Расчёт генератора для ветрогенератора

В этой статье я постараюсь рассказать о том как рассчитать и изготовить дисковый аксиальный генератор для ветрогенератора. Статья обещает быть большой так-как я хочу ответить на все вопросы, которые мне часто задают В КОНТАКТЕ и пишут на почту. Я думаю вам стоит прочитать статью до конца, пусть даже вы уже многое поняли, но может вам помогут некоторые приёмы расчёта и рекомендации от меня.

Расположение магнитов на дисках, расчёт диаметра

И так, весь расчёт генератора происходит от размеров и количества магнитов, именно от магнитов всё зависит. От магнитов строится диаметр будущего генератора, ротора и статора. Магниты на дисках должны располагаться с расстоянием в половину ширины магнитов, такое расстояние оптимально при классической схеме соотношения числа магнитов и катушек два к трём. При этом не важно какие у вас магниты, круглые, квадратные или прямоугольные. Когда магниты располагаются с расстоянием между сабой в пол-магнита, то размер (ширина) магнита и сектор катушки одинаковые по размерам, и магнит полностью перекрывает катушку не затрагивая соседние катушки. При этом происходит чёткая смена направления ЭДС в катушках фаз не затрагивая соседние фазы.

ЭДС - это электродвижущая сила, это собственно электричество, которое может протекать в одном направлении и это будет ПЛЮС или в другом и это будет МИНУС. Когда меняется магнитный полюс то и направление тока в катушке меняется, отсюда это называется переменным напряжением.

Но вообще генератор будет работать при любом варианте размещения магнитов, хоть вплотную, хоть с большим расстоянием, главное чтобы число катушек и магнитов соответствовало трёх-фазной системе. Но максимальная эффективность будет если магниты располагать на расстоянии в пол-магнита. Про однофазный вариант чуть дальше в статье.

Форма магнитов тоже имеет значение, лучше использовать прямоугольные магниты и делать вытянутые катушки. Дело в том что максимальная ЭДС витка катушки будет в том случае когда магнитное поле будет проходить максимально перпендикулярно витку катушки. А если виток катушки будет идти параллельно то ЭДС не будет возникать. По-этому самое правильное это прямые витки в том участке катушки который перекрывает магнит. Но прямые катушки по форме сектора намотать очень сложно, по-этому мотают вытянутые катушки в форме яйца или треугольника, хотя самое простое это круглые катушки, вот их в основном и делают повторяя конструкцию первых генераторов пришедших к нам из американского интернета, от Хью Пиготта.

Магниты тоже по форме желательно прямоугольные, так-как в отличие от круглых катушек магнитное поле здесь сосредоточено не в центре, а тоже вытянуто, от этого тоже возрастает эффективность генератора. Чем прямее витки в рабочей зоне катушки и чем распределённой по рабочей зоне магнитное поле тем лучше - эффективней.

Лобовые части катушки как правило выносят за пределы магнита, то-есть катушку делают с внутренним отверстием по высоте равным высоте магнита, а когда наматывают катушку то получается что снизу и сверху катушка становится больше на толщину намотки, и выходящие части называются лобовыми. В железных статорах лобовые части это медь выходящая за пределы пазов статора. Лобовые части это по сути соединители витков катушки, и так-как они сильно искривляются и становятся в своей верхушке параллельны движению магнитов то и ЭДС они вырабатывают минимальную.

И круглые катушки в дисковом аксиальном генераторе тоже мотают с внутренним отверстием равным высоте магнита, или если магнит круглый то равным его диаметру. Но как вы поняли максимальная ЭДС катушки сосредоточена в середине, а по мере закругления витков ЭДС и эффективность падает. По-этому участок попадающий под магнит должен быть максимально перпендикулярен движению магнитного поля. То-есть вытянутые треугольной формы катушки.

Пример расчёта диаметра дисков

Возьмём к примеру классический пример когда у нас имеется 24 магнита размером 50*30*10 мм, и мы исходя из этих магнитов будем строить генератор. Так-как магниты у нас должны располагаться по кругу с расстоянием в пол-магнита, а ширина магнитов у нас 30 мм, то добавляем по 15 мм и 12*45=540 мм. Значит длинна окружности у нас по внутреннему радиусу магнитов будет 540 мм. Теперь 540:π=171 мм. Внутренний диаметр по магнитам получился 171 мм, теперь прибавим к диаметру по 50мм (высота магнитов) и получим 171+50+50=271мм. Диаметр дисков получился 271 мм, или 27 см.



