Moment zaczepowy, czyli dlaczego prądnica nie rusza

Wiatrak stoi, mimo że drzewa się kołyszą. Śmigło drgnie, cofnie się i znowu stanie w tym samym miejscu. To najczęstszy koniec domowej przeróbki silnika na prądnicę i prawie zawsze winny jest moment zaczepowy. Warto przeczytać ten tekst przed wklejeniem magnesów, bo po wklejeniu zostaje już tylko przeróbka od nowa.

Skąd bierze się moment zaczepowy

Stojan silnika nie jest gładką rurą. Ma zęby i rowki, w które wchodzi drut. Zęby są ze stali, rowki z drutu i powietrza. Dla pola magnetycznego to dwa zupełnie różne światy: stal przewodzi strumień setki razy lepiej niż powietrze.

Magnes na wirniku szuka więc drogi najkrótszej i najłatwiejszej, czyli ustawia się naprzeciw zęba. Odsunięcie go z tego położenia wymaga siły, a po zwolnieniu wirnik sam wraca do najbliższego zęba. Ta siła nie zależy od tego, czy prądnica jest obciążona, czy pracuje na pusto - jest obecna nawet przy odłączonych przewodach. To właśnie jest moment zaczepowy.

W silniku nikomu on nie przeszkadzał, bo silnik startuje od sieci i ma do dyspozycji pełny moment rozruchowy. W prądnicy wiatrowej rozruch daje wiatr, a wiatr o prędkości 3 m/s nie ma z czego dołożyć.

Dlaczego po wklejeniu magnesów robi się gorzej

Oryginalny wirnik silnika indukcyjnego nie ma własnego pola. Klatka z prętów zaczyna pracować dopiero wtedy, gdy stojan zostanie zasilony. Wirnik da się obrócić palcem i nie czuć żadnego oporu skokowego.

Po wklejeniu magnesów neodymowych sytuacja odwraca się o sto osiemdziesiąt stopni. Pole jest teraz stałe i bardzo silne, obecne przez cały czas. Wirnik ma dokładnie tyle położeń stabilnych, ile wynika z liczby magnesów i liczby zębów, i w każde z nich wskakuje jak zapadka. Im mocniejszy magnes i im mniejsza szczelina powietrzna, tym wyraźniejszy skok.

Dlatego prądnica, która na stole kręci się „ciężko, ale kręci", na maszcie potrafi stać cały tydzień. Ręka daje moment, którego wiatr nie da.

Jak zmniejszyć moment zaczepowy

Nie da się go usunąć całkowicie, ale da się go rozłożyć w czasie tak, żeby zamiast jednego mocnego skoku wirnik czuł kilka słabych, wzajemnie się znoszących. Cztery sposoby, w kolejności od najskuteczniejszego:

Skos rowków albo skos magnesów

Najskuteczniejszy zabieg. Zamiast układać magnes równolegle do osi wału, układamy go pod kątem, tak aby jego początek i koniec wchodziły pod ząb w różnych chwilach. Wtedy magnes nigdy nie wskakuje pod ząb całą długością naraz - jeden koniec dopiero wchodzi, drugi już wychodzi, a siły znoszą się wzajemnie.

Skos wykonuje się na wirniku, bo tam jest to najprostsze: wystarczy poprowadzić rowek pod kątem albo skleić magnes z dwóch krótszych, przesuniętych względem siebie. Przesunięcie liczy się jako część podziałki zębowej, czyli odległości między sąsiednimi zębami stojana. Przy silniku z pralki, który ma 36 zębów, podziałka to 10 stopni obwodu - i o tyle mniej więcej powinien przesuwać się magnes na całej swojej długości.

Ceną jest niewielki spadek napięcia, bo część strumienia przestaje trafiać w cewkę idealnie. To dobry interes: kilka procent napięcia za prądnicę, która w ogóle rusza.

Dobór liczby biegunów do liczby żłobków

Najgorszy możliwy wybór to liczba magnesów równa liczbie zębów albo będąca jej dużym wspólnym dzielnikiem. Wtedy wszystkie magnesy wskakują pod zęby dokładnie w tym samym momencie i ich siły się sumują. Przy 36 zębach i 36 magnesach dostajemy 36 potężnych zapadek na obrót.

Chodzi o to, żeby momenty poszczególnych magnesów wypadały w różnych chwilach. Im mniejszy wspólny dzielnik liczby zębów i liczby biegunów, tym gęściej rozłożone i tym słabsze pojedyncze skoki. W praktyce oznacza to, że przy 36 zębach para 36 albo 18 magnesów jest zła, a 12 magnesów wypada wyraźnie lepiej i taką właśnie liczbę stosuje się w opisanej u nas przeróbce silnika z pralki.

To jest decyzja, której nie da się cofnąć po sklejeniu wirnika, więc podejmuje się ją na kartce, zanim padnie pierwsza kropla kleju.

Przesunięcie i podział magnesów

Wariant skosu dla tych, którzy nie chcą albo nie mogą frezować rowka pod kątem. Zamiast jednego długiego magnesu wkleja się dwa albo trzy krótsze, przesunięte względem siebie o ułamek podziałki zębowej. Efekt jest podobny do skosu - wejście pod ząb rozkłada się na kilka chwil zamiast jednej.

