Что такое радиальный генератор
Подпишитесь на автора
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Статья относится к принтерам:
3D печать, как вид деятельности, дает возможность создавать не только декоративные поделки и игрушки, но и более сложные вещи. Мне нравится, что 3д принтер позволяет делать быстрые прототипы моделей, на изготовление которых раньше уходило немыслимое количество времени и финансов. А многие идеи и технические решения получили второе дыхание.
Этот генератор был разработан, как стендовый прототип для одного из проектов альтернативной энергетики.
На печатной основе расположены 8 одинаковых катушек. На одну пару полюсов припадает две катушки таким образом, что два магнита с разными полюсами проходят активные проводники одной и той же катушки одновременно. То есть, расстояние между активными частями катушек (точнее их центрами) равно шагу полюсов ротора. Катушки собраны попарно и отформованы таким образом, что часть одной катушки входит в центр второй. Таким образом, можно сказать, что это 2-фазный генератор с ротором на магнитной Халбач-сборке.
Далее парные и непарные катушки соединяются последовательно. А напряжение на катушках суммируем после двух диодных мостов.
Катушки намотаны проводом 0.2мм, но можно выбрать и другой диаметр. Учтите, что для получения нужного напряжения возможно придется добавить мультипликатор, например планетарного типа. Уверена, что для 3D-печатников это не составит трудностей. 😉
Габариты генератора 60Х45 мм без учета длины вала, вес 260 грамм.
Тестовые испытания еще впереди, о результатах я сообщу чуть позже.
После того, как напечатаны все детали генератора, сперва собирается составной ротор. Обращаем внимание на правильность сборки магнитов. Далее, вставляем вал в ротор. После этого, ставим ротор в держатель катушек статора. Это облегчит сборку статора и формовку катушек. Формовка катушек не есть сложная задача, но требует приложения физической силы, так что пришлось напрячься.
(Исходим из того, что катушки вы уже намотали и обвили фторопластовой лентой)
После этого, ставим подшипники на вал, статорные ограничители и одеваем корпусные детали-сначала центральную часть, а потом верхнюю и нижнюю крышки.
И еще несколько слов о творческой жизни Украины.
Принципы построения БЕЗЖЕЛЕЗНЫХ аксиальных генераторов для ветряка на постоянных магнитах.
В данной теме предлагаю обсуждать общую теорию и практику построения безжелезных генераторов, чтобы не флудить в авторских темах, замусоренных до безобразия.
Аксиальный БЕЗЖЕЛЕЗНЫЙ (без железного сердечника в обмотке статора) генератор подчиняется закону движения проводника в магнитном поле: при движении проводника в магнитном поле на его концах под действием силы Лоренца индуцируется ЭДС (электродвижущая сила). Причём, для максимума ЭДС, проводник должен быть прямолинейным и располагаться перпендикулярно направлению движения. Если проводник расположен вдоль направления движения, то ЭДС в нём, по формуле закона, не индуцируется.
Для упрощения реальных конструкций, применяется движение магнитов, а не проводников, что позволяет отказаться от скользящих щёток и коллекторов.
ЗДС рассчитывается по известной формуле E=BLV*sin(фи), где B-индукция магнитного поля в месте нахождения проводника (не путать с остаточной индукцией магнитного материала Br), L – длина активной части проводника, т.е. той части, которая находится в магнитном поле, V – линейная скорость движения проводника относительно магнита, фи – угол между проводником и направлением движения. В случае фи = 90град, sin 90 = 1. Формула приобретает привычный вид E = BLV.
Учебные советские фильмы тут:
https://youtu.be/zXRr4YReNPg
https://youtu.be/yhxHTAKKTT0
Программа для предварительного расчёта ЭДС аксиального безжелезного генератора есть тут: http://www.rlocman.ru/forum/showthre. 617#post190617
На индуцирование ЭДС в обмотке генератора влияют разные факторы – расположение магнитов и их количество, зазор между магнитами, количество дисков с магнитами, расположение проводников относительно магнитов, количество фаз и т. д. От оптимального выбора этих параметров и множества нюансов зависит мощность и КПД генератора.
