Elektrownie wiatrowe na magnesach neodymowych

poradnik: silnik z pralki

Przeróbka silnika z pralki na prądnicę krok po kroku

Ten poradnik prowadzi przez robotę, nie przez teorię. Zaczyna się od silnika leżącego na warsztacie, kończy na prądnicy z wynikiem pomiaru. Tło — skąd bierze się moc, dlaczego liczba zwojów jej nie zmienia i skąd wzięły się liczby dla konkretnego silnika — jest opisane na stronie prądnica z silnika od pralki i warto ją przeczytać najpierw.

Kolejność kroków nie jest dowolna. Kroki 3, 4 i 5 są ze sobą powiązane i błąd w którymkolwiek z nich kosztuje komplet magnesów. Krok 5 jest nieodwracalny.

1. Który silnik z pralki się nadaje i jak go rozpoznać

Nie każdy silnik z pralki nadaje się na prądnicę. Najpierw sprawdź, co masz w rękach, bo dalsze kroki zależą od typu.

Tabliczka znamionowa często jest nieczytelna albo w ogóle jej nie ma. Dane bywają wybite na pokrywie bocznej — warto obejrzeć obie. W opisanym u nas silniku dane brzmiały: 2775/425 obr/min, 60/50 W. Dwie prędkości obrotowe to najpewniejszy znak, że silnik pochodzi z pralki automatycznej, gdzie wolniejszy bieg obsługiwał pranie, a szybszy wirowanie.

Moc rzędu kilkudziesięciu watów nie oznacza, że silnik jest bezużyteczny. Moc pralki siedzi w grzałce (rzędu 2 kW), nie w napędzie bębna. Silnik o mocy 60 W przy 425 obr/min daje przy 2775 obr/min około 390 W mocy teoretycznej — a to jest już punkt wyjścia do prądnicy.

Silnik indukcyjny (klatkowy) jest lepszym kandydatem niż szczotkowy. Ma zwarty wirnik bez uzwojenia, więc po obtoczeniu i wklejeniu magnesów nie zostaje w środku nic zbędnego. Silnik szczotkowy ma na wirniku komutator i uzwojenie, których pozbycie się jest osobną robotą, a często kończy się wirnikiem o zbyt małej średnicy.

Zajrzyj też do stojana. Jeśli uzwojenie jest przypalone, przerwane albo zalane, to nie problem — i tak będzie przewijane. Jeśli natomiast pakiet blach jest skorodowany lub rozwarstwiony, silnik zostaw.

2. Rozbiórka: co odkręcić, czego nie niszczyć

Rozbiórka wygląda prosto i dlatego łatwo przy niej zepsuć rzeczy, których potem nie da się odtworzyć.

Kolejność: odkręć śruby spinające pokrywy boczne, oznacz pokrywy względem korpusu (rysą albo markerem), zdejmij jedną pokrywę, wysuń wirnik razem z drugą pokrywą, dopiero potem rozdziel wirnik od pokrywy.

Czego nie niszczyć:

Łożyska sprawdź palcami po wyjęciu — luz poprzeczny albo szorstkość przy obracaniu oznacza wymianę. W prądnicy pracują non stop i pod obciążeniem od wiatru, więc zużyte łożysko wróci jako problem po kilku miesiącach.

Drut ze stojana odwiń całkowicie. W opisanej przeróbce stojan po odwinięciu był pusty i dopiero wtedy dało się policzyć zęby.

3. Pomiar wirnika: średnica, długość pakietu, liczba żłobków stojana

Trzy liczby, od których zależy wszystko dalej. Zapisz je na kartce, bo będą potrzebne w krokach 4, 5 i 6.

Średnica zewnętrzna wirnika (D). Mierz suwmiarką w kilku miejscach na długości i w dwóch prostopadłych kierunkach. Różnice powyżej kilku dziesiątych milimetra oznaczają wirnik zużyty lub bity — wtedy obtoczenie z kroku 5 musi być głębsze, żeby wyrównać.

