Generatoren met permanente magneten
worden meer en meer gebruikt
Generatoren
Root server » TechTalk » Electriciteit » Generatoren » Types » » Generatoren met permanente magneten
Men ziet meer en meer generatoren die permanente magneten gebruiken in plaats van veldwikkelingen. Er is immers geen stroom meer nodig om de rotor te magnetiseren. Het gebruik van magneten laat ook andere ontwerpen toe. De machines met permanente magneten kunnen zowel gemaakt worden als generator of als motor.
-

-

Eerst wat geschiedenis

Synchrone motoren met permanente magneten werden al lang gebruikt, namelijk als capstanmotor in videorecorders en in hoogwaardige cassetterecorders. De motor krijgt een driefasige laagspanning en draait synchroon met de frekwentie. Zo'n motor is dus ideaal voor deze toepassing: de capstansnelheid is perfect constant, en dus ook de bandsnelheid (als de pinch roller nog in orde is).


Radiaal

Axiaal
Redelijk snel ziet men twee systemen: een systeem waarbij het magnetisch veld radiaal opgewekt wordt en een systeem waarbij het magnetisch veld axiaal werkt (evenwijdig met de as). Het radiaal systeem werd doorgaans gebruikt in goedkopere modellen van het genre van Philips, toen de volledige videorecorderdivisie overgenomen werd door de chinezen van Funai. Maar in de praktijk was er niet veel verschil in kwaliteit.

Gebruik van permanente magneten

De eerste generatoren aan het begin van de electrificatie waren eigenlijk ook generatoren met permanente magneten, men noemde ze toen magneto's. Dankzij het gebruik van magneten had men geen bekrachtigingswikkeling nodig. Maar door de slechte eigenschappen van de in die tijd beschikbare magneten is men snel overgegaan op dynamo's die zelfbekrachtigend zijn.

De machines met radiaal veld komen het meest voor. Dit ontwerp wordt volop gebruikt in alternatoren en in motoren. In een generator loopt het magnetisch veld radiaal van de rotor naar de stator (de krachtlijnen lopen zoals de spaken van een wiel). In een motor wordt het magnetisch veld in de stator opgewekt en lopen de krachtlijnen radiaal naar de rotor.

Hoewel deze machines het meest voorkomen heeft het ontwerp een aantal praktische nadelen. Er is veel koper nodig, een deel van het koper dat buiten de krachtvelden loopt heeft geen nuttige funktie (afbeelding 1), maar de weerstand van de draad moet wel in rekening gebracht worden. Dit is des te meer het geval als men statorpolen met verschoven wikkelingen gebruikt. De fabricage is ook complex en er zijn talrijke stappen nodig om de stator te wikkelen. Door de kracht die op de wikkelingen uitgeoeffend wordt kunnen er kortsluitingen tussen de wikkelingen ontstaan of kan de draad breken.

In het geval van generatoren die niet met het net gesynchroniseerd zijn (generatoren die bijvoorbeeld in windmolens gebruikt worden) gebruikt men meer en meer permanente magneten. De generator draait vrij en een omvormer zorgt voor de koppeling met het net.

Deze generatoren hebben geen veldwikkeling nodig, en dus ook geen bekrachtigingsstroom. Dit is interessant bij windmolens en watermolens die vaak op gereduceerd vermogen werken: men verliest geen vermogen om het magnetisch veld op te wekken.

Door de kostprijs van de magneten en de complexiteit van het werken met sterke magneten beperkt men het gebruik van permanente magneten tot laag- en middenvermogen generatoren. Hier werkt men eerder met generatoren met axiaal veld (parallel met de as van de generator). Axiale generatoren zijn doorgaans compacter dan radiale generatoren voor een bepaald vermogen. Op afbeelding 2 + 3 zie je het verschil tussen de beide ontwerpen. Bij afbeelding 3 staat de stator eigenlijk aan de verkeerde kant, de stator moet aan de kant van de magneten staan.