Предлагаю именно в этой теме и обсуждать все проблемы таких генераторов.
НЕПРАВИЛЬНЫЕ мысли!
ЭДС считается по формуле E=BLV, тут видно, что ЭДС больше, когда больше длина проводника. Проводника над магнитом, длина активной, радиальной части всей обмотки.
Если магнит перевернуть, то длина уменьшится с 50мм до 20мм, соответственно уменьшится ЭДС.
Кроме этого, что не маловажно, увеличится значительно длина соединительных проводников, продольных, так называемых лобовых частей обмотки. Значит увеличится сопротивление обмотки и потери увеличатся.
Можете в проге http://www.rlocman.ru/forum/showthre. 617#post190617 прикинуть как это всё будет.
Поэтому ПРОСЬБА.
Написать в обоснование своего тезиса формулку для ЭНЕРГИИ, а не для ЭДС. В эту формулку, как Вам известно, входит СИЛА, которую нужно прикладывать к магниту, чтобы двигать его ПОПЕРЕК проводников с их амперами и витками, причем, никаких ни ЭДС ни Вольтов в этой формулке нету.
P.S. Я невзлюбил «заводских рационализаторов» лет 35 назад, когда получил первый десяток патентов из больше 80. Большинство из них плохо образованы и просто не понимают основные принципы работы машин и механизмов. Хотя встречаются и исключения.
Ничего не больше! Это называется ЧАСТОТА переменного тока. Посчитайте площадь одной большой, ШИРОКОЙ, долгой полуволны и десяток маленьких УЗКИХ горбиков. Площадь одинакова. Мощность переменноьго тока не зависит от его частоты в электротехнике. ВЧ и СВЧ системы к этомк отношения не имеют.
Поэтому ПРОСЬБА.
Написать в обоснование своего тезиса формулку для ЭНЕРГИИ, а не для ЭДС. В эту формулку, как Вам известно, входит СИЛА, которую нужно прикладывать к магниту, чтобы двигать его ПОПЕРЕК проводников с их амперами и витками, причем, никаких ни ЭДС ни Вольтов в этой формулке нету.
ЭНЕРГИЯ измеряется в киловатт-часах, мощность помножить на время действия этой мощности.
Сила про которую вы говорите, это сила противодействия F=IBL, из этого видно, что чем больше ток в обмотке и нагрузке, тем больше сила противодействия. Эта сила противодействия равна силе действия привода генератора (без учёта КПД).
Радиальный индукторный генератор
Полезная модель относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам повышенной частоты и может быть использована при изготовлении автономных источников питания сварочной дуги. Задачей полезной модели является уменьшение массы и габаритных размеров при повышении наводимой в силовой обмотке электродвижущей силы. Задача решается тем, что в радиальном индукторном генераторе, содержащем зубчатый пакет сердечника статора, в котором выполнены большие пазы, где размещена обмотка возбуждения, для создания полюсов, являющихся источниками радиально направленного магнитного потока, в малых пазах сердечника статора установлена 3х-фазная силовая обмотка и зубчатый безобмоточный пакет сердечника ротора, дополнительно, относительный шаг катушки силовой обмотки увеличен и необходимый фазовый сдвиг в 120 эл. градусов получен за счет выполнения обмотки каждой фазы из двух соседних катушек, соединенных встречно-последовательно, при этом, каждая из трех пар соседних катушек в пределах одного полюса образует отдельную фазу обмотки, при этом на один полюс приходится три зубца ротора, а на пространство, занимаемое одним большим пазом статора, выделяется половина шага между зубцами ротора. Число пар полюсов может быть равно 4, 5, 6.
Полезная модель относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам повышенной частоты и может быть использована при изготовлении автономных источников питания сварочной дуги.
