3D Printed Axial Flux Alternator and Dynamometer: 4 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

หยุด!! อ่านตรงนี้ก่อน!!! นี่คือบันทึกของโครงการที่ยังอยู่ในระหว่างการพัฒนา โปรดอย่าลังเลที่จะให้การสนับสนุน

เป้าหมายสุดท้ายของฉันคือมอเตอร์/เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับประเภทนี้สามารถกลายเป็นการออกแบบโอเพ่นซอร์สที่มีการกำหนดพารามิเตอร์ได้ ผู้ใช้ควรสามารถป้อนพารามิเตอร์บางอย่างได้ เช่น แรงบิด ความเร็ว กระแส โวลต์/รอบต่อนาที ขนาดแม่เหล็กทั่วไปและอาจมีพื้นที่ว่าง และควรสร้างชุดไฟล์ที่ตัด.stl และ.dxf ที่พิมพ์ได้ 3 มิติ

สิ่งที่ฉันทำคือการสร้างแพลตฟอร์มที่สามารถตรวจสอบการออกแบบจำลอง ซึ่งสามารถพัฒนาเป็นอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุดโดยชุมชน

ส่วนหนึ่ง นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่ฉันตั้งค่านี้ด้วยไดนาโมมิเตอร์ ไดนาโมมิเตอร์วัดแรงบิดและความเร็วเพื่อให้สามารถวัดแรงม้าหรือวัตต์ของเพลาได้ ในกรณีนี้ ฉันได้สร้างอัลเทอร์เนเตอร์ที่มีเพลาแบบพาสทรูแบบอยู่กับที่ ซึ่งทำให้การตั้งค่าระบบไดนาโมมิเตอร์ง่ายขึ้น และสามารถกำหนดค่าให้ขับเคลื่อนด้วย RC ESC (ฉันหวังว่า) และแรงบิดที่วัดได้ ที่เอาต์พุต เช่นเดียวกับความเร็ว V และ Amps ทำให้สามารถกำหนดประสิทธิภาพของมอเตอร์ได้

สำหรับจุดประสงค์ของฉัน มันสามารถขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์แบบปรับความเร็วได้ (ส่วนเกินจากสว่านไร้สาย พร้อมเกียร์แบบสเต็ปดาวน์) และการวัดแรงบิดของเพลาที่ป้อน รวมถึง V และแอมป์ ทำให้เกิดประสิทธิภาพที่แท้จริง และโหลดเทอร์ไบน์ที่คาดหวัง ที่จะจำลอง

ในโหมดนี้ฉันหวังว่าจะใช้ RC ESC ที่สามารถเบรกแบบสร้างใหม่ได้และบางที Arduino เพื่อควบคุมโหลด VAWT ของฉันเพื่อให้ได้ MPPT (การติดตามจุดไฟหลายจุด)

MPPT ใช้ในการควบคุมพลังงานแสงอาทิตย์และกังหันลม แต่สำหรับลมจะแตกต่างกันเล็กน้อย เกี่ยวกับพลังงานลม ปัญหาใหญ่คือเมื่อความเร็วลมเพิ่มเป็นสองเท่า 10 กม./ชม. เป็น 20 กม./ชม. พลังงานที่หาได้จากลมจะเพิ่มขึ้นตามลูกบาศก์ ดังนั้น 8 เท่า ถ้า 10W ใช้ได้ 10 กม./ชม. 80W ก็ใช้ได้ 20 กม./ชม. การมีพลังงานเพิ่มขึ้นนั้นเป็นเรื่องที่ดี แต่กระแสสลับที่จ่ายออกจะเพิ่มเป็นสองเท่าเมื่อความเร็วเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ดังนั้น หากคุณมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่สมบูรณ์แบบสำหรับความเร็วลม 20 กม./ชม. โหลดของมันอาจจะแรงมากจนที่ความเร็ว 10 กม./ชม. สตาร์ทไม่ติดด้วยซ้ำ

สิ่งที่ MPPT ทำคือใช้สวิตช์โซลิดสเตตสำหรับงานหนัก เพื่อตัดการเชื่อมต่อแล้วเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับใหม่อย่างรวดเร็ว ช่วยให้คุณสามารถปรับปริมาณโหลดของกระแสสลับ และ Multi ของ MPPT หมายความว่าคุณสามารถตั้งค่าโหลดที่แตกต่างกันสำหรับความเร็วที่แตกต่างกัน

สิ่งนี้มีประโยชน์มาก เนื่องจากกังหันทุกประเภทรวบรวมพลังงานสูงสุดเมื่อโหลดตรงกับพลังงานที่มีอยู่หรือความเร็วลม

ดังนั้น

นี่ไม่ใช่สูตร แต่ฉันเชื่อว่าสามารถคัดลอกมาจากสิ่งที่ฉันโพสต์ได้ และยินดีที่จะให้ข้อมูลเพิ่มเติม แต่ฉันแนะนำว่าตัวเลือกที่ดีที่สุดคือแนะนำการปรับปรุงสำหรับฉัน ก่อนที่การแข่งขันวงจรและเซ็นเซอร์จะสิ้นสุดลง เพื่อที่ฉันจะได้พิจารณา ตอบสนอง และอาจปรับปรุงคำแนะนำนี้ได้

ฉันจะอัปเดต แก้ไข และเพิ่มข้อมูลต่อไป ดังนั้นหากน่าสนใจในตอนนี้ คุณอาจต้องการเช็คอินอีกครั้งในอีกสักครู่ แต่ฉันหวังว่าจะเสร็จสิ้นสักหน่อยก่อนที่การประกวด Sensors จะสิ้นสุดในวันที่ 29 กรกฎาคม 2019

ฉันไม่ใช่สัตว์สังคมโดยเฉพาะอย่างยิ่ง แต่ฉันชอบตบที่ด้านหลังและนั่นเป็นเหตุผลหนึ่งที่ฉันมาที่นี่:-) บอกฉันถ้าคุณสนุกกับการดูงานของฉันและต้องการเห็น เพิ่มเติมโปรด:-)

