Construir um Gerador
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Introdução
Esta página descreve como construir um "gerador de ímãs permanentes ( PMG ) ou "alternador", gera corrente alternada (AC). Não gera "tensão da rede" AC 110 ou 220V (para isso necessita de utilizar um inversor baterias). Gera baixa tensão em três fases AC, transformando posteriormente essa tensão em "corrente contínua" (DC) para carregar uma bateria de 12 volts. Este gerador produz energia com uma fonte mecânica de rotação, pode ser usado uma força hidráulica ou eólica.
O alternador é constituído por:
- Apoios e veios;
- Estator que contem bobinas de fio;
- Estator que contem imãs permanentes;
- Rectificadores de corrente.
O estator inclui seis bobinas de fio de cobre moldada em resina de fibra de vidro. O estator é montado na coluna, mas não se move. Fios das bobinas transportam a eletricidade para o retificadores que transforma o AC em DC para carregar a bateria. O retificador é montado com dissipador de modo a evitar aquecimento excessivo e a sua deterioração.
Os rotores são montados em rolamentos que giram sobre o eixo. O rotor traseiro está por trás e incorporado no estator. A parte frontal é externa, é fixa à parte traseira por veios que passam pela furação no estator. As pás da turbina eólica são suportadas pelos veios que atravessam toda a estrutura. Ao girar, os rotores com ímãs, produzem fluxo magnético que induz nas bobinas. Este fluxo magnético é que produz a energia elétrica.
Qual a função do alternador ?
O alternador é concebido para pequenos geradores eólicos (Figura 2), destina-se a produzir energia pela transformação da energia mecânica do movimento giratório das pás em energia elétrica.
Para construir um aerogerador completo é necessário ainda,
uma torre: pode ser usado um tubo de aço apoiado com cordas ou cabos,
um suporte giratório no topo da torre assegura que, através da orientação de uma pá, esteja sempre em posição frontal em relação ao vento; O conjunto de lâminas destina-se a girar o alternador.
Figura 2: gerador eólico
Funcionamento
O gerador trabalha com baixas rotações. O gráfico mostra a potência disponibilizada pelo alternador. A 420 rpm que gera 180 watts, que são 15 amperes a 12 volts (12V x 15A = 180W).
Em alta velocidade gera mais energia, no entanto, este aumento de velocidade e de produção de corrente provoca aquecimento nas bobinas diminuindo a eficiência. Para velocidades do vento maiores, é melhor mudar as bobinas do estator, usando diâmetros de
fio maiores ou alterando a forma como estão ligadas.
Se for utilizado sempre com velocidades de vento elevadas, é melhor usar um fio mais grosso possibilitando assim o
transporte de mais corrente sem aquecer excessivamente. Utilizando um fio mais grosso, o número de espiras nas bobinas diminui, não possibilitando a sua utilização com baixas velocidades.
Para usar o alternador em altas e baixas velocidades é possível mudar a forma de como as bobinas são ligadas. Existem duas formas de conectar os fios do estator ao retificador. Podem ser conectados em 'estrela' ou 'delta'. Detalhes das ligações
*Nota- A designação "DELTA" é também conhecida como ligação em triângulo.
Na figura 3 podemos ver o gráfico de energia versus velocidade. A ligação em Estrela começa a funcionar a baixa velocidade
(170 rpm). A ligação Delta fornece uma potência mais elevada mas apenas a uma velocidade maior. Estrela é melhor com velocidades de vento baixas, delta é melhor com ventos mais fortes. Uma versão maior deste gerador seria capaz de fornecer mais potência em baixas rotações.
Figura 3: Gráfico de potência / rotação
Cuidados e Precauções
Na construção e montagem do gerador tenha atenção para que os imãs não se soltem, em condições extremas se os imãs se soltarem, podem danificar o estator.
Siga as instruções de colocação dos imãs não cole simplesmente os ímãs nos discos de aço.
Não bater com o martelo nos rotores com os ímãs durante a montagem.
Cuidado para que haja uma distância mínima de 1 milímetro entre os ímãs e o estator, em ambos os lados.