Długość pakietu blach (L). Mierz sam pakiet stojana, nie długość korpusu ani wału. Ta liczba wyznacza szerokość magnesu: magnes szerszy od pakietu nie dokłada mocy, bo nadwyżka strumienia nie ma gdzie trafić i rozchodzi się w powietrzu.

Liczba zębów stojana. Policz je na pustym stojanie, po odwinięciu drutu. W opisanym silniku było 36. Nie licz żył wychodzących z silnika ani wyprowadzeń — to inna liczba i prowadzi do błędnej liczby biegunów.

Przy okazji zmierz głębokość rowków stojana i grubość zębów. Nie potrzebujesz tego do doboru magnesów, ale przyda się przy przewijaniu, gdy trzeba będzie zmieścić drut o wyliczonym przekroju.

4. Ile biegunów i ile magnesów

Liczba magnesów na wirniku musi być równa liczbie cewek na stojanie. To nie jest zalecenie, ale warunek działania. Przy niezgodnej liczbie bieguny nie przechodzą pod cewkami jednocześnie i napięcia z poszczególnych cewek zamiast się dodawać, częściowo się znoszą.

Punktem wyjścia jest liczba zębów z kroku 3. Przy 36 zębach i uzwojeniu trójfazowym wychodzi 36 / 3 = 12 cewek, a więc 12 magnesów. Ta sama liczba zębów dopuszcza też inne podziały — 72, 36, 24 lub 18 biegunów — ale zawsze przy zachowaniu tej samej reguły.

Nie każdy dopuszczalny podział jest dobry. Liczba biegunów równa liczbie zębów albo mająca z nią duży wspólny dzielnik daje najgorszy możliwy wynik: wszystkie magnesy wskakują pod zęby w tej samej chwili i ich siły się sumują. Wirnik dostaje wtedy tyle mocnych zapadek na obrót, ile jest biegunów, i prądnica nie rusza przy słabym wietrze. Dlatego przy 36 zębach 12 biegunów wypada wyraźnie lepiej niż 18 czy 36 — szczegóły w tekście o momencie zaczepowym.

Więcej biegunów to wyższe napięcie przy tych samych obrotach, ale mniejsze magnesy i ciaśniejsze odstępy. Dwanaście biegunów jest rozsądnym punktem startowym dla wirnika z pralki.

Długość magnesu wynika z podziałki, czyli z obwodu podzielonego przez liczbę biegunów: podziałka = π × D / liczba biegunów. Podziałka to suma długości magnesu i odstępu do sąsiada. W opisanej przeróbce magnes miał 40 mm, a odstęp 18 mm — czyli podziałka 58 mm i obwód około 700 mm, co odpowiada średnicy nieco ponad 220 mm. Magnes zajmował wtedy około dwóch trzecich obwodu przypadającego na biegun.

Odstępu nie da się zejść do zera. Magnesy ułożone stykami zamykają część strumienia między sobą, zamiast przez stojan, a przy klejeniu bez odstępu praktycznie nie da się utrzymać równych podziałek.

Wymiar i klasę dobierz według tabeli z doboru magnesów do wirnika. Dla silnika z pralki najczęściej wchodzi MPL 40x10x5 / N38 (udźwig 11,86 kg), a jeśli po obtoczeniu zostało miejsce — MPL 40x15x6 / N38 (14,22 kg). Wymiar 40x10x4 / N38 (9,32 kg) bierze się wtedy, gdy szczelina wyszła ciasna. Klasa N38 jest domyślna i w większości przeróbek wystarcza.

Zamów magnesy dopiero po tym kroku, ale przed krokiem 5. Grubość magnesu, którą będziesz miał w rękach, decyduje o tym, ile zebrać z wirnika — a obtoczenia nie da się cofnąć.

