Особенность генератора состоит в том, что в отличие от магнитных роторов существующих конструкций с чередующимися полюсами разной полярности, в предлагаемой конструкции верхние полюсные наконечники имеют одну полярность, а нижние — противоположную. Такая конструкция кроме своей простоты сводит к минимуму замыкание магнитных силовых линий между полюсами по воздуху. Для получения однофазного переменного напряжения каждый полюс статора состоит из двух катушек, т.е. количество пар полюсов статора в два раза больше, чем у ротора. В состоянии покоя насыщена магнитным потоком одна половина сердечников катушек, а вторая половина сердечников, расположенных между ними, не имеет магнитного потока. Когда ротор начинает вращаться, его полюсные наконечники подходят к ненасыщенной половине и возбуждают в них ЭДС, например, положительной полярности, а в первой половине магнитный поток, убывая естественным путем через воздушное пространство, возбуждает ЭДС отрицательной полярности. Соединив между собой начала этих катушек, на их концах получим один период синусоидального напряжения. Это же происходит в остальных парах катушек. Соединив все пары катушек синфазно, получим суммарное напряжение генератора. Это подтверждают проведенные измерения.

Для изготовления действующей модели генератора использовано два чугунных маховика от магнитофона, в которых с помощью ножовки вырезано по восемь зубцов. Нижний маховик используется со штатным валом и стаканом, в котором он вращается. Верхний маховик снят со своего вала и надет на верхний конец вала нижнего маховика, чем обеспечивается их соосность. Между зубчатыми маховиками закреплены на клею два кольцевых магнита от динамических головок 6ГД-2. В качестве основания использовано два соединенных между собой силуминовых маховика от других магнитофонов. Диаметр основания должен быть на 5…6 мм меньше диаметра маховиков, из которых изготовлены полюсные наконечники ротора, что необходимо для установки соответствующих зазоров между полюсами ротора и статора.

Сердечники статора (16 шт.) собраны из прямоугольных пластин — перемычек от силовых трансформаторов. Сердечник имеет размеры 10x17x95 мм. На сердечниках выполнена бескаркасная намотка катушек проводом ПЭВ-2 диаметром 0,8 мм в количестве по 220 витков (первый слой — 31 виток, последний, восьмой, слой — 24 витка). Перед намоткой провода нижние концы пластин сердечников скреплены двумя уголками из мягкой стали толщиной 2 мм и двумя винтами с гайками М4 так, чтобы между ними и краями уголков разместились три отверстия для крепления сердечников к силуминовому основанию. Среднее отверстие с резьбой М4 предназначено для упорного винта, а два крайних отверстия диаметром 4,1 мм — для крепежных винтов М4. Все отверстия сверлят по шаблону, а все сердечники пронумеровывают и на основании намечают место первого сердечника.

После этого приступают к креплению сердечников к силуминовому основанию генератора, на котором уже должен быть установлен ротор. Первый сердечник приставляют к магнитным полюсам и, в обозначенном для него месте, на основании сверлят нижнее отверстие диаметром 3,3 мм и нарезают резьбу М4. После этого сердечник слегка закрепляют винтом, корректируют его положение по полюсам ротора, намечают, сверлят и нарезают резьбу в верхнем отверстии. После этого сердечник закрепляют притянутым к полюсам ротора. Так же крепят третий сердечник, затем строго посредине между ними крепят второй сердечник. После этого первый и третий сердечники с помощью упорных винтов и путем постепенного отпускания крепежных винтов отводят от полюсов ротора. Ротор проворачивают на один шаг и устанавливают против второго сердечника, который притягивается к полюсам ротора и ориентирует его в таком положении, после чего крепят четвертый сердечник. Таким образом, поочередно закрепляют остальные сердечники с четными номерами. Затем все четные сердечники снимают, а ротор переводят своими полюсами к 1 и 3 сердечникам, упорные винты отпускают до притягивания этих сердечников к полюсам ротора для его фиксации, после чего крепят остальные сердечники с нечетными номерами.

После этого сердечники снимают и производят намотку провода. Во избежание замыкания провода на корпус, необходимо углы сердечников закруглить напильником, а место намотки заизолировать. Каждый слой обмотки промазывают клеем 88.

Начало и конец обмотки закрепляют полосками стеклоткани и клеем. Последний слой обмотки изолируют клейкой лентой.

После намотки сердечники с обмотками закрепляют на основании генератора в пронумерованном порядке. При установке каждого сердечника между полюсами вначале вставляют полоски прессшпана толщиной 0,2…0,3 мм. После одинаковой затяжки крепежных винтов, убедившись, что обе полоски прессшпана плотно прижаты к полюсам ротора, крепежные винты отпускают на 1/2 оборота, а упорный винт закручивают полностью, увеличивая зазоры, после чего полоски прессшпана вынимают. После установки всех сердечников ротор генератора должен вращаться, не касаясь сердечников. Концы каждой пары катушек соединяют между собой, а начала катушек соединяют синфазно с соседними парами. На начале первой и последней пар катушек будет суммарное напряжение при вращении ротора.

