10-stopowa turbina wiatrowa domowej roboty, STATOR

Jak zrobić stator

Stator jest bardzo ważną elektryczną częścią turbiny wiatrowej. Zawiera wszystkie cewki, w których indukowany będzie prąd podczas przemieszczania się nad nimi magnesów. Nazywa się "statorem" ponieważ jest "stacjonarną" (nie obracającą się) częścią alternatora. Dla celów tego projektu budujemy 3-fazowy alternator gdzie stator będzie miał 9 cewek. Każda faza będzie składać się z szeregu 3, a fazy połączone będą w "gwiazdę". Zrobimy to na formie statora, a linie na spodzie formy pomogą nam określić czy cewki są właściwego rozmiaru i czy są właściwie rozmieszczone.

Materiały

- 6 funtów (2,7 KG) miedzianego drutu (najlepiej użyć podwójnie izolowanego, 200 st C)

- 15" (38,1 cm) dysk z włókna szklanego, 2 szt.

- klej cyjanoakrylowy (super glue)

- 0,5 galona (2 L) żywicy poliestrowej

- lutownica

- taśma izolacyjna

- rurki termokurczliwe (opcjonalnie)

- 3 mosiężne wkręty 0,25" (6,35mm) - 20gw/c (gwintów na cal; 7,87 gw/cm) o długości 1,25" (3,175 cm)

- 12 mosiężne lub miedziane podkładki 0,25" (6,35mm)

- 6 mosiężnych nakrętek 0,25" (6,35mm) - 20 gw/c (7,87 gw/cm)

Nawijanie cewek

Na zdjęciu wyżej Scott nawija 2 żyły drutu. Jest to koniczne dla maszyn 12-woltowych.

To jakiego drutu potrzebujemy zależy od napięcia naszego układu. Ogólnie rzecz biorąc, za każdym razem kiedy zwiększamy o 3 rozmiary rozmiar drutu, wtedy ma on połowę mniejsze pole przekroju. Napięcie maszyny jest bezpośrednio zależne od liczby uzwojeń w cewkach. Jeśli podwoimy liczbę nawinięć wtedy podwajamy napięcie. Bez względu na napięcie maszyny, wielkość cewki i masa muszą pozostać mniej więcej takie same. Maszyny 12-woltowe potrzebują bardzo grubego drutu, więc nawijanie dwóch żył ma sens. (dla maszyn 12-woltowych potrzebujemy dwóch szpuli drutu, z których nawijamy razem)

- Dla maszyn 12-woltowych nawijamy 2 żyły drutu #14 (1,63 mm średnicy), a każda cewka powinna mieć 36 zwojów.

- Dla maszyn 24-woltowych nawijamy 1 żyłę drutu #14 (1,63 mm), a każda cewka powinna mieć 70 zwojów.

- Dla maszyn 48-woltowych nawijamy 1 żyłę drutu #17 (1,15 mm), a każda cewka powinna mieć 140 zwojów.

Jeśli zastosujemy się do powyższych wskazówek a nawijarka będzie wykonana zgodnie z planem, wtedy cewki powinny ładnie wpasować się w wyznaczone miejsce, a cały stator wymagał będzie 6 funtów (2,72 KG) drutu. Jeżeli reszta alternatora będzie prawidłowo złożona, wtedy maszyna powinna rozpoczynać ładowanie akumulatora przy około 140 obr/min, co ładnie pasuje do 10' (3,05 m) śmigła.

Rozpoczynamy od zamocowania elementu przytrzymującego szpulę. Zwykle używam imadła z kawałkiem pręta gwintowanego lub drewnianego kołka do nasadzenia szpuli. Solidnie mocujemy imadło do blatu.

Mocujemy nawijarkę do blatu za pomocą ścisków stolarskich tak jak na zdjęciu.

Będziemy potrzebować parę obcążków do cięcia drutu, parę obcążków do zginania drutu i trochę taśmy izolacyjnej. Jeżeli nawijarka posiada nakrętkę motylkową to można ją rozkręcić ręcznie. W przeciwnym razie potrzebujemy klucza 1/2 (1,27 cm). Przód nawijarki możemy przykręcić palcem, ale kiedy cały drut będzie już nawinięty na szpuli, wtedy śruba się zacieśni, więc potrzebować będziemy klucza nasadowego by ją odkręcić.

