Aksiaalivuogeneraattorin rakentaminen
Windesol - Tuuli- & aurinkovoima tietosanakirja
|
Aakkosellinen hakemisto sekä kaikki Windesolin luokat |
Yleistä
Tämä artikkeli sisältää omia kokemuksia uudenlaisen aksiaalivuogeneraattorin rakennuksesta ja testauksesta pystyakselisen tuuliturbiinin kanssa.
Suunnittelu
Ennen kuin aksiaalivuogeneraattorin rakentaminen aloitetaan, on päätettävä kuinka paljon generaattorista halutaan tehoja ja mitä generaatorilla kuormitetaan. Akkujen lataukseen generaattorin ulostulojännite (EMV) tietyllä kulmanopeudella on tärkeä seikka. Tähän vaikuttaa kestomagneettien vuontiheys ja kuparilangan kierroslukumäärä.
Runko
Rungoksi käy ihan normaali rauta tai S355 teräs jne. Kannattaa kummiskin välttää liikaa mangaani ja nikkeli pitoisuuksia. Mitä enemmän rautaa niin sitä paremmin magneettivuo johtuu.
Roottorikiekkojen paksuus määräytyy magneetin paksuuden mukaisesti (Magneettivuon kulkusuunta itse kestomagneetissa). Hyvänä nyrkkisääntönä pidetään, että roottorikiekkojen paksuus pitää olla vähintään 60% kestomagneettien paksuudesta. Tällöin magneettivuota ei menetetä niin merkittävästi. Esimerkkitapauksena voisi mainita: roottorikiekkojen paksuudet 6 mm ja 8 mm, joissa on kiinni 10 mm paksuinen NDFeB-kestomagneetti, tällöin ohuemmalla rautakiekolla menetetään noin 1,5 % magneettivuota paksumpaan nähden. Tästä on kuitenkin etua generaattorin hitausmassan ollessa pienempi ja generaattorista tulee kevyempi.
Laser-työstetyt rautaosat ovat tärkeät, koska generaattorin roottoriosa ei saa lenkottaa sen pyöriessä, tällöin menetetään arvokkaita millimetrejä roottorin ilmavälissä. Hyötysuhteeseen ilmavälin kasvaminen ei vaikuta suoraan, mutta generaattorin EMV suuruutta menetettäessä tarvitaan johdin kierroksia enemmän. Tämä taasen laskee generaattorin hyötysuhdetta.
Oikealla olevissa kuvassa näkyvät tarvittavat rauta-osat aksiaalivuogeneraattoriin.
- Roottorikiekot 2 kpl
- Staattorin kiinnitys 1 kpl
- Napa-akseli laakereineen
- Kierretangot roottorille 4 kpl
- Kierretangot staattorille 8 kpl
- Kierretangot roottorin ulosvetoon 4 kpl
Akselin voi myös valmistaa itse sopivasta putken pätkästä, jonka sisään laitetaan laakerit (molempiin päihin). Laakereiden sisälle taas asennetaan sopiva putki tai metallitanko. Tällainen malli kestää huomattavasti paremmin sivuttaisvääntöä kuin peräkärryn napa-akseli.
Roottori ja Kestomagneetit
Kestomagneettien koko ja roottorin säde määrää roottorikiekkojen paksuuden. Roottori ei saa taipua liikaa kestomagneettien vetäessä rautakiekkoja yhteen. Esimerkkinä mainittakkoon NdFeB -kestomagneettiparin (N42 40x20x10 mm) vetovoima yhteen on noin 10 kg (12 mm ilmavälillä) ja 16 napaparin roottorissa se tarkoittaa 160 kg tasaisesti jakaantunutta voimaa.
Oikealla on kuva kestomagneettien asettelu sapluunasta, joka on tarpeen laittaessa voimakkaita kestomagneetteja rautakiekoille.
Roottorin magnetoinnin voi tehdä napaparittomastikin kustannusten pienentämiseksi, mutta vuontiheyttä menetetään noin 40% 12 mm ilmavälillä ja tästä suuremmilla yli puolet.
