Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
Без электричества невозможен современный мир в том виде, который мы знаем. При
этом для выработки электроэнергии используют генераторы различных конструкций. Правда каждый, кто сталкивался с этой темой, при слове «электрогенератор» представляет себе достаточно тяжёлое и объёмное устройство. Эффективная работа генератора неразрывно связана с совершением высокочастотной работы, но не всегда это обязательно, так как есть более интересная альтернатива…
Но для начала отметим вот что: генератор является обратимой электрической машиной. Это означает, что при прикладывании к нему усилия он вырабатывает электроэнергию. В обратном случае, если подавать на генератор электроэнергию, он выступает в роли двигателя, то есть совершает работу.
Проблемой здесь является то, что если для генерации электроэнергии мы используем имеющийся под рукой электродвигатель, то нам придётся вращать его с достаточно высокой скоростью, так как электродвигатели являются высокооборотистыми устройствами. Найти источник соответствующего высокочастотного вращения, который можно было бы применить для совершения этой работы, — сама по себе нетривиальная задача. Он должен быть достаточно быстрым, чтобы вращать генератор с большой скоростью, или достаточно мощным, чтобы приводить в действие промежуточный редуктор, который бы вращал генератор с большой скоростью.
Чтобы решить эту проблему, желательно в качестве генератора использовать специализированные устройства, одним из которых может быть конструкция так называемого плоского, дискового или ещё его называют «аксиального» генератора.
Такая конструкция позволяет создавать миниатюрные генерирующие устройства.
Благодаря многополюсной конструкции ротора, собранного на мощных постоянных неодимовых магнитах, генератор может выдавать достаточно высокое напряжение даже при небольших оборотах (зависит от конкретной конструкции).
Ещё одним очевидным плюсом такой конструкции является отсутствие щёточно-коллекторного узла:
Это многократно повышает надёжность конструкции и её долговечность. При использовании же в конструкции генератора магнитов, изготовленных из современных неодимовых сплавов, наподобие N52, мощность такого генератора может быть весьма существенной.
Ещё одной привлекательной стороной подобного генератора является то, что многие самодельщики изготавливают его, не используя в составе катушек сердечники. Это делает конструкцию устройства намного проще, но снижает эффективность, так как ещё во времена первых открытий в области электродвигателей было обнаружено, что применение в катушках с протекающим током центрального сердечника усиливает эффективность системы.
Однако в этой конструкции генератора можно решить проблему, используя более толстые неодимовые магниты и увеличивая их количество (по сравнению с тем, которое бы потребовалось, если бы катушки содержали сердечники).
С конструктивной точки зрения генератор представляет собой магниты на роторе, расположенные с чередованием полюсов. Обмотки, располагающиеся напротив магнитов, изготовлены с чередованием направления намотки провода в них.
Здесь возможен целый ряд вариантов сборки подобного генератора:
Как можно видеть на картинках выше, обмотки выполнены в виде вытянутых овалов или, можно даже сказать, яйца. Это связано с тем, что для увеличения эффективности необходимо стремиться к вытянутой форме обмоток, так как именно в этом случае магнитное поле будет растянуто и максимально перпендикулярно виткам в обмотках (если сказать совсем просто – площадь взаимодействия витка и магнитного поля – максимальна).
В идеале нужно стремиться к такому виду конфигурации катушек, чтобы часть катушки, которая перекрывает магниты, во время движения была прямой формы:
Однако ввиду сложности создания подобных катушек многие отходят от этой формы и мотают яйцеобразные или даже круглые катушки. Мы же о них особо говорить не будем, так как изучаем вариант максимальной эффективности.
Соответственно, нужно стремиться также и к вытянутой форме магнитов, поэтому имеет смысл покупать неодимовые магниты в виде прямоугольников. Кстати, здесь существует интересный лайфхак: покупка магнитов поодиночке может обойтись в достаточно кругленькую сумму, однако есть другой вариант — купить колесо гироскутера на известном китайском сайте. Дело в том, что каждое подобное колесо содержит в себе порядка 30 магнитов размером 30х12х2,8 мм при стоимости самого колеса порядка 2200 рублей. Таким образом, каждый магнит обойдётся примерно в 73 рубля. Дешевле подобного размера магниты вряд ли удастся добыть.
Если говорить о расположении магнитов на роторе, то их обычно подбирают таким образом, чтобы между ними оставалось расстояние в половину магнита.
По поводу количества катушек и количества магнитов следует знать следующее. Если обмотки содержат сердечник, то для борьбы с так называемым «эффектом залипания», который заключается в торможении ротора, когда его магниты находятся напротив сердечников катушек, соотношение количества магнитов и катушек подбирают так, чтобы их количество было друг другу не равно.
