Construir um Gerador

IntroduçãoMoldes, Formas e ApoiosConstrução EstatorConstrução RotoresMontagem

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Introdução

Esta página descreve como construir um "gerador de ímãspermanentes ( PMG ) ou "alternador", gera correntealternada (AC). Não gera "tensão da rede" AC 110 ou 220V(para isso necessita de utilizar um inversor baterias). Gerabaixa tensão em três fases AC, transformandoposteriormente essa tensão em "corrente contínua" (DC)para carregar uma bateria de 12 volts. Este gerador produz energia com umafonte 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 transportama eletricidade para o retificadores que transforma o AC em DC para carregar abateria. O retificador é montado com dissipador de modo a evitar aquecimentoexcessivo e a sua deterioração.Os rotores são montados em rolamentos que giram sobre o eixo. O rotor traseiroestá por trás e incorporado no estator. A parte frontal é externa, é fixa à partetraseira por veios que passam pela furação no estator. As pás da turbina eólicasão suportadas pelos veios que atravessam toda a estrutura. Ao girar, os rotorescom 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-sea produzir energia pela transformação da energia mecânica do movimentogiratório das pás em energia elétrica.Para construir um aerogerador completo é necessário ainda, uma torre: pode serusado um tubo de aço apoiado com cordas ou cabos, um suporte giratório notopo da torre assegura que, através da orientação de uma pá, esteja sempre emposição frontal em relação ao vento; O conjunto de lâminas destina-se a girar oalternador.

Figura 2: gerador eólico

Funcionamento

O gerador trabalha com baixas rotações. O gráfico mostra a potênciadisponibilizada pelo alternador. A 420 rpm que gera 180 watts, que são 15amperes a 12 volts (12V x 15A = 180W). Em alta velocidade gera mais energia,no entanto, este aumento de velocidade e de produção de corrente provocaaquecimento nas bobinas diminuindo a eficiência. Para velocidades do ventomaiores, é melhor mudar as bobinas do estator, usando diâmetros de fio maioresou alterando a forma como estão ligadas.

Se for utilizado sempre com velocidades de vento elevadas, é melhor usar um fiomais grosso possibilitando assim o transporte de mais corrente sem aquecerexcessivamente. Utilizando um fio mais grosso, o número de espiras nas bobinasdiminui, não possibilitando a sua utilização com baixas velocidades.

Para usar o alternador em altas e baixas velocidades é possível mudar a formade como as bobinas são ligadas. Existem duas formas de conectar os fios doestator ao retificador. Podem ser conectados em 'estrela' ou 'delta'. Detalhes dasligações*Nota- A designação "DELTA" é também conhecida como ligação em triângulo.

Na figura 3 podemos ver o gráfico de energia versus velocidade. A ligação emEstrela começa a funcionar a baixa velocidade (170 rpm). A ligação Delta

Estrela começa a funcionar a baixa velocidade (170 rpm). A ligação Deltafornece uma potência mais elevada mas apenas a uma velocidade maior. Estrelaé melhor com velocidades de vento baixas, delta é melhor com ventos maisfortes. Uma versão maior deste gerador seria capaz de fornecer mais potênciaem baixas rotações.

Figura 3: Gráfico de potência / rotação

Cuidados e Precauções

Na construção e montagem do gerador tenha atenção para que os imãs não sesoltem, em condições extremas se os imãs se soltarem, podem danificar oestator.Siga as instruções de colocação dos imãs não cole simplesmente os ímãs nosdiscos 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 oestator, 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 forçasgiroscópicas sobre o eixo e os ímãs podem tocar-se.)Não instale o conjunto de lâminas de rotor diretamente na frente do discomagnético de rotor, em qualquer ponto fora dos veios. Monte-o apenas nosparafusos e porcas que atravessam o disco.

Materiais

Descrição Qt. UnidadesPesogr

FIBRA DE VIDRO

Resina de poliester (pré-misturada comacelarador)

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

Bobinas Gerador

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 (ou17AWG)

3000

Fio cobre flexível (+/- 14AWG) 6 metros

Ferro de soldar e isolamento para osterminais

Fita adesiva isoladora

Retificadores 2 25A 200V

Dissipadores (pode ser usado uma placade alumínio)

250

AÇO

Eixo 1 380 x 50 x 25 x 4mm 1100

Disco Placas Magnéticas (octogonal) 26mm 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 osretificadores

2 5mm x 20mm

Moldes, Formas e Apoios

Alguns dos moldes e apoiospodem ser usadosposteriormente sepretendermos construir umoutro aerogerador.