В заключение необходимо отметить, что описанная технология годится для генераторов любой мощности, но описанная конструкция при малых оборотах вырабатывает мощность около 10 Вт и является экспериментальной для подтверждения верности теоретических решений.

Проанализировав часть разнообразных конструкций генераторов, опубликованных в журналах и литературе, пришел к выводу, что изготовить их без большого объема точных токарных и слесарных работ невозможно. Учитывая это и выше приведенные соображения, автором была разработана конструкция и изготовлена действующая модель генератора, вырабатывающего однофазное синусоидальное напряжение 1 5 В при скорости вращения ротора около 100 об/мин.

При разработке преследовалась цель создать простую технологичную конструкцию, доступную для изготовления даже любителями в домашних условиях.

В результате ряда экспериментов была разработана конструкция генератора, состоящая из ротора и статора. Ротор представляет собой кольцевой постоянный магнит или систему магнитов с зубчатыми полюсными наконечниками. Статор представляет собой ряд вертикальных катушек на сердечниках из прямоугольных пластин трансформаторной стали, закрепленных на цилиндрическом основании тремя винтами, позволяющими простым путем устанавливать необходимые зазоры между полюсными наконечниками ротора и статора.

На З обозначены:

1 — полюсные наконечники ротора;

2 — кольцевые магниты;

3 — сердечник статора;

4 — катушка;

5 — хомут сердечника.

Одна из разработанных автором конструкций показана на 1.

Для маломощных дачных ветрогенераторов вал ветродвигателя может служить мачтой, если закрепить его растяжками через радиально-упорные шарикоподшипники, как показано на 2.

На 2 обозначены:

1 — лопасти;

2 — упоры лопастей;

3 — вал-мачта;

4 — растяжки;

5 — подшипники;

6 — генератор.

Для реализации мощности ветродвигателя нужен соответствующий тихоходный электрогенератор, отличающийся от быстроходного большим количеством полюсов. Например, генератор «Днепрогэс 1» имеет 72 полюса, и при скорости 83,3 об/мин вырабатывает переменное напряжение с частотой 50 Гц.

Естественно, тихоходный генератор имеет значительно большие габариты и массу, чем быстроходный. Но учитывая то, что при вертикальном вале он может устанавливаться на земле или под ней, его масса и габариты не играют особой роли, а нйзкие обороты существенно снижают износ вращающихся деталей, что увеличивает срок службы и снижает затраты на техобслуживание и текущие ремонты. Благодаря простоте конструкции, при увеличении мощности, стоимость такого генератора возрастет не столь существенно по отношению к быстроходному. Применение редуктора для повышения оборотов с целью применения более дешевого высокооборотного генератора возможно, но это не снизит общей стоимости конструкции, зато существенно снизит надежность и срок службы, а также увеличит затраты на техобслуживание.

Для достижения максимальной простоты, надежности и минимальных затрат на техобслуживание необходимо, чтобы вал ветродвигателя напрямую соединялся с валом ротора электрогенератора, а скорость вращения при максимальном ветре не превышала 150…200 об/мин. Обмотки генератора должны быть неподвижны, т.е. на полюсах статора, а ротор — из постоянного магнита. Никаких тормозящих, стабилизирующих скорость устройств и обмоток возбуждения не должно быть. Накопление энергии и получение одно или трехфазного напряжения должно осуществляться аккумуляторными батареями и инверторами, управляемыми следящей электронной системой. К такому варианту приходят и производители винтовых ветрогенераторов, так как ветер бывает в основном днем, а вечером и ночью, когда нужен свет, ветер стихает и бывает редко.

Примером может служить винтовой ветрогенератор производства ОАО «Мотор Сич», предназначенный для дачников, фермеров и т.п. Мощность генератора 0,8 кВт. Вместе с аккумуляторными батареями и инвертором он в течение 8 ч выдает мощность 3 кВт при напряжении 220 В/50 Гц. Стоимость такой установки 75 тыс. грн. Нетрудно представить, сколько будет стоить промышленный ветрогенератор большой мощности аналогичной конструкции.

Этих недостатков лишен ветродвигатель с вертикальным валом, имеющий простые, плоские и легкие лопасти, которые при движении против ветра автоматически, без каких-либо дополнительных устройств, становятся по ветру. Ветродвигатель можно снабдить подпружиненными упорами лопастей, которые будут срабатывать при ураганном ветре, вследствие чего лопасти станут по ветру, не создавая ему ощутимого сопротивления. После урагана вал ветродвигателя необходимо провернуть до момента, когда он начнет вращаться под воздействием ветра.

