Calcularea tensiunii de ieșire multipolară generatorului electric de joasă viteză, pe baza permanentă

Calcularea tensiunii de ieșire multipolară de viteză redusă
Generatorul electric bazat pe magneți permanenți

Multe motoare și acționări au o viteză redusă. Astfel, de exemplu, are o structură simplă și o fiabilitate ridicată în etrodvigatel cu o axă verticală de rotație a caruselului (paletă). dar viteza sa de rotație nu depășește un număr de rotații pe secundă. H Pentru a folosi un astfel de motor și pentru a produce energie electrică. Este nevoie de un generator electric de viteză mică, despre care de trimitere este conectat direct la arborele motorului, deoarece utilizarea de creștere a eficienței de viteze scade semnificativ, designul slozhnyaet y și reduce fiabilitatea. Pentru a obține o tensiune suficient de mare de ieșire și mărind energia electrică necesară pentru a utiliza un generator electric multi-pol, al cărui rotor este de a simplifica și de a reduce costurile de construcție se poate face un magnet permanent.

E - emf a bobinei
E0 - amplitudinea FME bobinei
Egen - tensiunea de ieșire a generatorului de curent (mers în gol)
Pmax - generator de curent electric în modul scurt-circuit,
n - numărul de poli magnetici
m - numărul de bobine
N - numărul de rotații ale bobinei
S - zona de legătură flux (zona Luce)
B - inducția magnetică în spațiul dintre miezul magnet și bobina
B0 - valoarea maximă (amplitudinea) a inducției magnetice în decalajul
F - flux magnetic prin miezul bobinei
F 0 - amplitudinea fluxului magnetic prin miezul bobinei
w - viteza de rotație a generatorului
f - generator de frecvență de rotație
T - perioada de rotație a generatorului
T - ora curentă

Toate calculele sunt efectuate în sistemul SI.

Calcularea tensiunii de ieșire a generatorului cu magneți permanenți într-un mod de mers în gol

Multipole la viteză mică generator electric poate fi construit printr-un simplu circuit [1]. prezentat în Fig. 1.

Fig. Schema 1. 6 poli low-speed generator electric: 1 - o bază superioară (oțel carbon scăzut); 2 - un magnet permanent (magnetizat axial 6 poli); 3 - butucii bobină (oțel carbon scăzut); 4 - înfășurări elicoidale (sârmă de cupru izolație email); 5 - o bază inferioară (oțel carbon scăzut).

Inel magnetic permanent (2) este atașat la o bază superioară de oțel (1) capabil să se rotească în raport cu baza fixă ​​inferioară (5), de asemenea, realizate din oțel, în scopul de a reduce rezistența magnetică. miezuri de fier Pe baza inferioară sunt fixate (3). care sunt puse pe bobina (4). Numărul de bobine în acest caz, m este egal cu numărul de poli n (m = n = 6). Un magnet inelar poate fi continuu sau recrutați din magneți prismatice sau circulare individuale (număr de magneți egal cu numărul n de poli). Direcția de magnetizare a axiale magnet (paralel / antiparalel axa generatorului). Oțel hub-uri au role piese polare a căror formă este identică cu forma polilor magnetici (sector, cerc sau dreptunghi). Inel magnetic permanent (2) cu baza superioară (1) formează rotorul generatorului și o bază inferioară (5) cu bobine (4) și miezul (3) - stator.

Pentru a utiliza generatorul în combinație cu regulatoare de tensiune, precum și baterii cu tensiune de 12 sau 24 de volți, este de dorit ca tensiunea de ieșire este suficient de ridicată (valoare de vârf nu este schimbat Lw e de 10 volți, folosind un convertor de tensiune și când bateria este conectată printr-un redresor -. Mai mare decât ei tensiunea de ieșire pe căderea de tensiune în circuitul redresor) la viteze mici (de ordinul a unei rotații pe secundă). Acest lucru ar reduce pierderea de convertoare utilizate pentru a stabiliza tensiune sau de încărcare a bateriei și circuitul le simplifica.

Vrei să faci un calcul simplificat al tensiunii de ieșire a generatorului utilizând parametrii. în funcție de design. n - numărul de poli, B0 - valoarea maximă (amplitudinea) a inducerii în decalajul. S - zona de legătură cu flux (pol pătrat), m - numărul de spire, N - numărul de rotații ale unei bobine, f - frecvența de rotație, T - perioada de rotație (în timpul unei rotații), w - viteza unghiulară (viteza unghiulară).

