Исследование выходных параметров катушек тихоходного генератора с изменяемой конфигурацией магнитной системы

Research of the output parameters of the coils of a low-speed generator with a variable configuration of the magnetic system

Закиев Д.Д. Маргин А.Н. Крутских Н.А. Алибеков С.Я. Стародубцева О.Н.

25.01.2021 780

1(82)

11. Энергетика

Цитировать:

Исследование выходных параметров катушек тихоходного генератора с изменяемой конфигурацией магнитной системы // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Закиев Д.Д. [и др.]. 2021. 1(82). URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11165 (дата обращения: 03.12.2024).

Прочитать статью:

АННОТАЦИЯ

В статье приведены экспериментальные данные по получаемым выходным параметрам статорных катушек тихоходного генератора в зависимости от изменяемых величин: магнитного поля, числа витков катушек, зазора между магнитной системой и катушками и частоты вращения ротора.

ABSTRACT

The article presents experimental data on the obtained output parameters of the stator coils of a low-speed generator, depending on the variable values: magnetic field, number of coil turns, gap between the magnetic system and the coils and rotor speed.

Ключевые слова: катушка, параметры, магнитная система, тихоходный генератора.

Keywords: coil, parameters, magnetic system, low-speed generator.

Одной из важных задач, в современной ветроэнергетической отрасли, является использование низкопотенциальных ветровых потоков.

Большая часть территории России находится в области действия ветров низкой интенсивности (не более 5м/с) [2], за исключением малонаселенной прибрежной зоны северной и восточной части страны (более 7м/с) [4].

Соответственно вопрос по созданию конструкции генератора, эффективно работающего в условиях низкоскоростных ветровых потоков, является определяющим с точки зрения дальнейшего развития ветроэнергетики малых скоростей в целом.

Наиболее энергоэффективными считаются генераторы, выполненные на постоянных неодимовых магнитах.

Применение постоянных магнитов в конструкциях генераторов не требует дополнительных источников питания на возбуждение магнитного потока, их работа характеризуется высокими энергосберегающими свойствами и связана с уменьшением расхода используемых активных материалов [3]. При этом расположение постоянных магнитов на роторе существенно влияет на величину и форму индукции в зазоре и, как следствие, на получаемые характеристики [1].

Целью работы является проведение исследования выходных параметров катушек тихоходного генератора с различным количеством витков, в режиме холостого хода, с изменяемыми параметрами конфигурации магнитной системы, с переменными величинами по частоте вращения ротора и зазора между магнитной системой ротора и катушками.

Эксперименты проводились на лабораторно-испытательной установке для исследования параметров тихоходных генераторов Рис.1 (а).

Рисунок 1. Лабораторно-испытательная установка для исследования параметров тихоходных генераторов

Катушки наматывались на специальном приспособлении Рис.1 (б, в) медным проводом 0,15мм, с количеством витков 50, 100, 150, 200 и 250 соответственно Рис.1 (г) и устанавливались на кронштейне Рис.1 (д), который в свою очередь, крепился на испытательной установке Рис.1 (е). На валу поочередно устанавливались сменные оправки с постоянными магнитами Рис. 1 (ж, з). Первоначальный зазор между магнитами и катушкой, выставлялся пластиковым щупом. Последующие зазоры подкладкой под кронштейн пластин толщиной 1мм. Показания снимались тестером.

Магнитная система выстраивалась из постоянных магнитов на основе Nd-Fe-B: диаметр 10мм, толщина 5мм, остаточная индукция 1,2 Тл, коэрцитивная сила 900 кА/ч. Схема модели перекрытия катушек магнитной системой ротора (магниты, устанавливаемые с чередованием полярности, обозначены красным цветом) показана на Рисунке 2, для 10 (а, б) и 20 (в, г) магнитов соответственно, с указанием количества витков и углом поворота 0° и 9°.

Рисунок 2. Перекрытие витков испытуемых катушек магнитной системой ротора

Результаты проведенных опытов – напряжение, вырабатываемое катушкой в зависимости от количества витков, числа оборотов ротора, выставляемого зазора в системе магнит-катушка и количества магнитов представлены в таблице 1 (для 10 магнитов) и в таблице 2 (для 20 магнитов). Анализ результатов в виде сводных графиков Рис.3 и Рис.4.

