О генераторах на неодимовых магнитах: технические характеристики устройств

Основные характеристики

Для того, чтобы определиться в целесообразности изготовления генератора на неодимовых магнитах, нужно рассмотреть основные характеристики данного материала, которыми являются:

Магнитная индукция В — силовая характеристика магнитного поля, измеряется в Тесла.
Остаточная магнитная индукция Br — намагниченность, которой обладает магнитный материал при напряжённости внешнего магнитного поля, равной нулю, измеряется в Тесла.
Коэрцитивная магнитная сила Hc — определяет сопротивляемость магнита к размагничиванию, измеряется в Ампер/метр.
Магнитная энергия (BH)max -характеризует, насколько сильным является магнит.
Температурный коэффициент остаточной магнитной индукции Tc of Br – определяет зависимость магнитной индукции от температуры окружающего воздуха, измеряется в процентах на градус Цельсия.
Максимальная рабочая температура Tmax — определяет предел температуры, при которой магнит временно теряет свои магнитные свойства, измеряется в градусах Цельсия.
Температура Кюри Tcur — определяет предел температуры, при которой неодимовый магнит полностью размагничивается, измеряется в градусах Цельсия.

В состав неодимовых магнитов, кроме неодима входит железо и бор и зависимости от и их процентного соотношения, получаемое изделие, готовый магнит, различается по классам, отличающимся по своим характеристикам, приведенным выше. Всего выпускается 42 класса неодимовых магнитов.

Достоинствами неодимовых магнитов, определяющими их востребованность, являются:

Неодимовые магниты обладают наиболее высокими магнитными параметрами Br, Нсв, Hcм , ВН.
Подобные магниты имеют более низкую стоимость в сравнении с подобными металлами, имеющими в своем составе кобальт.
Обладают способностью работать без потерь магнитных характеристик в температурном диапазоне от – 60 до + 240 градусов Цельсия, с точкой Кюри +310 градусов.
Из данного материала возможно изготовить магниты из любой формы и размеров (цилиндры, диски, кольца, шары, стержни, кубы и др.).

Как использовать энергию слабых ветров?

Использование слабых потоков ветра может вестись по двум направлениям:

применение конструктивно отличающихся от распространенных образцов устройств
использование более производительных генераторов, способных вырабатывать достаточное количество энергии на низких скоростях вращения

Практика показывает, что вести поиск следует по обоим направлениям. Разработка новых вариантов крыльчатки, способной уверенно вращаться на слабых потоках, ведется постоянно, и уже имеется немало опытных образцов, демонстрирующих вполне удачные результаты.

Не менее активно ведутся разработки производительных генераторов, дающих возможность использовать слабые ветра как источник энергии. Так, аксиальные генераторы на неодимовых магнитах дают большой эффект и позволяют получать неплохое количество энергии. Некоторые мастера отмечают возникающую необходимость ограничивать возможность ускорения вращения ротора, т.е. нужна стабильность движения.

Варианты ротора, способные к эффективной работе на слабых ветрах, известны уже не первое десятилетие. В настоящее время могут быть использованы конструкции Третьякова, Онипко, высокой эффективностью отличаются парусные ветротурбины. Комплексный подход к модернизации конструкции ветрогенераторов, когда одновременно подвергаются модификации и крыльчатка, и генератор, дает положительный результат.

Ситуацию в некоторой степени осложняет неофициальный характер производимых работ. Если изобретатель захочет поделиться с общественностью своими находками, то все о них узнают, но если он не сочтет нужным обнародовать свои изыскания, то информация станет закрытой от обсуждения и осмысливания.

Ветрогенератор на неодимовых магнитах мощностью 5,0 кВт

В настоящее время отечественные и зарубежные компании все более широко используют неодимовые магниты при изготовлении тихоходных генераторов электрического тока. Так ООО «Сальмабаш», г. Гатчина Ленинградской области, выпускает подобные генераторы на постоянных магнитах мощностью 3,0-5,0 кВт. Внешний вид данного устройства приведен ниже:

Корпус и крышки генератора изготавливаются из стали, в дальнейшим с покрытием лакокрасочными материалами. На корпусе предусмотрены специальные крепления, позволяющие закрепить электрический аппарат на несущей мачте. Внутренняя поверхность обработана защитным покрытием, предотвращающим коррозию металла.

Статор генератора набран из электротехнических пластин стали.

Обмотка статора — выполнена эмаль-проводом, позволяющим устройству работать продолжительное время с максимальной нагрузкой.

Ротор генератора имеет 18 полюсов и установлен в подшипниковых опорах. На ободе ротора размещены неодимовые магниты.

