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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
- 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.
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.
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.
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.
Штатив можно соорудить из подходящих палок и веток, если стоянка не долгая и разбирать мачту неохота.
Продолжение следует
Это транспортировочный вариант походного электричества. Тут термо и ветро генераторы и все что с ними связано.
Видео: Работа ветрогенератора