Источник

Без электричества невозможен современный мир в том виде, который мы знаем. При
этом для выработки электроэнергии используют генераторы различных конструкций. Правда каждый, кто сталкивался с этой темой, при слове «электрогенератор» представляет себе достаточно тяжёлое и объёмное устройство. Эффективная работа генератора неразрывно связана с совершением высокочастотной работы, но не всегда это обязательно, так как есть более интересная альтернатива…

Но для начала отметим вот что: генератор является обратимой электрической машиной. Это означает, что при прикладывании к нему усилия он вырабатывает электроэнергию. В обратном случае, если подавать на генератор электроэнергию, он выступает в роли двигателя, то есть совершает работу.

Проблемой здесь является то, что если для генерации электроэнергии мы используем имеющийся под рукой электродвигатель, то нам придётся вращать его с достаточно высокой скоростью, так как электродвигатели являются высокооборотистыми устройствами. Найти источник соответствующего высокочастотного вращения, который можно было бы применить для совершения этой работы, — сама по себе нетривиальная задача. Он должен быть достаточно быстрым, чтобы вращать генератор с большой скоростью, или достаточно мощным, чтобы приводить в действие промежуточный редуктор, который бы вращал генератор с большой скоростью.

Чтобы решить эту проблему, желательно в качестве генератора использовать специализированные устройства, одним из которых может быть конструкция так называемого плоского, дискового или ещё его называют «аксиального» генератора.

Картинка ligen.ru

Такая конструкция позволяет создавать миниатюрные генерирующие устройства.

Благодаря многополюсной конструкции ротора, собранного на мощных постоянных неодимовых магнитах, генератор может выдавать достаточно высокое напряжение даже при небольших оборотах (зависит от конкретной конструкции).

Ещё одним очевидным плюсом такой конструкции является отсутствие щёточно-коллекторного узла:

Картинка brushmotor.ru

Это многократно повышает надёжность конструкции и её долговечность. При использовании же в конструкции генератора магнитов, изготовленных из современных неодимовых сплавов, наподобие N52, мощность такого генератора может быть весьма существенной.

Ещё одной привлекательной стороной подобного генератора является то, что многие самодельщики изготавливают его, не используя в составе катушек сердечники. Это делает конструкцию устройства намного проще, но снижает эффективность, так как ещё во времена первых открытий в области электродвигателей было обнаружено, что применение в катушках с протекающим током центрального сердечника усиливает эффективность системы.

Однако в этой конструкции генератора можно решить проблему, используя более толстые неодимовые магниты и увеличивая их количество (по сравнению с тем, которое бы потребовалось, если бы катушки содержали сердечники).

С конструктивной точки зрения генератор представляет собой магниты на роторе, расположенные с чередованием полюсов. Обмотки, располагающиеся напротив магнитов, изготовлены с чередованием направления намотки провода в них.

Здесь возможен целый ряд вариантов сборки подобного генератора:



Как можно видеть на картинках выше, обмотки выполнены в виде вытянутых овалов или, можно даже сказать, яйца. Это связано с тем, что для увеличения эффективности необходимо стремиться к вытянутой форме обмоток, так как именно в этом случае магнитное поле будет растянуто и максимально перпендикулярно виткам в обмотках (если сказать совсем просто – площадь взаимодействия витка и магнитного поля – максимальна).

В идеале нужно стремиться к такому виду конфигурации катушек, чтобы часть катушки, которая перекрывает магниты, во время движения была прямой формы:

Картинка home.onego.ru

Однако ввиду сложности создания подобных катушек многие отходят от этой формы и мотают яйцеобразные или даже круглые катушки. Мы же о них особо говорить не будем, так как изучаем вариант максимальной эффективности.

Соответственно, нужно стремиться также и к вытянутой форме магнитов, поэтому имеет смысл покупать неодимовые магниты в виде прямоугольников. Кстати, здесь существует интересный лайфхак: покупка магнитов поодиночке может обойтись в достаточно кругленькую сумму, однако есть другой вариант — купить колесо гироскутера на известном китайском сайте. Дело в том, что каждое подобное колесо содержит в себе порядка 30 магнитов размером 30х12х2,8 мм при стоимости самого колеса порядка 2200 рублей. Таким образом, каждый магнит обойдётся примерно в 73 рубля. Дешевле подобного размера магниты вряд ли удастся добыть.

