Расчет параметров генератора

При постоянной угловой скорости вращения выходное напряжение многополюсного генератора на постоянных магнитах растет пропорционально квадрату числа полюсов при условии, что площадь полюса не изменяется, то есть либо используется сплошной кольцевой магнит большего диаметра, либо увеличивается количество магнитов, из которых набирается кольцевой магнит.

Увеличение числа полюсов при использовании кольцевого магнита заданных размеров приводит к уменьшению площади потокосцепления S пропорционально увеличению числа полюсов n. Если число витков катушек N остается неизменным, чего можно добиться, уменьшая диаметр обмоточного провода, то выходное напряжение генератора Egen будет расти пропорционально числу полюсов n. Если катушки наматываются обмоточным проводом заданного диаметра, то при увеличении числа полюсов (и, соответственно, уменьшении размера катушки) число витков одной катушки N уменьшается. Выходное напряжение генератора Egen при этом будет оставаться приблизительно постоянным при увеличении числа полюсов n:



Электрическая мощность генератора не зависит от диаметра обмоточного провода и растет прямо пропорционально квадратам размеров кольцевого магнита (внешний диаметр, ширина кольца) и прямо пропорционально числу его полюсов:



Таким образом, при конструировании низкооборотного электрического генератора необходимо использовать кольцевой магнит с максимально возможной остаточной индукцией, как можно большего внешнего диаметра и ширины кольца с максимально возможным числом полюсов, подбирая за счет изменения диаметра обмоточного провода число витков катушек таким образом, чтобы выходное напряжение генератора находилось в требуемом диапазоне при заданных частотах вращения. Катушки желательно наматывать проводом с наименьшим удельным сопротивлением (медным) с наибольшим возможным коэффициентом заполнения формы (фактором упаковки). Достаточная общность вышеизложенных рассуждений позволяет сказать то же самое и в отношении других конструкций электрогенераторов с ротором на постоянных магнитах.

Число катушек должно соответствовать числу полюсов. Если число катушек равно числу полюсов магнита (m = n), то при нахождении сердечника катушки напротив полюса кольцевого магнита за счет сил притяжения возникает большой момент сопротивления, для преодоления которого требуется значительное усилие (большая сила ветра). Поэтому можно увеличить или уменьшить число катушек на единицу (m = n + 1, m = n - 1), что позволит существенно уменьшить амплитудные значения момента сопротивления. Подобное решение использовано в конструкции 6-полюсного генератора, в котором число полюсов магнита n = 6, число катушек m = 7. Можно вообще отказаться от применения стальных сердечников в катушках, тогда момент сопротивления в режиме холостого хода будет близок к нулю при любом положении ротора. Такие катушки необходимо делать минимальной высоты, сравнимой с величиной зазора между магнитом и катушкой, чтобы уменьшение магнитной индукции в зазоре было не слишком существенным. Число катушек может быть при этом равно числу полюсов магнита (m = n).

6-полюсный низкооборотный электрогенератор



Характеристики электрогенератора:
количество полюсов магнита - 6, магнитная индукция в зазоре до 0.2 Тл, количество катушек - 7, катушки намотаны проводом ПЭВ-2 0.4 мм, число витков ~500;
выходное напряжение холостого хода (без нагрузки) прямо пропорционально частоте вращения ротора и составляет около 2 В (действующее значение) при частоте вращения 1 оборот в секунду;
внутреннее сопротивление 28 Ом;
максимальный выходной ток 0.25 А (действующее значение);
габариты: длина 100 мм, ширина 100 мм, высота 55 мм;
масса не более 1 кг.

Конструкция электрогенератора



На квадратном стальном основании (статор) расположены по окружности катушки со стальными сердечниками (7 штук). В центре основания закреплен подшипник, в который вставлена ось. На оси крепится постоянный магнит - кольцо из феррита бария типоразмера К70 х 24 х 12. Кольцо намагничено аксиально, число полюсов - 6 (многополюсное намагничивание с переменной полярностью). Сверху к кольцу приклеена эпоксидной смолой стальная площадка квадратной формы. Она служит для уменьшения магнитного сопротивления, а также для крепления привода - ветродвигателя. Намагничивание магнита осуществлялось в установке намагничивания с шестиполюсным намагничивающим устройством. Электрические характеристики генератора достаточно хорошо соответствуют расчетным. При испытаниях выяснилось, в частности, следующее. В режиме холостого хода выходное напряжение растет прямо пропорционально частоте вращения ротора генератора. В режиме короткого замыкания выходной ток с ростом частоты вращения достигает некоторого предельного значения (250 мА). В режиме работы на нагрузку выходной ток также достигает предельного значения (250 мА) с увеличением частоты вращения, то есть генератор переходит в режим источника тока.

Низкооборотный однофазный электрогенератор с дисковым ротором на постоянных магнитах (18 полюсов, 19 обмоток)

При использовании низкооборотных приводов, ось которых напрямую соединена с осью электрического генератора, возникает проблема получения достаточно высокого выходного напряжения и электрической мощности. Один из способов ее решения - многополюсный электрогенератор с ротором на постоянных магнитах. Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах не имеет коллектора и щеток, что позволяет существенно повысить его надежность и время работы без обслуживания и ремонта. Применение постоянных магнитов с высокими значениями остаточной индукции и коэрцитивной силы позволяет существенно улучшить электрические характеристики генератора или уменьшить его габариты.