Bij axiale machines (motoren en generatoren) heeft men het standaard ontwerp waarbij de spoelen loodrecht op de as staat (afbeelding 4). Dit systeem is eenvoudig na te bouwen en men kan heel veel youtube video's vinden waar de fabricage van windmolens voor particulier gebruik uitgelegd wordt. Bij een hoger vermogen gebruikt men soms magneten aan beide kanten van de spoelen. De stator met de wikkelingen zit dan in het midden van de twee rotorschijven waarop de magneten gemonteerd zijn. Dit ontwerp komt echter niet zo vaak voor.

Voor zwaardere toepassingen werkt men met een nieuw ontwerp waarbij de spoelen in de draairichting geplaatst worden (afbeelding 5). Men kan hier de engelse benaming yokeless axial generator terugvinden, want een echte nederlandse naam is er niet. Men zou het kunnen vertalen door "generator met axiaal veld zonder juk". Het juk is het deel waarop de wikkelingen gelegd worden, een juk vormt niet noodzakelijk een pool.

De magneten zijn zodanig geplaatst op de twee rotorschijven dat ze afwisselend beide een positief en dan een negatief veld vormen (naar de stator toe of van de stator). Iedere vertanding van de stator krijgt dus om beurt een positief veld en dan een negatief veld, terwijl de tand ernaast een omgekeerd veld krijgt. Het magnetisch veld moet daardoor van de ene vertanding naar de naburige vertandig gaan, en dus een spanning opwekken in de spoel die tussen de twee tanden zit.

Dit ontwerp heeft als voordeel dat men minder wikkelverliezen heeft op de spoelen. Omdat de wikkelingen gemakkelijker gelegd kunnen worden gebruikt men draad met een rechthoekige doorsnede zodat de beschikbare ruimte optimaal gevuld kan worden. De stroomdensiteit is daardoor optimaal.


Standard en nieuw ontwerp

Het standaard-ontwerp staat links, vaak gebruikt men slechts één rotoschijf met magneten. Het magnetisch veld wordt dan gesloten door het juk van de de stator.

Het vernieuwd ontwerp staat rechts, het wordt als hoofdmotor in bepaalde electrische auto's gebruikt. Men haalt een hoog vermogen (meer dan 100kW) uit een relatief kleine motor. De koeling gebeurt door een watercirculatie door een ring die in het midden van de stator loopt. Dit ontwerp wordt ook gebruikt in windmolens voor klein en midden vermogen.

Een vooruitstrevende onderneming die dergelijke motoren op de markt brengt is Magnax. Dit is belgisch! Dit is de nieuwe ACEC!

Huishoudelijk gebruik van generatoren met permanente magneten

Bij kleine windmolens gebruikt men doorgaans een axiale generator (van het standaardtype) die met relatief beperkte middelen zelf gebouwd kan worden. De spanning en de frekwentie hangt af van de rotatiesnelheid. Wenst men het vermogen op het distributienetwerk te steken, dan moet men een goedgekeurde omvormer gebruiken (zoals ook bij zonnepanelen het geval is). Generatoren die men kant-en-klaar kan kopen zijn ontworpen om een zo hoog mogelijk rendement te halen, en de golfvorm lijkt daarom niet op een sinus.

Men kan complete installaties kopen, men moet ze enkel nog monteren. De installatie wordt met een goedgekeurde omvormer geleverd. Men gebruikt hier generatoren met een radiaal veld, maar sommige pakketten gebruiken reeds een generator met een axiaal veld. Voor kleine installaties is het rendementsverschil niet beduidend.

Indien met de electriciteit enkel lokaal zal benutten moet men de spanning gelijkrichten en door een regelaar sturen om batterijen te laden. Men gebruikt hier best een schakelende omvormer die de generatorspanning zowel kan opvoeren als verlagen ("inverter") en een hoger rendement heeft dan een lineaire regelaar. De omvormer levert 14 of 28V om batterijen op te laden. Het is interessant zowel een zonnepaneel als een windmolen te voorzien, want beide werken complementair.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-