Теперь когда известен диаметр дисков то вырезаем диски и делим их на 12 секторов, клеим магниты в секторах и у нас получается расстояние между магнитами равное половине ширины магнитов. Если к примеру магниты шириной 20мм, то расстояние между магнитами должно быть равным 10 мм.

Чтобы рассчитать статор и размеры катушек сначала рисуем на бумаге круг диаметром 27 см, и делим его на 18 секторов. Генератор у нас трёх,фазный и значит при 12-ти полюсах на дисках должно быть 18 катушек в статоре, соотношение 2:3. От края круга отступаем 50 мм и это будет нижняя граница катушки (171 мм), за которую будут выходить лобовые витки. И по верхней границе по диаметру в 27 см будут выходить лобовые витки катушки, а магнитами будет перекрываться диаметр от 17 до 27 см.

Это и есть рабочая часть катушки, и если всё нарисовать то вы увидите что ширина сектора катушки по диаметру 171 мм будет равна 30 мм, равна ширине магнита. Значит в этом месте ширина катушки не должна превышать 30 мм, иначе все 18 катушек не поместятся по кругу. А по диаметру 271 мм ширина катушки будет 47 мм. Так-как нижняя ширина сектора 30 мм то намотка витков может быть максимальной в 15 мм, и соответственно оправка, на которую вы будете наматывать катушки должна быть или плоской или треугольной формы.

Но саму оправку трудно сделать такую тонкую и такой формы, по-этому борт катушки получится где-то 10-12 мм, если оправку начинать делать в нижней части 5-10 мм и на расширение, треугольной формы. И во время намотки витки катушки лягут не идеально натянуто и в середине будут немного выпирать, а это значит что борт катушки нужно мотать немного тоньше, чтобы она не вышла за пределы сектора. В итоге борт катушки будет шириной около 10мм.



Толщину катушки определяют по толщине магнитов, если магниты толщиной 10 мм, то и статор должен быть толщиной 10 мм. Можно делать статор и толще, но чем дальше магниты друг от друга тем меньше сила магнитного поля в зазоре, а значит и ЭДС. Можно и тоньше, но тонкий статор слишком хрупкий при таких диаметрах - это тоже надо учитывать. Вообще оптимально толщина магнитов от 10 мм и выше чтобы статор тоже получился толстый и прочный. Внешний диаметр статора должен быть естественно больше чем диаметр дисков так-как за пределы диаметра выходят лобовые части катушек. Диаметр тут на ваше усмотрение , его можно сделать больше сантиментов на пять чтобы остался запас для крепления статора.

Кстати многие спрашивают почему используют именно железные диски, они ведь тяжёлые, можно ведь и стеклопластик и пластмассу использовать. Дело в том что диски это магнитопровод, через который замыкается магнитное поле магнитов, и они как-бы подпитывают друг друга. От этого усиливается магнитное поле в зазоре между магнитами на противоположных дисках, которое пронизывает катушки статора. Рекомендуемая толщина дисков тоже должна равняться толщине магнитов, можно и тоньше, но толщина дисков должна быть такой чтобы с обратной стороны к железу нечего не притягивалось. Если притягивается значит магнитное поле выходит наружу за пределы железа и не участвует в выработке энергии.

Магниты на дисках должны чередоваться полюсами чтобы в катушках при вращении изменялось магнитное поле, при однородном магнитном поле энергия тоже не вырабатываться, магнитное поле должно изменяться, и чем быстрее оно изменяется тем выше ЭДС генератора, по-этому напряжение генератора чётко зависит от скорости движения магнитов, от оборотов в общем. Диски должны притягиваться друг к другу, по-этому когда ставятся диски магниты становятся друг на против друга противоположными полюсами.

Вроде нечего не забыл, если не понятно то попробуйте порисовать и ещё раз прочитать вышеописанное. Основное это то что генератор строится от размеров магнитов и соотношении числа магнитов к катушкам 2:3. Некоторые кстати делают и однофазные генераторы, но потом сталкиваются с проблемой сильной вибрации генератора при работе и его гудением. Это связано с тем что когда в статоре одна фаза, то пик нагрузки происходит когда магниты становятся напротив катушек, а когда проходят между то сопротивление магнитному полю катушек резко подает. Получается что во время вращения происходит ослабление и усиление сопротивления и от этого появляется сильная вибрация и гул генератора.