5. Obtoczenie wirnika: ile zebrać, dlaczego akurat tyle

Ten krok jest nieodwracalny. Materiał zdjęty z wirnika nie wraca. Jeśli zbierzesz za dużo, magnesy zmieszczą się z nadmiarem, szczelina powietrzna wyjdzie za duża i prądnica straci moc. Jeśli zbierzesz za mało, wirnik z wklejonymi magnesami po prostu nie wejdzie w stojan albo będzie o niego tarł. Przeczytaj cały ten punkt przed uruchomieniem tokarki.

Reguła jest jedna: grubość magnesu plus szczelina powietrzna musi zmieścić się w tym, co zebrano. Głębokość obtoczenia mierzona na promieniu wynosi więc grubość magnesu plus zaplanowana szczelina, a średnica wirnika spada o dwa razy tyle.

Przykład rachunkowy dla magnesu 40x10x5, czyli o grubości 5 mm. Przy zaplanowanej szczelinie 0,5 mm na promieniu trzeba zebrać 5 + 0,5 = 5,5 mm, a więc średnica wirnika spada o 11 mm. Sprawdź na kartce, czy po tym cięciu w wirniku zostaje jeszcze pakiet blach — przy cienkim wirniku i grubym magnesie może się okazać, że nie ma z czego zbierać i trzeba wrócić do kroku 4 po cieńszy magnes.

Szczelinę planuj tak małą, jak pozwala mechanika, bo od niej zależy strumień w cewce. Za duża szczelina to strata mocy, za mała — ryzyko, że wirnik zetrze magnesy o stojan przy pierwszym rozruchu. Ile dokładnie zostawić, zależy od stanu łożysk, dokładności obtoczenia i bicia wirnika — a to są liczby z Twojego warsztatu, nie z tabeli. Zmierz bicie po obtoczeniu i dodaj do szczeliny margines na to, co zmierzysz.

Obtaczaj wirnik na własnych łożyskach albo na kłach ustawionych względem czopów łożyskowych. Wirnik obtoczony w przypadkowym uchwycie będzie miał powierzchnię magnesów niekoncentryczną z osią obrotu, a to daje nierówną szczelinę na obwodzie: raz tarcie, raz utrata mocy.

Jeśli planujesz rowki pod magnesy zamiast klejenia na gładkiej powierzchni, głębokość rowka wchodzi do rachunku i obtoczenie może być o tyle płytsze. Rowek ma dwie zalety: trzyma magnes na pozycji przy klejeniu i przenosi siłę odśrodkową na materiał wirnika, nie na sam klej. Rowek poprowadzony pod skosem realizuje przy okazji redukcję momentu zaczepowego.

Skos jest najskuteczniejszym sposobem na to, żeby prądnica ruszała przy słabym wietrze. Magnes ułożony pod kątem nie wskakuje pod ząb całą długością naraz — jeden koniec dopiero wchodzi, drugi już wychodzi, a siły znoszą się wzajemnie. Przy 36 zębach podziałka zębowa to 10 stopni obwodu i o tyle mniej więcej powinien przesuwać się magnes na całej swojej długości. W opisanej konstrukcji magnesy stały pod kątem 24°. Cena skosu to kilka procent napięcia — dobry interes za prądnicę, która w ogóle rusza.

6. Klejenie magnesów: kolejność, przekładka, układ N-S-N-S

Bieguny układa się naprzemiennie, biegunem na zewnątrz:

N → S → N → S → N → S → N → S → N → S → N → S

Przy dwunastu magnesach daje to sześć par biegunów. Polaryzację każdego magnesu sprawdź przed przyklejeniem — innym magnesem albo kompasem. Pomyłka nawet przy jednym magnesie wycina jedną cewkę z pracy i widać to od razu na napięciu w kroku 8. Naprawa polega na odklejeniu magnesu, co zwykle kończy się jego zniszczeniem.

Kolejność: jeden magnes, klej, wiązanie, następny. Nie wszystkie naraz. Magnesy przy wymiarze 40x15x6 przyciągają się z siłą, która potrafi zerwać je z pozycji, zanim klej złapie — a zerwany magnes zabiera ze sobą sąsiada i cała podziałka rozjeżdża się na obwodzie.

