Ρότορες μόνιμων μαγνητών — επεξήγηση

Οι περισσότερες εξηγήσεις για μια ανεμογεννήτρια σταματούν στα πτερύγια. Όμως τα πτερύγια καθορίζουν μόνο πόση ενέργεια είναι διαθέσιμη — το τι γίνεται με αυτήν το καθορίζει η γεννήτρια, και συγκεκριμένα ο τρόπος διάταξης των μαγνητών της. Αυτή είναι μια ματιά μέσα στη γεννήτρια μόνιμων μαγνητών που κατασκευάζει η TESUP για το Atlas και το Magnum, και στη μία ιδιότητα που κρίνει αν μια ανεμογεννήτρια γυρίζει σε ασθενή άνεμο ή απλώς στέκεται ακίνητη.

Τι είναι μια γεννήτρια μόνιμων μαγνητών;

Μια γεννήτρια μόνιμων μαγνητών παράγει ρεύμα με σταθερούς μαγνήτες αντί για ηλεκτρομαγνήτες που πρέπει πρώτα να διεγερθούν. Επειδή το μαγνητικό πεδίο υπάρχει πάντα, η μηχανή παράγει από την πρώτη κιόλας περιστροφή και δεν χρειάζεται ούτε ρεύμα διέγερσης, ούτε δακτυλίους ολίσθησης, ούτε εξωτερική ενέργεια για να ξεκινήσει.

Η γεννήτρια της TESUP είναι μια μηχανή μόνιμων μαγνητών 24 πόλων με μαγνήτες NdFeB N42 (νεοδύμιο-σίδηρος-βόριο), ο καθένας 60 × 25 × 5 mm, επινικελωμένος και κυρτού σχήματος. Είναι 24 συνολικά, 180 cm³ μαγνήτη, και περιστρέφονται μέσα σε στάτη 16 cm × 12 cm.

Γιατί 24 πόλοι και γιατί χωρίς κιβώτιο ταχυτήτων;

Ο αριθμός των πόλων καθορίζει τη σχέση ανάμεσα στις στροφές και τη συχνότητα εξόδου. Μια γεννήτρια με λίγους πόλους πρέπει να γυρίζει γρήγορα για να είναι χρήσιμη — γι' αυτό σε πολλές ανεμογεννήτριες μεσολαβεί κιβώτιο ανάμεσα στον ρότορα και τη γεννήτρια. Είναι επίσης το εξάρτημα που χαλάει πιο συχνά, που θέλει αλλαγές λαδιού και που κάνει θόρυβο.

Οι είκοσι τέσσερις πόλοι δίνουν αξιοποιήσιμη τάση ήδη σε χαμηλές στροφές, οπότε ο ρότορας μπορεί να κινεί τη γεννήτρια απευθείας. Χωρίς κιβώτιο δεν υπάρχει λάδι, δεν υπάρχει φθορά γραναζιών και υπάρχει ένα πράγμα λιγότερο που μπορεί να κολλήσει σε μια στέγη τον Φεβρουάριο.

Τι είναι η ροπή οδόντωσης;

Η ροπή οδόντωσης είναι η αντίσταση που νιώθετε όταν γυρίζετε με το χέρι έναν κινητήρα μόνιμων μαγνητών — εκείνη η τσακιστή, βηματική απροθυμία, σαν ο άξονας να θέλει να κάτσει σε συγκεκριμένες θέσεις. Προκαλείται από την έλξη των μαγνητών προς τα χαλύβδινα δόντια του στάτη. Κάθε δόντι είναι μια προτιμώμενη θέση ηρεμίας, από την οποία πρέπει να σπρωχτεί ο ρότορας.

Σε έναν ανεμιστήρα ή ένα ηλεκτρικό εργαλείο αυτό είναι μικρή ενόχληση. Σε μια μικρή ανεμογεννήτρια είναι το μεγαλύτερο εμπόδιο για απόδοση σε ασθενή άνεμο, γιατί η ροπή οδόντωσης είναι ένα σταθερό κατώφλι που ο άνεμος πρέπει να ξεπεράσει πριν γυρίσει οτιδήποτε. Κάτω από αυτό η παραγωγή δεν είναι μικρή — είναι μηδέν.

Γι' αυτό η ταχύτητα εκκίνησης μετράει πολύ περισσότερο από την ονομαστική ισχύ σε μια οικιακή ανεμογεννήτρια. Η ονομαστική ισχύς περιγράφει μια μέρα με αέρα. Η ταχύτητα εκκίνησης περιγράφει όλες τις υπόλοιπες.