Если говорить о расположении магнитов на роторе, то их обычно подбирают таким образом, чтобы между ними оставалось расстояние в половину магнита.

По поводу количества катушек и количества магнитов следует знать следующее. Если обмотки содержат сердечник, то для борьбы с так называемым «эффектом залипания», который заключается в торможении ротора, когда его магниты находятся напротив сердечников катушек, соотношение количества магнитов и катушек подбирают так, чтобы их количество было друг другу не равно.

Кстати, говоря об эффекте «залипания», нельзя не отметить, что здесь хорошо проявляют себя как раз катушки без сердечников: такой генератор легко стартует при подключении к нему нагрузки — крутиться ему становится сложнее, но он уже набрал скорость и это не так страшно.

Есть пара хороших таблиц, которые наглядно иллюстрируют соотношение магнитов и катушек для однофазного варианта:

Картинка imlab.narod.ru

И трёхфазного:

Картинка imlab.narod.ru

Классическое же соотношение (в простейшем случае) составляет два к трём.

Если же генератор не содержит сердечников в катушках, то в принципе можно руководствоваться теми же таблицами, что и выше, но нужно иметь в виду, что для варианта без сердечников эффект залипания достаточно слабо выражен и практически не является проблемой.

В таком случае даже можно собрать генератор, у которого количество магнитов будет соответствовать количеству катушек, однако при этом следует учитывать, что подобное приведёт к снижению мощности генератора относительно той, которая теоретически могла бы быть в этих же габаритах.

Кстати говоря, выше мы уже упомянули о возможности создания генераторов по однофазной и трёхфазной схеме. Однофазная существенно проще:

Картинка home.onego.ru

Ввиду её простоты она пользуется популярностью, её результаты весьма наглядны и хорошо работают:

Но проблемой однофазной схемы является то, что при работе происходит резкая чередующаяся смена увеличения нагрузки на ротор (когда магниты находятся напротив катушек и на них воздействует поле катушек) и её спада.

Соответственно, если реализуется конструкция генератора, где использованы катушки с сердечниками, это вызывает сильные вибрации. Если же реализована конструкция без сердечников, работа подобного однофазного генератора приводит к гудению при работе.

Эта проблема практически полностью нивелируется в трёхфазном генераторе, так как в нём во время работы происходит пропорциональное уменьшение сопротивления одной фазы с параллельно пропорциональным ростом другой.

Кстати говоря, как можно заметить из видео выше, для крепления магнитов однофазного генератора использованы деревянные диски, то есть немагнитопроводные. Для повышения эффективности системы рекомендуют всё-таки использовать металлические диски, к которым можно примагнитить неодимовые магниты, а затем укрепить их ещё прочнее — залить эпоксидкой и т. д. То есть чтобы диски обладали магнитными свойствами, так как это повысит эффективность всей системы. Причём это относится как к однофазному, так и к трёхфазному генератору.

Говоря о схемах соединения трёхфазного генератора, на этот счёт имеется хорошая картинка, где показаны возможные соединения по типу звезды и по типу треугольника в аксиальном генераторе:

Картинка e-veterok.ru

По поводу максимально возможной толщины катушек: нужно стремиться к тому, чтобы толщина катушек соответствовала толщине магнитов, так как это позволит выходящему из магнитов полю максимально пронизывать катушки, задействуя в них все витки.

Есть любопытная конструкция, где пронизывающее поле использовано весьма своеобразным образом. Магниты установлены одинаковыми полюсами друг к другу, что приводит к эффекту выталкивания поля наружу, где оно уже и воздействует на катушки:

Подобного типа генераторы довольно часто используются любителями ветроэнергетики, которые делают на их основе разнообразные ветряки.

Для желающих произвести расчёт собственного генератора вот здесь имеется достаточно подробная методика.

Говоря же о некоторых цифровых показателях такого генератора, по ссылке выше приводится расчётный генератор на базе магнитов 40х15х10, состоящий из 9 катушек по 100 витков каждая, намотанных проводом сечением 1 мм. Он может выдавать при 300 об/мин (то есть, весьма тихоходный) 12V и 3,3 А.