(Para rotores mais pesados, ou para maiores velocidades, use um espaço maior.)
Não utilizar o gerador a velocidades superiores a 800 rpm numa turbina eólica. (Quando as turbinas eólicas estão em funcionamento, produzem-se forças giroscópicas sobre o eixo e os ímãs podem tocar-se.)
Não instale o conjunto de lâminas de rotor diretamente na frente do disco magnético de rotor, em qualquer ponto fora dos veios. Monte-o apenas nos parafusos e porcas que atravessam o disco.
Materiais
| Descrição | Qt. | Unidades | Peso gr |
|---|---|---|---|
| FIBRA DE VIDRO | |||
| Resina de poliester (pré-misturada com acelarador) | 2700 | ||
| Catalizador(peróxido) | 50 | ||
| Talcum filler powder | 1200 | ||
| Fibra de Vidro | metro quadrado | 300 | |
| Pigmento de cor se necessário | 50 | ||
| Massa de vidro | |||
| CABOS DE AÇO | |||
| cabo de aço inoxidável | 2mm x 10metros | 200 | |
| ÍMÃS | |||
| Grade 3 ferrite magnet blocks (premagnetised) | 16 | 20 x 50 x 50mm | 4000 |
| MATERIAL ELÉTRICO | |||
| Fio cobre esmaltado para bobinagem | 14AWG ou 1.7mm (ou 17AWG) | 3000 | |
| Fio cobre flexível (+/- 14AWG) | 6 metros | ||
| Ferro de soldar e isolamento para os terminais | |||
| Fita adesiva isoladora | |||
| Retificadores | 2 | 25A 200V | |
| Dissipadores (pode ser usado uma placa de alumínio) | 250 | ||
| AÇO | |||
| Eixo | 1 | 380 x 50 x 25 x 4mm | 1100 |
| Disco Placas Magnéticas (octogonal) | 2 | 6mm x 305mm Diâm. Exterior | 6000 |
| Varetas (veios) com rosca 10mm | 1000mm | 500 | |
| Porcas 10mm | 32 | 300 | |
| Anilhas 10mm | 16 | ||
| Varetas (veios) com rosca 8mm | 400mm | 125 | |
| Porcas 8mm | 8 | 50 | |
| Porcas e parafusos 5mm para os retificadores | 2 | 5mm x 20mm | |
Moldes, Formas e Apoios
Alguns dos moldes e apoios podem ser usados posteriormente se pretendermos construir um outro aerogerador.
Bobinas Estator
Bobina estator
As bobinas serão feitas num molde de contraplacado (pode usar cartão, plástico ou outro apoio que permita bobinar). Como o número de espiras é reduzido (100 espiras), pode executar a bobinagem manualmente tendo especial cuidado para o fio ficar esticado. Para cada estator são necessárias 6 bobinas, é importante que o molde de bobinagem possa ser re-utilizado. A construção da bobina pode ser executada de várias formas, aqui fica um processo de fácil execução.
A parte que vai suportar o fio pode ser feita com duas peças e o interior com uma espessura de 13mm. A peça interior que vai suportar a bobina, é importante que não tenha arestas para que não danifique o isolamento do fio.
Moldes para os rotores
Os rotores para os ímãs são montados num cubo de rolamento (ver figura 10). O cubo tem um falange com furos. Pode haver quatro furos com 102 milímetros (4 polegadas)entre eles, o diâmetro de passo (PCD). Irá utilizar-se 102 milímetros de ( PCD).
Figura 10:Cubo de Apoio dos Rotores
Molde PCD
O Molde PCD será utilizado para furar os rotores e todos os componentes interligados. Os furos devem ser marcadas e perfuradas com muita precisão. (Veja Figura 11).- Corte um pedaço quadrado de 125 milímetros por 125 milímetros de chapas de aço;
- Desenhe linhas diagonal entre os cantos e marque o centro exato;
- Defina o compasso de 51 milímetros de raio (ou outro valor se o PCD for diferente)
- Desenhe um círculo;
- O diâmetro do círculo é igual ao PCD dos furos.
