Инженерные системы вашей квартиры и дома

 
   

Инженерное оборудование

Все статьи » Делаем сами

Расчет самодельного генератора на неодимовых магнитах

Неодимовые магниты сегодня так широко доступны, а изготовление деталей из металла или ПВХ настолько не проблематично, что нет-нет да и закрадывается порою мысль о том, чтобы разработать и собрать собственный генератор переменного тока на неодимовых магнитах.

На самом деле это не так сложно, как может показаться вначале. Достаточно будет произвести элементарные расчеты относительно размера и скорости вращения ротора, параметров требуемых напряжения и тока, после чего останется лишь подобрать магниты и провод.

Вопрос выбора сечения провода оставим за рамками данной статьи, вместо этого подробно остановимся на выборе магнитов, чтобы ясно понимать связь между их параметрами и оборотами генератора, его напряжением.

Расчет самодельного генератора на неодимовых магнитах

Характеристики неодимовых магнитов

Неодимовые магниты (чаще всего Nd-Fe-B с никелевым покрытием) различаются не только размерами, но и магнитными характеристиками, в связи с чем имеют соответствующие маркировки. Латинские буквы в начале маркировки информируют нас о максимально допустимой температуре эксплуатации данного магнита:

  • N (normal - нормальный) - до 80°C;
  • M (Medium - умеренный) - до 100°C;
  • H (High - высокий) - 120°C;
  • SH(Super High - супер высокий) - до 150°C;
  • UH (Ultra High - ультра высокий) - до 180°C;
  • EH (Extra High - экстра высокий) — 200°C.

Цифра в маркировке, следующая сразу после букв, — это так называемое максимальное энергетическое произведение BH или полная плотность энергии магнита, которая измеряется в мегагауссах на эрстед. Чем выше данная цифра — тем сильнее магнит. Ниже представлена таблица параметров неодимовых магнитов серии N, в которой кроме параметра BH приведены также остаточная магнитная индукция Br, внутренняя коэрцитивная сила Hcj и максимальная рабочая температура T:

Характеристики неодимовых магнитов

Остаточная магнитная индукция Br

Остаточная магнитная индукция Br, указанная в Тесла для данного магнитного материала, отражает максимальную магнитную индукцию, которую в принципе способен обеспечить магнит из этого материала в замкнутой магнитной системе. Но в реальности магнитная индукция будет меньше, ибо использовать ее в генераторе мы так или иначе будем с некоторого расстояния от магнита, о чем будет разъяснено далее.

Коэрцитивная сила Hcj

Внутренняя коэрцитивная магнитная сила Hcj, указанная в Ампер/метрах для данного магнитного материала, отражает такую величину напряженности приложенного к магниту внешнего магнитного поля, что намагниченный изначально до насыщения магнит из данного материала, станет под действием этого внешнего поля ненамагниченным, то есть размагнитится под действием приложенного внешнего магнитного поля. Это значит, что чем выше внутренняя коэрцитивная сила магнита — тем лучше он сможет сохранять остаточную намагниченность в условиях действия на него внешних полей (в том числе индуцированных).

Неодимовые магниты

Максимальная температура эксплуатации Т

Это та температура, достигнув которой магнит временно утратит часть своих магнитных свойств, однако при снижении температуры обратно к нормальному значению, утраченные свойства полностью восстановятся. Не нужно путать данную температуру с температурой Кюри, при которой магнит полностью размагничивается.

Магнитная индукция на расстоянии от магнита

Когда магниты будут установлены на роторе (допустим на немагнитном роторе из ПВХ) то провод обмотки статора так или иначе окажется расположен на некотором расстоянии от магнитов. Это значит, что максимальная магнитная индукция в точках расположения проводов обмотки статора будет всегда меньше величины остаточной магнитной индукции Br непосредственно магнита. Величина индукции на одном и том же расстоянии от магнитов разного размера, изготовленных из одинаковых магнитных материалов, будет тем больше, чем толще магнит. 

Магнитная индукция на расстоянии от магнита

Для вычисления индукции на определенном расстоянии от магнита, очень удобно пользоваться калькулятором магнитной силы, например вот этим http://www.ndfeb.ru/calc/ - здесь необходимо ввести размеры магнита, указать тип его магнитного материала, задать расстояние от магнита, кликнуть по кнопке «рассчитать», и тут же появится значение индукции на заданном расстоянии от магнита в Гауссах, которое останется перевести в Тесла (для системы СИ), разделив полученное значение в Гауссах на 10000. Например: магнит N52 размером 50*30*10, расстояние от него 1мм. Расчет дает результат 0,63 Тл.