В общем случае эффективность генератора зависит от:

  • скорости чередования полюсов магнитов, то есть от оборотов и количества магнитов,
  • выходного напряжения и сопротивления обмоток статора. Здесь имеется в виду, что для повышения напряжения приходится увеличивать количество обмоток, что увеличивает их сопротивление и уменьшает возможный пропускаемый ток.

Так как автор этого рассказа и сам вынашивает идею постройки мини-генератора на базе компактного и мощного бензинового двигателя от триммера для стрижки газонов (для экономичности 4-тактного), то по указанной выше методике был произведён грубый подсчёт мощности будущего генератора. Результаты, прямо скажем, впечатляющие: при 9500 об/мин (у бензодвигателя по паспорту), 8 магнитах размером 20х10х10мм и диаметре генератора не более 80 мм, выходная мощность на указанных оборотах составит 1,12 кВт! Этот расчёт довольно грубый, но даёт понимание порядка цифр… Покупных 4-тактных генераторов с такими характеристиками просто нет (есть 2-тактные, но это не то, неэкономично).

В процессе осмысления всей этой темы у автора статьи появилась пара довольно странных мыслей (хотя, кто знает?!):

  1. По поводу увеличения скорости производства подобных генераторов. Можно попробовать использовать ту же лазерную резку, изготавливая многослойные бутерброды из токопроводящих и изолирующих слоёв. Тогда, если не использовать обмотку, можно было бы весьма легко изготавливать массово подобного типа генераторы, в которых катушки (т. е. в этом случае уже слои, а не катушки как таковые), расположены оптимально: под прямым углом к проходящим магнитам, как и проиллюстрировано в анимированной картинке, которая содержится в статье выше. Подобных слоёв можно было бы использовать весьма ограниченное количество (т. е. их не нужно много, в отличие от обмоток), что, соответственно, привело бы к довольно низкому выходному напряжению, но высокому возможному выходному току. Для повышения выходного напряжения до необходимого потребителям можно было бы использовать внешние электронные блоки наподобие тех, которые используются автомобилистами для получения напряжения в 220 вольт на борту автомобиля через подключение к аккумулятору авто.
  2. В порядке технического бреда. А насколько нужны обмотки в генераторах как таковые? Ведь создание их довольно трудоёмкий процесс… Возможно, на данный момент существует или может быть разработан способ создания токопроводящих слоёв внутри вещества с помощью некой соответствующей ЧПУ-обработки… Почему вообще появилась эта мысль: некоторые из читателей наверняка сталкивались с таким видом сувенирной продукции, которая представляет собой хрустальную фигуру (шар, куб и т. д.), внутри которой с помощью сфокусированного лазера создаются трёхмерные фигуры:

Картинка ru.made-in-china.com

А что, если использовать некое проникающее излучение, например электронно-лучевой способ, с помощью которого прямо внутри вещества сфокусированным лучом создавать трёхмерные структуры, где токопроводящие слои перемежаются с изолирующими (например, изолирующие получаются с помощью испарения вещества и перевода его в другое состояние). Теоретически использование электронно-лучевой системы для этого может производить процесс на очень высоких скоростях!

И на выходе мы имеем тот же самый генератор, с теми же самыми «обмотками», только они созданы с использованием модного ныне словосочетания «на иных физических принципах» :-) И весьма быстро созданы, если сравнивать с классической намоткой!

Однако это только идея, и было бы интересно послушать в комментариях тех, кто обладает большей информацией по этому вопросу или просто готов высказаться.

Завершая рассказ, хочется сказать, что рассмотренная в статье конструкция генератора плоского типа теоретически годится не только для создания ветрогенераторов. На основе такого устройства возможно создать лёгкий переносной генератор, который займёт нишу между тяжёлыми стандартными «сундуками»-генераторами и мощными пауэрбанками. Так как довольно часто в жизни бывают ситуации, когда мощность стандартных генераторов излишня и их размеры не способствуют транспортабельности. В свою очередь, мощность пауэрбанков недостаточна и требуется нечто среднее мощностью не более 200-300 Вт, что позволит: зарядить электровелосипед в поле, осветить походный лагерь, зарядить пачку смартфонов, подключить ноутбук (всё это поочерёдно). Особенно сильно проблема усугубляется, если для перемещения не используется автомобиль и невозможно взять с собой генератор стандартного типа.