Согласно принципу действия индукторных генераторов, вращение зубчатого ротора создает в зубцах статора пульсирующий магнитный поток, наводящий электродвижущую силу в силовых обмотках статора. Сдвиг по фазе между соседними катушками (и между соседними зубцами на полюсе статора) равен 120 электрическим градусам и организован в пределах одного зубцового деления ротора, что позволяет получить 3х-фазную обмотку.
Недостатком прототипа является большое снижение наводимой в катушке электродвижущей силы вследствие принятого традиционного укорочения шага между сторонами катушки. Чтобы получить симметричную 3х-фазную систему на одном зубцовом делении ротора 360 эл. градусов (2 
радиан), угол 
сдвига между сторонами катушки должен быть равен:
=360°/3=120°=2/3
Отношение к полному шагу 180 эл. градусов, соответствующему максимально возможному охвату магнитного потока и максимальной наведенной электродвижущей силе шаг данной катушки составляет
=120/180=2/3=0,67
Коэффициент снижения э.д.с. от укорочения шага обмотки прототипа равен:
k y=sin0,67/2=0,866.
Следствием снижения наводимой в катушках электродвижущей силы является большие габариты и масса прототипа.
Задачей полезной модели является уменьшение массы и габаритных размеров. Предлагается при сохранении числа малых пазов и зубцов на полюсе аналогично прототипу, увеличить относительный шаг катушки обмотки. Чтобы получить 3х-фазную систему, предлагается накапливать необходимый фазовый сдвиг в 120 эл. градусов не на одном, а на нескольких зубцовых делениях ротора, распределив обмотку каждой фазы на две катушки. Предлагается принять следующий увеличенный угол фазового сдвига между сторонами катушки:
=150°=5/6
При этом относительный шаг:
=150°/180°=5/6=0,833
Коэффициент укорочения шага будет при этом равен:
ky =sin0,833/2=0,966.
Чтобы получить 3х-фазную систему предлагается распределить обмотку каждой фазы на две соседние катушки, для чего соединить их попарно встречно-последовательно. Каждая из трех пар катушек образует отдельную фазу обмотки. Суммарные вектора электродвижущих сил каждой пары оказываются сдвинутыми между собой на 60 электрических градусов. Средняя фаза должна быть реверсирована на 180° и тогда на протяжении полюсной дуги образуются три обмотки со сдвигом на 1/3 полюсного деления ротора, т.е получается 3х-фазная система.
Так как вектора электродвижущих сил отдельных катушек в фазе сдвинуты между собой на угол —=180°-150°=30°, то при расчете э.д.с. фазы должен быть учтен коэффициент распределения kp=sin(30°)/2sin(30°/2)=0,966. Итоговый коэффициент снижения э.д.с. (обмоточный коэффициент ko) в предлагаемом генераторе равен ko=k ykp=0,966
0,966=0,933. По отношению к прототипу э.д.с. в обмотке предлагаемого генератора получается больше на (0,933-0,866)/0,866100%=7,7%
На фиг.1 изображен радиальный индукторный сварочный генератор (разнесенное пространственное изображение).
На фиг.2 изображена схема силовой обмотки в пределах пары полюсов.
Предлагаемый радиальный индукторный генератор (фиг.1), содержит зубчатый статорный пакет 1, зубцы 2 которого обращены к рабочему зазору. Зубчатый статорный пакет 1 заключен в клетку, образованную продольными стержнями 3 соединенными с торцевыми кольцами 4. Напротив статорного пакета установлен зубчатый роторный пакет 5, зубцы 6 которого также обращены к рабочему зазору и который имеет возможность вращаться на валу 7 внутри зубчатого статорного пакета 1. Вал 7 опирается на подшипники 8, наружные кольца которых 9 установлены в подшипниковые щиты 10, вставленные в торцевые кольца 4 клетки статора.
Зубчатый статорный пакет 1 имеет равномерно распределенные по окружности большие пазы 11, в которых заложены катушки 12 обмотки возбуждения. Между каждой парой широких пазов 11 образуется отдельный полюс статора, на котором находятся шесть зубцов 2, соответственно S1-S6, каждый из которых охвачен катушкой 13 силовой обмотки статора.
