Как уменьшить залипания в генераторе на постоянных магнитах

Основная проблема генераторов на постоянных магнитах залипание, которое можно существенно снизить некоторыми методами. Залипание это притяжение магнитов ротора к зубам статора. Самое большое залипание это когда количество магнитов на роторе равно количеству зубов на статоре, поэтому однофазные генераторы большой мощности не нашли большого применения из-за залипания, которое дает большие вибрации.

Трехфазная классическая система позволяет использовать в 1,5 раза меньше магнитных полюсов, и только половина из них в определенные моменты становится на против зубов статора. Таким образом если статор состоит из 36 зубов, и намотано 36 катушек, то однофазный вариант должен иметь 36 магнитных полюсов. Притяжение одного неодимового магнита к примеру 100гр, значит чтобы стронуть однофазный генератор понадобится приложить усилие 3,6 килограмм.

Если генератор трехфазный, то количество магнитных полюсов 24 при 36 катушек, и так-как магниты распологаются на роторе через равные промежутки, то в определенные моменты только 12 магнитов становятся напротив зубов статора. Здесь уже получается что чтобы стронуть ротор с места надо приложить усилие 1,2 кг. Как видно разница по залипаниям в сравнении с однофазным генератором меньше в три раза.

Но часто из-за использования мощных неодимовых магнитов залипание получается очень большое и чтобы его снизить магниты располагают под скосом относительно зубов статора. Величину скоса опрпделяет расстояние зуб+паз статора. К примеру если ширина зуба 10мм, а паз 5 мм, то зуб+паз равно 15 мм, на это рассточние делается скос магнитов. Как измерить величину залипания можно почитать здесь Измерения момента страгивания генератора

Скос магнитов

Скос особенно эффективен на длинных генераторах, где из-за длинны общий скос получаетися на небольшой градус, а в коротких генераторах скос получается очень выражен и на этом скосе теряется мощность магнитов, так-как они замыкаются через кончики зубов, и магнитные поля не идут через статор. Потери на скосе, особенно в коротких генераторах могут быть очень большими.

К примеру делая скос магнитов на роторе автогенератора я потерял половину мощности, при не значительном снижении залипания. А вот асинхронные двигатели часто делают со скосом, где залипание существенно снижается при незначительной потери в мощности генератора, порядка 10-15%.

Так-же на скос влияют и размеры магнитов по отношению к размерам зубам статора. К примеру если генератор с неявнополюсной обмоткой, например статор имеет 36 зубов, но намотано 12 катушек, по три на фазу, то здесь используется шестиполюсной ротор. Значит магнитные полюса гораздо больше по площади чем зубы статора, и перекрываают сразу несколько зубов статора. Так-как магнит перекрывает несколько полюсов, то его сила притяжения как-бы размазывается на несколько зубов, и момент страгивария уменьшается.

Сдвиг магнитов

Так-же уменьшают залипание генератора методом сдвига магнитов, каждый магнит сдвигается на некоторую величиру относительно разметки. К примеру если ротор размечен на 24 полюса, то магниты клеются по разметке, но расстояние между ними не равное, а к каждому магниту добавляют по 1-2 мм. Таким образом магниты сдвигаются относительно зубов и общая сила притяжения магнитов падает, так-как они не на против зубов, а если один встает на против зуба, то другие в группе удалены на некоторое расстояния. Но такой способ тоже имеет потери из-за не синхронного наростания тока в катушках.

Скос и сдвиг вместе

Так-же чтобы оптимизироваать потери и залипания делают, комбинируют два метода. Делают небольшой скос в ползуба и сдвигают магниты на небольшую величину. Но и этот способ не избавляет от потерь связанных с замыканием магнитных полей магнитов через наконечники статора.

Многофазные генераторы

Еще один интересный способ борьбы с залипанием, это изготовление многофазных генераторов. К примеру если взять статор на 24 зуба, то максимально можно намотать 16 фаз, по две катушки на фазу, которые мотаются на против друг друга. Эти фазы можно группировать в звезды или треугольники по три фазы на группу, тогда получится четыре группы. Или каждую фазу выпрямлять и соединять как угодно.

В этом случае с большим количеством фаз, в данном случае 16, количество магнитов на роторе 22, и только два магнита из которых в определенные моменты становятся на против зубов, а остольные гдето между, и взаимно компенсируют силы притяжения к зубам, так-как шаг магнитов не соответствует шагу зубов и расстояние всегда разное.