Să presupunem că numărul de spire egal cu numărul de poli magnetici (m = n). și în timpul rotației magnetului în raport cu bobina de inducție în diferența este schimbat instantaneu de la + B0 la -B0 și de la + B0 la -B0 (adică nu rotorul este rotit lin și bătăile inimii). Fluxul magnetic prin miezul bobinei. respectiv, se schimbă instantaneu de la - F + F 0 la 0 și de la 0 până la + F - F unde F = 0. 0 B0 S. la 0 momente, T / n, 2T / n, etc. (modificare perioada 2T .. / n). Apoi, în conformitate cu legea lui Faraday de inducție [2]

Obținem electromotoare bobinei:

unde d (t) - funcția delta Dirac. Prin medierea într-un interval de timp emf D t = T / n, obținem valoarea amplitudinii tensiunii electromotoare a unei bobine:

Deoarece T = 1 / f și f = w / (2 p), atunci

La conectarea bobinelor la curentul de ieșire al tensiunii generatorului următoarea expresie (presupunând emf formă dreptunghiulară, în care Egen = Ne0):

Să presupunem că numărul de spire egal cu numărul de poli magnetici (m = n). și în timpul rotației magnetului în raport cu fluxul magnetic prin bobine ale miezului bobinei variază liniar de la - F + F 0 la 0 și de la 0 până la + F - F unde F 0. 0 = B0 S (perioada de 2T / n modificări). Apoi, în conformitate cu legea lui Faraday de inducție [2]

Obținem amplitudinea electromotoare de o bobină:

La conectarea bobinelor la curentul de ieșire al tensiunii generatorului următoarea expresie (emf formă dreptunghiulară, în care Egen = Ne0):

Să presupunem că numărul de spire egal cu numărul de poli magnetici (m = n). și în timpul rotației magnetului în raport cu fluxul magnetic prin bobine ale miezului bobinei variază ca F = F 0 cos (n w t / 2), unde F 0 = beff S. Aici beff - valoarea efectivă a inducției magnetice în diferența, derivată prin medierea peste zona pol. În conformitate cu legea lui Faraday de inducție [2]

Obținem bobina EMF.

Deoarece f = w / (2 p), pentru a obține amplitudinea expresiei bobinei emf una:

La conectarea bobinelor la curent tensiunea de ieșire a generatorului obține exprimarea (forma emf sinusoidală, Egen = Ne0 / 2 1/2):

Valoarea efectivă a inducției magnetice beff poate fi obținut prin calcularea mediei densității fluxului magnetic în decalajul de zona pol. În cazul în care distribuția inducției magnetice este descrisă printr-o lege sinusoidală, atunci putem presupune beff

(2 / p) B0. Apoi generatorul de tensiune de ieșire

Având în vedere apropierea acceptată se poate considera că formula obținută (1). (2) și (3) corespund bine unul cu altul. Calculul acestor formule pot fi utilizate pentru alte construcții de generatoare multipolare cu magneți permanenți. Testele construite ca în Fig. 1 generator de joasă viteză [1] au arătat că calculul variantei 3 reflectă mai precis caracteristicile generatorului: fluxul magnetic în spărtură și, în consecință, tensiunea electromotoare generatorului variază sinusoidal, curentul de ieșire al tensiunii generatorului este de acord bine cu formula calculată (3).

Pentru a calcula tensiunea de ieșire a generatorului (curent și amplitudine), conform formulei (3) Programul PM_Generator poate fi utilizat. Programul este conceput pentru a lucra cu sistemul de operare (OS) Windows 3.1, Windows 95, 98 și XP (cu alte sisteme de operare Windows nu a fost testat). fișier PM_Gen10.rar (

85 KB), dezarhivați într-un dosar de pre-create. Ambalarea se face cu ajutorul WinRar 2.80. Rezultat despachetare: PM_Gen10.exe - fișier executabil al programului. După pornirea programului poate fi administrat parametrii generatorului și se calculează apăsând pe butoanele corespunzătoare. La introducerea datelor în sistemul de operare primite considera delimitator pentru un format zecimal: un punct sau virgulă, de exemplu, 0,0004 sau 0,0004; trebuie să setați punctul. Fișierele copiate pot fi verificate pentru codul virusului în on-line [6].