- Marque ambos os pontos onde passa a linha do círculo.
- Defina o compasso em 72mm
- Marcar dois pontos exatamente esta distância das duas primeiras, sobre o círculo. (Se a PCD for diferente, esse tamanho não será 72mm.
- Encontre o tamanho por tentativa e erro ou utilize a formula PCD = d / SIN (180 / n);
- Faça quatro furos exatamente a 72 milímetros do centro do círculo. Use uma broca pequena e depois um maior.
Figura:11 Molde para os furos.
Separador para os Ímãs
Este molde é para colocar os blocos de íman nos lugares corretos sobre os discos de aço. Apenas é necessário um molde. Faça o molde de 250x250 milímetros madeira prensada ou de alumínio (não de aço).
Figura 12: Separador de posicionamento dos ímãs.
- Marcar o centro da peça.(250 x 250mm);
- Desenhe três círculos, com diâmetros de 50 milímetros, 102mm e 200mm, no centro;
- Desenhe um par de retas paralelas, tangentes ao círculo de 50 milímetros, conforme mostrado;
- Desenhe mais 3 pares de linhas retas com ângulos de 45 a 90 graus para o primeiro par;
- Utilizando estas linhas, marca a posição do ímã, e corte o molde ao longo das linhas em negrito, como mostrado na Figura 12;
- Desenhe uma linha ligando os dois centros de cada ímã oposto;
- Coloque o molde PCD em cima do círculo de 102 milímetros, alinhados com os centros de ímã, e faça quatro furos para combinar os quatro furos nos discos de aço.
Moldes Estator e Rotores
Os moldes para o estator e rotores podem ser feitos de madeira ou alumínio. O formato da forma será a forma do lado de fora do estator. A superfície de cada molde deve ser perfeitamente plana. Os moldes devem ser fortes e leves. Não é fácil separar a "carcaça" do estator a partir dos moldes. Um martelo é geralmente uma boa opção. É impostante verificar se as bobinas encaixam corretametne no molde antes de o fazer. Aqui está um dos métodos para fazer os moldes com base em soalho de madeira.
Molde Exterior do Estator
- Cortar várias folhas de revestimento (figura 13), com 500 milímetros de diâmetro.
- Deixando uma de fora, em todas as outras corte um furo circular com 360 milímetros de diâmetro ficando um aro exteriror; (figura 14);
| Figura 13: Molde do estator. | Figura 14: Molde do estator. |
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- Desenhe um círculo de 360 mm de diâmetro no disco que resta (o que não foi furado);
- Faça um furo de 12 milímetros no centro do disco, para ajudar a centrar;
- Cole os aros em cima do disco de modo a que forme uma pilha com 60 milímetros de profundidade do furo (figura 15). Use uma boa quantidade de cola na parte interna dos aros;
- O objectivo é desbastar o rebordo do molde para que fique uma diferença de 7 graus entre a base e o topo do molde.(figura 16).
| Figura 15: Profundidade do estator. | Figura 16: Profundidade do molde. |
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para remover a diferença para o aro de topo, pode ser utilizado um torno, motor ou uma simples roda manual que permita a remoção do material excedente. Verifique se as bobinas encaixam facilmente no interior da forma. Execute a furação com s dimensões iguais ás anteriores.
| Construção do molde. | Figura 18: | Furação: |
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Estator Interior
Cortar discos com 370mm de diâmetro.
- Fazer um furo de 12 milímetros no centro de cada;
- Colar em pilha (figura 20), usando um parafuso de 12 milímetros centre-os;
- A pilha tem de ter pelo menos 45 mm de espessura, o ideal é 50 mm;
- Criar uma inclinação de 20 graus na borda e arredonde os cantos, de modo a reduzir o diâmetro de 368 milímetros para 325 milímetros;
- Verificar se a forma exterior se encaixa sobre o molde interior, com 6 milímetros de separação. Em seguida, retire o molde interior a partir do painel frontal;
- Desenhar duas linhas sobre a face maior do molde, distanciadas 340 milímetros (Figura 21);
- Corte duas faces planas, como mostrado na figura 21
| Figura: 20 Interior Estator. | Figura: 21 Separadores. |
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Rotores Magnéticos
O gerador necessita de dois rotores, apenas um molde é necessário para a sua execução. O molde externo é semelhante ao do estator mas mais fácil de fazer (Figura 22). Utilize o molde PCD para fazer os furos coincidentes com todos os outros. cada rotos necessita de um disco interno com os mesmo padrão de furação PCD (Figura 23).
