De meeste uitleg over een windturbine houdt op bij de bladen. Maar de bladen bepalen alleen hoeveel energie beschikbaar is — wat ermee gebeurt, bepaalt de generator, en met name hoe zijn magneten geplaatst zijn. Dit is een blik in de permanentmagneetgenerator die TESUP bouwt voor de Atlas en de Magnum, en op die ene eigenschap die bepaalt of een turbine bij weinig wind draait of gewoon stilstaat.
Wat is een permanentmagneetgenerator?
Een permanentmagneetgenerator wekt stroom op met vaste magneten in plaats van elektromagneten die eerst bekrachtigd moeten worden. Omdat het magnetisch veld er altijd is, genereert de machine vanaf de eerste omwenteling en heeft ze geen bekrachtigingsstroom, sleepringen of externe energie nodig om op gang te komen.
De generator van TESUP is een 24-polige permanentmagneetmachine met NdFeB N42-magneten (neodymium-ijzer-boor), elk 60 × 25 × 5 mm, vernikkeld en broodvormig. Het zijn er 24, samen 180 cm³ magneetmateriaal, draaiend in een stator van 16 cm × 12 cm.
Waarom 24 polen, en waarom geen tandwielkast?
Het aantal polen bepaalt de verhouding tussen toerental en uitgangsfrequentie. Een generator met weinig polen moet snel draaien om bruikbaar te zijn — daarom zit er bij veel turbines een tandwielkast tussen rotor en generator. Dat is meteen het onderdeel dat het vaakst faalt, dat olie nodig heeft en dat lawaai maakt.
Vierentwintig polen leveren al bij een laag toerental bruikbare spanning, zodat de rotor de generator rechtstreeks kan aandrijven. Geen tandwielkast betekent: geen tandwielolie, geen tandwielslijtage, en één onderdeel minder dat in februari op een dak kan vastlopen.
Wat is cogging-koppel?
Cogging-koppel is de weerstand die je voelt als je een permanentmagneetmotor met de hand ronddraait — dat schokkerige, stapsgewijze tegenstribbelen, alsof de as zich in vaste standen wil nestelen. Het komt doordat de magneten worden aangetrokken door de stalen tanden van de stator. Elke tand is een voorkeurspositie waar de rotor uit geduwd moet worden.
In een ventilator of elektrisch gereedschap is cogging een kleine ergernis. In een kleine windturbine is het de grootste hindernis voor prestaties bij weinig wind, want cogging-koppel is een vaste drempel die de wind moet overwinnen voordat er überhaupt iets draait. Daaronder is de opbrengst niet klein — die is nul.
Daarom telt de aanloopwindsnelheid bij een huisturbine veel zwaarder dan het nominale vermogen. Nominaal vermogen beschrijft een winderige dag. De aanloopsnelheid beschrijft alle andere dagen.
Hoe verlaagt het schuin plaatsen van de magneten het cogging-koppel?
Staat elke magneet precies evenwijdig aan de statortanden, dan bereiken alle 24 polen hun aantrekkingspiek op hetzelfde moment. Die pieken tellen op, en het resultaat is een krachtige, schokkerige puls die de wind bij elke stap moet doorbreken.
Schuinstelling betekent de magneten onder een lichte hoek monteren ten opzichte van de draaias, zodat elke magneet een statortand geleidelijk aangrijpt in plaats van in één keer. De pieken vallen niet meer samen — ze spreiden uit en heffen elkaar deels op. Het totale koppel dat de generator levert verandert niet; wat verdwijnt is de rimpel.
TESUP gebruikt daarvoor schuin gemonteerde magneten. Minder cogging-koppel betekent een lagere losbreekdrempel, en juist die lagere drempel laat de Atlas met de zwakwind-bladenset vanzelf aanlopen bij 2 m/s — ruwweg een derde van de aanloopsnelheid van een gangbare horizontale-asturbine.
Schuinstelling is niet gratis: het verlaagt de maximale fluxkoppeling licht, dus een schuine machine levert wat topvermogen in voor een vroegere start. Voor een huisturbine, waar weinig wind de normale toestand is en storm de uitzondering, is dat de juiste ruil.
Waarom het gereedschap bepaalt hoe groot het cogging-koppel is
Schuinstelling heft cogging-koppel alleen op als elke magneet precies zit waar het ontwerp voorschrijft. De opheffing is een meetkundig effect: 24 magneten, elk over een nauwkeurige hoek verzet, zodat hun aantrekkingspieken niet gelijk vallen. Variëren de zittingen van die magneten van rotor tot rotor, dan varieert de schuinstellingshoek mee — de pieken schuiven weer op één lijn, het cogging-koppel stijgt, en daarmee de windsnelheid die de rotor moet losbreken.
