Генератор на неодимовых магнитах

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.

Как сделать вечный двигатель

Самодельные генераторы на неодимовых магнитах в основном однотипны по принципу действия. Стандартным уже вариантом является аксиальный тип.

За его основу берется ступица из автомобиля с тормозными дисками. Такая база станет надежной и мощной.

При решении ее использовать ступицу следует полностью разобрать и проверить, достаточно ли там смазки, а при необходимости очистить ржавчину. Тогда готовый прибор будет приятно покрасить, и он приобретет «домашний», ухоженный вид.

На роторные диски наклеивают магниты. Автор конструкции, представленной на фото в статье, взял двадцать штук размером 25*8 миллиметров. Можно использовать разное количество полюсов.

В однофазном приборе полюсы должны иметь равное количество с количеством магнитов. В трехфазном должно соблюдаться соотношение двух к трем или четырех к трем. Магниты размещают с чередованием полюсов. Они должны быть точно расположены. Для этого можно начертить на бумаге шаблон, вырезать его и точно перенести на диск.

Чтобы полюсы не перепутать, маркером делают пометки. Для этого магниты подносят одной стороной: ту, что притягивает, обозначают знаком «+», а ту, что отталкивает, — «-». Магниты должны притягиваться, то есть те, что расположены друг напротив друга, должны иметь разные полюсы.

Обычно используется суперклей или подобный ему, а после наклейки заливают еще эпоксидной смолой для увеличения прочности, предварительно сделав «бордюрчики», чтобы она не вытекла.

Переменный однофазный и трёхфазный электрический ток

Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля (Приложение, рис. 1). Такими частицами могут являться: в проводниках – электроны, в электролитах – ионы (катионы и анионы). В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля. Током проводимости называют количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника:

i=q/t,

где i – ток (А), q = 1,6·109 — заряд электрона (Кл), t — время (с).

Но такое выражение справедливо только для цепей постоянного тока. Для цепей переменного тока применяют так называемое мгновенное значение тока, равное скорости изменения заряда во времени:

i(t)= dq/dt.

Электрический ток называется переменным, если он в течение определённого времени меняет свое направление и непрерывно изменяется по своей величине. Значение переменного тока, изменяется по синусоидальному закону (Приложение, рис. 2):

i = Im sin (2πft),

где; i – мгновенное значение тока, Im – амплитудное или наибольшее значение тока, f – значение частоты переменного тока, t – время.

Широко используется переменный ток благодаря тому, что электроэнергия переменного тока технически просто и экономно может быть преобразована из энергии более низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот. Это свойство переменного тока позволяет передавать электроэнергию по проводам на большие расстояния.

Промышленный переменный электрический ток получают при помощи электрических генераторов, принцип работы которых основан на законе электромагнитной индукции. Вращение генератора осуществляется каким-либо энергетическим источником.

Переменный однофазный электрический ток имеет следующие основные характеристики:

f – частота переменного тока определяет количество циклов или периодов в единицу времени. За единицу измерения частоты переменного тока принят Герц (Гц) (1Гц = 10-3кГц = 10-6мГц);

Τ – период – время одного полного изменения переменной величины (если в 1 секунду происходит 1 период Τ, то частота f = 1 Гц);

ω – угловая скорость равная — ω=2πf;

Сила тока в отдельные моменты при изменении его по синусоиде носит название мгновенных значений тока. Наибольшее по величине мгновенное значение однофазного переменного тока при изменении его по синусоиде называется амплитудой. В настоящее время во всем мире получила наибольшее распространение трехфазная система переменного тока. Трехфазной системой электрических цепей называют систему, состоящую из трех цепей, в которых действуют переменные, электродвижущие силы одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1/3 периода (φ=2π/3) (Приложение, рис. 3). Каждую отдельную цепь такой системы коротко называют ее фазой, а систему трех сдвинутых по фазе переменных токов в таких цепях называют просто трехфазным током.

Конструирование тихоходного дискового трёхфазного генератора переменного тока на мощных неодимовых магнитах

Можекин Д.С. 1
1МАОУ «Лицей №97»

Красавин Э.М. 1Касауров Ю.А. 2
1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №

2МБУОДО ЦДОД

Работа в формате PDF
1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

Генератор переменного тока – это устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле. В первой половине 19 века были созданы первые однофазные многополюсные генераторы переменного тока. Но в самых первых, появившихся в то время электронных устройствах, применялся только постоянный ток, а переменный ток долгое время не мог найти своего практического применения. Со временем выяснилось, что намного практичнее использовать не постоянный, а переменный ток, который периодически меняет свое значение и направление. Преимущества переменного тока, состоят в том, что его удобнее вырабатывать при помощи электростанций. Генераторы переменного тока более просты по устройству, экономичнее и проще в обслуживании, чем аналоги, работающие на постоянном токе. Эти электрические машины были более надёжны в эксплуатации и сразу нашли свое широкое применение в промышленных и бытовых сферах. В течении последних лет, популярность использования электростанций и генераторов переменного тока значительно возросла. Промышленные генераторы являются наилучшим вариантом для использования на производстве, в больницах, школах, магазинах, офисах, бизнес – центрах, в качестве альтернативного источника питания. Широкое применение, эти электрические машины, нашли на строительных площадках, значительно упрощая строительство в тех зонах, где электрификация полностью отсутствует. Бытовые генераторы, более практичные, компактные и идеально подходят для использования в коттедже и загородном доме. Генераторы переменного тока широко применяются в различных областях и сферах благодаря тому, что могут решить множество важных проблем, которые связаны с нестабильной работой электричества или полным его отсутствием. Трёхфазные генераторы переменного тока с встроенным полупроводниковым мостовым трёхфазным выпрямителем используются на современных автомобилях для зарядки автомобильного аккумулятора, а также для питания электропотребителей, таких как система зажигания, автомобильная светотехника, бортовой компьютер, система диагностики и других. Генераторы переменного тока применяются в гибридных автомобилях, позволяющих совмещать тягу двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. Актуальность вопроса конструирования лёгких и мощных электрических машин переменного тока возникла, в связи с широким развитием альтернативной энергетики. Системы альтернативной энергетики (ветрогенераторы, малогабаритные водные электростанции) потребовали новых подходов к конструированию электрических машин переменного тока. Для работы с альтернативными энергетическими ресурсами необходима лёгкость и малогабаритность конструкции, но не в ущерб её мощности. Повышение эффективности работы генератора возможно с созданием мощного магнитного поля и увеличением числа обмоток. И то и другое можно осуществить, используя постоянные магниты из редкоземельных металлов и большое количество плоских катушек, пересекающих магнитное поле. Возможность разработки и создания лёгкой и, в тоже время мощной малогабаритной электрической машины переменного тока, в домашних условиях легло в основу рабочей гипотезы данной работы.

Процесс создания ротора

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.

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.

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.

Изготовление статора трёхфазного генератора переменного тока

Статор генератора, также изготовлен из пластин органического стекла толщиной 8 мм. В пластинах, согласно разметке, отфрезерованы полости для размещения 9 катушек статорной обмотки. Катушки намотаны медным изолированным проводом D – 0,35 мм. Каждая катушка вмещает количество витков, согласно расчётным данным, приведённым выше. Катушки обмотки вклеены в пазы пластин статора с помощью герметика (Приложение, рис. 13-15). Намотку всех фазных катушек необходимо производить в одном направлении отмечая начало и конец обмотки. Соединение катушек каждой фазы производится по схеме: конец – начало. Всего на статорных пластинах размещено по три фазных катушки, соединённых последовательно (Приложение, рис 16). Соединение всех фазных обмоток можно производить двумя способами: звездой и треугольником (Приложение, рис. 17 – 18). В нашем случае, соединение осуществляется звездой, включая все пластины статора. Выпрямление тока осуществляется трёхфазным выпрямителем из полупроводниковых диодов (N4107) (Приложение, рис. 18). Весь «бутерброд» генератора собирается на основании из органического стекла. Пластины статора жёстко прикреплены к основанию металлическими стойками. Пластины ротора закреплены подвижно на подшипниковом узле от двигателя дисковода. Ось подшипникового узла проходит через весь генератор и скрепляет подвижные пластины ротора (Приложение, рис. 17).

Изготовление ротора трёхфазного генератора переменного тока

Пластины ротора изготовлены из органического стекла толщиной 5 мм. Из органического стекла вырезаны окружности диаметром 95 мм., в них, согласно разметке, просверлили 12 отверстий под неодимовые магниты (D – 15 мм.). Магниты, разноимёнными полюсами, вклеили в предназначенные для них отверстия (Приложение лист V, рис. 12 — 13). Таких пластин для генератора, изготовили три. Центральная пластина, которая располагается между пластинами статора, изготовлена только из органического стекла. На верхнюю и нижнюю пластины ротора приклеены металлические пластины из стали толщиной 1,5 мм. На каждой из пластин размещено по 12 магнитов, ориентированных по полюсам.

Виды магнитов

Постоянные магниты разделяют на 2 вида:

• естественные;
• искусственные.

Естественные

В природе естественный постоянный магнит – это ископаемое в виде обломка железняка. Магнитная порода (магнетит) в каждом народе имеет своё название. Но в каждом наименовании присутствует такое понятие, как «любящий», «притягивающий металл». Название Магнитогорск означает расположение города рядом с горными залежами естественного магнетита. В течение многих десятков лет здесь велась активная добыча магнитной руды. На сегодня от Магнитной горы ничего не осталось. Это была разработка и добыча естественного магнетита.

Пока человечеством не был достигнут должный уровень научно-технического прогресса, естественные постоянные магниты служили для разных забав и фокусов.

Искусственные

Искусственные ПМ получают путём наведения внешнего магнитного поля на различные металлы и их сплавы. Было замечено, что одни материалы сохраняют приобретённое поле в течение длительного времени – их называют твёрдыми магнитами. Быстро теряющие свойства постоянных магнитов материалы носят называние мягких магнитов.

