Расчёт генераторов новая версия

Дополнительно к статье я добавил два видео где объясняю принцип работы и выработки энергии в дисковых генераторах. В первом видео базовый материал о том как происходит выработка энергии в катушках генератора. Во втором видео про расчёт генераторов на основе формулы описанной ниже.





Новая версия расчёта генераторов на неодимовых магнитах, возможно более понятная чем предыдущие. Точность расчёта зависит от того насколько правильно вы заложите данные, учтёте нюансы, которые описаны в статье, и то что в реальном генераторе получится. Здесь также заложен принцип формулы Е = BLV, то-есть вычисление напряжения генератора исходя из магнитной индукции (Тл). Величина ЭДС индукции, возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, прямо пропорциональна индукции магнитного поля, длине проводника, и скорости его перемещения.

Зависимость эта выражается формулой Е = BLV

Е — ЭДС индукции (напряжение проводника)
В — магнитная индукция (Тл)
L — длина проводника (метр)
V — скорость движения проводника (метр/с)

Если известно напряжение генератора, то можно вычислить магнитную индукцию, развернуть эту формулу в обратном порядке. И получится вот так:

B = E/(V*L)

Если магнитная индукция не известна, то ниже я составил таблицу с примерной индукцией в генераторах. Длина проводника это активная часть витков катушек, которая попадает под магниты в аксиальных генераторах, или если катушки на железных сердечника то длина сердечника. Скорость движения магнитов это радиальная скость в метрх в секунду.

Зная напряжение генератора, скорость движения магнитов, длину проводника, можно вычислить магнитную индукцию в воздушном зазоре аксиальных генераторов, или в сердечниках классических генераторов.

Примерная магнитная индукция генераторов

Примерная магнитная индукция генераторов
на неодимовых магнитах		 марка магнитов марка магнитов

Для аксиальных дисковых генераторов

 N35 N52
Если воздушный зазор на 50% меньше чем толщина магнитов 0.8 Тл 1.2 Тл
Если воздушный зазор на 25% меньше чем толщина магнитов 0.6 Тл 0.8 Тл
Если воздушный зазор равен толщине магнитов 0.5 Тл 0.7 Тл
Если воздушный зазор на 25% больше толщины магнитов 0.4 Тл 0.6 Тл
Если воздушный зазор на 50% больше толщины магнитов 0.3 Тл 0.5 Тл

Для генераторов с железными статорами
Если зазор между статором и магнитами около 1 мм
Толщина магнитов 2 мм 0.4 Тл 0.5 Тл
Толщина магнитов 3 мм 0.5 Тл 0.7 Тл
Толщина магнитов 4 мм 0.7 Тл 0.8 Тл
Толщина магнитов 5 мм 0.9 Тл 1.0 Тл
Толщина магнитов 8 мм 1.1 Тл 1.2 Тл
Толщина магнитов 10 мм 1,2 Тл 1.4 Тл
Для аксиальных генераторов есть некоторые особенности. При расчёте нужно учитывать те витки катушек фазы, которые попадают под магниты. При этом если магнит шире половины катушки или даже перекрывает её полностью то считаются витки катушки как они есть. Но если на катушки фазы приходится по два магнита, которые встают так что один магнит перекрывает одну половину катушки, а второй магнит противоположным полюсом перекрывает вторую половину катушки, то напряжение этой катушки будет в два раза больше. Это происходит из-за того что ЭДС половинок катушки складывается и в результате напряжение катушки будет в два раза выше. И это надо учитывать в формуле, где можно тогда указать или магнитную индукцию в два раза выше, или количество витков умножить на 2.

Чтобы понять как будут магниты перекрывать катушки нужно нарисовать расположение магнитов и катушек. Бывает так что один магнит перекрывает половину катушки, а второй перекрывает только половину витков второй половины катушки, в этом случае будет работать в определённый момент времени только одна половина катушки, и половина витков второй половины катушки. Эти факторы сильно влияют на конечный результат расчёта, и в итоге на реальный генератор.

Пример расчёта генератора


Для примера я нарисовал схему обычного и часто повторяемого аксиального дискового генератора. Здесь 9 катушек на 12 пар магнитов, кто то делает на круглых магнитах, кто то на прямоугольных, а что лучше вы должны понять сами. Не скажу что так делать правильно, но давайте разберём то что есть.

Данные генератора такие: Диаметр дисков 32 см, магниты марки N52, по 12 штук на дисках, размером 50*30*10 мм, расстояние между магнитов - воздушный зазор 15 мм. Катушки намотаны проводом 2 мм по 60 витков, толщина статора 10 мм. Какое напряжение будет у этого генератора, и какая мощность при работе на аккумулятор?

>

Для начала давайте найдём ЭДС одного витка, то-есть его напряжение при 1 об/с = 60 об/м.

Е = BLV

Е — ЭДС индукции (напряжение проводника)
В — магнитная индукция (Тл)
L — длина проводника (метр)
V — скорость движения проводника (метр/с)

Берём примерную магнитную индукцию из таблицы, у нас зазор между магнитов на 50% больше толщины магнитов, значит магнитная индукция будет примерно 0.5 Тл. Активная длина проводника у нас по высоте магнита, это 50 мм, или 0.05 метра. Скорость движения проводника, в данном случае движутся магниты, поэтому считаем скорость движения магнитов. Берём средний диаметр по магнитам, он равен 28 см, длина окружности 87.96 см. Значит за один оборот магниты проходят 0.88 метра.

