Генератор на постоянных магнитах своими руками

fca101b73b437bd1c2e81ed1f087ce5fПредлагаем вашему вниманию инструкцию по изготовлению классического генератора на постоянных магнитах (ГПМ), на языке оригинала – permanent magnet generator, PMG. Подобные генераторы широко используются в самодельных мини-ГЭС, ветряках и прочих электростанциях, изготовленных своими руками.

Описание разработано доктором Смэйлом Хеннасом, опубликовано на сайте известного шотландского самодельщика и автора многочисленных пособий Хью Пигота.

1. Введение

Это инструкция по изготовлению генератора на постоянных магнитах (ГПМ), который выдает переменный ток. Он генерирует не «промышленное» напряжение 220В, а низкое переменное напряжение по трем фазам, которое затем выпрямляется и подается на выход в виде постоянного тока с параметрами, подходящими для зарядки батарей 12В.

pmg11

Этот ГПМ состоит из следующих узлов:
1. Стальные оси и цапфы (shafts and spines)
2. Статор, содержащий катушки из провода (Stator)
3. Два магнитных ротора (magnet rotor)
4. Выпрямитель (rectifier)

Статор содержит шесть катушек медного провода, залитых эпоксидной смолой. Корпус статора закреплен цапфами и не вращается. Провода от катушек подключены к выпрямителю, который производит постоянный ток для зарядки батарей 12В. Выпрямитель прикреплен к алюминиевому радиатору, чтобы не перегревался.

Магнитные роторы закреплены на составной, вращающейся на оси конструкции. Задний ротор установлен за статором и закрыт им. Передний ротор находится снаружи и прикреплен к заднему ротору длинными спицами, проходящими через центральное отверстие статора. В случае использования ГПМ с ветряком, на тех же спицах будут монтироваться лопасти ветряка. Они будут вращать роторы, и таким образом перемещать магниты вдоль катушек. Переменное магнитное поле роторов генерирует ток в катушках.

Этот ГПМ спроектирован для использования с небольшим ветрогенератором. Для того, чтобы сделать сам ветровой генератор, нужны следующие узлы:
• Мачта: стальная труба, закрепленная тросами (Tower)
• «Вращающаяся головка», которая устанавливается на верхушке мачты
• Хвост, для поворота ветряка по ветру (tail)
• Набор лопастей (blades)

pmg21

ГПМ работает на малых оборотах . На графике показана мощность ГПМ при зарядке 12В батареи. При 420 об/мин он генерит 180 Вт = 15А х 12В

При большей скорости ГПМ может генерить большую мощность. Но больший ток разогревает катушки и К.П.Д. падает. Для использования ГПМ для больших оборотов лучше мотать катушки другим проводом, более толстым и делать меньше витков в катушке. Но при этом на малых оборотах ГПМ работать не будет.

Для того, чтобы использовать ГПМ и на большой и на малой скорости, можно менять способ соединения катушек: со звезды переключаться на треугольник и наоборот.

На графике представлена зависимость выходной мощности от скорости при разных типах соединения. «Звезда» начинает работать при низкой скорости (170 об/мин). «Треугольник» выдает больше мощности, но только при больших оборотах. Звезда хороша при малом ветре, треугольник – при большом.

pmg31

Если увеличить размеры ГПМ, то при тех же скоростях он сможет выдавать больше мощности.

Внимание
При изготовлении ГПМ обращайте особое внимание на крепеж магнитов – ни при каких условиях они не должны отделяться от посадочного места! Болтающийся магнит начинает распарывает корпус статора и необратимо повреждает ГПМ.
• Строго следуйте инструкциям по заливке ротора – ни в коем случае не ограничивайтесь просто приклеиванием магнитов к стальным дискам.
• При сборке не бейте по ротору молотком
• Оставляйте как минимум 1 мм зазор между роторами и статором (при тяжелых условиях эксплуатации зазор надо увеличить)
• Не используйте ГПМ на скоростях выше 800 об/мин. (При поворотах ветряка на такой сокрости в нем возникают гироскопические силы , которые могут согнуть оси и вызвать касание магнитами ротора)
• Не прикрепляйте лопасти непосредственно к внешнему ротору, крепите только на спицы.
• При креплении лопастей к спицам держите ГПМ так, чтобы его ось вращения была вертикально, ни в коем случае не горизонтально.

2. Список материалов и инструментов

Материалы Кол-во размер Вес, гр
СТЕКЛОПЛАСТИК
Эпоксидная смола с отвердителем 2700
Катализатор (перекись) 50
Порошок талька (наполнитель) 1200
Стеклопластиковые листы (1 унция/квадр.фут) 1 килоВ.м. 300
Красящий пигмент для эпоксидки (по желанию) 50
Пластилин
НЕРЖАВЕЙКА
Проволока из нержавейки 2 мм х 10м 200
МАГНИТЫ
Постоянные ферромагнитные блоки (степень 3) 16 20 х50 х50 4000
ЭЛЕКТРИКА
Намоточный эмалированный провод 1,7мм 3000
Гибкий провод 1,7 мм х 6 м
Припой и кембрики
изолента
Мостовой выпрямитель 2 25А 200В однофазный
Радиатор для выпрямителя 250
СТАЛЬ
Профиль с осью (см. рисунок) 1 380 х 50 х25 х 4мм 1100
Шпилька 10мм 1000мм 500
Гайка 10 мм 32
Шайба 10 мм 16
Шпилька 8мм 400мм
Гайка 8мм 8
Гайка и болт 5 мм для выпрямителя 2
ось 25 мм х 150 мм
МЕХАНИКА
Узел подшипника в сборе, для крепления на ось 1 1250

 

pmg41

Ротор, узел подшипника, профиль с осью

Материалы для отливочных форм и оснастки.