Około 10" (25,4cm) od końca drutu należy go ugiąć ostro o 90 st. obcążkami.

Włóż drut do szczeliny nawijarki i zawiń dookoła nakrętki. (nakrętka motylkowa okaże się tu pomocna) Zapobiegnie to zsuwaniu się drutu podczas nawijania cewki.

Przytrzymaj drut mocno w jednej ręce (niech będzie napięty) kręcąc korbę drugą ręką. Uważaj by utrzymać stały naciąg drutu i staraj się obracać nawijarkę ze stałą prędkością. Zauważyłem, że wiele ludzi nawija szybciej w jednym kierunku niż w drugim, co skutkuje wybrzuszeniem cewki (szersza z jednej strony). Ważne jest utrzymanie stałej prędkości i naciągu. Postaraj się nawijać drut z precyzją bliską perfekcji, lecz bez przesady. Niektórym nawijanie zabierało ponad godzinę, kiedy starali się ułożyć drut idealnie. Nie powinno to zająć więcej niż minutę czy dwie.

Kiedy mamy już odpowiednią liczbę nawinięć, zdejmij pokrywę szczeliny i skręć razem dwie końcówki (pół obrotu - jedynie by się trzymały razem). Nie skręcaj ich za mocno ponieważ później trzeba je rozkręcić i dobrze jest nie zaginać drutu bardziej niż jest to konieczne. Złap drut pomiędzy szpulą a cewką jedną ręką i utnij go tak, by zostało 10" (25,4 cm) poza cewką (oba końce wychodzące z cewki powinny być długości około 25 cm). Weź luźny koniec wychodzący ze szpuli, połóż go na blacie i przyłóż go czymś (np. przecinakiem, którego pewnie jeszcze trzymasz w dłoni) tak, by drut na szpuli się nie rozwinął.

Weź końcówkę nawijarki. Cewka zejdzie razem z nią.

Cewka powinna odpaść z końcówki jak tylko ją obrócimy. Zrób to ostrożnie, żeby cewka się nie rozleciała.

Najdłuższe boki cewki nazwiemy "nogami". Owiń nogi cewki taśmą izolacyjną by wszystko trzymało się razem. Jedna cewka jest już gotowa.

Spójrz na cewki, powinny wpasować się w formę statora jak na tym zdjęciu. Nie ma problemu jeśli są troszkę mniejsze; my użyliśmy tu drutu #16 (1,29 mm). Jeśli używasz wg zaleceń drutu #17 (1,15 mm) będą trochę mniejsze. Pamiętaj, że forma statora ma 9 linii promienistych, które określają nam maksymalną szerokość cewki, oraz posiada dwa okręgi (o śr. 8" [203 mm] i 12" [305 mm]), które wyznaczają nam ścieżkę dla magnesów.

Jeśli pierwsza cewka pasuje dobrze, nawiń 8 kolejnych podobnych do niej. Na zdjęciu umieściliśmy wszystkie gotowe 9 cewek w formie, można zobaczyć że pasują prawie idealnie. Nie ma problemu jeśli cewki wyjdą odrobinę mniejsze.

Okablowanie statora

Rysunek przedstawia jak połączymy cewki. Każda faza jest ponumerowana i składa się z 3 cewek połączonych szeregowo. Każda cewka (i każda faza) będzie miała "początek" i "koniec". "Początek" to wyprowadzenie, które wychodzi z wewnętrznej strony cewki, a "koniec" ze strony zewnętrznej. Jedyną rzeczą nie pokazaną na rysunku to łączenie typu "gwiazda". (na rysunku początki są oznaczone A, B i C, a końce X, Y i Z) By zrobić połączenie gwiazdowe łączymy 3 początki (A, B i C). Jedyną różnicą pomiędzy rysunkiem a tym co zamierzamy zrobić, to to że zrobimy wszystkie łączenia po stronie wewnętrznej średnicy statora.

