De fleste forklaringer af en vindmølle stopper ved vingerne. Men vingerne afgør kun, hvor meget energi der er til rådighed — hvad der sker med den, afgøres af generatoren, og helt konkret af hvordan dens magneter er placeret. Her er et kig ind i den permanentmagnetgenerator, TESUP bygger til Atlas og Magnum, og på den ene egenskab, der afgør, om en mølle drejer i svag vind eller bare står stille.
Hvad er en permanentmagnetgenerator?
En permanentmagnetgenerator producerer strøm med faste magneter i stedet for elektromagneter, der først skal magnetiseres. Fordi magnetfeltet altid er der, genererer maskinen fra første omdrejning og kræver hverken magnetiseringsstrøm, slæberinge eller ekstern energi for at komme i gang.
TESUP's generator er en 24-polet permanentmagnetmaskine med NdFeB N42-magneter (neodym-jern-bor), hver 60 × 25 × 5 mm, forniklede og kuppelformede. Der er 24 af dem, i alt 180 cm³ magnet, som roterer i en stator på 16 cm × 12 cm.
Hvorfor 24 poler, og hvorfor ingen gearkasse?
Polantallet fastsætter forholdet mellem omdrejningstal og udgangsfrekvens. En generator med få poler skal dreje hurtigt for at være brugbar, og derfor sidder der en gearkasse mellem rotor og generator på mange møller. Gearkassen er samtidig den komponent, der oftest svigter, den der kræver olieskift, og den der støjer.
Fireogtyve poler giver brugbar spænding allerede ved lavt omdrejningstal, så rotoren kan drive generatoren direkte. Ingen gearkasse betyder ingen gearolie, intet tandhjulsslid og én ting mindre, der kan sætte sig fast på et tag i februar.
Hvad er cogging-moment?
Cogging-moment er den modstand, man mærker, når man drejer en permanentmagnetmotor med hånden — den hakkende, trinvise træghed, som om akslen vil sætte sig i faste positioner. Det skyldes, at magneterne trækkes mod statorens ståltænder. Hver tand er en foretrukken hvileposition, som rotoren skal skubbes ud af.
I en ventilator eller et elværktøj er cogging en mindre irritation. I en lille vindmølle er det den største hindring for ydelse i svag vind, fordi cogging-momentet er en fast tærskel, vinden skal overvinde, før noget som helst drejer. Under den er produktionen ikke lille — den er nul.
Derfor betyder startvindhastigheden langt mere end mærkeeffekten for en husstandsmølle. Mærkeeffekten beskriver en blæsende dag. Startvindhastigheden beskriver alle de andre.
Hvordan reducerer skråtstillede magneter cogging-momentet?
Hvis hver magnet ligger nøjagtigt parallelt med statortænderne, når alle 24 poler deres tiltrækningstop i samme øjeblik. De toppe lægges sammen, og resultatet er et kraftigt, hakkende puls, som vinden skal bryde igennem ved hvert trin.
Skråtstilling betyder at montere magneterne i en let vinkel i forhold til rotationsaksen, så hver magnet møder en statortand gradvist i stedet for på én gang. Toppene falder ikke længere sammen — de spredes og ophæver delvis hinanden. Det samlede moment er uændret; det, der forsvinder, er rippelen.
TESUP bruger skråtstillet magnetmontering netop derfor. Mindre cogging-moment betyder en lavere løsrivelsestærskel, og det er den lavere tærskel, der lader Atlas starte af sig selv ved 2 m/s med vingesættet til svag vind — cirka en tredjedel af startvindhastigheden for en typisk mølle med vandret aksel.
Skråtstilling er ikke gratis: den sænker den maksimale flux-kobling en smule, så en skråtstillet maskine giver lidt spidseffekt afkald mod at starte tidligere. For en husstandsmølle, hvor svag vind er det normale og storm undtagelsen, er det den rigtige handel.
Hvorfor værktøjet afgør cogging-momentet
Skråtstilling ophæver kun cogging-momentet, hvis hver magnet sidder præcis der, hvor konstruktionen siger. Ophævelsen er en geometrisk effekt: 24 magneter, hver forskudt med en præcis vinkel, så deres tiltrækningstoppe falder ude af fase. Hvis magneternes lejer varierer fra rotor til rotor, varierer skråvinklen med dem — toppene falder i fase igen, cogging-momentet stiger, og med det den vindhastighed, der skal til for at rive rotoren fri.