Bobinas Estator

Bobina estator

As bobinas serão feitas num molde de contraplacado (pode usar cartão, plásticoou outro apoio que permita bobinar). Como o número de espiras é reduzido (100espiras), pode executar a bobinagem manualmente tendo especial cuidado para ofio ficar esticado. Para cada estator são necessárias 6 bobinas, é importanteque o molde de bobinagem possa ser re-utilizado. A construção da bobina podeser 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 umaespessura de 13mm. A peça interior que vai suportar a bobina, é importante quenão 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). Ocubo tem um falange com furos. Pode haver quatro furos com 102 milímetros (4polegadas)entre eles, o diâmetro de passo (PCD). Irá utilizar-se 102 milímetrosde ( PCD).

Figura 10:Cubo de Apoio dos Rotores

Molde PCD

O Molde PCD será utilizado para furar os rotores e todos os componentesinterligados. Os furos devem ser marcadas e perfuradas com muita precisão.(Veja Figura 11).

Corte um pedaço quadrado de 125 milímetros por 125 milímetros dechapas 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 fordiferente)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 72mmMarcar dois pontos exatamente esta distância das duas primeiras, sobre ocírculo. (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. Useuma 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 osdiscos de aço. Apenas é necessário um molde. Faça o molde de 250x250milímetros madeira prensada ou de alumínio (não de aço).

Figura 12: Separador de posicionamento dos ímãs.

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 parao primeiro par;Utilizando estas linhas, marca a posição do ímã, e corte o molde ao longodas 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, alinhadoscom os centros de ímã, e faça quatro furos para combinar os quatro furosnos discos de aço.

Moldes Estator e Rotores

Os moldes para o estator e rotores podem ser feitos de madeira ou alumínio. Oformato da forma será a forma do lado de fora do estator. A superfície de cadamolde deve ser perfeitamente plana. Os moldes devem ser fortes e leves. Não éfácil separar a "carcaça" do estator a partir dos moldes. Um martelo é geralmenteuma boa opção. É impostante verificar se as bobinas encaixam corretametne nomolde antes de o fazer. Aqui está um dos métodos para fazer os moldes combase em soalho de madeira.

Molde Exterior do Estator

Cortar várias folhas de revestimento (figura 13), com 500 milímetros dediâmetro.Deixando uma de fora, em todas as outras corte um furo circular com 360milímetros de diâmetro ficando um aro exteriror; (figura 14);

Figura 13: Molde do estator. Figura 14: Molde do estator.

Desenhe um círculo de 360 mm de diâmetro no disco que resta (o que nãofoi 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 60milímetros de profundidade do furo (figura 15). Use uma boa quantidade decola na parte interna dos aros;O objectivo é desbastar o rebordo do molde para que fique uma diferençade 7 graus entre a base e o topo do molde.(figura 16).

Figura 15: Profundidade do estator. Figura 16: Profundidade do molde.

para remover a diferença para o aro de topo, pode ser utilizado um torno, motorou uma simples roda manual que permita a remoção do material excedente.Verifique se as bobinas encaixam facilmente no interior da forma. Execute afuração com s dimensões iguais ás anteriores.

Construção do molde. Figura 18:

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, demodo a reduzir o diâmetro de 368 milímetros para 325 milímetros;Verificar se a forma exterior se encaixa sobre o molde interior, com 6milímetros de separação. Em seguida, retire o molde interior a partir dopainel frontal;Desenhar duas linhas sobre a face maior do molde, distanciadas 340milímetros (Figura 21);Corte duas faces planas, como mostrado na figura 21

Figura: 20 Interior Estator. Figura: 21 Separadores.

Rotores Magnéticos

O gerador necessita de dois rotores, apenas um molde é necessário para a suaexecução. 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 osoutros. cada rotos necessita de um disco interno com os mesmo padrão defuração PCD (Figura 23).

Figura 22: Molde Exterior do Rotor Figura 23: Molde Interior

Os moldes devem ser lixados e polidos tornando a sua superfície lisa, oacabamento deve ser feito usando verniz de poliuretano e finalizado com massade polir. Não usar tinta normal, o calor do verniz fará com que a tinta fique comrugas 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 seenrole (Figura 26).

Bobinagem Certa Bobinagem Errada

Figura: 27 - Sentido Enrolamento

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 paramanter a tensão.Inicie a bobinagem comum berbequim(Furadeira), motor oumanivela.Faça a bobinagem semcruzar fio. Construa abobina em camadas.Contar o número deespiras com cuidado.Quando a bobina éfinalizada, passe umpedaço de fita adesiva nas bobinas de ambos os lados para que fiquemfirmes. 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 fiquemexactamente da mesma forma (figura 27) Verifique se o fim e o inicio dabobina estão na parte superior e não debaixo da bobina.Raspar o esmalte 20 milímetros no final do fio para permitir ligaçãoeleéctrica.

