Elektrownie wiatrowe na magnesach neodymowych

przewijanie stojana

Uzwojenie i przewijanie stojana prądnicy

Uzwojenie decyduje o napięciu, a napięcie decyduje o tym, czy prądnica w ogóle naładuje akumulator. Wirnik z magnesami neodymowymi można zrobić wzorowo — równe podziałki, właściwa klasa, zamknięte pole — i mimo to dostać na wyjściu 4 V przy pełnym wietrze, bo stojan został z fabrycznym uzwojeniem obliczonym pod zupełnie inne obroty. Ta strona opisuje, co i dlaczego się przewija, oraz jak sprawdzić, czy wyszło.

Poradnik zakłada, że wirnik jest już zrobiony i znasz liczbę biegunów. Jeśli jeszcze nie — zacznij od strony dobór magnesów neodymowych do wirnika, bo liczba biegunów jest jedną z dwóch wartości wejściowych do wszystkich obliczeń poniżej.

1. Po co przewijać — fabryczne uzwojenie jest pod inne obroty

Napięcie indukowane w cewce nie bierze się znikąd. Opisuje je prawo indukcji Faradaya, które w wersji praktycznej dla maszyny wirującej sprowadza się do jednej proporcji:

U ≈ k × z × p × Φ × n

gdzie z to liczba zwojów na cewkę, p — liczba par biegunów, Φ — strumień magnetyczny przypadający na biegun, n — obroty, a k to współczynnik zależny od kształtu przebiegu i sposobu połączenia cewek. Nie podaję wartości k ani gotowej liczby zwojów, bo strumień Φ zależy od szczeliny powietrznej, przekroju zęba i tego, ile blach stojana rzeczywiście przewodzi — a tego nie da się zgadnąć zza ekranu.

Praktyczny wniosek z tej proporcji jest jednak jednoznaczny: napięcie rośnie liniowo z obrotami. Silnik z pralki był projektowany na kilkanaście tysięcy obrotów na minucie przy wirowaniu, a jego uzwojenie dobrano pod to. Wirnik wiatraka bezprzekładniowego kręci się w granicach kilkuset obrotów. Różnica rzędu wielkości — przy niezmienionym uzwojeniu napięcie spada w tej samej proporcji.

Są trzy sposoby, żeby to nadrobić, i tylko jeden z nich jest tani. Można podnieść obroty przekładnią, ale wtedy dochodzą straty mechaniczne i punkt startu przy słabym wietrze — to jest właśnie rachunek, który wychodzi na stronie o mocy z alternatora, gdzie przekładnia 23:1 była warunkiem sensownego napięcia. Można podnieść strumień mocniejszymi magnesami, ale stojan mieści go ograniczoną ilość i po przekroczeniu granicy nadmiar rozprasza się w powietrzu. Zostaje zwiększenie liczby zwojów — jedyna zmienna z tego równania, która kosztuje wyłącznie drut i czas.

Drugi powód przewijania jest prozaiczniejszy: fabryczne uzwojenie silnika jednofazowego z pralki ma uzwojenie główne i rozruchowe o różnej liczbie zwojów i różnym przekroju. Do prądnicy trójfazowej to się nie nadaje w żadnym układzie i trzeba je usunąć niezależnie od obrotów.

2. Gwiazda czy trójkąt: co zmienia w napięciu i prądzie

Trzy fazy można połączyć na dwa sposoby i różnica jest czysto arytmetyczna, bez żadnego haczyka. Oznaczmy przez Uf napięcie indukowane w jednej fazie, a przez If prąd, jaki ta faza jest w stanie przewieźć bez przegrzania.

parametr gwiazda (Y) trójkąt (Δ)
napięcie międzyfazowe Uf × √3 ≈ 1,73 Uf Uf
prąd w przewodzie If If × √3 ≈ 1,73 If
moc pozorna taka sama w obu układach
punkt startu ładowania przy niższych obrotach przy wyższych obrotach

Moc jest identyczna, bo iloczyn napięcia i prądu się nie zmienia — przenosi się tylko z jednej wielkości na drugą. Wybór jest więc wyborem między napięciem a prądem, nie między lepszym a gorszym.

Dla wiatraka ładującego akumulator gwiazda jest domyślnym wyborem. Powód jest praktyczny: prądnica musi przekroczyć napięcie akumulatora plus spadek na prostowniku, zanim w ogóle zacznie oddawać prąd. Poniżej tego progu nie robi nic — wirnik się kręci, a amperomierz stoi na zerze. Gwiazda przesuwa ten próg o czynnik 1,73 w dół w skali obrotów, czyli prądnica zaczyna ładować przy wyraźnie słabszym wietrze. Wiatr słaby zdarza się znacznie częściej niż silny, więc energia roczna wychodzi wyżej, mimo że moc szczytowa jest ta sama.