Половые доски и клей по дереву
Наждачная бумага, восковая полировка (если есть – полиуретановый лак + жидкость для его снятия )
Кисточки для рисования, губка для их очистки
Фанера 13 мм для оснастки и форм
Стальной стержень или трубка для намоточной машинки
Кусочки толстого металлического листа

Болты с гайками и шайбами диаметр длина Используется для
2 с барашковыми гайками 6 мм 60 мм Намоточная машинка
4 10 мм 25 мм балансировка
1 12 мм 150 мм Форма для заливки статора

Инструменты
Защитные очки, маска, перчатки
Верстак с тисками
Сварочный аппарат
угловая шлифовальная машина
ножовка, молоток, пробойник, зубило
рулетка, циркуль, транспортир
гаечные ключи : 8, 10, 13, 17, 19 мм, по 2 каждого типа
вороток и метчик М10 для отверстий в магнитном роторе
медная проволока для позиционирования магнитов
вертикальный сверлильный станок
сверла 6, 8, 10, 12 мм
насадка для дрели для проделывания отверстий 25 мм, 65 мм
токарный станок по дереву
резец для токарного станка
лобзик по дереву
весы для взвешивания эпоксидки. Распылитель для катализатора, пластиковы ванночки, ножницы
паяльник, припой с флюсом, кусачки, острый нож

3. Отливочные формы и оснастка
В этом разделе описано изготовление отливочных форм и оснастки для ГПМ. Их можно использовать многократно.

pmg51

3.1 Намоточная машинка
Статор ГПМ содержит 6 катушек медной проволоки.

pmg61

Катушки будут намотаны на фанерный шаблон. Шаблон смонтирован на конце ручки, между фанерных щечек.

• Делаем ручку

pmg71

• Отрезаем кусочек стальной пластины 60 х30 х6 мм (плюс-минус) и надежно прикрепляем ее (или привариваем) к концу ручки, как показано ниже.
• Сверлим 2 отверстия диаметром 6мм на расстоянии 40 мм друг от друга

 

pmg81

• Вырезаем 3 куска 13-мм фанеры, как на рисунке ниже

pmg91

 

Шаблон имеет размеры 50 х 50мм, толщина 13 мм. Края закругленные. Две щечки – 125 х 125 мм, с вырезами глубиной 20 мм вверху и внизу. Вырезы нужны для того, чтобы после намотки зафиксировать катушку изолентой.

• Собираем все детали, как показано ниже и сверлим сквозные отверстия для болтов, диаметр 6 мм, на расстоянии 40 мм. Лучше всего использовать вертикальный сверлильный станок.

pmg101

 

• Вставьте два болта сквозь отверстия в стальной пластине и соберите всю конструкцию, шаблон между щечками. Лучше всего использовать барашковые гайки.

pmg111

 

3.2 Шаблоны для ротора

• Шаблон для крепежных отверстий.

Магнитные роторы монтируются на подшипниковом узле (bearing hub). У узла есть фланец с отверстиями. Например, это может быть 4 отверстия, расположенных на окружности диаметром 102 мм (по-английски есть специальный термин pitch circle diameter, PCD). Или вы можете спроектировать другое количество отверстий, в зависимости от узла подшипника. Далее мы рассматриваем PCD 102 мм.

pmg121

PCD шаблон будет использоваться для сверления отверстий в роторе, а также для балансировки ротора. Отверстия должны быть размечены и просверлены с предельной точностью.

a) вырежьте квадратную стальную пластину 125 х 125 мм
b) проведите диагонали и накерните центр
c) разведите циркуль на радиус 51 мм, проведите окружность
d) диаметр окружности равен PCD
e) накерните 2 точки пересечения окружности и одной из диагоналей
f) разведите циркуль на 72 мм (цифра верна для PCD 102 мм). Разметьте на окружности две точки ровно на расстоянии 72 мм от двух предыдущих.
g) Просверлите 4 отверстия на расстоянии 72 мм друг от друга, сначала используйте сверло маленького диаметра.

pmg131

 

• Шаблон для позиционирования магнитов

pmg141

 

a) Разметьте центр фанерной заготовки
b) Проведите из размеченной точки 3 окружности диаметром 50мм, 102 мм и 200м
c) Проведите 2 параллельные линии как касательные к окружности 50 мм (на рисунке вверху)
d) Проведите еще 3 пары параллельных линий под 45 и 90 градусов к первой паре.
e) Используя линии, разметьте места для магнитов, и вырежьте шаблон по жирной линии (рисунок выше)
f) Проведите линию между центрам двух противолежащих магнитов
g) Положите стальной PCD шаблон для крепежных отверстий на 102-мм окружность, выровняйте его относительно линии между центрами магнитов, и просверлите отверстия сквозь отверстия в стальном шаблоне.

3.3 Формы и оснастка: Изготовление отливочных форм

Приступаем к изготовлению форм для отливки ротора и статора. Они могут быть изготовлены из дерева или алюминия. Другой способ – вылепить формы из глины и выровнять на гончарном круге, как горшок. Поверхность формы будет внешней поверхностью статора или ротора. Затем внутри формы будут добавлены стеклопластиковые вставки. Поверхность формы должна быть максимально гладкой.

Формы должны быть прочные. Статор или ротор нелегко выбить из формы после застывания, может понадобиться пара ударов киянкой.

Далее описан один из способов изготовления отливочных форм.

3.3.1 Внешняя форма для статора.

• Вырежьте несколько дисков из половой доски (рис. ниже), около 500мм в диаметре.

pmg151

 

• Во всех дисках, кроме одного, вырежьте круглые отверстия, диаметром 360мм, чтобы получить кольца.

pmg161

 

• На оставшемся диске начертите окружность 360 мм в диаметре
• Просверлите 12 мм отверстие в центре диска
• Приклейте кольца к диску, чтобы получилась стопка высотой 60мм. Мажьте побольше клея внутри.
• Вырежьте диск из 15-мм фанеры диаметром 140 мм, просверлите отверстие 12 мм в его центре
• Продев 12 мм болт сквозь оба отверстия, приклейте маленький диск к центру большого. Мажьте побольше клея по краям диска

pmg171

 