Weź 3 cewki i umieść w formie w odpowiednich miejscach. Wybierz 3 przestrzenie, które są o 120 stopni od siebie. Jeśli byśmy teraz nałożyli obraz rotorów nad tymi cewkami, zobaczylibyśmy, że cewkom odpowiada "identyczne" ułożenie magnesów, co znaczy że są one ze sobą "w fazie" (kiedy jedna z cewek ma maksymalne napięcie, tak samo będzie z dwiema pozostałymi). Upewnij się, że wszystkie 3 cewki skierowane są tą samą stroną do góry (początek cewki to drut, który wychodzi od wewnątrz i powinien wystawać do góry - musisz upewnić się, że żadna cewka nie jest do góry nogami. Zamierzamy połączyć 1 fazę alternatora.

Weź "koniec" jednej cewki i zawiń go dokoła, tak, że wystaje w kierunku zewnętrznej części formy - i przymocuj go taśmą do nogi cewki (właściwie w ten sposób dodajemy 1/2 nawinięcia do cewki). Wcześniej końcówka skierowana była do środka formy, teraz powinna wskazywać na zewnątrz. Teraz weź wewnętrzną stronę tej samej cewki i zagnij ją dokoła wysepki w środku formy do następnej promienistej linii w formie i odetnij około 1,3 cm za tą linią. Ten drut połączy się z końcem następnej cewki, a początek tej cewki będzie musiał być podłączony do końca ostatniej cewki na tej fazie. Należy się upewnić, że mamy wystarczającą ilość drutu by połączyć cewki i ucinamy nadmiar. Lepiej zostawić trochę więcej niż za mało, więc dla pewności zostaw sobie trochę dodatkowej długości - ale nie za dużo, bo nie ma zbyt wiele miejsca na drut w wewnętrznej stronie formy. Jak już zrobimy to dla 3 cewek mamy gotową 1 fazę. Powtórz to dla dwóch pozostałych faz.

Izolacja na dobrej jakości drucie jest dość gruba i bardzo trudno ją zdrapać. Zwykle jest to podwójna izolacja i wewnętrzna warstwa jest prawie niewidoczna, więc nawet jeśli wydaje nam się, że zdjęliśmy wszystko, może to być zwodnicze wrażenie! Najlepszy sposób to wypalenie izolacji palnikiem propanowym na dł. ok. 1" (2,54 cm) na końcu drutu. Zwykle podgrzewam sam drut do czerwoności. Hartuje to także miedź i sprawia, że łatwiej się skręca. Zrób to ze wszystkimi końcówkami. Jeszcze nie odcięliśmy końcówki pierwszej cewki (wystaje ona w kierunku zewnętrznej części formy) i nie odcięliśmy jeszcze wewnętrznej części ostatniej cewki, więc zostawiamy je w spokoju - zajmiemy się nimi później.

Pozwól drutom się ochłodzić, a później wyczyść spaloną izolację papierem ściernym.

Włóż 3 cewki z powrotem do formy i ciasno zawiń druty razem. Na zdjęciu można zobaczyć, że połączenia są wyśrodkowane pomiędzy cewkami. Później zespawaj połączenia i zagnij obcążkami tak, by po zaizolowaniu ich taśmą pozostały cienkie. Można tu też użyć rurek termokurczliwych dla bardziej eleganckiego wyglądu - jeśli się na to zdecydujesz pamiętaj by nałożyć rurki przed zawinięciem odprowadzeń!

Jeśli budujesz maszynę 12-woltową używając drutu wielożyłowego, może być trudno elegancko wszystko zawinąć. W przypadku maszyn, które używają drutu wielożyłowego dobrze jest zrobić połączenia poprzez włożenie wyprowadzeń cewek do małych miedzianych lub mosiężnych rurek, które zaciskamy i lutujemy.

Jak już mamy jedną fazę połączoną, ostrożnie wyjmujemy ją z formy i robimy to samo z dwiema pozostałymi fazami.

Kiedy wszystkie 3 fazy są już ukończone, wkładamy je do formy w sposób ukazany na zdjęciu. Robimy to w taki sposób, aby 3 "końce" (te druty, które wystają w kierunku zewnętrznej strony formy) były obok siebie. Te 3 "końce" będą wyprowadzeniami statora (napięcie wyjściowe z turbiny wiatrowej).