Генератор не требует принудительного охлаждения, которое осуществляется естественным путем.

Технические характеристики генератора мощностью 5,0 кВт:

Номинальная мощность – 5,0 кВт;
Номинальная частота – 140,0 оборотов/минуту;
Рабочий диапазон вращения – 50,0 – 200,0 оборотов/минуту;
Максимальная частота – 300,0 оборотов/минуту;
КПД – не ниже 94,0 %;
Охлаждение – воздушное;
Масса – 240,0 кг.

Генератор оснащен клеммной коробкой, посредством которой осуществляется его подключение к электрической сети. Класс защиты соответствует ГОСТ14254 и имеет степень IP 65 (пылезащищенное исполнение с защитой от струй воды).

Конструкция данного генератора приведена на рисунке, приведенном ниже:

где: 1-корпус, 2- крышка нижняя, 3- крышка верхняя, 4- ротор, 5- неодимовые магниты, 6- статор, 7- обмотка, 8- полумуфта, 9- уплотнения, 10,11,12- подшипники, 13- клеммная коробка.

Особенности генераторов для тихоходных устройств

Генераторы, используемые для тихоходных образцов ветряка, представляют собой либо готовые устройства с увеличенной чувствительностью и производительностью, либо самостоятельно созданные аксиальные конструкции на мощных неодимовых магнитах. Широко используются модификации магнето, способных вырабатывать большие напряжения при малых воздействиях.

Для эффективной работы нужен достаточно большой диаметр аксиального генератора. Он может обеспечить высокую линейную скорость неодимовых магнитов при малом количестве оборотов. Возможности экспериментирования с размерами практически неограничены, но следует учитывать, что при возрастании скорости ветра такой генератор выдаст напряжение, намного превышающее возможности сопутствующего оборудования. В частности, аккумуляторные батареи не переносят резких скачков напряжения при зарядке и могут выкипеть.

Плюсы и минусы

К достоинствам ветрогенераторов, изготовленных с использование неодимовых магнитов можно отнести следующие характеристики:

Высокий КПД устройств, достигаемый за счет минимизации потерь на трение;
Продолжительные сроки эксплуатации;
Отсутствие шума и вибрации при работе;
Снижение затрат на установку и монтаж оборудования;
Автономность работы, позволяющая осуществлять эксплуатацию без постоянного обслуживания установки;
Возможность самостоятельного изготовления.

К недостаткам подобных устройств можно отнести:

Относительно высокая стоимость;
Хрупкость. При сильном внешнем воздействии (ударе), неодимовый магнит способен лишиться своих свойств;
Низкая коррозийная стойкость, требующая специального покрытия неодимовых магнитов;
Зависимость от температурного режима работы – при воздействии высоких температур, неодимовые магниты теряют свои свойства.

Метеорологическая обстановка в регионах России

Большинство регионов России имеют географическое расположение в глубине континента. Особенности положения на местности определяют метеорологическую обстановку, которая свидетельствует о преобладании слабых и умеренных ветров. Такая ситуация не в состоянии способствовать развитию ветроэнергетики, во всяком случае — в промышленных масштабах.

По этой же причине, а также из-за обилия других, более привлекательных возможностей, в свое время было отдано предпочтение гидроэнергетике, ставшей традиционным видом выработки энергии для России.

Актуальность использования ветрогенераторов для нашей страны невелика и концентрируется, в основном, в южных и степных регионах, в отдаленных участках страны. В промышленных масштабах вырабатывать энергию таким способом малоэффективно, так как мощность ВЭС не может пока соперничать с самой небольшой ГЭС. Кроме того, ветер, хоть и бесплатный, неиссякаемый источник энергии, но слишком нестабильный и способный попросту исчезать на некоторое время.

Для энергетики государственных масштабов такая ситуация не годится, поэтому развитие ветроэнергетики в России пойдет по другому сценарию.

Наиболее актуальной проблемой для страны является общая изношенность электросетей и отсутствие возможности подключения, наблюдающаяся не только в отдаленных, но и во многих центральных регионах России.

Поэтому главным направлением, которое проявилось стихийным образом и уверенно растет, становится использование ветрогенераторов для обеспечения энергией небольших участков или групп потребителей — отдельных домов, небольших фермерских хозяйств, групп потребителей в масштабах нескольких домовладений.

Основная проблема, возникшая при этом — неплатежеспособность населения, ограничивающая приобретение готовых установок заводского производства. Равновесие достигается за счет широко распространившегося самостоятельного изготовления ветрогенераторов, способных выполнять свои функции на достаточно высоком уровне, но обходящихся своим владельцам в неизмеримо меньшие суммы.