Trójkąt ma sens tam, gdzie uzwojenie z jakiegoś powodu wyszło zbyt „wysokie" — na przykład po przewinięciu na dużą liczbę zwojów napięcie przy obrotach roboczych przekracza dopuszczalne dla regulatora. Zamiana gwiazdy na trójkąt obniża je wtedy o 1,73 bez ruszania drutu. To jest wygodna poprawka po fakcie, nie plan wyjściowy.

Wygodne rozwiązanie: wyprowadź ze stojana sześć końcówek zamiast trzech, czyli oba końce każdej fazy. Zmiana układu sprowadza się wtedy do przepięcia listwy zaciskowej i można to zrobić po pierwszych pomiarach na gotowym wiatraku, zamiast zgadywać przed nawinięciem.

3. Ile zwojów na cewkę — od czego to zależy

Konkretnej liczby zwojów dla konkretnego silnika nie da się podać odpowiedzialnie i nie zamierzam tego robić. Zależy ona od strumienia przypadającego na biegun, a ten — od szczeliny powietrznej po obtoczeniu wirnika, od przekroju zęba stojana, od tego, czy pakiet blach nie został skrócony, i od klasy magnesu. Cztery niewiadome, z których żadnej nie znam z Twojej konstrukcji.

Da się natomiast opisać metodę, która daje wynik po jednym wieczorze pracy i nie wymaga żadnego z tych parametrów.

Metoda cewki próbnej.

  1. Nawiń na jeden ząb stojana 10 zwojów dowolnego cienkiego drutu. Nie musi być emaliowany, nie musi być docelowy — to pomiar, nie uzwojenie.
  2. Zamontuj wirnik z magnesami i zakręć nim ze znaną prędkością. Wiertarka z regulacją obrotów albo silnik z tachometrem — byle wiedzieć, ile to jest obrotów na minutę.
  3. Zmierz napięcie na cewce próbnej na zakresie AC. Wynik będzie rzędu pojedynczych woltów albo ich ułamków.
  4. Przelicz: napięcie na jeden zwój przy tych obrotach to zmierzona wartość podzielona przez 10.

Mając napięcie na zwój, resztę liczysz z proporcji, bo zależność jest liniowa. Przykład rachunkowy — liczby są wymyślone na potrzeby pokazania toku obliczeń, nie pochodzą z pomiaru:

Jeśli 10 zwojów daje 0,5 V przy 300 obr/min, to jeden zwój daje 0,05 V. Chcesz mieć na fazie 20 V przy tych samych obrotach, a faza składa się z czterech cewek połączonych szeregowo (przy dwunastu cewkach na trzy fazy). Na jedną cewkę przypada więc 5 V, czyli 5 / 0,05 = 100 zwojów na cewkę.

Trzy uwagi do tego rachunku. Po pierwsze, napięcie docelowe liczy się przy obrotach roboczych, nie maksymalnych — te drugie zdarzają się rzadko, a uzwojenie pod nie dobrane nie ruszy przy słabym wietrze. Po drugie, pomiar cewką próbną daje napięcie bez obciążenia; pod obciążeniem spadnie o wartość zależną od rezystancji uzwojenia, o czym w punkcie 7. Po trzecie, do napięcia akumulatora trzeba doliczyć spadek na prostowniku — przy mostku trójfazowym prąd przechodzi zawsze przez dwie diody szeregowo.

Cewki jednej fazy można połączyć szeregowo albo równolegle. Szeregowo — napięcia się sumują, prąd zostaje. Równolegle — odwrotnie. To ta sama arytmetyka co przy gwieździe i trójkącie, tylko o poziom niżej, i tak samo nie zmienia mocy.

4. Przekrój drutu: prąd, nagrzewanie, wypełnienie żłobka

Przekrój drutu wynika z prądu, a nie z tego, ile drutu zostało w szufladzie. Przyjmowana w praktyce gęstość prądu dla uzwojeń chłodzonych powietrzem mieści się w przedziale 3–5 A/mm², przy czym niższa wartość dotyczy uzwojeń zamkniętych i pracujących ciągle, wyższa — takich, które mają obieg powietrza i pracują z przerwami. Wiatrak zwykle mieści się bliżej dolnej granicy, bo pracuje bez przerwy i nie ma wentylatora.

Przy 4 A/mm² drut o przekroju 1 mm² (średnica około 1,13 mm) przewiezie 4 A. Przy prądzie 10 A potrzeba więc około 2,5 mm², czyli średnicy blisko 1,8 mm.

I tu pojawia się konflikt, którego nie da się obejść. Żłobek stojana ma ustaloną powierzchnię, a w niego trzeba zmieścić liczbę zwojów z punktu 3 razy przekrój drutu z tego punktu. Jeśli iloczyn wychodzi większy niż żłobek, coś musi ustąpić.