Кстати, говоря об эффекте «залипания», нельзя не отметить, что здесь хорошо проявляют себя как раз катушки без сердечников: такой генератор легко стартует при подключении к нему нагрузки — крутиться ему становится сложнее, но он уже набрал скорость и это не так страшно.
Есть пара хороших таблиц, которые наглядно иллюстрируют соотношение магнитов и катушек для однофазного варианта:
И трёхфазного:
Классическое же соотношение (в простейшем случае) составляет два к трём.
Если же генератор не содержит сердечников в катушках, то в принципе можно руководствоваться теми же таблицами, что и выше, но нужно иметь в виду, что для варианта без сердечников эффект залипания достаточно слабо выражен и практически не является проблемой.
В таком случае даже можно собрать генератор, у которого количество магнитов будет соответствовать количеству катушек, однако при этом следует учитывать, что подобное приведёт к снижению мощности генератора относительно той, которая теоретически могла бы быть в этих же габаритах.
Кстати говоря, выше мы уже упомянули о возможности создания генераторов по однофазной и трёхфазной схеме. Однофазная существенно проще:
Ввиду её простоты она пользуется популярностью, её результаты весьма наглядны и хорошо работают:
Но проблемой однофазной схемы является то, что при работе происходит резкая чередующаяся смена увеличения нагрузки на ротор (когда магниты находятся напротив катушек и на них воздействует поле катушек) и её спада.
Соответственно, если реализуется конструкция генератора, где использованы катушки с сердечниками, это вызывает сильные вибрации. Если же реализована конструкция без сердечников, работа подобного однофазного генератора приводит к гудению при работе.
Эта проблема практически полностью нивелируется в трёхфазном генераторе, так как в нём во время работы происходит пропорциональное уменьшение сопротивления одной фазы с параллельно пропорциональным ростом другой.
Кстати говоря, как можно заметить из видео выше, для крепления магнитов однофазного генератора использованы деревянные диски, то есть немагнитопроводные. Для повышения эффективности системы рекомендуют всё-таки использовать металлические диски, к которым можно примагнитить неодимовые магниты, а затем укрепить их ещё прочнее — залить эпоксидкой и т. д. То есть чтобы диски обладали магнитными свойствами, так как это повысит эффективность всей системы. Причём это относится как к однофазному, так и к трёхфазному генератору.
Говоря о схемах соединения трёхфазного генератора, на этот счёт имеется хорошая картинка, где показаны возможные соединения по типу звезды и по типу треугольника в аксиальном генераторе:
Картинка e-veterok.ruПо поводу максимально возможной толщины катушек: нужно стремиться к тому, чтобы толщина катушек соответствовала толщине магнитов, так как это позволит выходящему из магнитов полю максимально пронизывать катушки, задействуя в них все витки.
Есть любопытная конструкция, где пронизывающее поле использовано весьма своеобразным образом. Магниты установлены одинаковыми полюсами друг к другу, что приводит к эффекту выталкивания поля наружу, где оно уже и воздействует на катушки:
Подобного типа генераторы довольно часто используются любителями ветроэнергетики, которые делают на их основе разнообразные ветряки.
Для желающих произвести расчёт собственного генератора вот здесь имеется достаточно подробная методика.
Говоря же о некоторых цифровых показателях такого генератора, по ссылке выше приводится расчётный генератор на базе магнитов 40х15х10, состоящий из 9 катушек по 100 витков каждая, намотанных проводом сечением 1 мм. Он может выдавать при 300 об/мин (то есть, весьма тихоходный) 12V и 3,3 А.
В общем случае эффективность генератора зависит от:
- скорости чередования полюсов магнитов, то есть от оборотов и количества магнитов,
- выходного напряжения и сопротивления обмоток статора. Здесь имеется в виду, что для повышения напряжения приходится увеличивать количество обмоток, что увеличивает их сопротивление и уменьшает возможный пропускаемый ток.
Так как автор этого рассказа и сам вынашивает идею постройки мини-генератора на базе компактного и мощного бензинового двигателя от триммера для стрижки газонов (для экономичности 4-тактного), то по указанной выше методике был произведён грубый подсчёт мощности будущего генератора. Результаты, прямо скажем, впечатляющие: при 9500 об/мин (у бензодвигателя по паспорту), 8 магнитах размером 20х10х10мм и диаметре генератора не более 80 мм, выходная мощность на указанных оборотах составит 1,12 кВт! Этот расчёт довольно грубый, но даёт понимание порядка цифр… Покупных 4-тактных генераторов с такими характеристиками просто нет (есть 2-тактные, но это не то, неэкономично).