Фазы — что лучше — три или одна?

Многие любители электрической техники идут по пути наименьшего сопротивления и, чтобы не заморачиваться, останавливают свой выбор на однофазном статоре для ветряка. Однако у него имеется одна неприятная особенность, нивелирующая простоту сборки, — это вибрация в нагруженном состоянии, по причине непостоянства отдачи тока. Ведь амплитуда такого статора скачкообразна, — достигая максимума, когда неодимовые магниты располагаются над катушками, а после падая до минимума.

А вот, когда генератор сделан по трехфазной системе, то вибрации отсутствуют, и показатель мощности ветряка имеет постоянное значение. Причина такого отличия заключается в том, что ток, падая в одной фазе, в то же время нарастает в другой. И в итоге, ветрогенератор, работающий в трехфазной системе, может быть более эффективным до 50 %, чем точно такой же, но использующий однофазную систему. И главное, — нагруженный трехфазный генератор не дает вибрации, следовательно, мачта не дает повода для жалоб на ветрогенератор в надзирающие органы недоброжелателям из числа соседей, поскольку не создает надоедливого гула.

Особенности ротора и статора

Генератор на транзисторе

Чтобы сделать эффективный генератор на магнитах из неодимового сплава своими руками, учитывайте при сборке следующие рекомендации:

Для повышения прочности диск делают из стали. Его толщину делают не менее чем у самих магнитов. В противном случае часть силового поля будет рассеиваться. При правильном соблюдении пропорций к обратной стороне собранного изделия не притягивается швейная игла;
Расстояние между отдельными магнитами делают равным или более половины ширины изделий;
Толщину статора в собранном состоянии делают равной или меньше толщины неодимовых магнитов;
Трехфазный магнитный генератор делают по пропорциям 3 к 3 или 4 к 3 (количество магнитов/индукционных катушек, соответственно).

К сведению. Магниты прикрепляют, строго соблюдая чередование полюсов. Чтобы не ошибиться, на соответствующих гранях заранее делают пометки маркером.

Процесс создания ротора

Основой генератора автор разработки решил сделать ступицу автомобиля с дисками тормоза, поскольку она мощная, надежная и идеально сбалансированная. Начав делать ветряк своими руками, в первую очередь следует подготовить основу для ротора — ступицу, — почистить ее от грязи, краски и смазки. После чего приступить к наклейке постоянных магнитов. Для создания данного ветрогенератора, их было использовано по двадцать штук на диске. Размер неодимовых магнитов составил 25х8 миллиметров. Однако, и их количество, и их размер могут варьировать в зависимости от целей и задач человека, своими собственными руками создающего ветрогенератор. Однако всегда будет правильным, для получения одной фазы, равенство количества полюсов числу неодимовых магнитов, а для трех фаз — выдержка соотношений полюсов и катушек — два к трем или три к четырем.
Магниты следует располагать учитывая чередование полюсов, к тому же максимально точно, но прежде, чем приступить к их наклейке, нужно либо создать бумажный шаблон, либо прочертить линии, делящие диск на сектора. Чтобы не перепутать полюса, делаем отметки на магнитах. Главное — выполняем следующее требование — те магниты, которые стоят напротив друг друга, должны быть повернуты разными полюсами, то есть притягиваться.

Магниты приклеиваются к дискам при помощи супер-клея и заливаются. Также нужно сделать бордюрчики по краям дисков и в их центре, либо намотав скотча, либо вылепив из пластилина для недопущения растекания.

Модификация автомобильного генератора

Создание ротора на постоянных магнитах требует достаточно серьезного вмешательства в конструкцию. Необходимо уменьшить диаметр на толщину магнитов плюс толщину стальной гильзы, которая одевается на ротор для образования сплошного магнитного потока и одновременно служит посадочной площадкой под магниты. Некоторые специалисты обходятся без гильзы, устанавливая магниты прямо на ротор с уменьшенным диаметром и фиксируя на эпоксидку.

Процесс изготовления требует участия производственного оборудования. В токарный станок зажимается ротор и аккуратно снимается слой с таким расчетом, чтобы установленные магниты вращались с минимальным зазором, но вполне свободно. Установка магнитов производится на пластины ротора с чередованием полюсности.

Наибольшего эффекта удается добиться при установке относительно небольших по размерам магнитов, расположенных рядами в продольном направлении. Достигается ровный и мощный магнитный поток, воздействующий на силовые обмотки статора с равномерной плотностью во всех точках.