| Figura 22: Molde Exterior do Rotor | Figura 23: Molde Interior |
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Os moldes devem ser lixados e polidos tornando a sua superfície lisa, o acabamento deve ser feito usando verniz de poliuretano e finalizado com massa de polir. Não usar tinta normal, o calor do verniz fará com que a tinta fique com rugas dando ao projecto uma aparência descuidada.
Construção Estator
É conveniente verificar antecipadamente se as bobinas encaixam no molde.Bobinas
Inicie a construção da bobina. O fio deve formar um 'S' evitando que o fio se enrole (Figura 26).| Bobinagem Certa | Bobinagem Errada |
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- Dobrar uma ponta do fio 90 graus, 100 milímetros partir do fim.
- Coloque o fio no bobinador deixando os restante.
- Torça o final em torno de um dos parafusos borboleta.
- Segure o fio entre a bobina e o bobinador com um pedaço de pano para manter a tensão.
- Inicie a bobinagem com um berbequim (Furadeira), motor ou manivela.
- Faça a bobinagem sem cruzar fio. Construa a bobina em camadas. Contar o número de espiras com cuidado.
- Quando a bobina é finalizada, passe um pedaço de fita adesiva nas bobinas de ambos os lados para que fiquem firmes. Não corte o fio do enrolamento até que esteja preso com fita. Cortar o fio no final com 100mm de distância da bobina.
- Coloque a bobina sobre uma mesa (de modo a que todos fiquem exactamente da mesma forma (figura 27) Verifique se o fim e o inicio da bobina estão na parte superior e não debaixo da bobina.
- Raspar o esmalte 20 milímetros no final do fio para permitir ligação eleéctrica.
Construção Rotores
Cada ímã rotor é colocado sobre um disco de aço com 6mm de espessura (Figura 32). Não utilizar alumínio ou aço inoxidável para este disco! Os discos têm de ser feitas de material magnético (ferro, aço por exemplo). O disco possui quatro furos centrais para encaixar no cubo de rolamento com diâmetro de 10mm, em um círculo de 4 polegadas (102 milímetros) PCD. Se o cubo for diferente, todos os encaixes e moldes devem ter essas dimensões. No centro do disco há um furo com 65mm de diâmetro. Devem haver quatro furos perfurados e com rosca para a haste M10 entre as posições do ímã, com uma PCD de 220 milímetros. Parafuso quatro pedaços de haste M10, 20mm de comprimento, para esses furos. O conjunto ficará ligado à resina contribuíndo para assegurar um bloco perfeito.
| Figura: 32 | Figura: 33 |
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As placas de ímã devem ser planas, não deformadas. Não é fácil cortar o círculo exterior sem entortar a placa. A guilhotina pode cortar chapas de aço em um octógono (Figura 33), sem entortar a placa. É uma forma alternativa de fazer o disco. Cortar um quadrado, desenhar um círculo, em seguida cortar os cantos a 45 graus. O comprimento de cada aresta é de 116 mm. Os ímãs serão colocados nos cantos do octógono.
O furo central é efetuado com uma serra ou pode ser cortado no torno. Limpe os discos até ficarem brilhantes antes de os colocar no molde que os vai fundir coma a resina. Remova todas as impurezas. Há 8 blocos de ímãs em cada rotor. Cada bloco tem um pólo norte e um pólo sul (Figura 34).