• Приделайте конструкцию к еще одному самодельному диску, или к диску токарного станка, или к колесу. В общем вам нужно то, что на рисунке ниже называется faceplate (держатель).
• Поворачивая держатель, нарисуйте карандашом кружочек в его центре.
• Просверлите 12 мм отверстие в этом центре. Дрель должна быть строго параллельна оси.
• Прикрутите склеенные диски (далее будем называть это заготовкой) к держателю 12мм болтом. Дополнительно закрепите 4-мя шурупами.
• Проверьте вращение заготовки. Для этого надо держать карандаш возле поверхности, когда заготовка вращается. Если карандаш оставляет отметину, значит, на поверхности в этом месте выпуклость. Ослабьте шурупы и вставьте кусочки бумаги между держателем и заготовкой на противоположной поверхности заготовки напротив карандашных меток. Закрутите шурупы и попробуйте повторить все снова.

pmg181

 

Теперь можно обработать заготовку резцом.

pmg191

 

• Вырежьте ровную поверхность на внутренней стороне заготовки.
• Сделайте фаску в 7 градусов на внутренней поверхности
• Общий диаметр внутренней части должен быть 380 мм
• Диаметр плоской части 360мм (см. рисунок ниже)
• Внутренние углы закруглены, не острые

pmg201

• Внутренний диск сточите до диаметра 130мм. Углы также закруглены (рисунок ниже)

pmg211

• Проверьте, что катушка входит на свое место свободно – если нет, то или чуть расточите внутреннюю поверхность, или уменьшите диаметр внутреннего диска.
• Снимите заготовку с токарного станка

pmg221

 

• Просверлите 4 отверстия в центральной части (они нужны для разделения внешней и внутренней отливочных форм статора, внутренняя форма описана в следующем разделе). Забейте маленькие кусочки фанеры с обратной стороны отверстий, чтобы сделать «упор».

3.3.2 Внутренняя форма для статора.

• Вырежьте диски диаметром 370 мм

pmg231

 

• Просверлите 12 мм отверстие в центре каждого
• Склейте их в стопку (рис. выше), скрепите 12 мм болтом
• Стопка должна быть минимум 45 мм толщиной, лучше 50 мм
• Пройдитесь 20-градусным резцом по краю, срежьте угол так, чтобы диаметр уменьшился с 368 мм до 325 мм

pmg241

 

• Проверьте, что внешняя форма садится на внутреннюю форму с зазором 6мм по краю. Затем снимите внутреннюю форму со станка.
• Разметьте две линии на большей поверхности формы, на расстоянии 340 мм друг от друга.
• Срежьте фаски, как на рисунке ниже

pmg251

Фаски позволят сделать в этих местах наплывы заливочного материала и усилить тем самым места крепления статора.

3.3.3 отливочная форма для ротора.

Для ГПМ надо 2 магнитных ротора. Отливочная форма для них нужна одна, но лучше иметь две, для ускорения процесса.

Внешняя форма для ротора (рис.ниже) похожа на внешнюю форму для статора, но попроще:

pmg261

 

Используя шаблон для крепежных отверстий, просверлите 4 отверстия для последующего крепления магнитных роторов.

Отливка магнитного ротора требует также внутренней отливочной формы (рис. ниже), с такой же разметкой крепежных отверстий.

pmg271

 

Все формы надо зачистить наждачкой, чтобы получить очень гладкую поверхность, которую надо финально отделать затиркой полиуретановой губкой, смазаной воском.

Не надо красить формы: при нагревании краска потрескается и испортит поверхность отливки.

pmg281

3.3.4 шаблоны для статора

• Шаблон для штифтов.

При заливке в статор нужно заделать 4 поддерживающих 8 мм штифта. Для того, чтобы они не перекосились, пока сохнет эпоскидка, их крепят на местах с помощью шаблона, который мы сейчас изготовим. Шаблон делается из деревянного бруска 380 х 50 х 25 мм. Размеры должны быть точно выдержаны, иначе штифты потом не совпадут с крепежными цапфами.

a) разметьте центр бруска на самой большой грани (рис. ниже)
b) нарисуйте циркулем две дуги радиусом 178 мм
c) наметьте по 2 точки на каждой дуге, на расстоянии 30 мм друг от друга и в 10 мм от края.
d) Просверлите 4 отверстия 8 мм, лучше всего с помощью сверлильного станка
e) Аккуратно зашкурьте выходные отверстия от заусенец, чтобы не оставлять следа на отливке.

2011_04_13-321

 

• Бумажный шаблон

Для изготовления статора используется так называемый порошковый стекломат (стекломатериал с порошковым связующим). Чтобы вырезать из него составные части статора, сделайте бумажные шаблоны. Их можно обвести фломастером и вырезать получившуюся фигуру из стекломата.

Оберните форму листом бумаги и наметьте край.

2011_04_13-331

 

4. Изготовление статора

В этом разделе описан процесс изготовления статора с помощью форм и шаблонов из раздела 3. До того, как приступить к изготовлению отливочных форм, намотайте хотя бы одну катушку, чтобы потом примерять ее в отливочную форму.

4.1 Намотка катушек

• Закрепите на оси катушку с проводом, на одной линии с намоточной машинкой. При намотке на катушку провод должен иметь S-образную форму (как на верхнем рисунке)

pmg311

 

• Согните на 90 градусов и закрепите на расстоянии 100мм один из концов проволоки. Не сгибайте проволоку в других местах, иначе катушка не будет компактной.
• Положите согнутый конец в вырез намоточной машинки, чтобы он свободно болтался.
• Нетуго оберните несколько раз согнутый конец проволоки вокруг барашковой гайки
• Возьмите в руку кусок тряпки, возьмитесь за проволоку между катушкой и намоточной машинкой и натяните проволоку
• Вращайте намоточную машинку за ручку

Первый виток ложится возле щечки, к которой прилегает проволока. Последующие витки ложатся один к одному, без зазоров и перехлестов, слой за слоем. Считайте количество витков. Их количество должно быть 100.