Например, такой генератор «переходной модели» мог бы быть создан на базе маленького 4-тактного бензинового двигателя (для экономичности и условно малой шумности по сравнению с 2-тактным).

Если использовать бензиновый двигатель в качестве привода, на него придётся установить ещё две подсистемы:

  • автоматический регулятор напряжения (AVR) для бензогенераторов, который выглядит примерно так:



Покупные регуляторы напряжения обычно не лучшего качества, но есть неплохой мануал, как «прокачать» этот элемент:

  • автоматический регулятор оборотов. Исторически регуляторы оборотов были центробежными и выглядели примерно так:


Картинка wikipedia.org

В настоящее время применяются различные потомки этого устройства (даже если они и выглядят несколько иначе). Однако сейчас видится нецелесообразным «городить» подобную механическую систему — гораздо проще поставить микроконтроллер (ардуино), датчик Холла, магнитик на вал, сервопривод (чтобы дёргать газ). Причём систему можно упростить: установить датчик Холла поблизости от уже имеющихся магнитов генератора и в зависимости от оборотов вала добавлять или убавлять подачу топлива.

Нишу подобных «переходных по мощности» устройств всячески пытаются заткнуть разнообразными приборами, наподобие теплогенераторов на базе элементов Пельтье, маленьких солнечных батарей, однако, на взгляд автора статьи, всё это «детский лепет» и проблема ещё ждёт своего решения…

RUVDS | Community в telegram и уютный чат

Комментарии (33)


  1. aamonster
    20.10.2022 12:18
    +9

    Не вижу в статье КПД. Без этого, извините, говорить не о чем.
    (собственно, неспроста же схема, про которую вы говорите, не особо используется, в отличие от "обычных" генераторов)


    1. DAN_SEA Автор
      20.10.2022 12:41

      Вопрос очень интересный. Я пытался найти на него ответ, но немного с другой стороны, т.к. очевидным преимуществом, с моей точки зрения, является его компактность - соответственно, широкие возможности использования в мобильных устройствах.

      Я пытался найти сравнительный анализ такого типа генератора и обычного типа. Но пока мне это не удалось, так что - вопрос открытый. Но, повторюсь, как бы там ни было, компактность - это сильный плюс, в массе применений.


      1. 104u
        20.10.2022 15:58

        Может быть, проще поискать КПД такого двигателя и сравнить с обычными? Если у него низкий КПД как у двигателя, вряд ли он будет хорош как генератор


        1. Bedal
          20.10.2022 16:08

          аксиальные двигатели вполне использует Мерседес в своих гибридах, да и вообще они всё шире используются.

          В 2019 аксиальное мотор-колесо от Magnax показало КПД от 91 до 96 процентов. Не так и плохо, хотя у "обычных" бывает и больше.


      1. DanilinS
        21.10.2022 13:09

        Не нужно увлекаться сравнительным анализом. Нужно просто взять и измерить.

        И скорее всего будет очень грустно. Любая подобная электрическая машина несет в себе магнитопровод, основная задача которого - сконфигурировать и направить магнитное поле на катушку. Т.е. сконцентрировать максимальный обьем поля на обмотке. При этом любой воздушный зазор считается вредным и его стараются минимизировать. А тут один сплошной воздух.


    1. maeris
      21.10.2022 00:09
      +2

      Раньше CADов не было, как и датчиков Холла, и аксиальные электродвигатели не прижились. Но такая компоновка не хуже, просто другая. Теперь пытаются нагнать.

      Уже есть довольно интересные начинания вроде coreless axial flux motor, где магнитопроводов нет, обмотки пересекаются, сделаны из litz wire и запрессованы, а магниты собраны в Halbach array. У них (по заявлениям производителей, конечно) самая высокая мощность на единицу массы и объёма из всех типов двигателей.