Fig. 2. Aspect program Windows PM_Generator (versiunea 1.0).

De exemplu, pentru producerea p Calculând un magnet permanent de ferita de bariu (B0

0,2 T), atunci când numărul de poli n = 32, N = 200 rotații. S

4 cm2 = 0,0004 m 2 și o frecvență de rotație f = 1 Hz (un ciclu pe secundă) pentru a obține generatorul de curent de tensiune

vârf 23 volți

32 volți (vezi. Fig. 2). Cu o astfel de tensiune de ieșire de încărcare, chiar 12- și baterie de 24 volți poate fi utilizat și un simplu releu de tensiune punte de diode pentru deconectarea generatorului când 100% încărcat acumulatorul. Limitarea curentului de încărcare va apărea datorită rezistenței interne a generatorului (rezistența combinată a înfășurărilor).

Dependența parametrilor de ieșire a generatorului de numărul de poli

Tensiunea de ieșire a generatorului poate fi găsit prin formula (3):

Apoi, generatorul de energie electrică este scurt-circuitat:

unde R - rezistența unei bobine de generator.

Ne găsim dependență de tensiunea de ieșire a generatorului și puterea electrică a numărului de poli ai magnetului inel. Presupunem că fiecare generator bobina este format dintr-un solenoid cilindric având dimensiuni geometrice: R1 - raza interioară, R2 - rază exterioară, H - înălțimea firului plăgii cu diametrul d factor de ambalare l (Figura 3).

Fig. 3. Parametrii geometrici ai solenoidului cilindrice: R1 - raza interioară, R2 - rază exterioară, H - înălțime.

Numărul de rotații ale solenoidului cilindric poate fi găsit prin formula:

unde r e - rezistența electrică specifică a firului de înfășurare.

Ca o primă aproximare:

unde D - diametrul magnetului inelului exterior, D - lățimea inelului.

Cu aceste aproximări:

De exemplu, generatorul [1] cu hexapole inel dimensiune magnet K70 x 24 x 12 din ferită de bariu (D = 0,07 m, D = 0,023 m, B0 = 0,2 T, n = 6) cu bobine înfășurate cu sârmă de cupru (re = 1,67 * 10 -8 ohm * m, R1 / R2 = 0,5, H = 0,02 m, l = 0,6), energie electrică într-un mod de scurtcircuit, în conformitate cu formula (4) va fi de aproximativ 100 mW la o viteză de 1 rotație pe secundă (w = 6,28 rad / sec). Valoarea experimentală a aproximativ 140 mW. Valoare destul de bună, având în vedere că designul actual [1] este diferită de cea utilizată în calcule (Fig. 1).

La schimbarea numărului de poli se poate presupune că dimensiunile relative ale bobinei (R1 / R2), iar înălțimea H nu sunt schimbate. generator de Apoi energie electrică în creșteri de scurtcircuit direct proporțional cu numărul de poli, și direct proporțional cu pătratul vitezei de rotație, pătratul inducției peste interstițiul s, iar dimensiunile de magnet inel pătrat (diametrul exterior, lățimea inelului).

Valoarea curentă a tensiunii de ieșire a generatorului într-un mod de ralanti:

Generatorul calculat valoarea tensiunii de ieșire [1] din formula (5) 3.4 la o viteză de 1 rotație pe secundă - măsurat mai sus (2). Discrepanța poate fi explicată prin faptul că, într-un design real, [1] a zonei pol de bază bobina mai mică decât aria vârfului polului magnet este de aproape 2 ori.

Dacă vom crește numărul de poli ai generatorului și, respectiv, reduce mărimea mosor R2, menținând neschimbată înălțimea H și raportul R1 / R2, tensiunea de ieșire a înfășurării o bobina cu diametrul firului generatorului va rămâne aproximativ constant.

La o viteză unghiulară constantă de rotație a multipolar tensiunii de ieșire a generatorului de permanent crește cu magneți proporțional cu pătratul numărului de poli, cu condiția ca zona de pol nu este schimbat, adică, fie cu ajutorul unui magnet inelar continuu de diametru mai mare, sau numărul de magneți este crescut, dintre care format magnet inelar (1 - 3 ).