Figura: 34
Cuidado ao manusear os ímãs. Os ímãs podem danificar fitas de música, cartões de crédito e outros suportes magnéticos. Separar os ímans entre si deslizando-os. Nunca use um martelo para montar o gerador, A fragilidade dos ímãs podem fazer com que quebrem mesmo em pequenas quedas. Na face do topo, os blocos de íman no disco deve alternar NSNS. Existe uma forma de validar se a posição está certa. Ao aproximar um íman de um anteriormente colocado, este sofrerá atração, o lado que sofrer atração deve ser colcoado para cima no bloco seguinte. Depois de todos estarem colocados, valide se estão certos aproximando um imã a cada um, a sequência será um atrai e no seguinte repele.
| Figura: 35 | Figura 36 |
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Os dois rotores devem atrair-se mutuamente quando os furos de fixação são alinhados. Verifique se os ímãs próximos aos furos num rotor são diferentes do outro rotor (Figura 36).
Coloque quatro parafusos através dos furos no molde externo, a partir de baixo (Figura 37). Coloque um disco de aço no molde exterior. Coloque o molde interno na parte superior. Misture 200g de resina com catalisador 3cc. Com um pincél distribua ao longo do disco de aço. Adicione 20g de pigmento de cor, se necessário. Misture 100g de pó de talco com os restos da resina. Despeje essa mistura nas extremidades do disco até que preencha o espaço vazio, ao nível do topo do disco de aço. Coloque o separador na sua posição. Coloque os blocos de íman no disco de aço, dentro do estrtura de posicionamento. Cuidado para que os pólos dos ímãs fiquem na posição correta 8Figura 35). Com todos os ímãs colocados, retire a forma que pode usar para fazer o próximo rotor. Recorde que a posição dos blocos de ímãs devem estar em opsição de modo que os dois rotores se atraiam mutuamente. .
Aperte as porcas para os quatro parafusos e aperte o disco central para baixo no disco de aço. Misture 500g de resina com 7cc de catalisador. Adicione 300g de pó de talco. Coloque pequenas tiras de CSM entre os ímãs e na abertura exterior. Adicionar resina até o CSM ficar encharcado. Sacuda para remover bolhas do seu interior..
Coloque a bobina de fio de aço inoxidável flexível do lado de fora dos ímãs, em baixo do topo do molde. Não deixe cair o fio em cima dos ímãs..
Misture 500g de resina com 7cc de catalisador. Adicione 300g de pó de talco. Preencha os espaços entre os ímãs até que a mistura de resina alcance o topo do molde.
Deixar a mistura secar durante várias horas antes de remover os moldes. Seja paciente quando retirar os rotores dos moldes. Não use golpes de martelo violentos que possam danificar. Para remover acertar no molde e não no rotor.
Montagem
Cubo de Rolamento e Apoios
Soldar o eixo no furo de 25mm. Atenção para que o veio fique exatamente com 90 graus em relação ao apoio.
O cubo de rolamento (diagrama 40) se encaixa no eixo. Tem duas falanges com 50x25 milímetros de profundidade, com um espaçador entre eles. Utilize uma tampa de plástico para manter os rolamentos protegidos contra impurezas. Não se esqueça de lubrificar os rolamentos com massa lubrificante. Não os encha completamente ou efeito é o contrário.
| Apoio Posterior | Cubo Rolamento |
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Este gerador foi concebido por Hugh Piggott em 2001, estes diagramas e planos foram traduzidos e adaptados do original com autorização do autor. Estes esquemas e diagramas sofreram actualizações e melhorias durante os últimos 10 anos, brevemente contamos ter os diagramas dos novos geradores mais fáceis de construir. Informações adicionais destes planos podem ser encontradas em: www.scoraigwind.com.
Glossário
Esta medida é apenas a distância entre o centro de dois parafusos diametralmente opostos. Na imagem, O PCD será a distância entre os furos 1 e 4 ou 2 e 3. Basicamente, o PCD pode ser encontrado através da multiplicação da distância do centro entre dois furos adjacentes por 1,701. Geralmente, o PCD pode ser calculado para qualquer circulo a partir do número de furos (N) e da distância do centro, medida entre dois furos adjacentes (d) como: PCD = d / SIN (180 / n).