Derfor er ±0,05 mm på alle bearbejdede komponenter ikke pral på et datablad. Det er den tolerance, fysikken kræver. En rotor med løse tolerancer kan bære nøjagtig de samme magneter, samme polantal og samme kobber — og alligevel starte senere.
At holde den tolerance på én prototype er ligetil. At holde den på hver eneste enhed i årevis er et værktøjsproblem — derfor kom dette til vores fabrik:
Et presseværktøj som dette køber man ikke for hastigheden, selv om det er hurtigere. Man køber det for gentagelsesnøjagtigheden. Den første rotor formet på det og den titusinde kommer ud af det samme stål, styret af de samme søjler, i de samme mål. Kun sådan betyder et tolerancetal noget, når man bygger i serie i stedet for ét ad gangen.
Det betyder også én komponent mere, der ikke længere afhænger af andres kvalitetskontrol. Vores europæiske fabrikker producerer allerede over 270 komponenter internt — generatorer, elektronikkort, vinger og monteringsdele. Hvert værktøj, der lander, gør den liste én linje længere.
Hvorfor bruger en mølle på omkring 1 kW en motor på 15 kW?
Fordi en generators mærkedata er en termisk grænse, ikke et løfte om produktion. De 15 kW kontinuerligt er, hvad maskinen kan holde ubegrænset uden at overophede, og det sættes af tre ting: lakstrådsisoleringen i klasse 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, samme klasse som i industrielle servomotorer og eldrivlinjer), de 4 kg kobberviklinger som termisk masse, og passiv køling gennem huset.
Ved Atlas' typiske ydelse omkring 1 kW kører motoren på under 7 % af sin kontinuerlige mærkeeffekt. Den kører koldt. Kobbertab vokser med kvadratet på strømmen, så en maskine langt under sin grænse spilder meget lidt som varme — og det er varmen, der ældes isoleringen og til sidst afslutter en motors levetid.
Spidsværdien på 22 kW er den kortvarige overbelastningsevne til vindstød. Den afgrænses af to fysiske grænser: afmagnetiseringstærsklen for N42-magneterne og mætning i statorjernet.
Hvor energien faktisk kommer fra
Den tilgængelige effekt i vinden følger:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Hvor ρ er luftens massefylde, A det bestrøgne areal, V vindhastigheden, Cp effektkoefficienten og η den elektriske virkningsgrad. Atlas-rotoren bestryger 1,035 m² (1030 mm diameter × 1005 mm højde), når et Cp på 0,28 i god vind og omsætter med 92 % elektrisk virkningsgrad.
Det dominerende led er V³. Vindhastigheden er i tredje potens, så en placering med 30 % mere vind giver cirka det dobbelte i energi, ikke 30 % mere. Derfor ændrer masthøjde og placering resultatet mere end nogen specifikation på denne side — og derfor begynder et ærligt svar på „hvor meget får jeg?“ altid med et spørgsmål om din placering frem for et tal.
Fuld generatorspecifikation
| Parameter | Værdi |
|---|---|
| Generatortype | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Magneter | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Magnetvolumen | 24 magnets · 180 cm³ |
| Magnetmontering | Skewed |
| Stator | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Vikling | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Trådisolering | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Bearbejdningstolerance | ±0.05 mm |
| Rotor | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Startvindhastighed | 2 m/s |
| Effektkoefficient (Cp) | 0.28 |
| Elektrisk virkningsgrad | 92% |
| Motoreffekt | 15 kW / 22 kW |
Hvad dette siger — og ikke siger
Hvert tal ovenfor er en egenskab ved maskinen, og maskinens egenskaber er den del, vi styrer. Cogging-moment, polantal, magnetkvalitet, isolationsklasse og bearbejdningstolerance er ens i hver eneste enhed, vi sender.
Årsproduktionen er det ikke. Den afhænger af din vind, og den offentliggjorte produktion for Atlas spænder fra 180 til 2.900 kWh om året netop fordi forskellen mellem en læ villahave og en åben kystplacering er så stor. Fortæl os placering og masthøjde, så giver vi dig et realistisk interval frem for et bedste tilfælde.