В трёх-фазном такой эффект почти незаметен так-как там три фазы, и когда магниты сходят с катушек одной фазы, то они набегают на следующую фазу, и получается что сопротивление первой фазы падает, а второй нарастает пропорционально падению первой, а далее третья и снова первая фаза. И так по кругу фазы компенсируют друг друга, при этом и напряжение генератора получается большей частоты. И за счёт создания эффекта вращающегося электрического поля мощность генератора возрастает в сравнении с однофазным, но сам я этого не проверял.

Расчёт напряжения генератора

Теперь когда размеры катушек и самого генератора известны исходя из имеющихся магнитов можно рассчитать напряжение генератора, которое зависит от количества витков в катушках. Для начала надо понимать что напряжение, то есть ЭДС зависит от магнитной индукции магнитов и от скорости изменения магнитного поля, то-есть от скорости движения магнитов. Скорость движения магнитов зависит от оборотов и от диаметра ротора, так-как при разном диаметре магниты проходят разное расстояние за один оборот, соответственно чем больше диаметр тем выше скорость движения магнитов при тех-же оборотах генератора и выше ЭДС.

Магнитную силу в зазоре между магнитами можно измерить специальным прибором, но гдеж его взять, а если его нет то при условии соблюдения зазора между магнитами равным или чуть больше толщины магнитов то магнитная индукция в зазоре будет равняться примерно 0,8 Тл если магниты N35, и около 1-1.2 если магниты N50 и сильнее.

Магнитная индукция это главный показатель от которого ведется весь расчёт, и если он не известен то берется в расчёт цифра 0,8 или 1 Тл если магниты N50. Как показывает практика такие цифры в итоге получается очень приближенными к реальным показателям генератора. Но всё будет зависеть от конкретного генератора и качества и точности изготовления, и соблюдения рекомендуемых размеров. Сама формула и метод расчёта расписаны у меня в других статьях Расчёт аксиального генератора, но попробую снова всё рассказать в этой статье.

И так чтобы узнать напряжение генератора сначала нам нужно высчитать напряжение одного витка катушки при определённых оборотах. Для этого сначала находим средний диаметр по магнитам, он у нас будет 22 см, так-как нижний 17 см, а верхний 27 см. По диаметру находим длину окружности, которая в нашем примере равняется 22*π=69 см, или 0.69 метра.

А так-же нам нужно узнать рабочую длину витков в катушке. Так-как магниты у нас по высоте 50 мм, то и рабочая активная часть катушки будет 50 мм, это 0.05 метра. Теперь 0.8Тл*0.69м*0.05м=0.0276 вольта. Вот эта цифра это и есть напряжение одного витка при 60об/м или 5об/с.

Теперь давайте посчитаем какое напряжение нам выдаст фаза генератора при 60об/м. У нас борт катушки получился шириной 10 мм, и толщина статора 10мм, это значит что объём под витки у нас 10*10 мм. Но провод начала катушки выходит из-под катушки, по-этому или статор делать толще на толщину этого провода, то-есть добавлять к общей толщине, или уменьшать толщину катушки на толщину сечения провода намотки. И так для примера возьмём провод диаметром 1 мм. По идее это значит что в 10мм по толщине войдёт десять рядов намотки, статор у нас толщиной 10мм, значит надо мотать 9 рядов, а 1 мм останется для выхода провода из-под катушки в статоре. Борт катушки у нас 10 мм, это значит что получается 10 витков по борту и 9 витков по толщине, всего войдет 10*9=90 витков. В общем получается по 90 витков в катушке если мотать проводом 1 мм.

Катушек в фазе 6 штук, это значит витков всего в фазе 450, а ЭДС одного витка 0.0276 вольта, это значит 450*0.0276=12.42 вольта. В итоге напряжение фазы при 60 об/м составит 12.42 вольта, округлим до 12 вольт. И так-как напряжение зависит от оборотов линейно то при увеличении оборотов в два раза, до 120об/м напряжение поднимется до 24 вольта, а при 600об/м оно будет 120 вольт. Катушки в фазах соединяются последовательно, то-есть конец первой с началом второй, а конец второй катушки фазы с началом третьей, при этом направление намотки всех катушек должно быть в одну сторону, или по часовой или против. Катушки фаз идут по порядку, катушки первой фазы это катушки 1-4-7-10-13-16, второй фазы 2-5-8-11-14-17, а третьей 3-6-9-12-15-18.