Omaan generaattoriin ostin kestomagneetit jotka olivat kooltaan 80x20x10 mm. Pitkulaiset magneetit ovat paremmat siksi koska niillä saadaan enemmän magneettivuota kuparikäämin päälle. Roottori osat ovat halkaisijaltaan 400 mm ja paksuudeltaan 6 mm.
Roottorin ilmaväli
Oikealla olevassa kuvassa on verrattu napaparillisten ja napaparittomien roottorien ilmavälin suuruutta magneettivuon tiheyden funktiona.
Magneettivuon tiheys on toimii kertoimena generaattorin jännitteen ulostuloon (EMV). Pienellä ilmavälillä voidaan päästä hyvinkin suuriin magneettivuon tiheyksiin. Esimerkiksi 5 mm ilmavälillä saadaan yli 1 Teslan magneettivuon tiheys. Tällöin johdin kierroksia tarvitaan vähemmän ja generaattorin sisäinen resistanssi on pienempi (hyötysuhde kasvaa).
Kuvasta voidaan havaita, että magneettivuon tiheys N42 laatuluokan kestomagneeteilla lähenee 1,28 Teslan arvoa pienellä ilmavälillä. Jos käytetään N52 laatuluokan kestomagneetteja, niin edellä olevassa tilanteessa magneettivuon tiheys on noin 1,5 Teslaa.
On selvää että tällaisella "hammasratas"-muotoisella käämityksillä päästään pienempään ilmaväliin, koska magneettivuo peittää suuremman alan käämityksestä kuin Hugh Piggottin staattori mallissa.
Staattori malleja
Staattorin voi tehdä kahdella eri tapaa. Toinen on perinteinen Hugh Piggottin mallin mukainen ja toinen on "hammasratas" -käämitys. Jälkimmäisellä saadaan parempi hyötysuhde, mutta se on hankalampi valmistaa.
Kestomagneettien asettelusapluunan päälle on myös hyvä rakennella hammasratas-staattori. Naulojen avulla käämilankaa voidaan kierittää halutulla tavalla. Hammasratas-staattori voidaan myös tehdä laittamalla leveää tarrateippiä lastulevyn päälle ja painelemalla siihen kuparilankaa oikeaan muotoon. Tämän jälkeen kuparilanka liimataan ja liiman kuivuttua käämi irroitetaan tarrateippilevystä.
Staattorin hartsaus
Staattorin hartsaukseen voi käyttää epoksi- tai polyuretaanihartsia. Yksi komponenttihartseja tulisi välttää koska ne eivät ole niin lujia ja itse liimausvaihe on tarkka uunin lämpötiloille. Hartsaukseen tarvitaan 2 lastu- tai vanerilevyä, joista toiseen sahataan staattorin muoto. Ennen hartsausta kannattaa puupinnat päällystää silikooni-sprayllä, vaseliinilla tai leivinpaperilla.
Kokemuksen perusteella isot puupinnat kannattaa suihkutella silikooni-sprayllä ja sahattujen kohtien pinnat kannattaa tursutella silikoonituubista.
Staattori kannattaa valmistaa mahdollisimman ohueksi ja vahvaksi. Mitä ohuempi staattori, niin tarvitaan sitä pienemmät kestomagneetit (säästyy rahaa).
Epoksi- ja polyuretaani hartseja saa esim. täältä: http://www.t-stenbacka.fi/
Generaattori viimeistely
Epoksihartsi ei ole kumimaista, joten staattorissa saattaa olla todella teräviä reunoja. Kannattaa käsitellä staattoria hanskat kädessä ja hioa santapaperilla terävät rösöt pois. Staattorin kiinnitys reiät kannattaa porata ensin pienellä poran terällä ja sitten suuremmalla.
Valmis yksivaiheinen aksiaalivuogeneraattori ratas-stattorilla
Ensimmäiseksi rakensin yksivaiheisen ratas-staattorin ja testien suoritettua oli helpompi rakentaa lopullinen ratas-staattori, joka on kaksivaiheinen.