Daarom is ±0,05 mm over alle verspaand bewerkte onderdelen geen opschepperij op een specificatieblad. Het is de tolerantie die de natuurkunde vereist. Een ruim getolereerde rotor kan exact dezelfde magneten, hetzelfde aantal polen en hetzelfde koper dragen en tóch later aanlopen.
Die tolerantie halen op één prototype is eenvoudig. Hem jarenlang halen op elk exemplaar is een gereedschapsvraagstuk — daarom kwam dit onze fabriek binnen:
Zo'n persgereedschap koop je niet voor snelheid, al is het sneller. Je koopt het voor herhaalbaarheid. De eerste rotor die erop gevormd wordt en de tienduizendste komen uit hetzelfde staal, geleid door dezelfde zuilen, op dezelfde maten. Alleen zo betekent een tolerantiegetal iets zodra je in serie produceert in plaats van stuk voor stuk.
Het betekent ook: één onderdeel meer dat niet langer afhangt van andermans kwaliteitscontrole. Onze Europese vestigingen maken al meer dan 270 componenten in eigen huis — generatoren, elektronicakaarten, bladen en montagemateriaal. Elk gereedschap dat binnenkomt maakt die lijst één regel langer.
Waarom zit er in een turbine van ongeveer 1 kW een motor van 15 kW?
Omdat het vermogen van een generator een thermische grens is, geen belofte over opbrengst. De 15 kW continu is wat de machine onbeperkt kan volhouden zonder oververhitting, en dat wordt bepaald door drie dingen: de lakdraadisolatie van klasse 200 °C (IEC 60317-13 GR 2, dezelfde kwaliteit als in industriële servomotoren en aandrijflijnen van elektrische auto's), de 4 kg koperwikkeling als thermische massa, en passieve koeling via de behuizing.
Bij de gebruikelijke opbrengst van de Atlas van zo'n 1 kW draait de motor op minder dan 7% van zijn continue vermogen. Hij draait koud. Koperverliezen nemen toe met het kwadraat van de stroom, dus een machine die ver onder zijn grens werkt verspilt heel weinig als warmte — en warmte is wat isolatie veroudert en uiteindelijk een motor het leven kost.
De 22 kW piek is de kortstondige overbelastingscapaciteit voor windvlagen. Die wordt begrensd door twee natuurkundige grenzen: de demagnetisatiedrempel van de N42-magneten en verzadiging van het statorijzer.
Waar de energie werkelijk vandaan komt
Het beschikbare vermogen in wind volgt:
P = ½ · ρ · A · V³ · Cp · η
Waarbij ρ de luchtdichtheid is, A het bestreken oppervlak, V de windsnelheid, Cp de vermogenscoëfficiënt en η het elektrisch rendement. De Atlas-rotor bestrijkt 1,035 m² (1030 mm diameter × 1005 mm hoogte), haalt bij goede wind een Cp van 0,28 en zet om met 92% elektrisch rendement.
De bepalende term is V³. De windsnelheid staat tot de derde macht, dus een locatie met 30% meer wind levert ruwweg het dubbele aan energie, geen 30% meer. Daarom veranderen masthoogte en plaatsing het resultaat sterker dan welke specificatie op deze pagina ook — en daarom begint een eerlijk antwoord op „hoeveel krijg ik?” altijd met een vraag over uw locatie in plaats van met een getal.
Volledige generatorspecificatie
| Parameter | Waarde |
|---|---|
| Generatortype | 24-pole permanent magnet, direct drive |
| Magneten | NdFeB N42, 60 × 25 × 5 mm, nickel-coated |
| Magneetvolume | 24 magnets · 180 cm³ |
| Magneetmontage | Skewed |
| Stator | 16 cm × 12 cm · 2.4 L |
| Wikkeling | 4 kg copper · 90 turns/slot |
| Draadisolatie | Class 200 °C, IEC 60317-13 GR 2 · CE / UL |
| Bewerkingstolerantie | ±0.05 mm |
| Rotor | 1030 mm × 1005 mm · 1.035 m² |
| Aanloopwindsnelheid | 2 m/s |
| Vermogenscoëfficiënt (Cp) | 0.28 |
| Elektrisch rendement | 92% |
| Motorvermogen | 15 kW / 22 kW |
Wat dit wel en niet zegt
Elk getal hierboven is een eigenschap van de machine, en machine-eigenschappen zijn het deel dat wij beheersen. Cogging-koppel, aantal polen, magneetkwaliteit, isolatieklasse en bewerkingstolerantie zijn in elk geleverd exemplaar gelijk.
De jaaropbrengst niet. Die hangt af van uw wind, en de gepubliceerde opbrengst voor de Atlas loopt van 180 tot 2.900 kWh per jaar, juist omdat het verschil tussen een beschutte tuin in een woonwijk en een open kustlocatie zó groot is. Geef ons uw locatie en masthoogte, dan geven wij u een realistische bandbreedte in plaats van een beste geval.