтовый аккумулятор током 2 ампера. Максимальный ток зарядки от ручного вращения – 4А. Вращать с такой скоростью утомительно, посему 2 ампера неограниченно долго.

 

Видео: Тестирование генератора на холостом ходу и нагрузке 21W

 

- Привод генератора -

 

Для ветропривода изготовлена 3-х лопастная турбинка диаметром 160 см. Для упрощения конструкции стабилизатор (хвост) отсутствует. Высота установки самого генератора небольшая, направление ветра меняется не часто – подойти и повернуть центральную стойку не сложно. По этой причине отказался от бурезащиты – городить складывание лопастей или делать увод от прямого потока не стал. Всегда можно замкнуть клеммы и ротор будет проворачиваться не быстрее аттракциона в парке, потом увести от ветра или положить. Все это позволило изготовить ветроустановку с небольшим весом и габаритами. Время разворачивания 30 мин. позволяет использовать ветряк на каждой днёвке/ночёвке. Вес 12 кг.

ПВХ труба диаметром 160 мм.

ПВХ труба диаметром 160 мм.

Три лопасти по 80 см. из метровой трубы

Три лопасти по 80 см. из метровой трубы

Профиль лопасти как у настоящего

Профиль лопасти как у настоящего

Лопасти изготовлены из ПВХ трубы диаметром 160 мм, обработаны для придания обтекаемой формы и покрашены. Статическую балансировку сделал, динамическую не стал. Конструкция разборная и в следующий раз соберётся чуть, но по другому… посему толку в динамической нет.

Лопасти покрашены за три раза

Лопасти покрашены за три раза

Комплектность ветрогенератора

Комплектность ветрогенератора

Ступица ветроколеса в сборе

Ступица ветроколеса в сборе

Штатив. Тут ничего делать не пришлось и все из имеющегося. Половинка мачты, гик, багор и трубка от «селфи-дубинки». Добавились наконечники из нержавеющей стали и опорные пластины, что бы конструкция не утопала в мягком грунте.

Наконечники и пластины ног штатива

Наконечники и пластины ног штатива

Ветротурбина в сборе

Ветротурбина в сборе

Верх штатива. Сюда одеваем генератор.

Верх штатива. Сюда одеваем генератор.

Штатив в сборе, чутка прихвачен костылями.

Штатив в сборе, чутка прихвачен костылями.

Опорные пластины нужны, уйдёт в песок

Опорные пластины нужны, уйдёт в песок

Ветрогенератор в сборе

Ветрогенератор в сборе

Штатив можно соорудить из подходящих палок и веток, если стоянка не долгая и разбирать мачту неохота.

Штатив из подручных средств

Штатив из подручных средств

Штатив из подручных средств

Штатив из подручных средств

Штатив из подручных средств

Штатив из подручных средств

Продолжение следует

IMG_7085

1

IMG_1057

11

IMG_1052

111

IMG_0868

2

IMG_0858

22

IMG_0855

222

IMG_0188

3

IMG_0185

33

IMG_0127

333

IMG_0108

4

IMG_0049

44

031

444

 

Это транспортировочный вариант походного электричества. Тут термо и ветро генераторы и все что с ними связано.

"Термо" и "Ветро" вместе

«Термо» и «Ветро» вместе

... и все остальное сверху.

… и все остальное сверху.

Природное электричество

Природное электричество

 

Видео: Работа ветрогенератора

Солнечные батареи Ветрогенератор Термогенератор