Przekładka i prowadnica. Zrób z drewna, tektury albo tworzywa szablon o grubości równej planowanemu odstępowi między magnesami (w opisanej przeróbce 18 mm). Wkładany między sklejony magnes i następny utrzymuje podziałkę bez mierzenia za każdym razem. Do tego prowadnica wzdłuż wirnika, która trzyma kąt skosu.

Powierzchnie przed klejeniem odtłuść. Klej dobierz taki, który znosi temperaturę pracy prądnicy i wibracje — uzwojenie pod obciążeniem grzeje wirnik, a klej, który miękcze się w takich warunkach, wypuści magnes przy obrotach.

Czego nie robić z magnesami: nie szlifować i nie skracać na wymiar, nie dopuszczać do zderzeń magnes o magnes, nie wiercić otworów pod śruby. Powód w następnym kroku.

7. Zabezpieczenie: bandaż, żywica, wyważenie

Sam materiał magnesu neodymowego koroduje, dlatego magnesy pokrywa się warstwą Ni-Cu-Ni — nikiel, miedź, nikiel. Ta powłoka ma grubość rzędu kilkunastu mikrometrów i to ona odpowiada za trwałość magnesu, nie jego rdzeń.

Każde uszkodzenie powłoki otwiera drogę wilgoci. Magnes zaczyna korodować od zadrapania, rdza podchodzi pod powłokę i podnosi ją dalej, a materiał kruszy się. W zamkniętym wirniku nikt tego nie zobaczy, dopóki prądnica nie zacznie tracić mocy.

Zabezpieczenie robi dwie rzeczy naraz: chroni powłokę i trzyma magnesy na wirniku przy obrotach. Kolejność: bandaż z włókna szklanego owinięty na wirniku, przesycony żywicą. Sam lakier chroni od wilgoci, ale nie przenosi siły odśrodkowej — przy prądnicy pracującej non stop ta różnica ma znaczenie.

Bandaż i żywica dodają grubości. Jeśli planujesz zabezpieczenie, uwzględnij jego grubość w szczelinie z kroku 5 — inaczej gotowy wirnik nie wejdzie w stojan. To najczęstszy powód, dla którego przeróbka zatrzymuje się na tym właśnie etapie.

Wyważenie. Sklejony wirnik ma masę rozłożoną inaczej niż fabryczny, a magnesy nie są identyczne co do grama. Sprawdź wyważenie statyczne: wirnik na dwóch poziomych prowadnicach powinien zatrzymywać się w losowym położeniu, nie zawsze tym samym ciężką stroną w dół. Niewyważony wirnik przenosi drgania na łożyska i wieżę.

Pole warto domknąć dwoma talerzami z blachy po obu stronach wirnika. Ogranicza to rozpraszanie strumienia poza pakiet stojana. Warto też odizolować wał, na którym część strumienia się marnuje.

8. Pierwszy pomiar: co zmierzyć przed zamontowaniem śmigła

Cztery pomiary, każdy zajmuje minutę i każdy oszczędza weekend na drabinie. Prądnica bez śmigła, na warsztacie.

Pomiar 1: opór ręczny i liczba zapadek. Przewody odłączone, żeby wykluczyć hamowanie od obciążenia. Chwyć wał dwoma palcami i obracaj powoli. Prądnica z małym momentem zaczepowym obraca się z lekkim, równomiernym oporem i zatrzymuje się tam, gdzie ją puścisz. Prądnica z dużym momentem stawia opór skokowo i sama zaskakuje do najbliższego położenia ze słyszalnym stuknięciem. Policz zapadki na pełny obrót: jeśli ich liczba równa się liczbie magnesów, skos nie zadziałał i wszystkie bieguny pracują zgodnie.

Pomiar 2: moment rozruchowy. Zamocuj wał poziomo, owiń na nim sznurek i zawieś lekki przedmiot. Zwiększaj obciążenie, aż wał ruszy. Ten ciężar będzie musiał wygenerować wiatr — jeśli do ruszenia prądnicy bez obciążenia elektrycznego potrzeba wyraźnej masy, przy słabym wietrze wiatrak stanie.