โปรเจ็กต์นี้เกิดขึ้นเพราะฉันต้องการโหลดที่ควบคุมได้สำหรับการทดสอบการออกแบบกังหันของฉัน และฉันต้องการให้มันทำซ้ำได้ง่าย เพื่อให้คนอื่นๆ สามารถใช้มันได้เช่นกัน ด้วยเหตุนี้ ฉันจึงจำกัดตัวเองให้ออกแบบบางสิ่งที่สามารถสร้างได้ด้วยเครื่องพิมพ์ FDM เท่านั้น ไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือกลอื่นๆ ดูเหมือนจะไม่มีผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์จำนวนมากที่ตอบสนองความต้องการแรงบิดสูง ความเร็วต่ำ กระแสสลับที่ไม่มีฟันเฟือง แม้ว่าจะมีเพียงไม่กี่ชิ้นจากจีนก็ตาม โดยทั่วไปมีความต้องการไม่มากเพราะระบบเกียร์มีราคาไม่แพงและไฟฟ้ามีราคาถูกมาก

สิ่งที่ฉันต้องการคือสิ่งที่ผลิตได้ประมาณ 12V ที่ 40-120 รอบต่อนาที และประมาณ 600-750W ที่ 120-200 รอบต่อนาที ฉันยังต้องการให้เข้ากันได้กับตัวควบคุม 3phase PMA ราคาไม่แพงจากโลก RC (ตัวควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์ของ ESC) ข้อกำหนดขั้นสุดท้ายคือต้องเป็นนักวิ่งนอก (เคสหรือเปลือกที่มีแม่เหล็กหมุน ในขณะที่เพลาที่มีสเตเตอร์ อยู่กับที่) โดยมีเพลาที่ผ่านตลอดเคส และสเตเตอร์ที่ยึดกับเพลา

คำแนะนำนี้เป็นงานที่กำลังดำเนินการอยู่ และฉันกำลังโพสต์เพื่อให้ผู้คนสามารถเข้าใจกระบวนการได้ ไม่มากเพราะฉันคิดว่าพวกเขาควรคัดลอก สิ่งสำคัญที่ฉันจะเปลี่ยนคือแผ่นรองลวดที่ฉันสร้างไม่แข็งแรงพอที่จะกระจายสนามแม่เหล็กรอบวงแหวนได้อย่างเหมาะสม ดังนั้นฟลักซ์แม่เหล็กจำนวนมากที่จ่ายในแม่เหล็กเหล่านั้นจะสูญเปล่าที่ด้านหลัง เมื่อฉันออกแบบใหม่ ซึ่งฉันจะทำในไม่ช้านี้ ฉันน่าจะทำแผ่นแม่เหล็กรองเป็นแผ่นเหล็กตัดซีเอ็นซี เหล็กจะมีราคาไม่แพงนัก แข็งแกร่งกว่ามาก และจะทำให้งานสร้างส่วนใหญ่ง่ายขึ้น น่าสนใจที่จะทำวัสดุผสม FDM/ลวด/ปูนปลาสเตอร์อย่างที่ฉันได้แสดงไว้ที่นี่ และด้วย PLA ที่บรรจุเหล็ก สิ่งต่าง ๆ ก็จะแตกต่างออกไปเช่นกัน ฉันตัดสินใจว่าฉันต้องการบางสิ่งที่คงทนจริงๆ นั่นคือแผ่นเหล็ก

ฉันคืบหน้าไปได้ดีในเวอร์ชันนี้ ซึ่งฉันจะใช้ในการทดสอบ VAWT นี้ ฉันยังไม่ค่อยมีในแง่ของประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้าต่ำเลย ฉันคิดว่ากำลังวัตต์/แรงบิดของฉันอยู่ในสนามเบสบอลที่ถูกต้อง ฉันจะอัปเดตเมื่อมีความคืบหน้า แต่ ณ จุดนี้สิ่งที่ฉันมีมีโอกาสที่ดีที่จะเป็นภาระที่ควบคุมได้ซึ่งฉันต้องการ เมื่อ dead shorted ดูเหมือนว่าจะสามารถให้ความต้านทานแรงบิดได้ค่อนข้างมาก มากเกินพอที่จะทดสอบกังหัน ฉันแค่ต้องการตั้งธนาคารต่อต้านที่มีการควบคุม และฉันมีเพื่อนที่ช่วยฉันในเรื่องนั้น

สิ่งหนึ่งที่ฉันจะพูดสั้นๆ ก็คือ เช่นเดียวกับหลายๆ คนในตอนนี้ ฉันมีเครื่องพิมพ์ 3D (FDM-using PLA) มาสองสามปีแล้ว ซึ่งฉันมีความเพลิดเพลินมา 20-30 กก. ฉันมักจะพบว่ามันน่าหงุดหงิดแม้ว่าชิ้นส่วนของขนาด/ความแข็งแรงใดๆ จะมีราคาแพงและพิมพ์ช้ามาก หรือราคาถูก เร็ว และบอบบาง

ฉันรู้ว่าเครื่องพิมพ์ 3D เหล่านี้มีอยู่กี่พันเครื่อง มักจะไม่ทำอะไรเลยเพราะใช้เวลานาน หรือต้องใช้เงินมากเกินไปในการสร้างชิ้นส่วนที่มีประโยชน์ ฉันพบวิธีแก้ปัญหาที่น่าสนใจสำหรับชิ้นส่วนที่เร็วขึ้นจากเครื่องพิมพ์และ PLA เดียวกัน