Трёх-фазный генератор обычно соединяется звездой или треугольником, так вот если фазы соединить звездой то напряжение уже всего генератора после диодного моста поднимется в 1,7 раза от напряжения одной фазы. И уже при 60об/м получится 20 вольт, а при 600 об/м будет 200 вольт. При соединении звездой возрастает сопротивление генератора в два раза в сравнении с сопротивлением одной фазы, по-этому повышая напряжение соединением в звезду повышается и сопротивление, и как следствие падение тока и КПД генератора на высоких оборотах, но зато зарядка АКБ будет начинаться раньше.

А соединяя треугольником напряжение и сопротивление генератора будет равное фазному. Про соединение фаз посмотрите в других статьях на сайте. Если кратко то соединение фаз звездой выглядит так, все начала трёх фаз или их концы соединяются в одну точку и изолируются, а три другие конца подаются на трёх-фазный диодный мост. Треугольником соединение немного сложнее, надо конец первой фазы соединить с началом второй фазы, а конец второй фазы соединить с началом третьей, а конец третьей соединить с началом первой. В итоге получатся три точки соединения, которые подаются на трёх-фазный диодный мост.

Мощность генератора

Мощность генератора зависит от напряжения и сопротивления обмотки статора, чем меньше сопротивление катушек тем больше ток генератора. Но чем больше витков в катушках тем больше напряжение, а вот сопротивление из-за этого увеличивается так-как увеличивается длинна провода и приходится катушки наматывать проводом тоньше, чтобы поместились все витки в катушку. По-этому нужно искать баланс между сопротивлением и напряжением, а так-же подбирать правильный винт под генератор, чтобы и зарядка начиналась на слабом ветре 3-4м/с, и обороты были как можно выше чтобы не завышать напряжение генератора и не проигрывать в сопротивлении и КПД генератора.

Сопротивление одного метра провода сечением 1 мм равно 0,0224 Ом, у нас в фазе 450 витков, средняя длинна витка около 0,15 метра, а это значит 450*0,15*0,0224=1,5 Ом.Значит сопротивление фазы 1,5Ом, при соединении фаз звездой сопротивление станет 3 Ом. Если провод будет толще то понятно что сопротивление будет ниже, или если уменьшить количество витков, но при этом и напряжение станет ниже так-как витков станет меньше. Но напряжение и так высокое и в данном случае, которое больше подойдёт для АКБ 24 и 48 вольт нежели для АКБ 12в.

Теперь можно посчитать какую мощность может выдать генератор на зарядку АКБ. У нас при 60об/м получилось 20 вольт, если подключить аккумулятор то напряжение просядет до напряжения АКБ, примерно станет 13 вольт, и появится ток зарядки. А ток зарядки рассчитывается так, от напряжения в холостую (20в) нужно вычесть напряжение АКБ (30в-13в=7в) и полученную цифру разделить на сопротивление генератора (3 Ом), в итоге получится 7:3= 2,3 ампера. Вот ток зарядки при 60об/м составит 2,3 А, а мощность 2,3*13=29.9 ватт. При 180об/м получается 60в-13в=47:3=15,6А*13в=203 ватта. При 600об/м мощность генератора будет (200-13:3=62А*13=810ватт)

Если АКБ на 24 вольта будет то зарядка начнётся примерно при 80 об/м, а мощность при 180об/м составит (60-26:3=11.3А*26в=294ватт), а при тех-же 600об/м мощность будет (200-26:3=58А*26=1508ватт). Понятно что если на 48вольт АКБ то мощность будет ещё выше, но при этом начало зарядки будет позже, примерно при 150об/м. Всё это из-за сопротивления, которое определяет ток зарядки и КПД.

Вообще чем больше падение напряжения на аккумуляторе тем хуже КПД генератора, и при большом падении, когда напряжение падает в 3-4 раза КПД падает до 50% и даже ниже. Собственно по этому генератор может выдавать меньшую мощность так-как винт он будет грузить с учётом КПД и если винт не потянет то генератор не выйдет на расчётные обороты и не отдаст расчётную мощность. Данный генератор при работе на 12в АКБ будет иметь самый плохой КПД и реально генератор при отдаче мощности в 0.8кВт будет грузить винт более чем 1,5кВт.