Схема силовой обмотки в пределах пары полюсов приведена на фиг.2. На один полюс приходится три R1-R3 зубца ротора 6, из которых на пространство, занимаемое одним большим пазом статора 11, выделяется половина шага между зубцами ротора 6. Пары катушек 13 одноименных фаз на соседних полюсах генератора противоположны по фазовому углу.
Число пар полюсов как и у прототипа может быть равно 3 или может быть более и равно 4, 5, 6.
Генератор работает следующим образом. При питании постоянным током катушек 12 обмотки возбуждения создаются радиальные магнитные потоки, замыкающиеся между соседними полюсами статора через воздушные зазоры и через ротор 5 в плоскостях перпендикулярных оси вращения. При вращении зубчатого ротора 5 с числом зубцов на пару полюсов шесть, магнитный поток пульсирует в зубцах 2 статора и наводит переменное напряжение в катушках 13 силовой обмотки статора. Частота переменного напряжения при скорости вращения ротора 3000 об/мин и числе пар полюсов три составляет 900 Гц. Повышенная частота сварочного тока, вызываемая этим напряжением, благоприятно отражается на сварочных свойствах генератора. При большем числе пар полюсов будет расти общее число зубцов на роторе и, соответственно, частота. Характер работы каждой пары полюсов одинаков независимо от их числа. Далее переменный ток выпрямляется 3х-фазным выпрямителем и поступает на сварку.
1. Радиальный индукторный генератор, содержащий зубчатый пакет сердечника статора, в котором выполнены большие пазы, где размещена обмотка возбуждения, для создания полюсов, являющихся источниками радиально направленного магнитного потока, в малых пазах сердечника статора установлена 3-фазная силовая обмотка и зубчатый безобмоточный пакет сердечника ротора, отличающийся тем, что относительный шаг катушки силовой обмотки увеличен и необходимый фазовый сдвиг в 120 эл. градусов получен за счет выполнения обмотки каждой фазы из двух соседних катушек, соединенных встречно-последовательно, таким образом, каждая из трех пар соседних катушек в пределах одного полюса образует отдельную фазу обмотки, при этом на один полюс приходится три зубца ротора, а на пространство, занимаемое одним большим пазом статора, выделяется половина шага между зубцами ротора.
2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что число пар полюсов может быть равно 4, 5, 6.
Что такое радиальный генератор
Низкооборотный однофазный электрогенератор с дисковым ротором на постоянных магнитах (18 полюсов, 19 обмоток)
Рис. 1.4. Схема электрогенератора радиального (цилиндрического) типа с внутренним ротором на постоянных магнитах.
Рис. 1.5. Схема электрогенератора радиального (цилиндрического) типа с внешним ротором на постоянных магнитах.
Рис. 1.6. Схема электрогенератора радиального (цилиндрического) типа с обмотками, расположенными между двумя роторами с постоянными магнитами.
Рис. 1.7. 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.
| Число полюсов, n | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 | 18 |
| Число обмоток, m = 3 · n / 2 | 3 | 6 | 9 | 12 | 15 | 18 | 21 | 24 | 27 |
| Число обмоток, m = 3 ∙ n / 4 | — | 3 | — | 6 | — | 9 | — | 12 | — |
2. Конструкция однофазного электрогенератора
Однофазный электрогенератор, внешний вид которого показан на рис. 2.2, собран по схеме рис. 1.1. Эскиз конструкции приведен на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Эскиз однофазного электрогенератора.
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 [1 3 ]. Расчет катушек генератора выполнен с помощью программы Coil [3]. 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 [ 8 ] 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. 2.2. Внешний вид однофазного электрогенератора.
3. Технические характеристики однофазного электрогенератора:
4. Расчеты однофазного электрогенератора
Стальные детали электрогенератора изготовлены из малоуглеродистой стали, магнитные свойства которой представлены на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Кривая намагничивания малоуглеродистой стали, использованной при изготовлении однофазного электрогенератора.