Creșterea numărului de poli ai magnetului inelului folosind dimensiunile predeterminate reduce creșterea proporțională a fluxului suprafață S în numărul n de poli. Dacă numărul N de rotații ale bobinelor rămâne constantă, ceea ce se poate realiza prin reducerea diametrului firului de înfășurare, ieșire Egen tensiunii generatorului va crește proporțional cu numărul n de poli. În cazul în care bobinele sunt înfășurate sârmă înfășurarea unui anumit diametru, apoi, prin creșterea numărului de poli (și, prin urmare, reduce dimensiunea bobinei), numărul N de rotații scade o bobină. generator de tensiune de ieșire E gen, astfel, va rămâne aproximativ constant când numărul n de poli (5).

Generatorul de energie electrică nu depinde de diametrul firului de înfășurare și crește direct proporțional cu pătratul inelare dimensiuni magnet pm (diametrul exterior, lățimea inelului) și direct proporțional cu numărul de poli ai săi (4).

Astfel, la proiectarea de viteză redusă generator electric conform schemei de mai sus, este necesară utilizarea unui magnet inelar cu cea mai mare inducție reziduală este posibil, cel mai mare diametru exterior posibil și lățimea inelului cu cel mai mare număr posibil de poli, selectarea prin modificarea diametrului numerelor sarmei de bobine transformă, astfel încât ieșirea tensiunea generatorului este în intervalul necesar la viteze prestabilite. Bobine de dorit pentru a vântului sârmă cu cea mai mică rezistență specifică (cupru), cu cel mai mare coeficient posibil (factor de ambalare) de umplere mucegai. comun suficientă a raționamentului de mai sus face posibilă spun același lucru în raport cu alte structuri de generatoare de curent electric cu un rotor cu magneți permanenți.

Numărul de bobine trebuie să corespundă cu numărul de poli. Dacă numărul de spire egal cu numărul de poli magnetici (m = n), miezul când bobina opus poli magnetici inel datorită forțelor atractive apar moment de mare rezistență, care este necesară pentru a depăși o forță semnificativă (forța vântului mare). Prin urmare, este posibil să crească sau să scadă numărul de spire per unitate (m = n + 1. m = n - 1), care va scădea semnificativ valoarea amplitudinii a momentului de rezistență. O astfel de soluție de generator de 6 poli utilizat în construcția [1]. în care numărul de poli magnetici n = 6 m = numărul de bobine 7, un generator cu 6 poli [4]. în care numărul de poli ai magnetului 6. n = numărul de spire în fiecare din cele două grupe de m = 5 (grupul bobina opțional deplasat unul față de celălalt printr-un unghi de 36 de grade) și un generator de 18 poli [5] (numărul de poli magnetici n = 18, numărul m = 19) bobine. Este posibil de a renunța la utilizarea de miezuri de oțel în colaci, apoi trageți cuplul la turația de mers în gol este aproape de zero pentru orice poziție a rotorului. Astfel de bobine pentru a face înălțime minimă comparabilă cu care nu prea semnificativă în elichinoy decalaj între magnet și bobina pentru a reduce inducția magnetică în decalajul. Numărul de spire poate fi astfel egal cu numărul de poli magnetici (m = n).

• rezistență activă - o parte a impedanței circuitului electric asociat cu disiparea căldurii în circuit.
• Turbină eoliană - convertorul de energie a fluxului de aer în energie mecanică a mișcării.
• Motorul (motor) - o sursă de energie în mișcare mecanică traductor de energie.
• Drive - un dispozitiv care are un element de lucru capabil de mișcare mecanică, în prezența unei forțe de reacție.
• Factor de ambalare (raport de serviciu) - raportul dintre volumul conductor la volumul de lichidare; la uniformă de înfășurare este raportul dintre suprafața totală a conductoarelor în secțiunea transversală de înfășurare (fără izolare) la suprafața secțiunii transversale a înfășurării.
• Ralanti - unitate sau modul invertor în absența forței de reacție (sarcină).
• bobina cilindrica - bobina ca un cilindru cu o gaură centrală cilindrică (dacă există).
• Generator electric (generator electric) - o sursă de convertor de energie non-electrice în energie electrică.