Для сравнения возьмем три одикаковые генератора, но один однофазный, другой трехфазный, а третий многофазный и проанализируем их залипания. Во всех случаях намотано 36 катушек, но на роторе однофазного генератора 36 магнитов, и так получается что они в определенные моменты все становятся на против зубов статора образуя одно большое залипарие равное силе 36 магнитов. К примеру если сила притяжения одного магнита равна 100 гр, то 36 магнитов дадут залипание 3,6 кг.

Трехфазный генератор будет иметь 24 магнита, из которых только 12 магнитов в определенные моменты будет вставать ровно на против зубов. Залипание получается трехфазного в три раза меньше однофазного и составляет в данном случае 1,2 кг.

Многофазный генератор, в данном случае 36 катушек по две на фазу, получается 18 фаз которые потом можно соединять как угодно. Магнитов здесь можно использовать разное число, но оно должно быть четным и не менее 4 чтобы фазы работали. К примеру возьмем для многофазного количество магнитов 30, при этом количистве магнитов всегда только два магнита попадают напротив зубов статора, а остольные гдето между зубов. Общее залипание всего 200 рамм, разница с трехфазным в 10 раз, а с однофазным в 30 раз. Цифры разницы просто огромные.

Минус многофазных генераторов в большом количестве выпрямительных мостов, на которых тоже теряется мощность генератора, а так-же удорожание конструкции в сязи с этими выпрямительными мостами, которых для вышеописанного многофазника надо 6 шт.полумостов если соединять в шесть звезд или треугольников, или если фазы выпрямлять по отдельности, то выпрямительных мостов надо 18 шт.

Нестандартная обмотка трехфазного генератора

Еще одни способ похож на предыдущий, он тоже исполюзует число магнитов такое, чтобы как можно меньше магнитов в определенные моменты попадало на зубы статора. В статорах с четным количеством полюсов наименьшее количество магнитов попадающих под зубы возможно 2 магнита. В статорах с нечетным количеством зубов можно рассчитать чтобы всего один магнит в определенный момент вставал напротив зуба, а остольные гдето между или около, но не напротив. В этом случае залипание сводится к силе притяжения всего одного магнита, силу притяжения каторого могут компенсировать другие магниты, тогда залипание вообще может равняться нулю. Но статоры с нечетным количеством зубов встречаются очень рпдко.

Количество полюсов может быть любым, но обмотка генератора трехфазная, и чтобы вся система работала, катушки каждой фазы наматывают на разных зубах и в разных направлениях. Такой подход избавляет от залипаний и при этом нет необходимости мотать многофазные генераторы и ставить много диодных мостов для выпрямления фаз.

Количество полюсов выбирают так, чтобы наибольший общий делитель был как можно меньше. Например если брать схему 24/36, то наибольший общий делитеть равен 12, получается что 12 магнитов будут одновременно залипать, а если взять 26 магнитов/ 36 зубов, то общий наибольший делитель равен 2.

Для примера порядок намотки классического трехфазного генератора на 24 магнита и 36 катушек, и трехфазного генератора на 28 магнитов 36 катушек. Катушки фаз мотаются начиная с первого зуба, А-первая фаза, B-вторая фаза, C-третья фаза. Размер букв соотаетствует направлению намотки, бльшая буква например надо мотать в лево, а маленькая на право, или наоборот, тут как начнете мотать статор, направление намотки разное.

24/36 - ABCABCABCABCABCABCABCABCABCABCABCABC

26/36 - ABCcabcabBCABCAabcabcCABCABbcabcaABC

Как видно во втором случае в отличие от классической намотки катушки фаз мотаются не только на разные зубы, но и в разных направлениях. Такая схема намотки имеет небольшие потери и нормальную синусойду, и ни чем не отличается от классической схемы, но дает возможность применять любое количество полюсов на роторе.

Расчет намотки катушек можно получить для любого количества полюсов и катушек, этот калькулятор считает порядок намотки катушек в зависимости от количества полюсов. В поле Teeth: вводите количество катушек, а в поле Poles: количество полюсов, и получаете схему намотки статора в три фазы.

Вот навено все мне известные способы борьбы с залипанием магнитов при изготовлении самодельных генераторов. Вообще залипарие , точнее его виличина напрямую влияет на старт винта на определенном ветре. Чем ниже залипание, тем легче винту стартовать на более низком ветре, а очень часто трудно в погоне за мощностью генератора впихнуть мощные магниты и при этом снизить залипание чтобы быстроходные винты стартовали на малом ветру.