Realny współczynnik wypełnienia przy nawijaniu ręcznym drutem okrągłym to 0,3–0,4 — czyli miedź zajmuje najwyżej dwie piąte powierzchni żłobka. Reszta to emalia, izolacja żłobkowa i powietrze między okrągłymi przekrojami, którego nie da się usunąć. Nawijarka i drut profilowy dochodzą wyżej, ale to nie jest sprzęt z warsztatu domowego.

Gdy iloczyn nie wchodzi, masz cztery wyjścia i wszystkie coś kosztują:

Sprawdzenie po fakcie jest banalne: uzwojenie, które po godzinie pracy pod obciążeniem jest za gorące, żeby trzymać na nim rękę, ma za cienki drut. Emalia klasy H wytrzymuje więcej, ale klej mocujący magnesy i sam magnes neodymowy — niekoniecznie.

5. Kierunek nawijania i kolejność faz

Kierunek nawijania kolejnych cewek jednej fazy nie jest dowolny. Sąsiednie cewki muszą być nawinięte przeciwnie, bo pod nimi przechodzą naprzemiennie bieguny N i S. Nawinięte zgodnie — napięcia się odejmą zamiast dodać, i faza da w skrajnym przypadku zero.

Jest to dokładnie to samo, co przy naprzemiennym układzie biegunów na wirniku opisanym w doborze magnesów. Błąd w jednej cewce wycina jej udział i widać go od razu na napięciu fazy.

W praktyce nie odwraca się kierunku nawijania — nawija się wszystkie cewki tak samo, a zmienia kierunek połączenia przy przechodzeniu z cewki na cewkę: koniec jednej łączy się z końcem następnej, potem początek z początkiem, i tak na przemian. Wychodzi na to samo, a jest znacznie mniej okazji do pomyłki.

Kolejność faz na stojanie: cewki fazy A, B i C rozkłada się równomiernie po obwodzie, przesunięte o jedną trzecią podziałki biegunowej. Przy dwunastu cewkach na trzy fazy daje to cztery cewki na fazę, rozstawione co trzeci ząb zestawu. Kolejność A–B–C wokół obwodu decyduje o kolejności faz na wyjściu — przy prostowniku mostkowym nie ma to znaczenia, bo mostek prostuje bez względu na kolejność.

Ma to znaczenie tylko wtedy, gdy prądnica miałaby zasilać silnik trójfazowy bezpośrednio — wtedy zamiana dwóch faz miejscami odwraca kierunek obrotu. W wiatraku ładującym akumulator jest to obojętne.

Rzecz, o której łatwo zapomnieć przy nawijaniu: opisuj końcówki na bieżąco. Sześć wystających drutów po dwóch wieczorach pracy wygląda identycznie, a rozplątanie ich miernikiem zajmuje więcej czasu niż naklejenie sześciu kawałków taśmy z literami.

6. Impregnacja i mocowanie końcówek

Uzwojenie w prądnicy wiatrakowej pracuje w warunkach, których nie miało w pralce: drga, zmienia temperaturę kilkanaście razy na dobę i stoi w wilgoci. Trzy rzeczy, które je zabijają, w kolejności częstotliwości.

Przetarcie emalii o krawędź żłobka. Blachy stojana mają ostre krawędzie po wykrojeniu, a drut pod obciążeniem elektrodynamicznym drga. Emalia ściera się, drut dotyka blachy i uzwojenie idzie na masę. Zapobiega się temu izolacją żłobkową — wkładką z folii izolacyjnej włożoną w żłobek przed nawijaniem. Nie pomija się jej nigdy, także przy napięciach kilkunastu woltów, bo zwarcie do masy nie zależy od napięcia, tylko od kontaktu.

Drganie cewek jako całości. Nawet dobrze ułożone uzwojenie luzuje się po kilkuset godzinach. Rozwiązaniem jest impregnacja: nasączenie gotowego uzwojenia lakierem elektroizolacyjnym, który po utwardzeniu wiąże zwoje w jeden blok. Domowa wersja — zalanie żywicą epoksydową — działa, ale utrudnia późniejszą naprawę i przewodzi ciepło gorzej od lakierów przeznaczonych do tego celu.

Wyrwanie końcówki. Cienki drut emaliowany wyprowadzony bezpośrednio na zewnątrz obudowy ułamie się przy pierwszym szarpnięciu — nie w miejscu zgięcia, tylko u nasady, w cewce, gdzie naprawa oznacza przewinięcie od nowa. Końcówki uzwojenia lutuje się do przewodów giętkich w izolacji jeszcze wewnątrz stojana, a złącze zabezpiecza koszulką termokurczliwą i mocuje do korpusu opaską. Na zewnątrz wychodzi wtedy przewód linkowy, nie emaliowana miedź.