Наводимая ЭДС в обмотке и количество магнитов

Теперь самое главное — ЭДС на выводах генератора. Пусть в генераторе будет всего одна фаза. За исходные данные примем: обороты генератора, диаметр его ротора, частоту генерируемого тока, амплитуду ЭДС. Амплитуда ЭДС находится как произведение индукции, скорости прохождения магнита возле проводника, и полной (для всего ротора) активной длины проводника:

Наводимая ЭДС в обмотке и количество магнитов

Активную длину проводника l и индукцию магнитов B определим позже. Сначала же подставим в формулу требуемую ЭДС e и скорость v. Здесь скорость v находится как длина окружности ротора по внешним краям магнитов, умноженная на частоту f вращения ротора (в оборотах в секунду). Или через диаметр D ротора (по краю магнитов):

Расчет самодельного генератора на неодимовых магнитах

Например: требуемая амплитуда ЭДС e = 310В, частота тока 50Гц, частота вращения ротора f = 1 об/с, диаметр ротора по краю магнитов D=0,4 м.
Тогда: B*l = 310/(3,14*1*0,4) = 246,8 Тл*м. Для получения 50Гц за один оборот необходимо 100 чередующихся магнитных полюсов, то есть 100 магнитов.

Количество магнитов на роторе

Как вы уже поняли, количество магнитных полюсов N на роторе зависит от оборотов в секунду, и от того, какую частоту тока F желательно получить от генератора. Разделитв частоту тока F на обороты в секунду (или на обороты в минуту n, деленные на 60), получим количество периодов генерируемого тока за один оборот ротора. На каждый период переменного тока — по два магнита (северный полюс чередуется с южным), значит умножаем еще на два:

Количество магнитов на роторе

Индукция и размер магнитов

Зная величину B*l, позже можно будет задавшись индукцией B, найти активную длину проводов статора l, или же задавшись активной длиной проводников статора l, найти необходимую индукцию B на окружности статора. Но пока допустим, что на расстоянии в 0,5 мм от магнитов будет расположена обмотка статора, значит величину амплитуды индукции по всей длине окружности статора можно будет легко найти с помощью калькулятора магнитной силы, зная размеры магнитов и их материал. 

Например: мы решили, в силу скромных финансовых возможностей, применить магниты из материала N35. Разделив длину окружности ротора на количество магнитов — нашли максимальную ширину полюса (для нашего примера диаметр ротора 400мм, значит длина его окружности 1256,6 мм и если магнитов 100, то максимальная ширина полюса будет равна 12,56 мм). Таким образом имеем ширину полюса и материал магнитов.

Здесь необходимо выбрать высоту ротора (по магнитам). Если высоту ротора выбрали, то известна и высота магнита h. Ширину магнита уже очень нетрудно подобрать.
Количество проводников k в обмотке статора и их эффективная длина l

Дано: высота и ширина магнитов, а также материал магнитов. Осталось определиться с толщиной магнитов и количеством проводников k в обмотке (на каждом полюсе). Определим количество проводников в обмотке. Учтем высоту магнита h, количество полюсов N, а также найденное значение Bl. Выразим общую эффективную длину l, перемножив количество полюсов N, количество проводников в обмотке k (то же самое, что в каждом полюсе) и высоту магнитов h (примерно высота ротора).

Индукция и размер магнитов

Подставив значение B (для этого сначала подберем толщину магнита при помощи калькулятора магнитной силы) – найдем количество проводников на полюс — k. Либо задавшись k – найдем B (и подберем при помощи калькулятора магнитной силы соответствующую толщину магнита).

Теперь Вы понимаете, как связаны параметры магнитов на роторе генератора с его оборотами и генерируемой ЭДС.

Яков Кузнецов

Категории: Все статьи » Делаем сами

Другие близкие по теме статьи:

  • Магнитные патроны
  • Асинхронный двигатель в режиме генератора
  • Отличия коллекторных и бесколлекторных двигателей
  • Порошковая магнитная дефектоскопия
  • Регулятор оборотов двигателя электроинструмента - схема и принцип работы
  • Подключение частотного преобразователя


  • Полезное
      Приветствуем вас на Ingsvd.ru ! Здесь вы найдете ответы на все вопросы по устройству, организации, монтажу и обслуживанию инженерных систем вашей квартиры и дома.





     

    Copyright © 2010 - 2018. Ingsvd.ru
    Копирование, размножение, распространение, перепечатка (целиком или частично) запрещено.

    Ремонт квартиры своими руками