В процессе осмысления всей этой темы у автора статьи появилась пара довольно странных мыслей (хотя, кто знает?!):
- По поводу увеличения скорости производства подобных генераторов. Можно попробовать использовать ту же лазерную резку, изготавливая многослойные бутерброды из токопроводящих и изолирующих слоёв. Тогда, если не использовать обмотку, можно было бы весьма легко изготавливать массово подобного типа генераторы, в которых катушки (т. е. в этом случае уже слои, а не катушки как таковые), расположены оптимально: под прямым углом к проходящим магнитам, как и проиллюстрировано в анимированной картинке, которая содержится в статье выше. Подобных слоёв можно было бы использовать весьма ограниченное количество (т. е. их не нужно много, в отличие от обмоток), что, соответственно, привело бы к довольно низкому выходному напряжению, но высокому возможному выходному току. Для повышения выходного напряжения до необходимого потребителям можно было бы использовать внешние электронные блоки наподобие тех, которые используются автомобилистами для получения напряжения в 220 вольт на борту автомобиля через подключение к аккумулятору авто.
- В порядке технического бреда. А насколько нужны обмотки в генераторах как таковые? Ведь создание их довольно трудоёмкий процесс… Возможно, на данный момент существует или может быть разработан способ создания токопроводящих слоёв внутри вещества с помощью некой соответствующей ЧПУ-обработки… Почему вообще появилась эта мысль: некоторые из читателей наверняка сталкивались с таким видом сувенирной продукции, которая представляет собой хрустальную фигуру (шар, куб и т. д.), внутри которой с помощью сфокусированного лазера создаются трёхмерные фигуры:
А что, если использовать некое проникающее излучение, например электронно-лучевой способ, с помощью которого прямо внутри вещества сфокусированным лучом создавать трёхмерные структуры, где токопроводящие слои перемежаются с изолирующими (например, изолирующие получаются с помощью испарения вещества и перевода его в другое состояние). Теоретически использование электронно-лучевой системы для этого может производить процесс на очень высоких скоростях!
И на выходе мы имеем тот же самый генератор, с теми же самыми «обмотками», только они созданы с использованием модного ныне словосочетания «на иных физических принципах» :-) И весьма быстро созданы, если сравнивать с классической намоткой!
Однако это только идея, и было бы интересно послушать в комментариях тех, кто обладает большей информацией по этому вопросу или просто готов высказаться.
Завершая рассказ, хочется сказать, что рассмотренная в статье конструкция генератора плоского типа теоретически годится не только для создания ветрогенераторов. На основе такого устройства возможно создать лёгкий переносной генератор, который займёт нишу между тяжёлыми стандартными «сундуками»-генераторами и мощными пауэрбанками. Так как довольно часто в жизни бывают ситуации, когда мощность стандартных генераторов излишня и их размеры не способствуют транспортабельности. В свою очередь, мощность пауэрбанков недостаточна и требуется нечто среднее мощностью не более 200-300 Вт, что позволит: зарядить электровелосипед в поле, осветить походный лагерь, зарядить пачку смартфонов, подключить ноутбук (всё это поочерёдно). Особенно сильно проблема усугубляется, если для перемещения не используется автомобиль и невозможно взять с собой генератор стандартного типа.
Например, такой генератор «переходной модели» мог бы быть создан на базе маленького 4-тактного бензинового двигателя (для экономичности и условно малой шумности по сравнению с 2-тактным).
Если использовать бензиновый двигатель в качестве привода, на него придётся установить ещё две подсистемы:
- автоматический регулятор напряжения (AVR) для бензогенераторов, который выглядит примерно так:
Покупные регуляторы напряжения обычно не лучшего качества, но есть неплохой мануал, как «прокачать» этот элемент:
- автоматический регулятор оборотов. Исторически регуляторы оборотов были центробежными и выглядели примерно так:
В настоящее время применяются различные потомки этого устройства (даже если они и выглядят несколько иначе). Однако сейчас видится нецелесообразным «городить» подобную механическую систему — гораздо проще поставить микроконтроллер (ардуино), датчик Холла, магнитик на вал, сервопривод (чтобы дёргать газ). Причём систему можно упростить: установить датчик Холла поблизости от уже имеющихся магнитов генератора и в зависимости от оборотов вала добавлять или убавлять подачу топлива.
Нишу подобных «переходных по мощности» устройств всячески пытаются заткнуть разнообразными приборами, наподобие теплогенераторов на базе элементов Пельтье, маленьких солнечных батарей, однако, на взгляд автора статьи, всё это «детский лепет» и проблема ещё ждёт своего решения…
RUVDS | Community в telegram и уютный чат