ฉันกำลังเรียกมันว่า "โครงสร้างเท" โดยที่วัตถุพิมพ์ (ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่พิมพ์ 1 ชิ้นขึ้นไป และบางครั้งเป็นตลับลูกปืนและเพลา) ทำด้วยช่องว่างที่ออกแบบให้เทเต็มไปด้วยสารเติมของเหลวที่แข็งตัว แน่นอนว่าตัวเลือกที่ชัดเจนบางอย่างสำหรับการเติมแบบเทจะเป็นแบบอีพ็อกซี่ที่บรรจุด้วยเส้นใยแก้วสับแบบเกลียวสั้น ซึ่งสามารถใช้สำหรับการประกอบที่มีความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบา ฉันกำลังลองใช้แนวคิดที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่านี้ อีกด้านหนึ่งของการประกอบ "โครงสร้างเท" นี้คือโพรงหรือช่องว่างที่คุณจะเติม สามารถมีองค์ประกอบแรงดึงสูงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กได้ ขึงตึงล่วงหน้าบน "แม่พิมพ์/ปลั๊ก" ที่พิมพ์ออกมา ซึ่งทำให้โครงสร้างที่ได้ คอมโพสิตในวัสดุและในโครงสร้าง ผิวที่ตึง (ปลอก PLA) แต่มีแกนที่มีกำลังรับแรงอัดสูงซึ่งรวมถึงองค์ประกอบที่มีความต้านทานแรงดึงสูงเช่นกัน ฉันจะทำคำสั่งที่สองที่มีเนื้อหานี้ ดังนั้นจะพูดถึงมันที่นี่ เพียงเพื่อจะอธิบายว่ามันเกี่ยวข้องกับงานสร้างนี้อย่างไร

ขั้นตอนที่ 1: รายการวัสดุและกระบวนการ

PMA ประกอบด้วยชุดประกอบ 3 ชุด แต่ละชุดประกอบด้วยหรือใช้ชิ้นส่วนและวัสดุที่หลากหลาย

จากด้านบน (ด้านแบริ่ง) ถึงด้านล่าง (ด้านสเตเตอร์)

1. ตัวพาแบริ่งและอาร์เรย์แบริ่งด้านบน

2. สเตเตอร์

3. อาร์เรย์แม่เหล็กล่าง

1. ตัวพาแบริ่งและอาร์เรย์แม่เหล็กด้านบน

สำหรับสิ่งนี้ ฉันใช้ชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติตามรายการด้านบน

1. 150mm8pole บนแม็กและรองรับแบริ่ง CV5.stl,
2. แผ่นด้านในแบริ่ง
3. ลูกปืนแผ่นด้านนอก
4. 1" ID self aligning bearing (เหมือนใช้ในหมอนบล็อกมาตรฐาน++เพิ่มลิงค์อินเทอร์เน็ต)
5. 25' ของลวดเหล็กชุบสังกะสี 24g
6. ลวดเหล็กอาบสังกะสี 10g 15'
7. ขนเหล็กหยาบ 2 ม้วน

หรืออาจเปลี่ยนลวดเหล็กหนักและขนเหล็กเป็นแผ่นรองเหล็ก การตัดด้วยเลเซอร์/วอเตอร์เจ็ท หรือแผ่นรองรับแม่เหล็กที่พิมพ์ 3 มิติก็ได้ (แต่ลวดเหล็กหนักบางเส้นก็ยังเป็นความคิดที่ดีเพราะจะต้านทานการเสียรูปของพลาสติกได้มากกว่า เวลา). ฉันได้ลองหล่อแผ่นรองด้วยอีพ็อกซี่ที่บรรจุผงเหล็กออกไซด์แล้วและประสบความสำเร็จบ้าง การปรับปรุงฟลักซ์คัปปลิ้งระหว่างแม่เหล็กในอาร์เรย์ด้านข้างโดยใช้แผ่นรองที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นควรเพิ่มโวลต์ที่รอบต่ำลง พึงระลึกไว้เสมอว่านี่เป็นส่วนประกอบโครงสร้างหลัก และแผ่นรองหลังจะถ่ายแรงจากแม่เหล็กไปยังเสาแม่แรง แรงแม่เหล็กดึงแผ่นเปลือกโลกเข้าหากันอาจมีน้ำหนักหลายร้อยปอนด์ และแรงเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ (ลูกบาศก์ กำลังสาม) เมื่อแผ่นเปลือกโลกเข้าใกล้กัน นี่อาจเป็นอันตรายได้ และต้องใช้ความระมัดระวังด้วยเครื่องมือและวัตถุอื่น ๆ ที่อาจดึงดูดไปยังแผ่นที่ประกอบหรือกลับเข้าไป!

ฉันใช้ลวดแม่เหล็กเคลือบ 24g ประมาณ 300 ฟุตในขดลวด ซึ่งฉันจะอธิบายรายละเอียดในภายหลัง

ขั้นตอนที่ 2: การสร้างแผ่นแม่เหล็ก

ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับแนวแกนนี้ เพื่อลด cogging และเพิ่มเอาท์พุต ฉันกำลังใช้อาร์เรย์แม่เหล็กสองอัน อันหนึ่งอยู่แต่ละด้านของขดลวดสเตเตอร์ ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องใช้แกนแม่เหล็กในการดึงสนามแม่เหล็กผ่านขดลวดทองแดง เช่นเดียวกับรูปทรงมอเตอร์/อัลท์ส่วนใหญ่ มีการออกแบบฟลักซ์ตามแนวแกนบางแบบที่ใช้แกนเฟอร์ริส และฉันอาจลองทำการทดลองในลักษณะนั้นในอนาคต ฉันต้องการลองใช้วัสดุที่บรรจุเหล็กที่พิมพ์ได้ 3 มิติ