Изготовление ротора из ступицы и тормозного диска

Рассмотренный способ относится к готовым генераторам, нуждающимся в небольших изменениях конструкции. К таким устройствам относятся автомобильные генераторы, часто применяющиеся самодеятельными конструкторами в качестве базового устройства. Зачастую генераторы собирают полностью самостоятельно, не имея готового устройства.

В таких случаях действуют несколько иначе. За основу берется автомобильная ступица с тормозным диском. Она качественно отбалансирована, прочна и приспособлена к нагрузкам определенного рода. Кроме того, размер ступицы позволяет разместить по окружности большое число магнитов, позволяя получить трехфазное напряжение.

Магниты с чередованием полюсности размещают на равноудаленном от центра расстоянии. Очевидно, что наибольшее число можно установить, если приклеивать их как можно ближе к наружному краю. Наиболее точным показателем станет размер магнитов, который определит возможность размещения на определенном расстоянии. Число магнитов должно быть четным, чтобы не сбивался ритм чередования полюсов при вращении.

Наклейка магнитов на ступицу производится при помощи любого клея, оптимальным вариантом считается эпоксидная смола, которой заливают магниты полностью. Это защищает их от воздействия влаги или от механических воздействий. Перед заливкой по краю ступицы рекомендуется сделать бортик из пластилина, не позволяющий эпоксидке стекать со ступицы вниз.

Конструкция генератора на автомобильной ступице наиболее удобна при изготовлении вертикального ветряка. Примечательно, что подобную схему можно использовать и без ступицы, на диске, вырезанном из обычной фанеры. Такая конструкция намного легче, позволяет выбирать удобный размер, что делает возможным создание чувствительного и производительного устройства.

Что представляет собой тихоходный ветряк?

Большинство вариантов тихоходных ветряков представляют собой модифицированные образцы базовых типов крыльчатки. Используются горизонтальные виды, имеющие большую эффективность, но нуждающиеся в подъеме на достаточно большую высоту.

Для тех, кто не имеет возможности пользоваться высокими мачтами, оптимальным вариантом становится использование вертикальных конструкций ротора. Они не способны к вращению на высоких скоростях, что как раз и требуется в сложившейся ситуации. При этом, возможности, демонстрируемые вертикальными конструкциями, подтверждают реальность вращения при скорости ветра от 2 или даже 1,4 м/с.

Роторные вертикальные образцы не требовательны к выбору положения относительно потока, поэтому могут эффективно использоваться на относительно небольшом удалении от поверхности земли. Возникающая турбулентность, снижающая работоспособность горизонтальных устройств, для вертикальных конструкций не страшна и воспринимается ими как обычные потока ветра. Простота и надежность вертикальных конструкций снискали заслуженную популярность среди самодеятельных конструкторов.

Ветряк с аксиальным генератором на неодимовых магнитах

Наиболее сильными магнитами, обладающими оптимальными параметрами для использования в конструкции генератора, являются неодимовые магниты. Они несколько дороже обычных, но превосходят их многократно и дают возможность создать мощное устройство при относительно компактном размере.

Принципиального отличия в конструкции не имеется. Неодимовые магниты изготавливаются в различных формфакторах, позволяющих выбрать наиболее удобный для себя вариант — тонкие продолговатые брусочки, форма таблетки, цилиндры и т.д. если используется металлический ротор, то приклеивать магниты необязательно, они сами по себе с усилием прикрепляются к основанию. Остается лишь залить их эпоксидкой для защиты от коррозии.

Уверенный рост ветроэнергетики

Ветроэнергетика активно развивается. Появляются новые, производительные и мощные установки, способные вырабатывать большее, чем раньше, количество энергии. Не менее плотно ведутся разработки новых моделей небольших ветряков, позволяющих обеспечить отдельные домовладения, усадьбы, небольшие фермы.
Такой уверенный рост ветроэнергетики демонстрирует в зарубежных странах — в Китае, США, странах Европы. Россия в этом отношении значительно отстает от соседних государств. Рассмотрим причины такого отставания и варианты их преодоления.

Способ намотки катушки статора ветряка

Для того, чтобы сделанный своими руками ветрогенератор на неодимовых магнитах работал с максимальной отдачей, статорные катушки следует рассчитывать. Однако большинство мастеров предпочитают делать их на глаз. К примеру, тихоходный генератор, способный заряжать 12 В аккумулятор, начиная со 100 — 150 оборотов за минуту, должен иметь во всех катушках от 1000 до 1200 витков, поровну разделенное между всеми катушками. Увеличение количества полюсов ведет к росту частоты тока в катушках, благодаря чему генератор, даже при малых оборотах, дает большую мощность.
Намотка катушек должна производиться по возможности более толстыми проводами, с целью снижения сопротивления в них. Делать это можно на оправке, либо на самодельном станке.