• Когда намотка закончена, зафиксируйте катушку витками изоленты в местах, где из нее выходят концы проволоки. Не обрезайте проволоку, пока не сделаете этого – иначе катушка размотается. Обрежьте проволоку на расстоянии 100мм
• Таким же точно образом намотайте еще 5 катушек
• Положите катушки на стол, так чтобы они лежали одним и тем же концом кверху (рис ниже). Первый конец должен быть сверху.
• Пронумеруйте катушки от 1 до 6

pmg321

 

• Зачистите эмаль на протяжении 20мм от концов (можно наждачкой или ножом)
• Припаяйте к концам гибкие проводники (рис ниже)
Предлагаемая длина прводников:
Катушки 1 и 6 – 800 мм
Катушки 2 и 5 – 600 мм
Катушки 3 и 4 – 400 мм

pmg331

• Заизолируйте места пайки кембриками
• Пометьте концы катушек номером катушки и буквой А или В.
А – начальный конец проволоки, В – финальный конец. Не перепутайте.
• Положите катушки во внешнюю форму статора
• Проверьте, что они входят без натяга и что проводники достаточно длинны, чтобы выйти наружу из формы между катушками 3 и 4 (рис ниже).

Все катушки должны быть размещены одинаковыми сторонами кверху.

pmg341

 

4.2 Подготовка к заливке
Для заливки статора надо подготовить:
• 6 намотанных катушек
• Эпоксидную смолу, тальк и красящий пигмент (по желанию)
• Стекломат (стеклоткань)
• 4 шпильки 100мм х 8мм
• Тщательно подготовленные отливочные формы. Трите их наждачкой, полируйте, используйте пасту ГОИ, если найдете

Вырежьте куски стеклоткани, используя бумажные шаблоны. Это будут 2 стеклотканевых круга для укладывания во внешнюю форму, а также полоски для того, чтобы проложить стенки внешней формы. Полоски надо делать из двойной стеклоткани, и закладывать 25 мм на взаимное перекрытие полосок.

Когда вы все подготовите, начните заливку. Неплохо прочитать следующий раздел до конца и разобраться досконально во всех деталях.

4.3 Заливка статора

На рисунке ниже нарисована процедура взвешивания смолы и талька. Тальк используется только для объемной заливки (он не добавляется, когда смола мажется тонким слоем для смачивания стеклоткани). Тальк нужен для предотвращения перегрева и упрочнения отливки. При заливке статора смолу нужно будет замешивать несколько раз, при каждом замесе нужна своя дозировка.

pmg351

сс – это кубический сантиметр

Смешивайте смолу и катализатор тщательно, но медленно, чтобы избежать появления воздушных пузырей. Тальк добавляйте только после размешивания катализатора. Как только смола замешана, сразу используйте ее – через несколько минут она начнет разогреваться и застывать.

Используйте ровно столько катализатора, сколько необходимо. Если в мастерской тепло, катализатора можно лить поменьше. При заливке толстого слоя смолы, также лейте меньше катализатора. Если сомневаетесь, сделайте несколько тестовых замесов смолы с разным количеством катализатора и посмотрите результат.
Начинаем заливку:
• Положите внешнюю форму статора на газету на верстак
• Замесите 200 г смолы, добавьте 3 куб.см. катализатора (и 15-30 куб.см. пигмента для цвета если нужно). При первых двух замесах тальк не добавляется.
• Размажьте смолу тонким слоем по внутренней поверхности внешней формы. Не мажьте верхушку выступа в центре.
• Положите один слой стеклотканевого круга на дно и стеклотканевые полоски на стенки, смажьте стеклоткань сверху смолой, чтобы она тщательно пропитала стеклоткань
• Приклейте второй слой стеклотканевых полосок на стены (второй круг на дно пока не кладите)
• Положите катушки во внешнюю форму. Все провода должны быть собраны вместе и выйти наружу между катушкой №3 и №4
• Смешайте еще 100г смолы и 2 куб.см. катализатора. Вылейте замес на проводники катушек, избегайте образования «озерков» внутри катушек
• Смешайте еще 600г смолы, 9 куб.см. катализатора и 600г талька. Вылейте смесь в пространство между катушек. Смола должна заполнить внешнюю форму и быть вровень с верхом центрального выступа.
• Сильно потрясите форму, чтобы убрать пузыри.
• Смешайте 200г смолы, 3 куб.см. катализатора и 100г талька. Положите второй стеклотканевый диск поверх катушек и смажьте его смолой. Тщательно размажьте смолу.
• Положите внутреннюю форму поверх внешней и вставьте 12мм болт сквозь центральное отверстие в обеих формах. Плоское место на внешней форме должно совпасть с местом выхода проводов от катушек на нижней форме. Уровень смолы поднимется, она может перелиться через край и начать стекать по внешней форме
• Если смолы наоборот, не хватает – смешайте еще 100г смолы и 1,5куб.см. катализатора и залейте в нижнюю форму
• Положите шаблон для штифтов на внешнюю форму, один конец шаблона располагается наж местом выхода проводов. Затяните 12 мм болт гайкой. Вставьте четыре 8-мм шпильки в отверстия, с гайками наверху. Шпильки должны быть погружены в смолу примерно на половину своей длины.

pmg361pmg371

 

 

Заливка завершена. Она чуть нагреется и начнет застывать через несколько часов. Лучше поместить отливку в теплое место.
Когда смола застынет полностью, выбейте заливку из формы, как можно более аккуратно. Уберите шаблон со шпилек. Разъедините внешнюю и внутреннюю формы, и аккуратно выбейте отливку из нижней формы мягкими ударами по верстаку или деревянному полу.

5. Изготовление ротора.

Магнитный ротор тоже представляет собой отливку. Сначала соберите все составные части: магнитные пластины, магниты, проволоку из нержавейки (все части указаны ниже), и приступайте к сборке, как описано в этом разделе.

5.1 Магнитные диски
Каждый магнитный ротор собирается на стальном диске толщиной 6 мм. (рис. ниже). Не используйте алюминий или нержавейку в качестве материала, диски должны быть изготовлены из магнитного материала. В диске есть отверстия для крепления к узлу подшипника – в данной инструкции узел подшипника имеет 4 крепежных отверстия диаметром 10мм, расположенных на окружности 102мм. Если вы найдете другой узел подшипника, соответственно внесите изменения в отливочные формы и шаблоны.