Данны есть и теперь остаётся подставить их в формулу: 0.5*0.05*0.88=0.022 вольта, это ЭДС одного витка

Теперь смотрим на рисунок выше и смотрим как магниты перекрывают катушки фазы. Я отметил одну фазу на рисунке и пронумеровал катушки. Смотрим на катушку номер 1. Видно что половина катушки перекрыта магнитом N, и лишь половина второй половины катушки перекрыта магнитом S. Вот эти витки и нудно учитывать при расчёте, то-есть 60 витков одной половины катушки и 30 витков второй половины.

Смотрим на катушку фазы номер 2, там одна половина полностью перекрыта магнитом, а вторая не полностью, порядка 80%. Значит всего витков будет 60 одной половины и 50 витков второй половины.

Смотрим на катушку фазы номер 3, Там перекрытие магнитами витков порядка 90%, это значит что 100 витков примерно работают в обеих половинах катушки. Витки в обеих половинах катушки работают только когда над половинками катушки магниты противоположных полюсов. Если будет один магнит, и он перекрывает всю катушку, то будет работать только половина катушки, и то в тот момент когда магнит на половину зайдёт на катушку.

В итоге получилось 280 рабочих частей витков катушек фазы. Это значит что при 60 об/м будет 280*0.022=6.16 вольта. То-есть мы вычислили напряжение фазы, и это напряжение линейно зависит от оборотов, значит при 600 об/м будет 61.6 вольта. А зарядка АКБ 12в начётся при 120 об/м при параллельном соединении фаз, которые должны быть предварительно выпрямлены через диодные мосты.

Но у нас обычно генераторы соединяют звездой. А при соединении звездой напряжение обычно вырастает на 1,7, но в реальном генераторе нужно смотреть на то какое напряжение в соседней фазе. Но обычно оно так и получается, поэтому оставим это на погрешности и будем считать что так оно и есть. 3начит при соединении звездой при 60 об/м мы получим 6.16*1.7=10.4 вольта.

Мощность генератора на заряд аккумуляторов

Зная напряжение генератора и его сопротивление можно вычислить ток заряда аккумулятора, ну если перемножить ток на напряжение то мы получим мощность. Напряжение генератора мы знаем, при соединении звездой напряжение 10 вольт. А сопротивление можно вычислить, у нас по 60 витков в катушках, по три катушки на фазу, средняя длина витка 0.3 метра, значит 0.3*60*3= 54 метра провода в фазе. Провод диаметром 2 мм, сопротивление одного метра такого провода 0.0059 Ом. Тогда 54*0.0059=0.31 Ом, а при соединении звездой сопротивление будет выше в два раза - 0.62 Ом. Плюс потери в проводах и на диодном мосту и можно округлить до 1 Ом, но потери могут быть гораздо больше. Правильней будет считать измерив сопротивление уже внизу на концах проводов, которые подключаются к АКБ.

Чтобы вычислить ток заряда АКБ нужно от напряжения холостого хода вычесть падение напряжения. Например напряжение генератора при 300 об/м 40 вольт, при подсоединении к АКБ напряжение упадёт до 13 вольт, значит падение напряжения 40-13=27 вольт.Далее получившеюся сумму разделить на сопротивление генератора, и получится ток заряда АКБ.

У нашего генератора 20 вольт при 200 об/м, 20-13=7 вольт, делим на наше сопротивление 1 Ом, и получится 7:1=7 ампер. Ток заряда при 200 об/м будет 7 Ампер. Чтобы узнать мощность перемножаем ток на напряжение и получаем 7*13 = 91 ватт. Так например при 600 об/м будет 100 вольт в холостую, 100-13:1= 87 Ампер, а мощность 1131 ватт. Если от ветрогенератора до АКБ будут установлены провода с очень низким сопротивлением приближающимся к нулю то от генератора будет ещё больше мощности так-как потерь меньше.

Далее остаётся подобрать подходящий под генератор винт, нужно чтобы винт подходил по мощности и оборотам к генератору. По-этому делается предварительный расчёт генератора и подбор винта к нему. Данные по мощности и оборотам винтов можно взять на сайте seiger.pp.ua (аэродинама), или в программе по расчёту лопастей из труб. Так например к этому генератору подойдет винт диаметром примерно 3 метра, и мощность готового ветряка будет около 0.8кВт при ветре 10-12м/с. При этом КИЭВ винта должен быть не менее 0.4, а быстроходность не менее Z6.

Если вам не нравится что например или зарядка поздно начинается или перебор по мощности, то изменяйте количество витков в генераторе, его сопротивление, подгоняйте под винт. Ну и винт корректируйте под генератор. В итоге когда устроят все параметры то можно приступать к изготовлению ветрогенератора. Также хочу отметить что при подборе винта учтите КПД генератора. Чем больше падение напряжения при заряде АКБ тем хуже КПД генератора.