ในกรณีนี้ ฉันได้เลือกอาร์เรย์แม่เหล็ก 8 ขั้วในวงกลมขนาด 150 มม. โดยใช้แม่เหล็กแรร์เอิร์ธขนาด 1"x1"x0.25" ขนาดนี้เพื่อให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนทั้งหมดจะพอดีกับฐานพิมพ์ขนาด 210 มม. x 210 มม. โดยทั่วไปแล้ว ฉันปรับขนาดเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับนี้ก่อนโดยเข้าใจว่าเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่า ยิ่งดีในแง่ของโวลต์ต่อรอบต่อนาที ดังนั้น ทำให้มันใหญ่พอๆ กับเตียงพิมพ์ของฉัน FYI มีเหตุผลมากกว่าหนึ่งข้อที่ใหญ่กว่าดีกว่า: มีที่ว่างมากขึ้น แม่เหล็ก ยิ่งแม่เหล็กอยู่ห่างจากศูนย์กลางมากเท่าไหร่ก็ยิ่งเคลื่อนที่ได้เร็วเท่านั้น และยังมีที่ว่างสำหรับทองแดงอีกด้วย สิ่งเหล่านี้สามารถรวมกันได้อย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม สรุปที่ฉันได้มาคือในช่วงขนาดนี้ ระบบฟลักซ์อาจเป็นการสร้างบ้านที่ดีกว่า โรเตอร์ขนาดเล็กไม่มีที่ว่างมากและสิ่งต่าง ๆ จะค่อนข้างแน่นโดยเฉพาะถ้าคุณทำเพลาทะลุเหมือนที่ฉันได้ทำในการออกแบบนี้ นอกจากนี้ ถ้าแม่เหล็กของคุณ (ความยาวแนวรัศมี) มีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลางของโรเตอร์ เช่น นี้ (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 6" ถึง 1" แม่เหล็ก) จากนั้นลม ng จะดูแปลกไปเล็กน้อยโดยที่ปลายด้านในคดเคี้ยวเพียง 1/2 ของความยาวด้านนอกเท่านั้น

กลับไปสั่งสอน! วิธีที่ฉันประกอบแผ่นแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับนี้คือ ก่อนอื่นให้ติดแผ่นแม่เหล็ก (สีเขียว) กับหน้าแปลน/แผ่นรองสีแดง จากนั้นฉันวางแผ่นแม่เหล็กบนไม้อัดบางๆ สองสามชั้น (หนาประมาณ.75 ) แล้ววางทั้งสองแผ่นบนแผ่นเหล็กหนัก เพื่อให้แม่เหล็กยึดชุดประกอบเข้าที่ จากนั้นฉันก็พันลวดเหล็กลงบน ด้านหลังแผ่นแม่เหล็ก ไม่ได้เป็นไปตามที่คิดไว้ สนามแม่เหล็กแรงสูงดึงลวดเข้าหาศูนย์กลางของแม่เหล็ก ข้าพเจ้าดัดลวดแต่ละแถวให้พอดีกับจุดต่อไปไม่สำเร็จ โดยไม่กระแทกห่อแรก ฉันหวังว่าฉันจะสามารถม้วนลวดเข้าไปได้และฟลักซ์แม่เหล็กจะล็อคมัน ต่อไปฉันลองตัดวงแหวนลวดแล้วมันก็ดีขึ้น แต่ก็ยังห่างไกลจากสิ่งที่ฉันทำ หวังว่าจะได้รับ backing plate ที่สม่ำเสมอจากลวด วิธีที่ซับซ้อนมากขึ้นในการทำเช่นนี้เป็นไปได้ และอาจคุ้มค่ากับการทดลองในอนาคต ฉันยังลองใช้ใยเหล็กอัดแน่นในสนามแม่เหล็กเป็นแผ่นรองหรือฟลักซ์ เส้นทางกลับ ดูเหมือนว่าจะใช้ได้ แต่ความหนาแน่นของเหล็กจริงดูเหมือนจะไม่สูงมาก ดังนั้นฉันจึง ไม่ได้ทดสอบประสิทธิภาพของมัน ส่วนหนึ่งเพราะฉันเชื่อว่าโครงสร้างลวดมีความสำคัญต่อโหลดทางกลบนแผ่นแม่เหล็ก ขนเหล็กอาจคุ้มค่ากับการตรวจสอบในอนาคต แต่แผ่นเหล็กที่ตัดด้วยแรงดันน้ำน่าจะเป็นตัวเลือกต่อไปที่ฉันจะลอง

ต่อไป ฉันนำส่วนที่พิมพ์ 3 มิติสีส้มมา แล้วทอลวดผ่านและรอบๆ ตามแนวที่ฉันคิดว่าเป็นทิศทางการรับน้ำหนักสูงสุด โบลต์ต่อโบลต์ และโบลต์ให้อยู่ตรงกลางสองสามครั้งในแต่ละมุม ฉันยังพันรอบรูสลักที่แกนเกลียวทั้งหมดผ่านเป็นเสาแม่แรงเพื่อรักษาและปรับระยะห่างระหว่างเพลต

หลังจากพอใจที่แผ่นแม่เหล็กและหน้าแปลนนั้นดีพอ และแผ่นรองสีส้มก็ร้อยเกลียวด้วยลวดเสริมแรงได้อย่างน่าพอใจ ฉันจึงเชื่อมทั้งสองเข้าด้วยกันด้วยกาว ต้องใช้ความระมัดระวังเนื่องจากข้อต่อกาวนี้จะต้องกันน้ำหรือปิดสนิท ฉันมีการรั่วไหลสองครั้งแรก และมันก็เลอะเทอะ เปลืองปูนปลาสเตอร์มาก และความเครียดมากกว่าที่คุณต้องการ ฉันขอแนะนำให้เก็บแทคสีน้ำเงินหรือหมากฝรั่งอื่นๆ เช่น กาวที่ไม่ถาวรรอบๆ เพื่อปะรอยรั่วอย่างรวดเร็ว เมื่อประกอบชิ้นส่วนแล้ว ให้เติมวัสดุเสริมแรงที่คุณต้องการ ฉันใช้พลาสเตอร์แข็ง ดัดแปลงด้วยกาว PVA ปูนปลาสเตอร์ควรมีแรงอัดถึง 10,000 psi แต่ไม่ตึงมากนัก (เช่น ลวด) ฉันต้องการลองอีพ็อกซี่กับแก้วสับ และคาโบซิล หรือคอนกรีตและสารผสม