Рис. 4.3. Магнитная индукция на оси сердечника катушки электрогенератора при максимальном потокосцеплении и нулевом токе в катушке. Магнитная индукция в воздушном зазоре между магнитом и полюсным наконечником катушки 0.565 Тл (среднее расчетное значение) соответствует измеренной 0.573 Тл. Среднее расчетное значение магнитной индукции в сердечнике катушки 0.999 Тл.
Таблица 4.1. Соответствие рассчитанных и измеренных параметров электрогенератора.
Рис. 4.5. Выходное напряжение холостого хода однофазного электрогенератора при частоте вращения ротора 1 об./с.
5. Испытания однофазного электрогенератора
Активное сопротивление генератора при последовательном включении обмоток измерено мультиметром APPA-107N и составило 11.0 + 0.05 Ом.
Рис. 5.1. Схема для измерения индуктивности на переменном токе методом амперметра-вольтметра.
Таблица 5.1. Индуктивность однофазного электрогенератора, измеренная на разных частотах.
Последовательное соединение обмоток
На рис. 5.2 показан график зависимости индуктивности от частоты измерений. С увеличением частоты измерительного напряжения индуктивность уменьшается и наоборот. Сплошной линией показана полиномиальная аппроксимация (степени 2) измеренной индуктивности, которая на нулевой частоте дает оценку индуктивности примерно 2 5 0 мГн.
Рис. 5.2. Зависимость индуктивности фаз трехфазного электрогенератора, измеренной методом амперметра-вольтметра, от частоты измерительного напряжения.
При частоте вращения ротора 2 об./с частота выходного напряжения составит 1 8 Гц. На этой частоте индуктивное сопротивление обмоток генератора с индуктивностью около 1 5 0 мГн составит примерно 1 7 Ом, активное сопротивление при этом равно примерно 11 Ом. Если в начальный момент времени магнитные полюса ротора находятся напротив полюсных наконечников катушек фазы, то потокосцепление изменяется по косинусоидальному закону:
Если генератор подключен к активной нагрузке (рис. 5.3), то ток в цепи будет изменяться по закону:
Рис. 5.3. Схема подключения обмоток электрогенератора к активной нагрузке.
Рис. 5.5. Стенд для снятия зависимости выходного напряжения электрогенератора от частоты вращения ротора при разных нагрузках.
Генератор крепится на столе станка. Стол станка перемещается в продольном и поперечном направлении, чтобы ось ротора генератора совпала с осью шпинделя станка. Далее ось ротора зажимается в патроне. К выводам генератора подключается осциллограф UTD2102CEL-R и резистивная нагрузка (при необходимости). Шпиндель станка приводится во вращение с заданной частотой. С помощью осциллографа определяется частота вращения ротора генератора (частота выходного напряжения генератора делится на девять) и его выходное напряжение (методом усреднения амплитудных значений и последующего вычисления действующего значения напряжения). Зависимость действующего значения выходного напряжения генератора от частоты вращения ротора при разных нагрузках представлена на рис. 5.6.
Рис. 5.6. Зависимость действующего выходного напряжения однофазного электрогенератора от частоты вращения ротора при разной нагрузке.
Рис. 5.7. Выходное напряжение электрогенератора без нагрузки при частоте вращения ротора 6.1 об./с (среднее амплитудное значение напряжения 49.7 В).
Рис. 5.8. Выходное напряжение электрогенератора под нагрузкой 20.5 Ом при частоте вращения ротора 6.4 об./с (среднее амплитудное значение напряжения 16.1 В).
Рис. 5.9. Выходное напряжение электрогенератора под нагрузкой 5.15 Ом при частоте вращения ротора 7.2 об./с (среднее амплитудное значение напряжения 4.9 В).
Ссылки:
14.11.2007
04.07.2018
27.10.2018
21.12.2018