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 discostêm de ser feitas de material magnético (ferro, aço por exemplo). O disco possuiquatro furos centrais para encaixar no cubo de rolamento com diâmetro de10mm, em um círculo de 4 polegadas (102 milímetros) PCD. Se o cubo fordiferente, todos os encaixes e moldes devem ter essas dimensões. No centro dodisco há um furo com 65mm de diâmetro. Devem haver quatro furos perfurados ecom rosca para a haste M10 entre as posições do ímã, com uma PCD de 220milímetros. Parafuso quatro pedaços de haste M10, 20mm de comprimento, paraesses furos. O conjunto ficará ligado à resina contribuíndo para assegurar umbloco perfeito.

Figura: 32 Figura: 33

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 umoctógono (Figura 33), sem entortar a placa. É uma forma alternativa de fazer odisco. Cortar um quadrado, desenhar um círculo, em seguida cortar os cantos a45 graus. O comprimento de cada aresta é de 116 mm. Os ímãs serão colocadosnos cantos do octógono.

O furo central é efetuado com uma serra ou pode ser cortado no torno. Limpe osdiscos até ficarem brilhantes antes de os colocar no molde que os vai fundircoma 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, cartõesde crédito e outros suportes magnéticos. Separar os ímans entre sideslizando-os. Nunca use um martelo para montar o gerador, A fragilidade dosímãs podem fazer com que quebrem mesmo em pequenas quedas. Na face dotopo, os blocos de íman no disco deve alternar NSNS. Existe uma forma devalidar se a posição está certa. Ao aproximar um íman de um anteriormentecolocado, este sofrerá atração, o lado que sofrer atração deve ser colcoadopara cima no bloco seguinte. Depois de todos estarem colocados, valide seestão certos aproximando um imã a cada um, a sequência será um atrai e noseguinte repele.

Figura: 35 Figura 36

Os dois rotores devem atrair-se mutuamente quando os furos de fixação sãoalinhados. Verifique se os ímãs próximos aos furos num rotor são diferentes dooutro rotor (Figura 36).

Quando o gerador está emfuncionamento os ímãstentarão saltar dos rotores.Nos primeiros geradoresconstruídos, verificou-se que,com os ímãs apenas coladosaos discos de aço, quando ogerador atingia velocidades

Figura: 37 - Montagem Rotor Magnético

mais rápidas os ímãs saltavamdo seu lugar e danificavam ogerador. Para evitar que sedesloquem, devem serinseridos em resina. A resina,por si só, não é forte osuficiente para segurar osímanes, deverá existir um reforço. Enrolar fio de aço em torno do exterior dosrotores para prender os ímãs dentro do fio de aço, mas o aço terá tendência aanular e transportar os campos magnéticos, por esse motivo, deve utilizar-secabo de aço inoxidável. Antes de embeber em resina, secar todos oscomponentes. Colocar 5 voltas de cabo de aço à volta do rotor. Evite que o caboforme uma bobina.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 internona parte superior. Misture 200g de resina com catalisador 3cc. Com um pincéldistribua ao longo do disco de aço. Adicione 20g de pigmento de cor, senecessário. Misture 100g de pó de talco com os restos da resina. Despeje essamistura nas extremidades do disco até que preencha o espaço vazio, ao nível dotopo do disco de aço. Coloque o separador na sua posição. Coloque os blocosde íman no disco de aço, dentro do estrtura de posicionamento. Cuidado paraque os pólos dos ímãs fiquem na posição correta 8Figura 35). Com todos osímãs colocados, retire a forma que pode usar para fazer o próximo rotor. Recordeque a posição dos blocos de ímãs devem estar em opsição de modo que os doisrotores se atraiam mutuamente. .Aperte as porcas para os quatro parafusos e aperte o disco central para baixo nodisco de aço. Misture 500g de resina com 7cc de catalisador. Adicione 300g depó de talco. Coloque pequenas tiras de CSM entre os ímãs e na aberturaexterior. Adicionar resina até o CSM ficar encharcado. Sacuda para removerbolhas do seu interior..Coloque a bobina de fio de aço inoxidável flexível do lado de fora dos ímãs, embaixo 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 topodo molde.Deixar a mistura secar durante várias horas antes de remover os moldes. Sejapaciente quando retirar os rotores dos moldes. Não use golpes de marteloviolentos que possam danificar. Para remover acertar no molde e não no rotor.

Montagem

Cubo de Rolamento e Apoios