Przy okazji impregnacji: nie polewaj lakierem magnesów. Rozpuszczalniki zawarte w niektórych lakierach naruszają klej, a każde uszkodzenie powłoki Ni-Cu-Ni otwiera drogę korozji, o czym szerzej przy doborze magnesów. Impregnuje się sam stojan, przed montażem wirnika.

7. Pomiar po przewinięciu: rezystancja faz, symetria, zwarcie do masy

Cztery pomiary, wszystkie zwykłym multimetrem, wszystkie przed pierwszym uruchomieniem. Kolejność ma znaczenie — ostatni robi się dopiero, gdy trzy pierwsze wyszły.

Pomiar 1: ciągłość każdej fazy.

Miernik na zakres rezystancji, między początkiem a końcem każdej z trzech faz. Wynik powinien być skończony i niewielki — rzędu ułamków do kilkunastu omów, zależnie od liczby zwojów i przekroju. Nieskończoność oznacza przerwę w uzwojeniu, zero — zwarcie międzyzwojowe albo błąd pomiaru na zbyt grubym drucie.

Pomiar 2: symetria faz.

Trzy rezystancje z pomiaru pierwszego porównaj między sobą. Powinny być praktycznie równe — rozrzut kilku procent to normalna różnica wynikająca z długości połączeń międzycewkowych. Różnica rzędu kilkunastu procent i więcej oznacza, że jedna faza ma inną liczbę zwojów albo inny przekrój drutu.

Niesymetryczne fazy dają niesymetryczne napięcia, a to obciąża prostownik nierównomiernie i wprowadza tętnienie, którego regulator nie lubi. Przy dużej różnicy prądnica potrafi też wpaść w drgania mechaniczne — nierównomierny moment hamujący działa jak niewyważenie.

Pomiar rezystancji zwykłym multimetrem przy wartościach poniżej jednego oma jest niedokładny, bo rezystancja samych sond jest tego samego rzędu. Zmierz sondy zwarte ze sobą i odejmij ten wynik od każdego pomiaru — to wystarcza do oceny symetrii, choć nie do wartości bezwzględnej.

Pomiar 3: zwarcie do masy.

Miernik na najwyższy zakres rezystancji, jedna sonda na końcówkę fazy, druga na pakiet blach stojana. Wynik ma być nieskończony, dla każdej z trzech faz osobno. Jakakolwiek zmierzona wartość oznacza kontakt drutu z żelazem — przetartą emalię, brak izolacji żłobkowej albo drut zaciśnięty przy montażu.

Multimetr sprawdza to napięciem kilku woltów. Przebicie, które przy tym napięciu nie występuje, może pojawić się przy napięciu roboczym pod obciążeniem — miernik izolacji dałby pewniejszą odpowiedź, ale nie jest to sprzęt, który stoi w każdym warsztacie. Wynik nieskończony multimetrem jest warunkiem koniecznym, nie wystarczającym.

Pomiar 4: napięcie przy znanych obrotach.

Dopiero teraz, po zmontowaniu wirnika. Zakręć wirnikiem ze znaną prędkością i zmierz napięcie na fazie i między fazami, w obu przypadkach na zakresie AC, bez obciążenia.

Sprawdzian jest arytmetyczny: przy połączeniu w gwiazdę napięcie międzyfazowe powinno wyjść około 1,73 raza wyższe od fazowego. Jeśli wychodzi tyle samo — masz trójkąt, choć chciałeś gwiazdę. Jeśli wychodzi mniej niż fazowe — jedna z cewek jest połączona odwrotnie i odejmuje się od pozostałych.

Wartość zmierzoną porównaj z tą, którą planowałeś w punkcie 3. Rozbieżność rzędu kilkunastu procent jest normalna — cewka próbna była nawinięta na jednym zębie i nie uwzględniała rozkładu uzwojenia. Rozbieżność dwukrotna oznacza błąd w rachunku albo w liczbie zwojów.

I ostatnia rzecz, o której warto pamiętać przy interpretacji tego pomiaru: napięcie bez obciążenia zawsze jest wyższe od roboczego. Pod prądem spadnie o iloczyn prądu i rezystancji uzwojenia, a przy prostowniku — dodatkowo o spadek na dwóch diodach. To jest dokładnie ten sam mechanizm, który sprawia, że alternator pokazujący 62 V bez obciążenia ładuje akumulator napięciem 14 V — rachunek z tego przypadku rozpisałem na stronie o mocy z alternatora.

Podsumowanie w czterech zdaniach

Magnesy do wirnika — wymiary, klasy i wartości indukcji — są w katalogu magnesów neodymowych płytkowych i w sklepie dhit.pl.