Πώς μειώνει η λοξή τοποθέτηση των μαγνητών τη ροπή οδόντωσης;

Αν κάθε μαγνήτης βρίσκεται ακριβώς παράλληλα με τα δόντια του στάτη, και οι 24 πόλοι φτάνουν στην κορύφωση της έλξης την ίδια στιγμή. Αυτές οι κορυφές προστίθενται, και το αποτέλεσμα είναι ένας δυνατός, τσακιστός παλμός που ο άνεμος πρέπει να σπάσει σε κάθε βήμα.

Λοξή τοποθέτηση σημαίνει να στερεώνονται οι μαγνήτες υπό μικρή γωνία ως προς τον άξονα περιστροφής, ώστε κάθε μαγνήτης να συναντά ένα δόντι σταδιακά αντί για όλα μαζί. Οι κορυφές παύουν να συμπίπτουν — απλώνονται και αλληλοαναιρούνται εν μέρει. Η συνολική ροπή δεν αλλάζει· αυτό που εξαφανίζεται είναι η κυμάτωση.

Η TESUP χρησιμοποιεί λοξή τοποθέτηση μαγνητών ακριβώς γι' αυτόν τον λόγο. Μικρότερη ροπή οδόντωσης σημαίνει χαμηλότερο κατώφλι απόσπασης, και αυτό ακριβώς το χαμηλότερο κατώφλι επιτρέπει στο Atlas να ξεκινά μόνο του στα 2 m/s με το σετ πτερυγίων ασθενούς ανέμου — περίπου το ένα τρίτο της ταχύτητας εκκίνησης μιας τυπικής ανεμογεννήτριας οριζόντιου άξονα.

Η λοξή τοποθέτηση δεν είναι δωρεάν: μειώνει ελαφρώς τη μέγιστη σύζευξη μαγνητικής ροής, οπότε μια λοξή μηχανή παραχωρεί λίγη ισχύ κορυφής με αντάλλαγμα την πρωιμότερη εκκίνηση. Για μια οικιακή ανεμογεννήτρια, όπου ο ασθενής άνεμος είναι η συνήθης συνθήκη και η καταιγίδα η εξαίρεση, αυτή είναι η σωστή ανταλλαγή.

Γιατί το εργαλείο κρίνει τελικά τη ροπή οδόντωσης

Η λοξή τοποθέτηση αναιρεί τη ροπή οδόντωσης μόνο αν κάθε μαγνήτης βρίσκεται ακριβώς εκεί που ορίζει ο σχεδιασμός. Η αναίρεση είναι γεωμετρικό φαινόμενο: 24 μαγνήτες, ο καθένας μετατοπισμένος κατά ακριβή γωνία, ώστε οι κορυφές έλξης τους να μην πέφτουν μαζί. Αν οι εδράσεις αυτών των μαγνητών διαφέρουν από ρότορα σε ρότορα, η γωνία λόξωσης διαφέρει μαζί τους — οι κορυφές ξαναευθυγραμμίζονται, η ροπή οδόντωσης ανεβαίνει, και μαζί της η ταχύτητα ανέμου που χρειάζεται για να ελευθερωθεί ο ρότορας.

Γι' αυτό τα ±0,05 mm σε όλα τα κατεργασμένα εξαρτήματα δεν είναι καύχημα σε φυλλάδιο. Είναι η ανοχή που απαιτεί η φυσική. Ένας ρότορας με χαλαρές ανοχές μπορεί να φέρει ακριβώς τους ίδιους μαγνήτες, τον ίδιο αριθμό πόλων και τον ίδιο χαλκό — και παρ' όλα αυτά να ξεκινά αργότερα.

Το να κρατήσεις αυτή την ανοχή σε ένα πρωτότυπο είναι απλό. Το να την κρατάς σε κάθε μονάδα, επί χρόνια, είναι ζήτημα εργαλείου — γι' αυτό έφτασε αυτό στο εργοστάσιό μας:

Ένα τέτοιο εργαλείο πρέσας δεν το αγοράζεις για την ταχύτητα, παρότι είναι ταχύτερο. Το αγοράζεις για την επαναληψιμότητα. Ο πρώτος ρότορας που διαμορφώνεται πάνω του και ο δεκάκις χιλιοστός βγαίνουν από το ίδιο ατσάλι, οδηγούμενοι από τις ίδιες κολόνες, στις ίδιες διαστάσεις. Μόνο έτσι σημαίνει κάτι ένας αριθμός ανοχής, από τη στιγμή που παράγεις σε σειρά και όχι ένα-ένα.