В центре диска – отверстие диаметром 65мм. Для крепления к цапфам с резьбой М10 на диске надо просверлить 4 отверстия с резьбой М10 по окружности 220мм. Вверните 4 шпильки длиной 20мм в эти отверстия. Их мы попозже зальем смолой и тем самым обеспечим лучшее крепление отливки к диску.

pmg381

Магнитные пластины – заготовки под диски должны быть ровные, без повреждений поверхности. Вырезать ровный круг без повреждения поверхности нелегко, как вариант – вместо диска можно сделать восьмиугольник, это позволит использовать отрезной станок. Сначала разметьте квадрат, впишите в него окружность, а затем обрежьте углы под 45 градусов. Длина каждой стороны 116мм. Магниты разместятся по углам восьмиугольника.

pmg391

 

Центральное отверстие можно выпилить лобзиком либо на токарном станке. Зачищайте стальные диски, пока они не заблестят. Протрите их спиртом, чтобы удалить жировые загрязнения перед тем, как класть их в отливочную форму.

5.2 Магниты
На каждом роторе по 8 магнитов. У каждого есть северный и южный полюс (см. ниже)

pmg401

 

С магнитами обращайтесь аккуратно: они могут повредить гибкие диски, магнитофонные кассеты (если у кого-то это еще осталось), кредитные карты и прочие полезные вещи.

Если магниты слиплись, отделяйте их проскальзыванием друг относительно друга, не применяйте грубую силу. Не допускайте, чтобы магниты неконтролируемо слипались – при столкновении они могут треснуть. Не бейте по ним молотком, в том числе и когда монтируете ротор.

Верхние поверхности магнитов на диске должны чередоваться: С-Ю-С-Ю… Проверяйте это так: каждый готовый к установке магнит подносите к установленному ранее – нижний магнит должен отталкивать верхний (см. рис. ниже). Верхний ставьте рядом, не переворачивая. Когда все магниты стоят на местах, проверьте их еще одним магнитом: он должен последовательно отталкиваться-притягиваться –отталкиваться… и так далее по кругу.

pmg411

 

Два магнитных ротора должны притягиваться при совмещении крепежных отверстий. Для этого магниты надо расположить, как показано ниже:

pmg421

 

5.3 проволока из нержавейки

При вращении роторов магниты подвергаются действию центробежной силы, которая срывает их с посадочных мест. В нашем первом ГПМ магниты были просто приклеены к дискам. При увеличении скорости вращения магниты просто разлетались в стороны, повреждая статор.

Теперь мы заливаем магниты эпоксидкой. Даже ее недостаточно для удержания магнитов на месте, она должна быть усилена. Обмотайте роторы проволокой, которая будет держать магниты вместе. Стальную проволоку лучше не использовать – она магнитная и понизит общую намагниченность ротора. Надо взять проволоку из нержавеющей стали, это не магнитный материал.

Обмотайте проволоку вокруг магнитов пять оборотов, и обрежьте ее кусачками. Зафиксируйте проволочное кольцо изолентой в нескольких местах, чтобы оно не разматывалось. Когда придет время, мы положим кольцо на место.

5.4 Заливка ротора

Перед началом заливки убедитесь, что у вас все готово:
• Отливочные формы отполированы и зачищены
• Магниты и магнитные диски чистые (их не полируйте!)
• 16 полосок стеклоткани нарезаны (они нужны для размещения между магнитами)
• Проволока из нержавейки обрезана и зафиксирована изолентой
• Шаблон для позиционирования магнитов готов к использованию

Количество смолы, упомянутое ниже, рассчитано на два ротора.

pmg431

 

• Вставьте 4 болта сквозь отверстия во внешней форме снизу (как на рис. вверху). Положите стальной диск во внешнюю форму. Сверху положите внутреннюю форму. Проверьте фаску, и положите форму меньшей поверхностью вниз, чтобы ее легче было снять после заливки.

• Смешайте 200г смолы и 3 куб.см. катализатора. Размажьте часть смолы по стальному диску. Добавьте 20г красящего пигмента. Добавьте в оставшуюся смолу 200г талька. Лейте смесь смолы с тальком по краям формы, пока она не заполнится до верха стального диска.

• Положите шаблон для позиционирования магнитов на болты. Положите магниты на стальной диск по шаблону. Помните про чередование полюсов – С-Ю-С… Проверьте взаимное отталкивание и притягивание магнитов, как в разделе магниты, но СНИЗУ. Когда все магниты уложены на места, снимите шаблон и используйте его для второго ротора. Помните, что магниты на двух роторах должны быть размещены «в противофазе», чтобы роторы притягивались. Следите, чтобы магниты не съехали со своих мест.

• Затяните гайки на 4-х болтах и притяните центральный диск формы к стальному диску.

• Смешайте 500г смолы и 7 куб.см. катализатора. Добавьте 300г талька. Положите маленькие ленты из стеклоткани между магнитами и зазором по краю. Добавляйте смолу, пока она смочит стеклоткань. Трясите форму, пока не выйдут все пузыри.

• Положите кольцо из проволоки вокруг магнитов, не допускайте, чтобы оно съехало вниз. Пусть кольцо зависнет не стеклотканевых полосках. Осторожно, не сдвиньте магниты.

• Смешайте 500г смолы и 7 куб.см. катализатора. Добавьте 300г талька. Злейте простарнство между магнитами, пока смола не дойдет до верха формы.

• Оставьте отливку сохнуть несколько часов. Вынимайте ее из формы осторожно, не бейте сильно молотком. А если бьете – то бейте по форме, а не по ротору.

pmg441

 

6. Сборка

6.1 Балансировка ротора

Оба ротора надо отбалансировать, иначе при работе ГПМ будет трястись. Весь ГПМ в сборе также надо будет отбалансировать после сборки, так как роторы не могут быть сразу спозиционированы четко по местам. Эта процедура описана в соответствующем разделе.