สิ่งที่มีประโยชน์เกี่ยวกับปูนปลาสเตอร์ก็คือ เมื่อมันเตะคุณจะมีเวลาค่อนข้างมากที่มันแข็ง แต่เปราะบางและมีรอยรั่วหรือเป็นหยดๆ ก็สามารถขูดหรือหลุดออกได้ง่าย

ในการออกแบบนี้มีแผ่นแม่เหล็กสองแผ่น อันหนึ่งมีตลับลูกปืน ซึ่งเป็นหน่วยปรับแนวหมอนบล็อกขนาดมาตรฐาน 1 นิ้ว ฉันกดของฉันเข้าไปในอาร์เรย์แม่เหล็กตั้งแต่เนิ่นๆ สำหรับการใช้งานที่ฉันออกแบบไว้ ตลับลูกปืนที่สองจะอยู่ในกังหันเหนือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ ดังนั้นฉัน ใช้ตลับลูกปืนปรับแนวได้เองเพียงตัวเดียว เจ็บนิดหน่อย สุดท้าย ชิ้นส่วนเหล่านี้สามารถประกอบกับแผ่นแม่เหล็กแต่ละแผ่นที่มีลูกปืนได้ ถ้าสายเอาต์พุตจากสเตเตอร์มีตะกั่วภายในผ่านเพลาที่ติดตั้งอยู่ สิ่งนี้จะ อนุญาตให้ติดตั้งใบพัดหมุนตรงกันข้ามกับเพลา/ท่อทั่วไปที่ไม่หมุน

ขั้นตอนที่ 3: การสร้างสเตเตอร์

เพื่อให้สอดคล้องกับธีมของฉันในการพยายามอธิบายสิ่งที่ฉันได้ทำไป และเหตุใดจึงดูเหมือนเป็นความคิดที่ดีในขณะนั้น สเตเตอร์จะต้องใช้พื้นที่เพิ่มขึ้นอีกเล็กน้อย

ใน PMA โดยทั่วไป ขดลวดจะอยู่กับที่ ในขณะที่ส่วนประกอบแม่เหล็กจะหมุน นี่ไม่ใช่กรณีเสมอไป แต่เกือบทุกครั้ง ในการประกอบฟลักซ์ตามแนวแกน ด้วยความเข้าใจใน "กฎมือขวา" พื้นฐาน เป็นที่เข้าใจว่าตัวนำใดๆ ที่พบกับสนามแม่เหล็กที่หมุนได้ จะมีกระแสและแรงดันที่เกิดขึ้นระหว่างปลายของเส้นลวด โดยปริมาณกระแสที่มีประโยชน์จะเป็นสัดส่วน ไปในทิศทางของสนาม ถ้าสนามเคลื่อนที่ขนานกับเส้นลวด (เช่น ในวงกลมรอบแกนของการหมุน) จะไม่มีการสร้างกระแสที่มีประโยชน์ แต่จะมีการสร้างกระแสน้ำวนที่มีนัยสำคัญ ซึ่งจะต้านการเคลื่อนที่ของแม่เหล็ก หากสายไฟวิ่งในแนวตั้งฉาก แรงดันและกระแสไฟสูงสุดจะถึงระดับสูงสุด

ลักษณะทั่วไปอีกประการหนึ่งคือช่องว่างภายในสเตเตอร์ซึ่งฟลักซ์แม่เหล็กผ่านขณะหมุนเพื่อเอาท์พุตกำลังไฟสูงสุดควรเติมทองแดงให้มากที่สุดโดยวางแนวรัศมีทั้งหมด นี่เป็นปัญหาสำหรับระบบฟลักซ์ตามแนวแกนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็ก ในกรณีนี้ พื้นที่สำหรับทองแดงใกล้กับเพลาเป็นเพียงเศษเสี้ยวของพื้นที่ที่ขอบด้านนอก เป็นไปได้ที่จะได้ทองแดง 100% ที่บริเวณด้านในสุดที่สนามแม่เหล็กพบ แต่ภายในรูปทรงนี้ อาจทำให้คุณได้ 50% ที่ขอบด้านนอกเท่านั้น นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลที่สำคัญที่สุดในการหลีกเลี่ยงการออกแบบฟลักซ์ตามแนวแกนที่เล็กเกินไป

อย่างที่ฉันพูดไปก่อนหน้านี้ คำสั่งสอนนี้ไม่ได้เกี่ยวกับวิธีการที่ฉันจะทำอีกครั้ง แต่เป็นการชี้ทิศทางที่มีแนวโน้มว่าจะเป็นไปได้ และแสดงให้เห็นหลุมบ่อบางส่วนที่สามารถเข้าถึงได้บนเส้นทางนี้

ในการออกแบบสเตเตอร์ ฉันต้องการทำให้มันยืดหยุ่นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในแง่ของโวลท์เอาท์พุตต่อรอบต่อนาที และฉันต้องการให้เป็นแบบ 3 เฟส เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด โดยการลดกระแสน้ำวนให้น้อยที่สุด "ขา" ใดๆ (แต่ละด้านของขดลวดควรถูกมองว่าเป็น "ขา") ควรพบแม่เหล็กครั้งละหนึ่งตัวเท่านั้น หากแม่เหล็กอยู่ใกล้กันหรือสัมผัสกันเหมือนเช่นในกรณีของมอเตอร์ rc ที่มีเอาต์พุตสูงจำนวนมาก ในช่วงเวลาที่ "ขา" กำลังเคลื่อนผ่านฟลักซ์แม่เหล็กที่พลิกกลับ กระแสน้ำวนที่มีนัยสำคัญจะได้รับการพัฒนา ในการใช้งานมอเตอร์นั้นไม่สำคัญเท่า เนื่องจากตัวควบคุมจะจ่ายไฟให้กับคอยล์เมื่ออยู่ในตำแหน่งที่เหมาะสม