Таблица 1.

Результаты экспериментальных исследований для магнитной системы из 10 магнитов устанавливаемых в оправках разноименно

Расстояние от торца катушки до торца магнита s, mm	Частота вращения ротора n, об/мин	Напряжение, мВ (милливольт) для катушек проводом Ø 0,15мм с количеством витков:
		50		100		150		200		250
		min	max	min	max	min	max	min	max	min	max
0.8	50	11	22	20	43	36	64	54	105	63	124
	100	31	36	55	65	86	100	131	151	162	181
	150	46	51	85	92	136	149	188	205	233	245
	200	60	66	112	120	181	191	259	274	358	374
1.8	50	10	20	14	36	31	63	37	88	59	118
	100	25	30	49	60	82	97	123	138	150	178
	150	38	44	79	87	122	137	186	200	220	239
	200	54	58	107	115	177	187	235	254	303	315
2.8	50	6	13	14	31	19	48	33	75	41	91
	100	18	21	41	48	63	73	101	115	116	133
	150	28	32	60	66	100	109	148	161	176	191
	200	39	41	83	90	133	142	197	208	238	247
3.8	50	4	9	12	25	15	33	27	59	33	65
	100	13	15	32	38	43	51	82	94	85	99
	150	19	21	51	54	69	72	121	132	130	138
	200	26	28	68	71	87	92	162	172	171	178

Таблица 2.

Результаты экспериментальных исследований для магнитной системы из 20 магнитов устанавливаемых в оправках разноименно

Расстояние от торца катушки до торца магнита s, mm	Частота вращения ротора n, об/мин	Напряжение, мВ (милливольт) для катушек проводом Ø 0,15мм с количеством витков:
		50		100		150		200		250
		min	max	min	max	min	max	min	max	min	max
0.8	50	38	43	68	74	72	100	116	127	124	127
	100	64	70	136	146	174	185	227	237	259	237
	150	102	107	197	203	274	282	341	350	389	350
	200	132	137	264	270	295	365	461	474	507	474
1.8	50	23	27	44	51	60	70	73	84	83	84
	100	45	49	90	98	130	140	168	175	179	175
	150	68	71	140	148	198	204	248	257	286	257
	200	91	95	192	198	269	275	330	339	378	339
2.8	50	19	21	25	30	43	51	51	59	53	59
	100	37	40	57	62	93	101	109	115	116	115
	150	59	62	88	94	147	153	163	169	181	169
	200	75	78	116	121	195	202	222	229	241	229
3.8	50	14	17	15	20	19	26	37	46	42	46
	100	29	32	38	44	49	55	85	92	94	92
	150	45	47	62	70	80	87	133	143	143	143
	200	61	64	86	89	111	114	182	186	189	186

Рисунок 3. Зависимости величины вырабатываемого напряжения катушек (мВ) от числа оборотов ротора, выставляемого зазора между магнитом и катушкой для 10 (а, в, д, ж, и) и 20 (б, г, е, з, к) магнитов

Согласно рис.3 зависимость вырабатываемого напряжения катушкой от частоты вращения ротора, при любой величине зазора, в первом приближении имеет линейный характер. Увеличение количества магнитов с 10 до 20 приводит к пропорциональному увеличению вырабатываемого напряжения (примерно в два раза) только для катушек с числом витков 50 и 100. Для катушек с числом витков 150 и 200 этот показатель постепенно падает и для катушек с числом витков 250 как для 10 так и 20 магнитов имеет практически одинаковые показатели. Одной из возможных причин полученного результата является постепенно увеличивающаяся, для магнитной системы из 20 магнитов (Рис.2, в), с ростом площади катушки зона перекрытия витков катушки одноименными полюсами магнитов. Магнитная система из 20 магнитов более чувствительна к величине зазора между катушкой и магнитами в диапазоне от 0,8мм до 1,8мм,

Рисунок 4. Зависимости величины вырабатываемого напряжения катушек (мВ) от числа витков катушек и частоты вращения ротора для 10 (а, в, д, ж) и 20 (б, г, е, з)

Типы полученных графиков рис.4 (а, б, в, г) показывают наличие потенциала для роста вырабатываемого напряжения у магнитной системы из 10 магнитов (рис.4 а, в), что является следствием, согласно рис. 2 (а, в), роста площади перекрытия витков катушек разноименными полюсами магнитов для системы из 10 магнитов в противоположность (рис. 2в) росту площади перекрытия одноименными полюсами магнитов для магнитной системы из 20 магнитов.