Для балансировки ротора (рис. ниже), сначала прикрепите к нему шаблон для крепежных отверстий (он же PCD шаблон) четырьмя болтами. Затем отбалансируйте ротор на заостренном стержне (гвозде).

pmg451

 

Если ротор будет вращаться без вихляний, то он отбалансирован. Если наблюдаются вихляния в вертикальной плоскости, типа восьмерки на велосипедном колесе, то прикрепите к ротору небольшой грузик или высверлите немного смолы между магнитами, пока ротор не начнет вращаться равномерно. Снимите шаблон, поверните его на 90 градусов, прикрепите его опять к ротору и повторите процедуру.

6.2 Узел подшипника и цапфа

Цапфа (закрепленная с одного конца ось , на которой чего-то вращается) для узла подшипника делается из куска профиля 50 х 25 х4. Найдите точный центр большей поверхности и разметьте на этой поверхности четыре 8мм отверстия в соответствии с шаблоном для штифтов

Отверстие в центре должно быть 25мм в диаметре (или другое, в зависимости от оси, к которой подходит узел подшипника). Сделайте отверстие специальной насадкой на дрель или на токарном станке.

2011-04-14-161

 

В отверстие 25 мм вварите ось. Очень важно: при сварке ось надо держать максимально прямо (под углом 90 градусов к поверхности).

Узел подшипника (рис. ниже) должен одеваться на ось с небольшим натягом. Внутри – два подшипника 50 х 25 мм. На верхушку узла должна одеваться пластиковая крышка для защиты от пыли.

Не забудьте смазать подшипники. Заполняйте их смазкой только на половину окружности, иначе они не смогут свободно вращаться.

2011-04-14-171

 

6.3 Сборка ротора и статора

pmg11

 

• Найдите или нарежьте 4 куска стержня с резьбой М10 по 200мм длиной. Они будут шпильками, крепящими магнитные роторы к узлу подшипника. К этим же шпилькам будут крепиться лопасти ветряка.

• Завинтите по 6 гаек на каждую шпильку (рис ниже)

pmg491

 

• Вставьте шпильки в отверстия в узле подшипника, спереди.

• Наденьте магнитный ротор на свободные концы шпилек

pmg481

 

• На концы шпилек, торчащие из ротора, наденьте по гайке, и закрутите те самые ранее одетые на шпильки 6 гаек, так, что ротор окажется крепко привинченным к заднему фланцу узла подшипника. Гайку, прижимающая ротор к фланцу, потом покрасьте, чтобы она не развинчивалась.

• Расположите профиль с вваренной осью так, чтобы ось торчала вертикально, насадите на ось узел подшипника. Не бейте по нему молотком! Затяните фиксирующую гайку, прижимающую узел подшипника к оси. Осторожно, не перетяните гайку. Наденьте пластиковую крышку на узле подшипника.

pmg511

 

• крутаните ротор, держа у его поверхности медную проволоку (стальная притянется магнитами, ее лучше не использовать). Поверхности магнитов должны быть выровнены +/- 0,5мм. Если это не так, отрегулируйте положение ротора тонкими прокладками между ротором и фланцем узла подшипника.

pmg501

 

• с помощью уровня отрегулируйте параллельность поверхности ротора и профиля. Поверните ротор на 90 градусов и повторите процедуру

• возьмите статор. Закрутите (до низу) по одной 8мм гайке на каждую шпильку, вклеенную в статор.

• Поместите статор поверх магнитного ротора так, чтобы шпильки статора совпали с отверстиями в профиле. Закрутите еще по гайке на концы шпилек.

pmg521

 

• крутаните нижний ротор. Плавно опускайте статор вниз, удерживая его параллельно ротору, до чирканья магнитом по статору (услышите характерный звук).

• Отрегулируйте гайками на всех четырех шпильках расстояние в 1мм между ротором и статором

• Наденьте по несколько шайб на 10мм шпильки, крепящие ротор. Затем насадите на шпильки верхний ротор

• Если зазор между верхним ротором и статором оказывается меньше 1мм, добавьте еще шайб, если в каком-то месте больше 1мм, то соответственно уберите шайбу.

• Когда зазор отрегулирован, закрутите на 10мм шпильки сверху по гайке и прочно зафиксируйте верхний ротор

pmg531

 

6.4 Электрика

В следующем разделе №7 описано, как присоединить к статору выпрямитель. Я рекомендую два однофазных мостовых выпрямителя. Они выпускаются в блоках 30 х 30мм. Положительные выводы (обычно под прямым углом к остальным) все соединяются с положительным полюсом аккумулятора , вс отрицательные выводы – с отрицательным полюсом. Оставшиеся четыре вывода соединяются с выводами статора (переменный ток). Вам понадобятся 3 вывода из этих четырех, соединенные в соответствие со скоростью вращения (далее будет объяснено).

pmg541

 

Провода лучше всего соединять блочными клеммниками, можно их и спаять. При пайке старайтесь не перегреть выпрямитель, для чего перед пайкой прикрутите их к радиатору. Он будет выглядеть примерно так, как на верхнем рисунке, но в приципе подойдет любой кусок алюмния весом грамм в 250.

Все электрические части надо впоследствии спрятать во влагозащитном корпусе

pmg551

 

7. Проверка и подключение

До использования ГПМ его следует еще раз проверить: исправить недочеты сейчас намного легче, чем когда ГПМ будет смонтирован на верхушке мачты.

7.1 Проверка механики

Закрепите профиль с осью вертикально в тисках (ось при этом горизонтальна, как и будет при использовании ГПМ в ветряке). Магнитные роторы могут свободно вращаться. Проверьте, что провода не коротят (ГПМ при этом вращается с трудом).

7.1.1 Проверяем свободное вращение роторов.

Закрутите ротор и послушайте звук. Не должно быть никаких шуршаний или поскрипываний при вращении роторов, они должны вращаться свободно несколько секунд и постепенно остановиться. Если они останавливаются резко, значит, где-то проблемы с электрикой или подшипник перезатянут.