Для того чтобы разобраться, какой потенциал мощности имеет генератор, покрутите его с одной катушкой, поскольку, в зависимости от того, в каком количестве будут установлены неодимовые магниты и какова их толщина, данный показатель может существенно отличаться. Измерение проводятся без нагрузки при необходимом числе оборотов. Например, если генератор при 200 оборотах за минуту обеспечивает напряжение в 30 В, имея сопротивление в 3 Ом, то следует из 30 В вычесть 12 В (напряжение питания аккумулятора) и полученный результат — 18 делим на 3 (сопротивление в омах) получаем 6 (сила тока в амперах), которые и пойдут от ветрогенератора на зарядку АКБ. Однако, как показывает практика, по причине потерь в проводах и диодном мосту, реальный показатель, который будет производить магнитный аксиальный генератор, будет поменьше.

Магниты для создания ветрогенератора лучше брать в форме прямоугольника, поскольку их поле распространяется по длине, в отличие от круглых, поле которых сосредотачивается в центре. Катушки, как правило, мотают круглыми, хотя лучше делать их несколько вытянутыми, что обеспечивает больший объем меди в секторе, а также более прямые витки. Отверстие внутри катушек должно быть равно или превышать ширину магнитов.

Толщина статора должна быть такой же что и магниты. Форма для него обычно фанерная, для прочности под катушки и поверх них кладут стеклоткань, и все это заливается эпоксидной смолой. Для того, что бы не допустить прилипания смолы к форме, последнюю смазывают любым жиром либо применяют скотч. Провода предварительно выводят наружу и скрепляют между собой, концы каждой фазы после этого соединяют треугольником либо звездочкой.

Электрические и технические параметры генератора

Расчет напряжения выполняют по формуле:

Самодельный генератор

U=2*Ч*КП*КК*КВ*МИ*П, где:

U – напряжение в Вольтах;
Ч – частота оборотов ротора генератора за одну секунду;
КП – количество магнитных полюсов;
КК – количество индукционных катушек в статоре;
КВ – число витков проводника в одной индукционной катушке;
МИ – магнитная индукция в Тл, которая образуется в стандартном зазоре (2 мм);
П – площадь поверхности одного неодимового магнита, в кв. м.

Если применяют простые катушки, для расчета берут магнитную индукцию 0,5 Тл. При добавлении сердечника из электротехнической стали значение увеличивают до 0,7-0,9Тл.

К сведению. Формула действительна при соединении обмоток «треугольником». Если трехфазный генератор собирают по схеме «звезда», полученное значение умножают на поправочный коэффициент 1,7.

После вычисления напряжения надо узнать сопротивление в обмотках. После этого несложно будет определить силу тока и мощность. Для медного проводника удельное сопротивление составляет 0,0175 Ом на мм кв./ метр. Для расчета общей величины применяют формулу:

С= (УС*Д)/ПП, где:

С – сопротивление, в Ом;
УС – удельное сопротивление определенного материала;
Д – длина проводника в метрах;
ПП – площадь проводника в сечении, мм кв.

Для расчета силы тока вычитают из напряжения магнитного генератора на холостом ходу напряжение подсоединенного для зарядки аккумулятора. Полученное значение делят на величину рассчитанного по предыдущей формуле сопротивления.

Увеличение/уменьшение оборотов меняет соответствующим образом силу тока при неизменном значении напряжения на клеммах батареи аккумуляторов. Для расчета производительности ветроустановки в разных режимах используют стандартную формулу:

P=I*U, где:

Р – мощность, Ватт;
I – сила тока, Ампер;
U – напряжение, Вольт.

Как согласовать параметры функциональных частей

Лопасти по энергетическому потенциалу должны соответствовать определенному асинхронному двигателю или собранному своими руками ротору на магнитах. При существенных отклонениях для получения достаточной электрической мощности придется создавать новые изделия с нужными параметрами. Обратная ситуация также недопустима. Слишком крупные лопасти не способны быстро вращаться. При сильном ветре повышается риск разрушения подобных конструкций.

Чтобы не ошибиться, составляют таблицу с режимами работы оборудования при разной скорости вращения с шагом 50-100 об./мин. Далее пользуются специализированными калькуляторами, которые по заданным значениям рассчитывают геометрические параметры винта. Эти изделия создают из подходящей древесины, металла, пластика. В качестве заготовок подойдут стандартные трубы из поливинилхлорида для наружных канализационных сетей.