Teraz zrobimy połączenie gwiazdowe pomiędzy fazami. 3 wewnętrzne odprowadzenia powinny zostać zbliżone do siebie by umożliwić ich połączenie. Pozostaw wystarczająco dużo luźnych drutów by można było wykonać to połączenie, a później opuść je pomiędzy cewkami a wyspą w formie. Ustal długość, utnij je, wypal izolację palnikiem, wytrzyj papierem ściernym, skręć je ze sobą i zlutuj. Później zaizoluj połączenie taśmą izolacyjną lub rurkami termokurczliwymi.

Zdjęcie przedstawia gotowe połączenie w gwiazdę, pozostaje jedynie ucisnąć je w dół tak, by nie wystawało ponad cewki.

Nawet jeśli cewki pasują dobrze i są odpowiedniego rozmiaru, kiedy już zrobimy wszystkie połączenia wszystko robi się trochę sprężyste i z pewnością cewki nie są ułożone idealnie. Połączenia, które zrobiliśmy i cały drut wokół wnętrza będzie z pewnością wypychał część cewek dalej niż potrzeba. Użyj taśmy izolacyjnej i przechodź dokoła statora poruszając się po 1 cewce, przymocowując ją dokładnie tam gdzie powinna być. Przyklej taśmę z dala od "nóg" tak jak to pokazane na zdjęciu.

Wytnij 9 małych prostokątów z tkaniny z włókna szklanego o szerokości około 4 cm i długości 5 cm. Przed zalaniem formy statora trzeba będzie jeszcze raz usunąć cewki. Użyjemy tych prostokątów z tkaniny z włókna szklanego i superglue (cyjanoakryl) by wszystko razem przytrzymać tak, by można to było przenosić.

Użyj kleju cyjanoakrylowgo by przykleić prostokąty z materiału do nóg cewek. Nałóż dużo kleju - będziesz wiedział, że jest to prawidłowo sklejone kiedy materiał stanie się przeźroczysty. Będzie to też służyło do "scalenia" nóg cewek i zapobiegnie tarciu poszczególnych drutów o siebie - co może nie być problemem, ale lubię mieć dużo kleju w cewkach. Nałóż też klej na tkaninę pomiędzy cewkami tak, by tkanina stała się twarda i mniej elastyczna. Sprawi to, że stator będzie całkiem sztywny i łatwy w manipulowaniu jeszcze przed zalaniem. Postaraj się jednak, by cewki nie przykleiły się do formy!

Na zdjęciu widać wszystkie cewki połączone materiałem z włókna szklanego.

Usuń taśmę izolacyjną, powinna łatwo zejść.

Teraz można ostrożnie wyjąć konstrukcję statora z formy. Niech leży w bezpiecznym miejscu do czasu, aż będziemy gotowi zalać go żywicą.

Zalewanie statora

Stator będzie zalany tą samą żywicą poliestrową, która była użyta do rotorów magnetycznych. Będziesz potrzebować materiału z włókna szklanego po obu stronach cewek. Warto zajrzeć w tym miejscu do rozdziału dotyczącego odlewania rotorów magnetycznych, ponieważ procedura jest bardzo podobna i zasady bezpieczeństwa te same.

Jeśli złożysz materiał poprawnie, możesz odrysować jedynie 1/4 pierścienia i wyciąć dwa za jednym razem. Potrzebujemy dwóch pierścieni włókna szklanego o zewnętrznej średnicy 15" (381 mm) a wewnętrznej 6" (152 mm).

Na zdjęciu widać dwa pierścienie z włókna szklanego. Wysmaruj formę statora wewnątrz, u góry i dokoła krawędzi. To samo z pokrywką - wszystko powinno być starannie pokryte smarem lub woskiem. Wosk samochodowy lub do drewna sprawuje się bardzo dobrze.

Do wylania statora wystarczy około 2 litrów żywicy. Znajdź płaskie miejsce do ustawienia formy. Ważne jest, by albo ułożyć krawędzie formy poza blatem, albo znaleźć blat (jak ten na zdjęciu) który umożliwia założenie ścisków stolarskich wokół krawędzi formy. Kiedy skończysz, trzeba będzie zacisnąć pokrywę ściskami stolarskimi, więc musimy myśleć z wyprzedzeniem! Wylej około 0,5 L żywicy do formy i obróć formę dokoła tak, by cały spód i boki zostały "zamoczone" w żywicy.