Электрогенератор с ротором на постоянных магнитах может быть построен по различным схемам, отличающимся друг от друга совместным расположением обмоток и магнитов. Магниты с чередующейся полярностью располагаются на роторе генератора. Обмотки с чередующимся направлением намотки располагаются на статоре генератора. Если ротор и статор представляют из себя соосные диски, то такой тип генератора назовем аксиальным или дисковым (рис. 1.1). Возможны различные модификации дискового генератора, когда, например, магниты на немагнитном диске располагаются между двумя дисками с обмотоками (рис. 1.2) или немагнитный диск с обмотками располагается между двумя дисками с магнитами (рис. 1.3).



Если ротор и статор представляют из себя коаксиальные соосные цилиндры, то такой тип генератора назовем радиальным или цилиндрическим (рис. 1.4). В генераторе радиального типа ротор может быть внутренним (рис. 1.4) или внешним (рис. 1.5) по отношению к статору.



Если число обмоток равно числу магнитных полюсов, то при прохождении магнитного полюса мимо сердечника обмотки за счет сил притяжения возникает скачок момента на валу. Для ослабления этого эффекта в однофазном генераторе можно увеличить или уменьшить число обмоток (m) на единицу или на два по сравнению с числом магнитов (n) (см. таблицу 1.1). Например, в простейшем случае число магнитных полюсов может быть равно двум, а число обмоток - трем (рис. 1.6), причем выводы обмоток соединяются последовательно. Подобное решение использовано в конструкции 6-полюсных генераторов [1] (число полюсов магнита n = 6, число обмоток m = 7) и [3] (число полюсов магнита n = 6, число обмоток в каждой из двух групп m = 5, дополнительно группы обмоток сдвинуты друг относительно друга на угол в 36 градусов). Возможны и другие соотношения между числом магнитных полюсов и обмоток. Можно вообще отказаться от применения стальных сердечников в обмотках, тогда при любом положении ротора скачков момента на валу в режиме холостого хода не будет. Такие обмотки необходимо делать минимальной высоты, сравнимой с величиной зазора между магнитом и обмоткой, чтобы уменьшение магнитной индукции в зазоре было не слишком существенным. Число обмоток может быть при этом равно числу магнитов. Возможно также использовать трехфазную схему (рис. 1.6). При ее построении число магнитов (полюсов) может быть кратно двум, а число обмоток - трем с тем же коэффициентом (см. таблицу 1.2). Выводы обмоток могут соединяться звездой или треугольником.



Рис. 1.6. Устройство простейшего электрогенератора.

Таблица 1.1. Пример соотношения между числом магнитных полюсов и числом обмоток для однофазного электрогенератора.



Таблица 1.2. Пример соотношения между числом магнитных полюсов и числом обмоток для трехфазного электрогенератора.



2. Конструкция однофазного электрогенератора

Однофазный электрогенератор, внешний вид которого показан на рис. 2.1, собран по схеме рис. 1.1. На квадратном стальном основании (статор) расположены по окружности катушки в виде цилиндрических соленоидов со стальными сердечниками (19 штук). В центре основания закреплен подшипник, в который вставляется ось ротора. Ротор представляет из себя укрепленный на оси стальной диск, к которому с использованием прокладки крепятся постоянные магниты (18 штук) с чередующимся направлением намагниченности. Магниты представляют из себя аксиально намагниченные диски состава неодим-железо-бор. Намагничивание магнитов производилось в установке намагничивания. Катушки генератора соединены последовательно. Для проверки правильности фазировки катушек и качества их намотки можно использовать следующий прием. С генератора снимается ротор. Выводы генератора подключаются к источнику постоянного тока напряжением до 12 вольт. С помощью тесламетра производится контроль магнитной индукции на сердечниках катушек. Направление магнитной индукции должно чередоваться от начальной до конечной катушки, а на начальной и конечной катушке совпадать. Величина магнитной индукции на поверхности сердечников всех катушек должна быть примерно одинаковой.


Рис. 2.1. Внешний вид однофазного электрогенератора.

Технические характеристики однофазного электрогенератора:
магнитная индукция в зазорах между магнитными полюсами и сердечниками катушек - до 0.4 Тл
выходное напряжение в режиме холостого хода при частоте вращения 1 оборот в секунду - 7 В (действующее значение)
выходное напряжение растет прямо пропорционально частоте вращения
максимальный выходной ток в режиме короткого замыкания - 0.6 А
частота вращения, при которой достигается максимальный выходной ток в режиме короткого замыкания - 2 оборота в секунду
внутреннее сопротивление - 11 Ом
размеры - не более 250 х 250 х 120 (с осью) мм3
масса - не более 6 кг

Магнитный полюс - часть поверхности намагниченного тела, на которой нормальная к поверхности составляющая намагниченности отлична от нуля.
Неодим-железо-бор (англ. Ne-Fe-B) - магнитотвердый материал на основе соединения железа, неодима и бора состава Nd2Fe14B, Nd3Fe16B, Nd4Fe28B3.
Холостой ход - режим работы привода или преобразователя в отсутствие противодействующей силы (нагрузки).
Цилиндрический соленоид - соленоид в виде цилиндра с центральным цилиндрическим отверстием (если таковое имеется).
Электрогенератор (электрический генератор) - преобразователь неэлектрической энергии источника в электрическую энергию.