Возьмитесь за статор двумя руками. Попытайтесь покачать его туда-сюда, закрутив роторы. Статор не должен касаться роторов. Если все-таки касание есть (определите по звуку), то ГПМ надо разобрать и увеличить зазор между роторами и статором. Или, как вариант, подрегулировать высоту крепления ротора.

Зафиксируйте ротор в позиции, при которой одна из шпилек находится на 3-х часах (рис ниже). Подвесьте грузик в 100г к этой шпильке. Ротор должен повернуться по часовой стрелке. Если он не поворачивается, значит, подшипник перезатянут или смазан слишком обильно.

 

pmg561

7.1.2 Проверка баланса.

Роторы мы уже балансировали ранее (см. пункт 6.1 Балансировка ротора). Однако теперь, когда ГПМ окончательно собран, процедуру балансировки надо повторить.

Зафиксируйте ротор так же, как и в предыдущем разделе (рис. выше), повторите проверку с каждой из 4-х шпилек. Пробуйте подвешивать к шпилькам разные грузики. Найдите минимальный вес , который выводит ротор из равновесия. Если для какой-то из шпилек требуется существенно больший вес, то это означает, что ротор не сбалансирован. Поприкрепляйте к ротору небольшие грузики, пока он не будет отбалансирован.

Точно также потом надо будет отбалансировать ротор с прикрепленными к нему лопастями ветряка.

 

7.2 Проверка электрической части

7.2.1 Проверка соединения катушек

Для проверки электрики полезно иметь мультиметр, но можно обойтись и лампочкой на 3 вольта (см. рис. ниже).

• Соедините провода 1В – 4А, 2В – 5А, 3В – 6А (это последовательное соединение однофазных пар катушек)

• Поставьте диапазон мультиметра на 10В

• Подключите мультиметр или лампочку к 1А и 4В

pmg571

 

• Вращайте ротор со скоростью около 1 об/сек

• Мультиметр должен показать около 2В, лампочка должна заморгать

• Повторите тест со следующими парами проводников: 2А и 5В, 3А и 6В. Эффект должен быть аналогичным

Если эффекта нет или он мал, проверьте для начала соединение проводников 1В – 4А, 2В – 5А, 3В – 6А. Если с ними все нормально, то, возможно, при изготовлении статора одна из катушек оказалась реверсной (положенной вверх ногами).

Для выявления такой катушки надо провести следующий тест (см. рис. ниже). Соедините 4В-2А, 5В-3А. Проверьте эффект между 1А и 6В – напряжения быть НЕ ДОЛЖНО, или оно будет пренебрежимо мало. Если напряжение все-таки есть, то последовательно меняйте местами А и В поочередно в каждой паре, пока напряжение не пропадет.

Когда реверсная катушка выявлена, перевесьте правильно ярлычки А и В.

 

pmg581

В данном тесте напряжение не равно нулю из-за того, что катушки расположены в статоре на идеальным образом. Если в результате тестов не удается получить напряжение менее 1В, то вам либо придется смириться с более низким выходом мощности вашего генератора на постоянных магнитах, либо изготовить новый статор, обращая внимание на симметричное расположение катушек, строго выдерживая расстояние между ними.

7.2.2 Проверка оборудования постоянного тока

После проведения и успешного завершения всех предшествующих тестов подключите выпрямитель, как на рисунке ниже. Соедините провода 1А, 2А, 3А вместе. Подключите каждый провод 4В, 5В и 6В к одному из входов переменного тока выпрямителя. Это соединение типа «звезда». К выходу подключите лампочку или мультиметр.

pmg591

 

Закрутите ротор рукой, около 1 об/сек. Мультиметр должен показывать около 4В (если лампочка подключена параллельно – то 3В). Лампочка должна гореть ровно, а не моргать как в предыдущих тестах.

Если нет напряжения, или лампочка все-таки моргает, то это означает неправильную коммутацию или битый выпрямитель.

Можно обойтись и без лампочки с мультиметром. Просто соедините плюс и минус выпрямителя вместе (сделайте КЗ), и попробуйте вращать ротор. Сопротивление усилию должно быть ощутимым и постоянным. Если ротор «сопротивляется» скачками или подрагивает, то что-то неправильно.

7.2.3 Подключение к аккумулятору: звезда и треугольник

Для низких скоростей вращения генератора на постоянных магнитах соедините обмотки звездой, как в п. 7.2.2

Проверка оборудования постоянного тока.

Для сильного ветра и, соответственно, большего тока, соедините катушки треугольником (см. рис. ниже)

pmg601

Также можно поставить реле для переключения между звездой и треугольником:

 

pmg611

В принципе, можно поставить микроконтроллер для измерения скорости вращения и переключения между звездой и треугольником. Но это вряд ли вписывается в бюджет проекта «своими руками».

По большому счету, можно вообще не переключать соединение звезда – треугольник при изменении скорости ветра, но тогда генератор на постоянных магнитах будет выдавать чуть меньшую мощность. Варианта два:

• Если вы ожидаете в основном низкие скорости ветра, сделайте соединение треугольником и все. Если высокая скорость ветра будет редко, ничего с генератором на постоянных магнитах не случится

• Если у вас все-таки часто дуют сильные ветра, то намотайте по 200 витков катушки проводом 1,2 мм. Потом соедините одну группу катушек звездой, а одну треугольником, как на рисунке ниже.

pmg621

 

Кабель от генератора до аккумулятора можно сделать либо 3-х фазным переменного тока, либо постоянного тока. Использование переменного тока лишь чуть-чуть уменьшает потери.

При напряжении 12 В диаметр кабеля должен быть большим. Даже если ток будет всего лишь 15 А, то для расстояния 20м надо использовать кабель с жилами как минимум по 3мм.кв. (если ток постоянный). Даже в таком кабеле потери составят порядка 15%. Для большей длины кабеля надо использовать большие диаметры жил, и чем длиннее, тем толще.

7.2.4 Зарядка аккумулятора

12 Вольт стандартного аккумулятора – безопасное напряжение. Однако, если генератор отключен от аккумулятора и крутится достаточно быстро, то напряжение холостого хода может достичь 50 В, а это довольно чувствительно. Поэтому нагрузку от генератора лучше не отключать.