Rozwiązanie tańsze także dlatego, że krótsze magnesy płytkowe są zwykle dostępne od ręki i kosztują mniej niż jeden długi.

Słabszy magnes albo większa szczelina

Ostatnia deska ratunku, bo obniża jednocześnie napięcie prądnicy. Moment zaczepowy rośnie razem z siłą pola, więc zejście z N45 na N38 albo pozostawienie nieco większej szczeliny powietrznej wyraźnie go zmniejsza. Ale zmniejsza też strumień w cewce, a więc i moc.

Tego sposobu używa się dopiero wtedy, gdy skos i liczba biegunów są już wybrane najlepiej, jak się dało, a prądnica nadal nie rusza. Wcześniej to marnowanie mocy na skróty.

Sprawdzian przed montażem na maszcie

Zajmuje minutę i oszczędza weekend na drabinie. Wykonaj go, zanim prądnica trafi na wieżę.

Weź gotową prądnicę - bez śmigła, z odłączonymi przewodami, żeby wykluczyć hamowanie od obciążenia. Chwyć wał dwoma palcami i powoli go obracaj. Prądnica z małym momentem zaczepowym obraca się z lekkim, równomiernym oporem i po puszczeniu zatrzymuje się tam, gdzie ją zostawiłeś. Prądnica z dużym momentem stawia opór skokowo i po zwolnieniu sama zaskakuje do najbliższego położenia - słychać wtedy charakterystyczne stuknięcie.

Drugi sprawdzian jest jeszcze prostszy. Zamocuj wał poziomo i owiń na nim sznurek, na którego końcu zawieś lekki przedmiot. Zwiększaj obciążenie, aż wał ruszy. Jeśli do ruszenia prądnicy bez obciążenia elektrycznego potrzeba wyraźnego ciężaru, ten sam ciężar będzie musiał wygenerować wiatr - a przy 3 m/s nie wygeneruje.

Trzeci sygnał ostrzegawczy: policz, ile razy na jeden pełny obrót wału czujesz zapadkę. Jeśli liczba skoków jest równa liczbie magnesów, to znak, że wszystkie bieguny pracują zgodnie i skos nie zadziałał. Przy dobrze dobranej konstrukcji skoki są gęstsze i znacznie płytsze.

Śmigło musi mieć czym ruszyć

Moment zaczepowy nie jest problemem samej prądnicy - jest problemem pary prądnica i śmigło. Wiatrak rusza wtedy, gdy moment rozruchowy śmigła przekroczy moment zaczepowy prądnicy. Jeśli nie przekroczy, konstrukcja stoi bez względu na to, jak dobrze policzone są zwoje.

Tu wchodzi konflikt, którego nie da się obejść. Łopata o wąskim, cienkim profilu ma świetną sprawność przy dużych obrotach, ale bardzo mały moment przy zerowych - po prostu nie ma czym pchnąć. Łopata szeroka u nasady rusza dużo chętniej, za to gorzej pracuje przy pełnym wietrze. Szczegóły profilu i skręcenia opisaliśmy przy łopatach wirnika.

Sposobem obejścia jest zwiększenie średnicy śmigła. Moment rośnie razem z długością łopaty, więc dłuższe śmigło pchnie mocniej przy tym samym wietrze. Ma to jednak swoją cenę: rosną obciążenia wieży, rośnie hałas, a przy silnym wietrze konstrukcja wymaga regulacji mocy, żeby nie uległa zniszczeniu.

W praktyce najlepiej działa kolejność odwrotna do intuicyjnej. Najpierw zmniejsz moment zaczepowy prądnicy tak bardzo, jak się da - skosem i doborem liczby biegunów. Dopiero potem dobieraj śmigło. Ratowanie źle zaprojektowanej prądnicy coraz większym śmigłem kończy się konstrukcją, która rusza dopiero przy wietrze, przy którym i tak wszystko by ruszyło.

Kiedy nie warto przerabiać

Uczciwa odpowiedź brzmi: jeśli mieszkasz w miejscu, gdzie wiatr rzadko przekracza 3-4 m/s, a masz do dyspozycji silnik o dużej liczbie zębów i nie możesz wykonać skosu, przeróbka prawdopodobnie się nie uda. Prądnica będzie działać na stole i stać na maszcie.

Lepiej wtedy poświęcić czas na dobranie właściwego silnika i przemyślenie liczby biegunów, niż wkleić magnesy w to, co akurat leży w piwnicy. Magnesy neodymowe wyjęte z klejonego wirnika rzadko nadają się do ponownego użycia - powłoka Ni-Cu-Ni pęka przy podważaniu, a odsłonięty neodym zaczyna korodować.

Zanim zamówisz komplet magnesów, sprawdź w doborze magnesów do wirnika, jaki wymiar i jaka liczba biegunów pasuje do Twojej średnicy wirnika i liczby zębów stojana. Piętnaście minut z kartką oszczędza komplet magnesów i weekend pracy.