Valmiissa yksivaiheisessa generaattorissa ilmaväliksi tuli noin 6 mm. Magneettivuon tiheys on noin 0,95 Teslaa. Pikaisten testien perusteella 14 Voltin CUT-IN jännitteen generaattori saavuttaa vasta noin 160 RPM kieppeillä. Amppeereita lähti oikosuljettuna kevyesti yli 40 A käsin pyöriteltäessä. Arvelisin että generaattori kykenee 100 A piikkeihin ja jatkuvaa noin 70 A ilman lämpenemisongelmia. Tämä tarkoittaa sitä että 24 V järjestelmässä suurimmat tehot ovat luokkaa 3000 W. Pystyakselista työntövoimaan perustuvaa tuuliturbiinia ei näiden testien perusteella voi toteuttaa, koska CUT-IN jännite on niin korkea 12 V järjestelmälle. Saattaa olla, että rakennan tätä staattoria varten kaksilapaisen Darrieus-tuuliturbiinin, jonka TSR lähentelee 12:sta ja näin CUT-IN saavutetaan jo pienillä tuulilla. Kaksi- tai kolmilapainen potkuri tuuliturbiini olisi ehdottomasti paras tälle generaattorille, mutta ne ovat jo niin tuttuja että kiinnostuskohteena ovat nyt pystyakseliset versiot.
Yksivaiheinen generaattori ei tule toimimaan kovinkaan pitkään vakaana, koska tärinä on melkoinen sen aukollisesta latausvirrasta akustolle. Tärinä rasittaa laakereita ja muutenkaan momentti ei ole oikein hyvä tuuliturbiinille. Kaksivaiheinen staattori on pienin vaihelukumäärä jolla saa aukotonta latausviraa akustolle, joten suosittelen rakentamaan vähintään kaksivaiheisen version.
Huomasin myös sellaisen asian että 6 mm rautakiekot ovat liian ohuita, koska taipuma yhdellä keskeltä reunaan on 1,5 mm. Eli reunat vääntyvät toisiaan vasten noin 3 mm. Kestomagneettien ilmaväli on reunalta 6 mm ja sisältä noin 8 mm.
Valmis kolmivaiheinen aksiaalivuogeneraattori ratas-stattorilla
Kolmivaiheiseen ratas-staattoriin ostin hieman ohuempaa kuparilankaa, jotta saisin enemmän kierroksia per käämi. Samalla päätin kasvattaa ilmavälin 6mm -> 10mm (vahvempi staattori), joten magneettivuon tiheydeksi tulisi noin 0,8 Teslaa. Päätin myös teetättää uuden roottorikiekot, jotka ovat paksuudeltaan 10 mm. Kiekkoja tuli 30 kpl per käämi eli vaihe ja nämä vaiheet kytkin tähteen. Testattuani huomasin että jo 60 RPM tuotti 30 V piikkejä ja noin 150 RPM tuotti 60V RMS.
Näin jälkikäteen voisi sanoa, että kyseisellä generaattorirakenteella pystyisi tekemään 5-vaiheisenkin version. Staattorin voi niin sanotusti täyttää kokonaan kuparikäämillä ja näin saadaan suurin mahdollinen energiatiheys. 3-vaiheisessa versiossa on 48 pykälää per kiekka ja 5-vaiheisessa on jo peräti 80 pykälää per kiekka. Näin momentista saisi vielä tasaisemman.
Kolmivaiheisen aksiaalivuogeneraattorin sovittaminen Savonius tuuliturbiiniin
Kyseinen staattori kykenee tuottamaan pienillä tuulilla tarpeeksi jännitettä 12 V järjestelmään, jos käytetään työntövoimaan perustuvia VAWT-malleja. Esimerkiksi normaali Savonius tuuliturbiini saavuttaa parhaimman vääntömomentin kun TSR on noin 0,33. Tämä tarkoittaa sitä että CUT-IN tuulilla (3m/s) kehänopeus on 1m/s, jolloin 0,5m halkaisijaltaan oleva Savonius pyörii 38 RPM. Tällöin generaattori tuottaa noin 12V RMS ja jännitepiikit ovat noin 16V luokkaa.
Savoniuksen korkeudeutta voi säätää haluamalla tavalla, mutta halkaisija määrää pyörimisnopeuden ja CUT-IN:in, joten Savoniuksen pinta-alaa ei voi järkevästi kasvattaa yli neliömetrin. Generaattorin laakerit alkavat olemaan tiukilla, jos Savoniuksesta tulee yli 2m korkea.