Развитие нетрадиционных методов получения энергии становится все более актуальным в связи с истощением природных ресурсов. При определенных технических решениях наиболее доступным может стать ветроэнергетика.

Основным препятствием широкому внедрению вет- рогенераторов является их высокая стоимость, связанная с тем, что взято направление на использование винтовых ветродвигателей с горизонтальной осью вращения вала.

Винтовые ветрогенераторы имеют следующие основные технико-экономические недостатки:

• сложная и дорогостоящая конструкция винта;

• горизонтальная ось вращения вала требует установки электрогенератора вверху возле винта, что существенно усложняет техобслуживание и увеличивает нагрузку на мачту;

• наличие устройства направления винта на ветер требует вращающихся токосъемных колец, дополнительной механической конструкции (хвоста) или следящей электронной системы;

• наличие гироскопического эффекта, что при резких изменениях направления ветра может привести к поломке вала винта;

• при больших оборотах винта максимально используется энергия ветра, но создается большой уровень шума, из-за чего такие установки нельзя использовать вблизи населенных пунктов, т.е. увеличивается длина ЛЭП до потребителей, а следовательно, стоимость и потери электроэнергии;

• при малых оборотах уровень шума может быть небольшим, но энергия ветра, действующего на круг, описываемый лопастями винта, используется частично, так как часть потока успевает пройти между лопастями;

• при сильном ветре и высоких оборотах винта центробежная сила может оторвать лопасти винта, поэтому нужны тормозные устройства, а это усложнение конструкции и потеря энергии ветра.

Для широкого внедрения ветрогенераторов нужны простые, надежные, недорогие конструкции, лишенные перечисленных выше недостатков.

Такой конструкцией, при соответствующем техническом решении, может быть тихоходный ветрогенератор с вертикальной осью вращения вала.

Теперь выясним, как осуществляется автоматическая регулировка выходного напряжения ветрогенератора. Чем сильнее ветер, тем больше ЭДС ветрогенератора. При этом ШИМ в каждый период сигнала управления увеличивает время открытого состояния силового ключа. Следовательно, среднее значение тока через DAMP RESISTOR R7 также увеличивается. Это приводит к уменьшению напряжения ветрогенератора. Кроме того, при больших значениях тока через R7 происходит большой отбор мощности от генератора, а значит, его притормаживание и уменьшение ЭДС на его выходе.

Практика использования описанного регулятора напряжения показала, что он включается и начинает шунтировать ветрогенератор даже при слабом ветре и небольшом напряжении (около 13 В) на его выходе. Таким образом, этот регулятор напряжения понижает эффективность работы всей схемы. Лишен этого недостатка модернизированный регулятор напряжения, схема которого показана на 8.

Этот регулятор отличается наличием порогового устройства на транзисторах Q2, Q3 и стабилитроне D2.

Потенциометром (Я 7 устанавливается значение порога срабатывания регулятора напряжения равным 14,2 В.

Пороговое устройство работает следующим образом. В цепи базы 02 установлен делитель напряжения Ш 6к 1 7Я1 8, а в цепи эмиттера — параметрический стабилизатор РЮ2. При изменении выходного напряжения, напряжение на эмиттере 02 за счет 02 меняется быстрее, чем на базе. С помощью ІЇ17 режим 02 выбран так, чтобы при выходном напряжении ветрогене-

ратора до 14,2 В транзистор 02, а значит, и 03 были открыты. 03 при этом шунтирует участок база-эмиттер 01, запирая его. Регулятор напряжения будет выключен, и не будет шунтировать выход ветрогенератора. Когда выходное напряжение ветрогенератора превысит порог (14,2 В), 02 и 03 закроются и не будут влиять на работу ключа регулятора напряжения, и он будет работать так, как описано выше.

Детали порогового устройства собраны навесным монтажом с тыльной стороны печатной платы регулятора напряжения. Чертеж этой печатной платы размерами 43×36 мм с расположением деталей регулятора напряжения показан на 9. Разделительный диод D1 и транзисторный ключ расположены на выносном радиаторе, а предохранитель, сама плата, DAMP RESISTOR R7, измерительные приборы, тумблера и этот радиатор — на силовом щите.

Ветрогенератор Aero4gen, аккумулятор 180 Ач и подвесной электромотор RHINO-44 использовались на яхте «Стихия» всю навигацию 2008 года. Яхта «Стихия» базировалась в Киевском городском крейсерском яхт-клубе в заливе Берковщина. Место стоянки защищено от ветров. Поэтому в промежутках между рейсами яхты ветрогенератор, заряжая аккумулятор, не успевал компенсировать его разряд полностью. Поэтому в течение сезона один раз пришлось заряжать аккумулятор на берегу. Поэтому в новом сезоне мы собираемся оснастить яхту кроме ветрогенератора солнечной батареей. О результатах этой работы будет рассказано после окончания навигации 2009 г.