ฉันปรับขนาดอาร์เรย์แม่เหล็กโดยคำนึงถึงแนวคิดเหล่านี้ แม่เหล็กแปดตัวในอาร์เรย์มีขนาดกว้าง 1 นิ้ว และช่องว่างระหว่างแม่เหล็กทั้งสองคือ 1/2 นิ้ว ซึ่งหมายความว่าส่วนแม่เหล็กมีความยาว 1.5 นิ้ว และมีพื้นที่สำหรับขา 3 x 1/2" "ขา" แต่ละตัวเป็นเฟส ดังนั้น ณ จุดใดๆ ขาข้างหนึ่งเห็นฟลักซ์ที่เป็นกลาง ในขณะที่อีกสองขาเห็นฟลักซ์ที่กำลังเคลื่อนตัวและฟลักซ์ที่ลดลง เอาต์พุต 3 เฟสที่สมบูรณ์แบบ แม้ว่าโดยให้จุดที่เป็นกลางมีพื้นที่ว่างมาก (เพื่อลดกระแสน้ำวน) และใช้แม่เหล็กรูปสี่เหลี่ยม (หรือรูปวงกลม) ฟลักซ์เกือบจะถึงจุดสูงสุดตั้งแต่เนิ่นๆ อยู่ในระดับสูง แล้วตกลงไปที่ศูนย์อย่างรวดเร็ว ฉันคิดว่าเอาต์พุตประเภทนี้เรียกว่าสี่เหลี่ยมคางหมู และอาจเป็นเรื่องยากสำหรับตัวควบคุมบางตัวที่ฉันเข้าใจ แม่เหล็กทรงกลมขนาด 1 นิ้วในอุปกรณ์เดียวกันจะให้คลื่นไซน์ที่แท้จริงมากกว่า

โดยทั่วไปแล้ว เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่สร้างเองเหล่านี้สร้างขึ้นโดยใช้ "ขดลวด" ซึ่งเป็นมัดลวดรูปโดนัท โดยที่แต่ละด้านของโดนัทเป็น "ขา" และสามารถต่อจำนวนขดลวดเข้าด้วยกันเป็นชุดหรือขนานกันได้ โดนัทถูกจัดเรียงเป็นวงกลมโดยให้จุดศูนย์กลางอยู่ในแนวเดียวกับศูนย์กลางของเส้นทางแม่เหล็ก ใช้งานได้ แต่มีปัญหาบางอย่าง ประเด็นหนึ่งคือ เนื่องจากตัวนำไม่เป็นแนวรัศมี ตัวนำจำนวนมากจึงไม่ผ่านไปยังสนามแม่เหล็กที่ 90 องศา จึงมีการสร้างกระแสไหลวน ซึ่งปรากฏเป็นความร้อนในขดลวด และความต้านทานการหมุนในอาร์เรย์แม่เหล็ก. อีกประเด็นหนึ่งคือ เนื่องจากตัวนำไม่ได้มีลักษณะเป็นแนวรัศมี พวกมันจึงไม่ติดกันเป็นอย่างดี เอาต์พุตเป็นสัดส่วนโดยตรงกับจำนวนลวดที่คุณสามารถใส่ในพื้นที่นี้ ดังนั้นเอาต์พุตจึงลดลงด้วย "ขา" ที่ไม่ใช่แนวรัศมี แม้ว่าจะเป็นไปได้และบางครั้งทำในรูปแบบเชิงพาณิชย์ แต่การม้วนขดลวดที่มีขา "เป็นแนวรัศมี เชื่อมด้านบนและด้านล่างเข้าด้วยกัน ต้องใช้การม้วนปลายมากเป็น 2 เท่าของขดลวดคดเคี้ยวโดยที่ส่วนบนของขาข้างหนึ่งต่อกับส่วนบนของขาข้างหนึ่ง ขาถัดไปที่เหมาะสม จากนั้นส่วนล่างของขานั้นเชื่อมต่อกับขาที่เหมาะสมถัดไป และต่อไปเรื่อยๆ

ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับตามแนวแกนของประเภทนี้ (แม่เหล็กหมุนด้านบนและด้านล่างสเตเตอร์) คือช่องว่างระหว่างเพลต นี่คือความสัมพันธ์ของกฎลูกบาศก์ เมื่อคุณลดระยะห่างระหว่างเพลตลง 1/2 ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กจะเพิ่มขึ้น 8 เท่า ยิ่งทำให้สเตเตอร์ของคุณบางลงได้ยิ่งดี!

เมื่อคำนึงถึงสิ่งนี้ ฉันจึงสร้างจิ๊กคดเคี้ยว 4 แฉก ตั้งค่าระบบสำหรับวัดเส้นลวดประมาณ 50 ฟุต และพันจิ๊ก 6 ครั้ง เพื่อสร้างมัดลวดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 6 มม. ฉันใส่สิ่งเหล่านี้ลงบนวงแหวนเว้นระยะสีน้ำเงินโดยผูกมันเข้าไปในรูเพื่อให้ปลายลวดออกมาทางด้านหลัง นี่ไม่ใช่เรื่องง่าย มันช่วยได้นิดหน่อยโดยการติดเทปมัดมัดอย่างระมัดระวังเพื่อไม่ให้หลวม และโดยใช้เวลาของฉันและใช้เครื่องมือขึ้นรูปไม้ที่เรียบเพื่อดันสายไฟเข้าที่ เมื่อมัดทั้งหมดเข้าที่แล้ว วงแหวนระยะห่างสีน้ำเงินก็ถูกวางลงในอ่างขึ้นรูปสีเขียวอ่อนที่ใหญ่ที่สุด และด้วยความช่วยเหลือของเครื่องมือขึ้นรูปโดนัทสีเขียวเข้ม อีกด้านหนึ่งของอ่างสีเขียวอ่อน ค่อยๆ กดแบนด้วย รองม้านั่ง อ่างขึ้นรูปนี้มีร่องสำหรับบิดลวดผูกให้เข้าที่ ซึ่งต้องใช้เวลาและความอดทนเมื่อคุณหมุนอย่างระมัดระวังประมาณ 1/5 รอบ กด หมุน และเดินต่อไป ซึ่งจะทำให้ดิสก์แบนและบาง ในขณะที่ปล่อยให้ม้วนปลายซ้อนกันได้ คุณอาจสังเกตเห็นว่าขดลวด 4 แฉกของฉันมี "ขา" ตรง แต่การเชื่อมต่อด้านในและด้านนอกไม่กลม นี่ควรจะทำให้พวกเขาซ้อนได้ง่ายขึ้น มันไม่ได้ผลที่ดี ถ้าผมทำอีก ผมจะทำให้ปลายด้านในและด้านนอกเป็นวงเวียนตามทางที่เป็นวงกลม