Для проверки воздействия на выходные параметры катушки (для 250 витков) магнитной системы, устанавливаемой без чередования полюсов, были проведены дополнительные эксперименты, представленные в таблице 3.

Таблица 3.

Результаты экспериментальных исследований для магнитной системы из 10 и 20 магнитов устанавливаемых в оправках одноименно

Расстояние от торца катушки до торца магнита s, mm	Частота вращения ротора n, об/мин	Напряжение, мВ (милливольт) для катушек проводом Ø 0,15мм с количеством витков:
		250		250
		10 магнитов		20 магнитов
		min	max	min	max
0.8	50	79	89	15	66
	100	147	159	41	93
	150	216	221	69	120
	200	280	286	105	150
1.8	50	43	54	12	59
	100	98	107	33	85
	150	146	153	56	107
	200	202	208	82	123
2.8	50	31	39	9	41
	100	67	74	22	58
	150	110	115	38	63
	200	143	148	53	73
3.8	50	11	15	5	47
	100	34	39	16	51
	150	53	59	29	57
	200	72	75	44	63

Сопоставляя данные таблиц 1 и 3 для катушек в 250 витков, для магнитной системы из 10 магнитов при установке магнитов в оправке одноименными полюсами, величина вырабатываемого напряжения падает по сравнению с магнитной системой из 10 магнитов с разноименным расположением полюсов. Увеличение количества магнитов с 10 до 20, устанавливаемых одноименно, уменьшает величину вырабатываемого катушкой напряжения практически в два раза.

Выводы. При проектировании тихоходных генераторов на постоянных магнитах большое значение имеет минимизация зазора между катушкой и магнитами, максимальная плотность магнитной системы ротора обеспечивающая стабильность выходных параметров катушек на малых оборотах и компенсацию низких оборотов ротора. При этом магниты должны быть установлены с чередованием полярности, с таким расчетом, чтобы площадь перекрытия противолежащих витков катушек разноименными полюсами магнитов была – максимальна, а одноименными полюсами магнитов – минимальна, что может быть достигнуто как относительным подбором формы магнитов и катушек, их соотношением и/или количеством.

При одновременном перекрытии витков катушки полюсами магнитов одного знака в катушке, в обоих ее витках, возникает встречная ЭДС, которая преобразуется по всей видимости в тепловую энергию. При перекрытии витков катушки разноименными полюсами магнитов, возникающая в витках катушек ЭДС имеет однонаправленный характер, с максимальным показателем вырабатываемого напряжения.

Список литературы:

Ануфриев А. С., Макаричев Ю. А., Иванников Ю. Н. Особенности проектирования синхронных генераторов малой мощности для ветроэнергетических установок //Электроэнергетика глазами молодежи-2017. – 2017. – С. 159-160.
Бубенчиков А. А., Бубенчикова Т. В. Оценка применения ветроколес без нагрузки в теле ускорителя потока для ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 33-37.
Разработка стенда и методики идентификации постоянных магнитов / А. А. Татевосян, А. С. Татевосян, Н. В. Захарова, Н. Д. Буряков // Актуальные вопросы энергетики : материалы Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Омск, 17 мая 2018 года) / ОмГТУ. – Омск, 2018. – С. 287–293.
Серебряков Р.А., Доржиев С.С., Базарова Е.Г. Современное состояние, проблемы и перспективы развития ветроэнергетики // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2016. № 3. С. 13—20.
Татевосян Андрей Александрович. Выбор оптимальной конструкции, экспериментальное исследование и математическое моделирование магнитного поля низкооборотного синхронного генератора на постоянных магнитах // ОНВ. 2018. №6 (162).

Информация об авторах