Другая опасность – короткое замыкание на аккумуляторе, которое может привести к нагреву и воспламенению кабеля. Обязательно ставьте предохранитель на каждый провод , подключенный к плюсовой клемме аккумулятора (см. рис. ниже)

pmg63-e1272467985949-300x2321

 

Свинцово-кислотный аккумулятор нельзя разряжать полностью. При пропадании ветра обязательно следите за уровнем зарядки аккумуляторов, и своевременно отключайте нагрузку. Ключевым является уровень напряжения – если оно ниже 11,5 вольт, то аккумулятор нельзя разряжать больше.

Идеальный режим зарядки – малый ток в течение длительного времени. Большой ток допустим только на начальном этапе зарядки, когда аккумулятор разряжен.

Перезарядка батарей тоже вредна – пластины перегреваются и портятся. Если напряжение больше, чем 14 вольт, то зарядку надо прекратить.

Уровень зарядки аккумулятора регулируйте током нагрузки. В принципе, существует недорогое устройство для контроля напряжения аккумулятора и соответственного регулирования тока нагрузки.

8. Дополнительная информация

8.1 Эпоксидка

Полиэстеровая смола

Полиэстер – синтетическое вещество типа пластмассы, используется в при строительстве стеклопластиковых лодок, деталей кузова машин, итп. В полиэстеровой смоле обычно имеются различные добавки – для большей твердости или, наоборот, для большей упругости. Если вам попадется смола с добавкой полиэстера – предварительно расспросите продавца об ее свойствах.

Упрочнители

Есть два варианта упрочнить конструкцию, отлитую из эпоксидки: это добавка перекиси и кобальта.

Кобальт – жидкость пурпурного цвета. Когда купите ее, спросите продавца о пропорциях. Кобальт можно заливать в смолу заранее, но хранить смолу с добавкой кобальта надо в темном месте, иначе она застынет.

Перекись – опасный химикат. Храните его в ПВХ-емкости, в темноте, при температуре ниже 25 градусов. Никогда не смешивайте перекись с кобальтом (разве что кобальт был ранее добавлен в смолу и его концентрация уже низка), иначе смесь взорвется. Добавляйте не больше 1-2% перекиси в смолу, иначе она перегреется.

Безвосковая «воздушная» смола типа «Б»

Эта смола используется при изготовлении стеклопластиковых лодок, когда технология требует последовательного нанесения слоев смолы. Мы не рекомендуем использовать эту смолу для генератора на постоянных магнитах – поверхность отливки не будет твердой. Спрашивайте смолу типа «А», или «смолу для отливки»

Тиксотропическая добавка

Это специальный порошок (очень тонко помолотый кварц), добавлется в смолу для густоты. Для нашей цели он не нужен, но если он уже добавлен в смолу, то ничего страшного.

Стиреновый мономер

Около 35% всей смолы – стиреновый мономер. Это делается для разжижения смолы. Она имеет неприятный запах. В заливочную смолу можно добавить до 10% смолы – стиренового мономера.

Пигмент

Красящий пигмент нужен для придания отливке цвета. Добавьте пигмент (максимум – 10%) в первую заливку, которая будет распределена по всей заливочной форме. Пигмент добавлять необязательно, без него отливки будут прозрачными, а катушки и магниты – хорошо видными. В этом есть свой шарм.

Стеклоткань

Без стеклоткани смола не имеет нужной прочности. Стеклоткань продается в виде листов или нарезки волокон. Используйте стеклотканевые листы для прокладки в формы, а нарезку волокон можно высыпать в смолу, что придаст отливке большую прочность. Особенно имеет смысл проделать это с роторами.

Тальк

Это дешевый наполнитель, который можно смешивать со смолой после добавления в нее пероксида. Тальк делает смолу более густой, и уменьшает ее расход. Пропорция смола : тальк может доходить до 1 : 2 без уменьшения прочности. Тальк также уменьшает нагрев при застывании смолы.

8.2 Использование генератора на постоянных магнитах для мини-ГЭС

Наш генератор на постоянных магнитах идеален как для ГЭС с небольшим перепадом и низкой скоростью потока, так и для ГЭС на более мощном потоке, так как генератор может быть настроен как для генерации всего лишь нескольких ватт, так и нескольких сот ватт.

По сравнению с ветрогенерацией, использование генератора для мини-ГЭС может привести к ржавлению металлических деталей из-за постоянной влажности. Во избежание этого используйте гальванизированные или оцинкованные металлические части.

Для использования генератора на постоянных магнитах для мини-ГЭС к внешнему ротору надо приделать простейшее колесо с лопастями.

Вот некоторые примеры использования генератора на постоянных магнитах для мини-ГЭС:

2011-04-14-34[1]

При больших оборотах генератор выработает больше электроэнергии. Увеличение скорости в 2 раза приведёт к увеличению в два раза напряжения. Если катушки намотаны слишком тонким проводом, он может перегреться и тогда КПД упадет. Можно обдумать использование воды для охлаждения генератора.

Тем не менее, использование генератора на постоянных магнитах в режиме высоких оборотов для мини-ГЭС более безопасно, чем для ветряка: в мини-ГЭС не возникает гироскопических сил, изгибающих генератор при его повороте.

Если вам не нужно напряжение выше 12 вольт, то при высоких оборотах можно изменить коммутацию катушек статора, и соединить их параллельно, а не последовательно. Или можно заранее намотать катушки меньшим количеством витков, но более толстым проводом. Второй вариант более предпочтителен, так как позволит избежать паразитных токов, возникающих и в «звезде», и в «треугольнике».

Pin It

0 thoughts on “Генератор на постоянных магнитах своими руками

  1. С интересом ознакомился с информацией по изготовлению ГПМ. Собираюсь поставить несколько ветряков на огороде, пару аккумуляторов в сарае и через преобразователь запитать домашнюю сеть, благо погода в основном стоит ветренная. Грех не использовать природную энергию на зависть Минэнерго.

Добавить комментарий