หลังจากที่แบนและบางและขอบแน่นแล้ว ฉันก็พันริบบิ้นแบนๆ ที่ขอบเพื่อกระชับ และอีกอันขึ้น ลง และรอบขาแต่ละข้าง และจากนั้นก็พันริบบิ้นข้างหนึ่งด้วย หลังจากเสร็จแล้ว คุณสามารถถอดสายผูกออกและเปลี่ยนไปใช้อ่างกดที่มีขนาดเล็กกว่า และกลับไปที่รองแล้วกดให้บางและแบนที่สุด เมื่อแบนแล้วให้นำออกจากอ่างกด แทนที่จะใช้กระบวนการที่ซับซ้อนของการแว็กซ์อย่างระมัดระวังและเคลือบแม่พิมพ์เช่นนี้ด้วยสารประกอบที่ปลดปล่อยออกมา โดยทั่วไปแล้ว ฉันแค่ใช้ฟิล์มยืดสองสามชั้น (จากห้องครัว) วางสองชั้นที่ด้านล่างของแม่พิมพ์ และวางไฟเบอร์กลาสบนแผ่นยืด ถัดไปเพิ่มท่อสำหรับติดตั้งสเตเตอร์ซึ่งพอดีกับด้านบนของถังขึ้นรูปสีเขียวอ่อน แต่มีชั้นของฟิล์มยืดและไฟเบอร์กลาสอยู่ระหว่าง จากนั้นเพิ่มขดลวดสเตเตอร์กลับเข้าที่เพื่อดันทั้งฟิล์มยืดและไฟเบอร์กลาสลง แล้วล็อคท่อสำหรับติดตั้งสเตเตอร์ให้เข้าที่ จากนั้นกลับไปที่รองแล้วกดแบนอีกครั้ง เมื่อเข้ากับอ่างได้ดี โดยพันด้วยผ้ายืดและไฟเบอร์กลาสประกบกัน จากนั้นจึงเพิ่มผ้าไฟเบอร์กลาส (มีรูตรงกลางสำหรับท่อสำหรับติดตั้งสเตเตอร์)

ตอนนี้ก็พร้อมที่จะเทวัสดุยึดติดโดยทั่วไปแล้วจะใช้อีพ็อกซี่หรือโพลีเอสเตอร์เรซิน ก่อนจะเสร็จสิ้น การเตรียมการอย่างระมัดระวังเป็นสิ่งสำคัญ เพราะเมื่อคุณเริ่มกระบวนการนี้แล้ว คุณจะไม่สามารถหยุดได้จริงๆ ฉันใช้แผ่นฐานพิมพ์ 3 มิติที่ฉันเคยทำมา โดยมีรูขนาด 1 นิ้วตรงกลางและแผ่นเรียบรอบๆ ฉันใช้ท่ออลูมิเนียมขนาด 1 นิ้วขนาด 16 นิ้ว ที่ท่อยึดสเตเตอร์จะพอดีและพอดี ตั้งฉากกับจานแบน อ่างขึ้นรูปสีเขียว ขดลวดสเตเตอร์ และท่อสำหรับติดตั้งสเตเตอร์ถูกเลื่อนลงมาเพื่อนั่งบนจานแบน ก่อนผสมอีพ็อกซี่ อันดับแรก ฉันได้เตรียมการหดตัว 4 ชิ้น และวางชิ้นที่ 5 อย่างระมัดระวัง โดนัทขึ้นรูปสีเขียวเข้ม ดังนั้นจึงมีรอยยับน้อยที่สุดบนใบหน้ากับขดลวดสเตเตอร์ หลังจากผสมอีพ็อกซี่และเทลงบนผ้าไฟเบอร์กลาสแล้ว ฉันก็วางห่อยืดรอบท่อ 1 อย่างระมัดระวัง แล้ววางสีเขียว ขึ้นรูปเป็นวงแหวนด้านบน ฉันยังเตรียมจานเบรกเก่าสองสามใบซึ่งให้น้ำหนักอยู่บ้างและนั่งบนโดนัทขึ้นรูปสีเขียวอย่างดี หลังจากนี้ ฉันวางหม้อคว่ำบนจานโรเตอร์เบรก และบนหม้อ ฉันซ้อนสิ่งของได้ประมาณ 100 ปอนด์ ฉันทิ้งมันไว้ 12 ชั่วโมง และมันออกมาหนาประมาณ 4-6 มม.