      Штука пока непопулярная, правильная картинка не находится, но идея где-то такая:


      1. aamonster
        21.10.2022 01:18

        Угу. Но это двигатели (тут выше товарищ сослался на мотор-колесо с отличным КПД). А вот про генераторы слышать не доводилось.


        1. Tomasina
          21.10.2022 08:09
          +1

          Они же обратимы.


          1. aamonster
            21.10.2022 08:37
            +2

            Это не означает одинаковый КПД в режимах двигателя и генератора.


            1. DanilinS
              21.10.2022 12:55

              Особенно если сравнивать КПД промышленного мотора с тщательно просчитанной формой и величиной магнитного потока и самоделки с магнитной системой "на глазок".


              1. aamonster
                21.10.2022 14:23
                +2

                Это само собой, но речь не об этом, а о том, что если у двигателя КПД 95% – это не значит, что и в режиме генератора он выдаст такой же КПД.


  1. mikkrob
    20.10.2022 12:52
    +4

    Возможно, на данный момент существует или может быть разработан способ создания токопроводящих слоёв внутри вещества

    Многослойные печатные платы существуют довольно давно


    1. DAN_SEA Автор
      20.10.2022 13:38

      Только многослойные платы не создаются "из единого куска вещества, только лучевым воздействием" ;-)


      1. aamonster
        20.10.2022 14:51
        +5

        Воспринимайте это как намёк: если печатные платы не имеет смысла делать "из единого куска вещества, только лучевым воздействием" – то силовые обмотки тем более.


      1. maeris
        21.10.2022 00:12
        +1

        Зато на ютубе легко находятся видео, где axial flow motor делают из печатной платы.


  1. staticmain
    20.10.2022 13:36
    +12

     купить колесо гироскутера на известном китайском сайте

    А не получается так, что эффективность разобранного колеса была выше, чем полученный продукт?


  1. alexhott
    20.10.2022 13:56
    +5

    Плоские генераторы про которые автор пишет в статье используют только в самодельных ветряках и катушку делают без сердечника чтобы избавиться от эффекта залипания, когда при слабом ветре ветряк не крутится. Такую конструкцию сделать проще чем классический генератор с корпусом статора и ротором.
    По эффективности эти генераторы уступают классическим.


    1. aamonster
      20.10.2022 14:49
      +1

      По эффективности эти генераторы уступают классическим.

      А в числах информация есть? Скажем, достижимый КПД такого генератора и классического.


      1. alexhott
        20.10.2022 15:33
        +3

        в числах не встречал, да и как их сравнить, конструкция слишком разная. По весу меди? магнитов? стоимости? возможности сделать дома?
        В начале статьи как раз есть про положение магнитов относительно катушек. Половина катушки не используется по сути.
        Если сильно хочется без залипания то лучше посмотреть в сторону конструкций типа https://yaforyou.ru/?q=coreless motor .


        1. agalakhov
          20.10.2022 17:41
          +2

          Сделать два генератора в условиях обычной механической мастерской с токарным станком и сравнить вырабанную энергию при равной работе вращения ротора.


  1. agalakhov
    20.10.2022 17:39
    +4

    Электронный луч очень плохо куда-либо проникает по сравнению с другими видами излучения. И вызывает подзарядку поверхности (обычно с положительным знаком из-за вторичных электронов), сильно затрудняя работу. Лучше использовать другие методы.


    Картинки в объеме лазером получаются не просто за счет возможности фокусировать лазер, а за счет того, что влияние мощного лазерного луча отличается от влияния слабого. В фокусе происходит нелинейный пробой, а в несфокусированном луче пробоя нет. Электронные и им подобные пучки не имеют такого скачка во влиянии при разумном диапазоне энергий, а дальше идут уже ядерные реакции.


  1. johnfound
    20.10.2022 19:03
    +3

    Такая конструкция когда-то считалась очень перспективной для серводвигателей из за ее большого крутящего момента на низких скоростях вращения. Я читал о таком примерно в 80-ых годах 20-го века.


    КПД конечно меньше из-за отсутствия магнитопроводов внутри катушек. Чтобы его увеличить, катушки должны быть максимально плоскими. Поэтому их делали спиральными на печатных платах. Возможно двухслойными но не больше. И текстолит должен быть тонким. Кстати, охлаждение у таких катушек намного лучше чем у круглой проволоки, и поэтому и дорожки выдерживают намного больше тока.


