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
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: 10.12.2024).
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:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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

инженер, аспирант, Поволжский Государственный Технологический Университет, РФ, г. Йошкар-Ола

Engineer, postgraduate student of PSTU, Russian Federation, Yoshkar-Ola

магистрант, Поволжский государственный технологический университет, РФ, г. Йошкар-Ола

Master’s student, Volga State Technological University, Russia, Yoshkar-Ola

канд. техн. наук, доцент, Поволжский государственный технологический университет, РФ, г. Йошкар-Ола

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Volga State Technological University, Russia, Yoshkar-Ola

д-р техн. наук, профессор, Поволжский государственный технологический университет, РФ, г. Йошкар-Ола

Doctor of Technical Sciences, Professor, Volga State Technological University, Russia, Yoshkar-Ola

учебный мастер, аспирант, Поволжский Государственный Технологический Университет, РФ, г. Йошкар-Ола

Educational master, graduate student, PGTU, Russia, Yoshkar-Ola

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-54434 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ахметов Сайранбек Махсутович.
Top