Pomiar 3: napięcie na wolnych zaciskach. Napędź prądnicę wiertarką albo drugim silnikiem o znanych obrotach i zmierz napięcie międzyfazowe. Zapisz parę liczb: obroty i napięcie. Bez znanych obrotów sam odczyt napięcia nic nie znaczy, bo napięcie rośnie razem z prędkością. Zmierz przy dwóch różnych prędkościach — zależność powinna być proporcjonalna. Nie porównuj wyniku z cudzymi liczbami z forum: zależą od liczby zwojów, przekroju drutu i szczeliny, czyli od Twojej konkretnej przeróbki.

Pomiar 4: prąd pod obciążeniem. Za prostownikiem trójfazowym, na akumulatorze o znanym napięciu. W opisanej przeróbce uzyskano 3 A przy 12 V, czyli 36–42 W, przy szacowanej mocy realnej 50–100 W. Taki rząd wielkości jest normalny dla silnika z pralki i warto go znać, żeby nie szukać usterki tam, gdzie jej nie ma.

Dopiero po tych czterech pomiarach dobiera się śmigło. Ratowanie źle zaprojektowanej prądnicy coraz większym śmigłem kończy się konstrukcją, która rusza przy wietrze, przy którym i tak wszystko by ruszyło.

9. Czego nie robić — pięć błędów i ich konsekwencje

Każdy z nich kosztuje albo komplet magnesów, albo cały wirnik.

Błąd 1: obtoczenie wirnika przed zakupem magnesów. Konsekwencja: głębokość cięcia nie pasuje do grubości magnesu, którą naprawdę dostałeś. Za głęboko — szczelina za duża i strata mocy. Za płytko — wirnik nie wchodzi w stojan. Materiału nie da się dodać, więc jedynym wyjściem jest szukanie cieńszego magnesu albo nowy wirnik.

Błąd 2: liczba biegunów wzięta od liczby żył zamiast od liczby zębów. Konsekwencja: magnesy nie odpowiadają cewkom, napięcia z cewek częściowo się znoszą, prądnica daje wyraźnie mniej, niż powinna — i nie ma na to poprawki poza przeklejeniem wirnika.

Błąd 3: liczba biegunów równa liczbie zębów albo o dużym wspólnym dzielniku. Konsekwencja: wszystkie magnesy wskakują pod zęby jednocześnie i momenty się sumują. Prądnica działa na warsztacie i stoi na maszcie, bo wiatr o prędkości 3 m/s nie ma czym pchnąć. Decyzję podejmuje się na kartce, przed pierwszą kroplą kleju.

Błąd 4: klejenie wszystkich magnesów naraz albo bez sprawdzania polaryzacji. Konsekwencja przy klejeniu naraz: magnesy zrywają się z pozycji, podziałka rozjeżdża się na obwodzie i wirnik jest niewyważony. Konsekwencja przy błędnej polaryzacji: jedna cewka wypada z pracy, napięcie spada, a odklejenie magnesu zwykle go niszczy.

Błąd 5: szlifowanie, skracanie albo wiercenie magnesów. Konsekwencja: odsłonięty rdzeń neodymowy koroduje pod powłoką, magnes kruszy się i rozsypuje wewnątrz zamkniętego wirnika. Prądnica traci moc miesiącami, a przyczyny nie widać bez rozbiórki. Tego samego dotyczą zderzenia magnes o magnes — powłoka Ni-Cu-Ni pęka od uderzenia jak szkło.

Wszystkie wymiary magnesów płytkowych z tego poradnika są w stałej sprzedaży w sklepie dhit.pl, razem z pozostałymi magnesami neodymowymi płytkowymi. Przed zamówieniem sprawdź wymiar i liczbę biegunów w doborze magnesów do wirnika — piętnaście minut z kartką oszczędza komplet magnesów.