    Делать генераторы на объемных катушках без магнитопровода однозначно угробит КПД генератора/двигателя. Но с другой стороны – почему бы и не сделать магнитопровод? Конструкция у него несложная, материалы доступные.


    1. maeris
      21.10.2022 00:14
      +1

      И получится Lynch motor.


  1. iShrimp
    20.10.2022 19:43
    +2

    Уважаемый автор, не забрасывайте идею линейного двигателя! Если ДВС работает только на генерацию электричества, то вращающийся коленвал вообще не нужен.

    По поводу компактного генератора рекомендую вот эту недавнюю статью от ИТМО, там описан интересный вариант изготовления ротора.

    Интересно, что лучше в плане "цена-эффективность": 2 диска с магнитами и 1 диск с катушками, или наоборот, 1 и 2.


    1. DAN_SEA Автор
      20.10.2022 20:47

      Спасибо за ссылку! Видел эту статью - не добрался её прочитать. Теперь точно прочитаю :-)


  1. fizikdaos
    21.10.2022 00:00

    Сами же пишете, что генератор является обратимой машиной... Если задача не поупражняться в электрических машинах, то лучше купить готовый авиамодельный бесколлекторный мотор - по сути трехфазный генератор, мощности там от десятков Вт до нескольких кВт, цена разумная, и там уже обо всем подумали и оптимизировали, особенно вес.


    1. DAN_SEA Автор
      21.10.2022 00:04

      Не всё так просто: проводили в сети тест с одним из мощных авиамодельных 3-х фазных двигателей. Он показал себя "одним из худших" :-)

      P.S. Здесь просто вся суть затеи не в том, чтобы "быстро крутить и получать электричество" - а медленно крутить и получать его же. Ибо медленно крутить - куда проще, чем быстро. И редуктор не надо никакой. Просто медленно крутишь (плоский генератор) и у тебя "куча" электроэнергии :-)


      1. Andy_Big
        21.10.2022 03:55

        Быстро крути или медленно, а на выходе будет ровно столько энергии сколько ты вложил в кручение, помноженной на КПД. Поэтому "выходная мощность на указанных оборотах составит 1,12 кВт! " на мелком 4-тактном дырчике от газонокосилки - это очень вряд ли :)

        И у нормальных редукторов, кстати, КПД довольно высок.


      1. fizikdaos
        21.10.2022 09:41
        +1

        Эксперимент уровня покрутим пальцами- че-то не горит. Нужны низкие рабочие обороты - смотрите квадрокоптерные моторы, они многополюсные, блинчиками, разаработаны специально для большого момента на валу. У моторов всегда указывают параметр KV - это сколько оборотов в минуту надо крутить для получения 1В на обмотках.


  1. OptimumOption
    21.10.2022 08:18
    +1

    "... Дешевле подобного размера магниты вряд ли удастся добыть..." - в рознице "с рук" цена 60р за штуку, без всяких танцев с отковыриванием магнитов от колеса, на али - 500р за 20шт


  1. Uadance
    21.10.2022 08:50
    +2

    "Купить колесо гироскутера..." Если у вас есть колесо гироскутера (которое как раз не очень быстро вращается), то нафига изобретать велосипед, если у вас уже готовый генератор? Просто чем больше 'самодельничества', то, как правило, ниже КПД, и наоборот, чем больше 'готовых заводских компонентов', то тем оно выше...


  1. nul0
    21.10.2022 19:50

    "Обычные" генераторы чаще используют безщеточные.

    У обычных безщеточных генераторов легко поддерживать стабильное выходное напряжение во всем диапазоне нагрузки.


  1. wmgeek
    22.10.2022 10:08

    С целью зарядить устройство идеальные варианты давно придуманы https://www.shj-electronic.com/products/191.html но то что они оптимизированы для военных и до современного usb-c pd3 неадаптированы, становится неудобным. Пластиковые игрушки с крутилкой, настольные или педальные негерметичные конструкции интереса не вызывают. Даешь "солдат-мотор" на 30Вт констрикции аля SHJ-SD65W со встроенным USB-C.