В условиях заводского производства применяют сложные металлические сплавы. В структуру сплава «магнико» входят железо, никель и кобальт. В состав сплава «альнико» вместо железа включают алюминий.

Изделия из этих сплавов взаимодействуют с мощными электромагнитными полями. В результате получают достаточно мощные ПМ.

Виды и формы ПМ

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.

Преимущества

Приборы приобретают в готовом виде или изготавливают самостоятельно. Купив ветрогенератор, его остается только установить. Все регулировки и центровки уже пройдены, проведены испытания при различных климатических условиях.

Неодимовые магниты, которые используются вместо редуктора и подшипников, позволяют достичь следующих результатов:

• сокращается трение, и повышается срок эксплуатации всех деталей;

• исчезает вибрация и шум прибора при работе;

• себестоимость уменьшается;

• экономится электроэнергия;

• исчезает необходимость регулярно обслуживать прибор.

Ветрогенератор можно приобрести со встроенным инвертором, который заряжает батарею, а также с контроллером.

Способ намотки катушки статора ветряка

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.

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.

Принцип работы устройств

Главной проблемой конструкции считался возврат вращающихся деталей в исходной положение без существенных потерь крутящего момента. Данная проблема была решена с помощью медного проводника, по которому был пропущен электрический ток, вызывающий притяжение. При отключении тока, действие притяжения прекращалось. Таким образом, в устройствах этого типа использовалось периодическое включение-отключение.

Повышенный ток создает увеличенную силу притяжения, а та, в свою очередь, участвует в выработке тока, проходящего через медный проводник. В результате циклических действий, устройство, кроме совершения механической работы, начинает производить электрический ток, то есть выполнять функции генератора.

Природа магнетизма

Демонстрация свойств магнита в притягивании к себе металлических предметов у людей вызывает вопрос: что такое представляют собой постоянные магниты? Какова же природа такого явления, как возникновение тяги металлических предметов в сторону магнетита?

Первое объяснение природы магнетизма дал в своей гипотезе великий учёный – Ампер. В любой материи протекают электрические токи той или иной степени силы. Иначе их называют токами Ампера. Электроны, вращаясь вокруг собственной оси, вдобавок обращаются вокруг ядра атома. Благодаря этому, возникают элементарные магнитные поля, которые взаимодействуя между собой, формируют общее поле вещества.

В потенциальных магнетитах при отсутствии внешнего воздействия поля элементов атомной решётки ориентированы хаотически. Внешнее магнетическое поле «выстраивает» микрополя структуры материала в строго определённом направлении. Потенциалы противоположных концов магнетита взаимно отталкиваются. Если приближать одинаковые полюсы двух полосовых ПМ, то руки человека ощутят сопротивление движению. Разные полюсы будут стремиться друг к другу.

При помещении стали или железного сплава во внешнее магнитное поле происходит строгое ориентирование внутренних полей металла в одном направлении. В результате этого материал приобретает свойства постоянного магнита (ПМ).

Выводы и дополнительная информация

С помощью редуктора и тщательного расчета лопастей можно создать тихоходный, малошумящий низкооборотный генератор на неодимовых магнитах. Современные электронные компоненты и соответствующая схемотехника помогут создать инвертор с высоким КПД. Новые модели аккумуляторов выполняют свои функции безупречно, без регламентного обслуживания, сохраняют свои полезные функции после сотен циклов перезарядки.

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения ротора

Для ознакомления с действующими установками можно посмотреть реализованные проекты Сергея Савченко, Александра Седова, Валерия Яловенко, Виктора Бурлака. Их идеи можно трансформировать с учетом личных возможностей и предпочтений. Упростить расчеты несложно с помощью специализированных программ-калькуляторов, которые можно быстро найти в сети Интернет. В любом случае магнитный генератор следует рассматривать вместе с другими частями системы автономного снабжения электроэнергией, чтобы обеспечить хорошую согласованность.

Выводы и дополнительная информация

С помощью редуктора и тщательного расчета лопастей можно создать тихоходный, малошумящий низкооборотный генератор на неодимовых магнитах. Современные электронные компоненты и соответствующая схемотехника помогут создать инвертор с высоким КПД. Новые модели аккумуляторов выполняют свои функции безупречно, без регламентного обслуживания, сохраняют свои полезные функции после сотен циклов перезарядки.

Для ознакомления с действующими установками можно посмотреть реализованные проекты Сергея Савченко, Александра Седова, Валерия Яловенко, Виктора Бурлака. Их идеи можно трансформировать с учетом личных возможностей и предпочтений. Упростить расчеты несложно с помощью специализированных программ-калькуляторов, которые можно быстро найти в сети Интернет. В любом случае магнитный генератор следует рассматривать вместе с другими частями системы автономного снабжения электроэнергией, чтобы обеспечить хорошую согласованность.