ขั้นตอนที่ 4: การทดสอบและเซ็นเซอร์

มีอินพุตและเอาต์พุตที่วัดได้จำนวนหนึ่งจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ และการวัดทั้งหมดในเวลาเดียวกันนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย ฉันโชคดีมากที่มีเครื่องมือบางอย่างจาก Vernier ที่ทำให้สิ่งนี้ง่ายขึ้นมาก Vernier สร้างผลิตภัณฑ์ระดับการศึกษาซึ่งไม่ได้รับการรับรองสำหรับใช้ในอุตสาหกรรม แต่มีประโยชน์มากสำหรับผู้ทดลองเช่นฉัน ฉันใช้เครื่องบันทึกข้อมูล Vernier พร้อมเซ็นเซอร์แบบพลักแอนด์เพลย์ที่หลากหลาย ในโครงการนี้ ฉันใช้โพรบกระแสและแรงดันแบบฮอลล์ในการวัดเอาต์พุตของอัลเทอร์เนเตอร์ เซ็นเซอร์ออปติคัลเพื่อให้ความเร็วของอัลเทอร์เนเตอร์ และโหลดเซลล์เพื่อวัดอินพุตของแรงบิด เครื่องมือทั้งหมดเหล่านี้สุ่มตัวอย่างประมาณ 1,000 ครั้งต่อวินาที และบันทึกลงในแล็ปท็อปของฉัน โดยใช้เครื่องบันทึก Vernier เป็นอุปกรณ์ส่งผ่านโฆษณา บนแล็ปท็อปของฉัน ซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้องสามารถเรียกใช้การคำนวณตามเวลาจริงตามอินพุต โดยรวมข้อมูลแรงบิดและความเร็วเพื่อให้กำลังเพลาอินพุตแบบเรียลไทม์ในหน่วยวัตต์ และข้อมูลเอาต์พุตแบบเรียลไทม์ในหน่วยวัตต์ ฉันยังทำการทดสอบนี้ไม่เสร็จ และข้อมูลจากผู้ที่มีความเข้าใจดีขึ้นจะเป็นประโยชน์

ปัญหาที่ฉันมีคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับนี้เป็นโครงการเสริมจริงๆ ดังนั้นฉันจึงไม่ต้องการใช้เวลากับมันมากเกินไป ตามที่เป็นอยู่ ฉันคิดว่าฉันสามารถใช้มันสำหรับโหลดที่ควบคุมได้สำหรับการวิจัย VAWT ของฉัน แต่ในที่สุด ฉันต้องการทำงานร่วมกับผู้คนในการปรับแต่ง เพื่อให้เหมาะสมกับกังหันของฉันอย่างมีประสิทธิภาพ

เมื่อฉันเริ่มทำการวิจัย VAWT เมื่อประมาณ 15 ปีที่แล้ว ฉันพบว่าการทดสอบ VAWT และไพรม์มูฟเวอร์อื่นๆ นั้นซับซ้อนกว่าที่คนส่วนใหญ่คิด

ประเด็นหลักคือ พลังงานที่แสดงในของไหลเคลื่อนที่นั้นมีค่าทวีคูณกับอัตราการเคลื่อนที่ของมัน ซึ่งหมายความว่าเมื่อคุณเพิ่มความเร็วของการไหลเป็นสองเท่า พลังงานที่มีอยู่ในการไหลจะเพิ่มขึ้น 8 เท่า (เป็นลูกบาศก์) นี่เป็นปัญหา เนื่องจากอัลเทอร์เนเตอร์มีความเป็นเส้นตรงมากกว่า และโดยทั่วไปแล้ว หากคุณเพิ่มรอบต่อนาทีของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเป็นสองเท่า คุณจะได้วัตต์ประมาณ 2 เท่า

ความไม่ตรงกันขั้นพื้นฐานระหว่างกังหัน (อุปกรณ์รวบรวมพลังงาน) และเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ (กำลังของเพลากับพลังงานไฟฟ้าที่มีประโยชน์) ทำให้ยากต่อการเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับสำหรับกังหันลม หากคุณเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่เหมาะกับกังหันลมของคุณซึ่งจะสร้างกำลังสูงสุดจากลม 20 กม./ชม. มีแนวโน้มว่าจะไม่เริ่มเลี้ยวจนถึง 20-25 กม./ชม. เนื่องจากภาระของกังหันจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะสูงเกินไป. ด้วยกระแสสลับที่ตรงกัน เมื่อลมอยู่เหนือ 20 กม. กังหันไม่เพียงจะจับพลังงานเพียงเศษเสี้ยวของพลังงานที่มีอยู่ในลมความเร็วสูงเท่านั้น กังหันอาจทำความเร็วเกินกำหนด และเสียหายเนื่องจากโหลดจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับไม่สูง เพียงพอ.

ในทศวรรษที่ผ่านมา โซลูชันมีความประหยัดมากขึ้นเนื่องจากราคาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมที่ลดลง แทนที่จะพยายามจับคู่ช่วงความเร็ว ผู้ออกแบบจะคำนวณความเร็วสูงสุดที่อุปกรณ์ต้องการใช้งาน และเลือกเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับตามปริมาณพลังงานและความเร็วในอุดมคติสำหรับกังหันที่ความเร็วนั้นหรือสูงกว่านั้นเล็กน้อย. เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับนี้หากเชื่อมต่อกับโหลด โดยปกติแล้วจะให้แรงบิดมากเกินไปที่ช่วงความเร็วต่ำ และเทอร์ไบน์ที่โอเวอร์โหลดจะไม่จับพลังงานทั้งหมดที่อาจมีหากมีการโหลดอย่างเหมาะสม เพื่อสร้างโหลดที่เหมาะสม ตัวควบคุมจะถูกเพิ่มเข้าไปซึ่งจะตัดการเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับจากโหลดไฟฟ้าชั่วขณะ ทำให้กังหันเร่งความเร็วได้ถึงความเร็วที่เหมาะสม และเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและโหลดอีกครั้ง สิ่งนี้เรียกว่า MPPT (การติดตามจุดไฟหลายจุด) ตัวควบคุมถูกตั้งโปรแกรมไว้เช่นเมื่อความเร็วของกังหันเปลี่ยนไป (หรือแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับเพิ่มขึ้น) เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับจะเชื่อมต่อหรือตัดการเชื่อมต่อเป็นพันครั้งต่อวินาทีหรือมากกว่านั้น เพื่อให้ตรงกับโหลดที่ตั้งโปรแกรมไว้สำหรับความเร็วหรือแรงดันไฟฟ้านั้น