Σημαίνει επίσης ένα εξάρτημα ακόμη που δεν εξαρτάται πια από τον ποιοτικό έλεγχο κάποιου άλλου. Οι ευρωπαϊκές μας εγκαταστάσεις παράγουν ήδη πάνω από 270 εξαρτήματα εσωτερικά — γεννήτριες, ηλεκτρονικές πλακέτες, πτερύγια και υλικά στήριξης. Κάθε εργαλείο που φτάνει κάνει αυτή τη λίστα μία γραμμή μεγαλύτερη.

Γιατί μια ανεμογεννήτρια περίπου 1 kW χρησιμοποιεί κινητήρα 15 kW;

Επειδή η ονομαστική τιμή μιας γεννήτριας είναι θερμικό όριο, όχι υπόσχεση παραγωγής. Τα 15 kW συνεχούς λειτουργίας είναι αυτό που η μηχανή αντέχει επ' αόριστον χωρίς υπερθέρμανση, και το ορίζουν τρία πράγματα: η μόνωση εμαγιέ σύρματος κλάσης 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, η ίδια ποιότητα με τους βιομηχανικούς σερβοκινητήρες και τα συστήματα κίνησης ηλεκτρικών οχημάτων), τα 4 kg χάλκινης περιέλιξης ως θερμική μάζα, και η παθητική ψύξη μέσω του κελύφους.

Στην τυπική απόδοση του Atlas, γύρω στο 1 kW, ο κινητήρας δουλεύει σε λιγότερο από 7% της συνεχούς ονομαστικής του ισχύος. Δουλεύει κρύος. Οι απώλειες χαλκού αυξάνονται με το τετράγωνο του ρεύματος, οπότε μια μηχανή πολύ κάτω από το όριό της σπαταλά ελάχιστα σε θερμότητα — και η θερμότητα είναι που γερνά τη μόνωση και τελικά τερματίζει τη ζωή ενός κινητήρα.

Τα 22 kW αιχμής είναι η βραχυπρόθεσμη ικανότητα υπερφόρτισης για ριπές. Την οριοθετούν δύο φυσικά όρια: το κατώφλι απομαγνήτισης των μαγνητών N42 και ο κορεσμός του σιδήρου του στάτη.

Από πού προέρχεται πραγματικά η ενέργεια

Η διαθέσιμη ισχύς στον άνεμο ακολουθεί:

P = ½ · ρ · A · V³ · C_p · η

Όπου ρ είναι η πυκνότητα του αέρα, A η σαρούμενη επιφάνεια, V η ταχύτητα του ανέμου, C_p ο συντελεστής ισχύος και η ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης. Ο ρότορας του Atlas σαρώνει 1,035 m² (διάμετρος 1030 mm × ύψος 1005 mm), φτάνει C_p 0,28 σε καλό άνεμο και μετατρέπει με 92% ηλεκτρικό βαθμό απόδοσης.

Ο κυρίαρχος όρος είναι το V³. Η ταχύτητα του ανέμου υψώνεται στον κύβο, οπότε μια θέση με 30% περισσότερο άνεμο αποδίδει περίπου τη διπλάσια ενέργεια, όχι 30% περισσότερη. Γι' αυτό το ύψος του ιστού και η τοποθέτηση αλλάζουν το αποτέλεσμα περισσότερο από κάθε προδιαγραφή αυτής της σελίδας — και γι' αυτό μια ειλικρινής απάντηση στο «πόσα θα πάρω;» ξεκινά πάντα με μια ερώτηση για την τοποθεσία σας και όχι με έναν αριθμό.

Πλήρης προδιαγραφή γεννήτριας

Τι λέει αυτό — και τι δεν λέει

Κάθε τιμή παραπάνω είναι ιδιότητα της μηχανής, και οι ιδιότητες της μηχανής είναι το μέρος που ελέγχουμε εμείς. Ροπή οδόντωσης, αριθμός πόλων, ποιότητα μαγνήτη, κλάση μόνωσης και ανοχή κατεργασίας είναι ίδιες σε κάθε μονάδα που αποστέλλουμε.

Η ετήσια παραγωγή δεν είναι. Εξαρτάται από τον δικό σας άνεμο, και η δημοσιευμένη παραγωγή για το Atlas κυμαίνεται από 180 έως 2.900 kWh τον χρόνο ακριβώς επειδή η διαφορά ανάμεσα σε έναν προστατευμένο κήπο προαστίου και μια εκτεθειμένη παράκτια θέση είναι τόσο μεγάλη. Πείτε μας τοποθεσία και ύψος ιστού και θα σας δώσουμε ρεαλιστικό εύρος αντί για την καλύτερη περίπτωση.

Δείτε την προδιαγραφή του Atlas →