Из этого следует что данные генератор если его наматывать проводом 1мм по 90 витков в катушках, больше подходит для АКБ на 24 или 48 вольт. Для 12 вольт АКБ зарядка начинается слишком рано и придётся ставить тихоходный винт, который будет мало-оборотистый и максимальные обороты составят не более 300-400 при ветре 10-12м/с, а диаметр винта будет около 2.7-3 метра. Сейчас есть программы для расчета винтов описание которых есть на сайте. Трехлопастной винт для зарядки АКБ 12в не подойдёт так-как не сможет раскрутится из-за ранней нагрузки, а с тихоходным винтом зарядка будет примерно с 3м/с, но максимальная мощность будет не более 300-400 ватт. Для 12 вольт нужно уменьшать количество витков и мотать более толстым проводом чтобы зарядка начиналась при 100-150об/м и был большой ток зарядки.

Если ветрогенератор будет работать на АКБ 24 вольта то можно ставить более скоростной винт, подобранный в программе под обороты и мощность ветрогенератора, и тогда можно ожидать так-же зарядку с 3м/с и максимальную мощность при ветре 10-12м/с около 1кВт. Винт при этом тоже будет не слишком быстроходный так-как зарядка будет начинаться уже при 80об/м.

А вот если ветрогенератор будет работать на систему 48 вольт, то применив скоростной трёх-лопастной винт с быстроходностью 5-6 можно получить и зарядку с 3м/с и номинальную мощность при ветре 10-12м/с и 600 об/м около 2кВт. Именно при работе на АКБ 48 вольт данный генератор с правильным винтом будет максимально эффективным, то-есть с максимальной отдачей от вложенных денег.

Если делать на 12 вольт такой генератор чтобы он смог выдавать до 1.5-2кВт, то количество витков надо уменьшать в четыре раза, а сечение провода увеличивать в два раза, и получится в катушках по 20 витков проводом 2мм. И винт должен быть с высокой быстроходностью, не менее 6.

Но многие просто повторяют конструкции увиденные на ютюбе, и делают одни и теже ошибки мотая большое количество витков и получая раннюю зарядку, при которой винты не могут раскрутится до своей номинальной быстроходности и соответственно не могут тянуть генератор. Или ставят винты с перебором по мощности и теряют в оборотах винта и соответственно в мощности генератора. Да и сам генератор из-за высокого сопротивления отдаёт небольшой ток с низким КПД и в итоге мощность маленькая по сравнению с дорогими магнитами, медным проводом и трудом, а отдача низкая. В итоге хорошие винты генератор не могут раскрутить, а тихоходные много-лопастные кое-как работают на слабом ветру и не раскручиваются до приличных оборотов.

При изготовлении и расчёте нужно учитывать не только напряжение чтобы зарядка АКБ начиналась при низких оборотах, но и сопротивление обмотки генератора, чтобы был хороший КПД, и ток зарядки. А так-же нужно представлять под какой винт делается генератор, так-как винт тоже должен делаться из чего-то, и бывает так что слишком большой сделать проблематично, по-этому можно сознательно уменьшать мощность генератора и делать тихоходный винт. Или наоборот делать хороший быстроходный винт и затачивать генератор на максимальную отдачу энергии в широком диапазоне ветров.

Расчёт генератора описанный выше так-же применим и к генераторам с железными статорами, так-как ЭДС так-же зависит от диаметра ротора и активной длинны проводника. Главное вычислить напряжение одного витка, а далее уже без проблем зная количество витков можно вычислить напряжение генератора. А вычислив сопротивление фазы можно рассчитать мощность генератора.

Ещё хочу ответить на такой вопрос - "А не повредит-ли высокое напряжение аккумулятор при зарядке от ветрогенератора". Дело в том что напряжение генератора высокое только когда он работает в холостую, но когда мы подключаем генератор к аккумулятору то он принимает заряд на себя. При этом напряжение падает до напряжения аккумулятора и появляется ток зарядки. Напряжение растёт по мере заряда аккумулятора. Во время заряда в зависимости от степени заряда напряжение аккумулятора повышается и при достижении 14 вольт аккумулятор считается условно заряжен. Если напряжение продолжит расти то будет пере-заряд аккумулятора, он начнёт активно кипеть и нагреваться, а это негативно сказывается на нём. По-этому чтобы напряжение не превышало 14 вольт нужно или отключать ветрогенератор или подключать дополнительную нагрузку, которая просадит напряжение и сожжёт лишнюю энергию.

14 вольт это условная цифра полного заряда АКБ, он будет заряжен полностью когда на нём будет 14 вольт при минимальном токе заряда, а если ток зарядки скажем 1:10 от ёмкости АКБ, то он ещё не заряжен. Вообще за зарядом аккумулятора должен следить контроллер, который сам будет управлять зарядом и ветрогенератором.