Nałóż jeden z pierścieni z włókna szklanego na żywicę i przyciśnij go patykiem, aż w całości nasiąknie. Kiedy już to zrobi, włókno stanie się prawie niewidoczne (nie będzie widać nic białego).

Teraz dolej kolejne ok. 0,5 L żywicy do formy wcierając ją w tkaninę i próbując pozbyć się pęcherzyków powietrza.

Ostrożnie włóż cewki do środka i przyciśnij je tak, by żywica dokładnie zalała cewki, a pęcherzyki powietrza ulotniły się.

Później wypełnij formę żywicą i upewnij się, że wszystkie powierzchnie cewek są pokryte żywicą.

Połóż pozostały pierścień z włókna szklanego na szczycie cewek i zamocz go w żywicy - powinien stać się prawie niewidoczny.

Wylej pozostałą żywicę na włókno. Wetrzyj ją i postaraj się pozbyć pęcherzyków powietrza. Nie zaszkodzi na tym etapie ubić trochę formę lub wprawić w drgania szlifierką (lub czymś podobnym) na kilka minut by sprawić, że pęcherzyki powietrza uniosą się do góry.

Ostrożnie załóż pokrywę formy na zalane elementy.

Nałóż podkładkę 1/2" (1,27 cm) na pręt gwintowany i zakręć nakrętką 1/2" (1,27 cm). Zaciśnij nakrętkę - ściśnie to dobrze pokrywę na formie i sprawi, że końcowy odlew będzie miał grubość 1/2" (1,27 cm)

Załóż ściski stolarskie po każdej stronie formy (użyj 4 ścisków) i zaciśnij je równomiernie. Poznasz twardość żywicy po tym co wylało się po bokach! Niech stator posiedzi w formie póki żywica nie stwardnieje.

Do zdrapania żywicy wokół formy dobrze nadaje się dłuto. Dobry moment na zrobienie tego jest zanim żywica na dobre nie stwardnieje i jest jeszcze trochę elastyczna.

Kiedy żywica już stwardnieje, usuń ściski stolarskie i odkręć nakrętkę w centrum. Użyj dłuta lub śrubokrętu by delikatnie podważyć pokrywę aż zejdzie.

Kiedy pokrywa już zejdzie zwykle wystarczy obrócić formę do góry dnem, a stator wypadnie sam. Jeśli tego nie zrobi, to obróć formę do góry dnem i postukaj młotkiem lub delikatnie podważ przy krawędzi statora. Powinien łatwo wyjść.

Użyj piłki do metalu lub szlifierki (lub obu) by oczyścić krawędzie statora. Wewnętrzna średnica musi być całkiem czysta, ponieważ nie ma zbyt wiele wolnego miejsca pomiędzy tym otworem a piastą, która w niej będzie.

Dobrze jest wywiercić 3 otwory na śruby, które przytrzymają stator do turbiny wiatrowej, zanim zajmiemy się spawaniem ramy; wtedy można przycisnąć wspornik statora do środka statora i przewiercić przez niego otwory 1/2" (1,27 cm). Jeśli robimy to w ten sposób, bardzo ważne jest by środkowy otwór statora dokładnie pokrywała się ze wspornikiem statora. Upewnij się także, by 3 otwory wychodziły pomiędzy cewkami - najlepiej z 3 drutami wychodzącymi między tymi samymi dwoma otworami. Nie chcemy uszkodzić drutu przy wierceniu!

Jeśli juz zespawałeś ramę, możesz zestawić stator umocowany na ramie turbiny wiatrowej ze wspornikiem statora i zacisnąć go tam - i wtedy przewiercić otwory.

Włóż mosiężną śrubę 1/4" (6,35 mm) 20gw/c (gwintów na cal; 7,87 gw/cm) w każdy z otworów, z podkładką z każdej strony i nakrętką z tyłu. Utnij odprowadzenia na tyle, by można było ścisnąć każde z nich między główką śruby a podkładką. Możesz dodać kilka podkładek więcej i po jednej nakrętce na każdej śrubie. Posłużą one jako uchwyty, do których podłączymy przewód do turbiny wiatrowej.

Stator jest gotowy! Możemy go odłożyć do czasu aż zaczniemy składać alternator.

Kliknij tutaj by powrócić do strony głównej tego projektu.