Staator

Nagu nimetuski viitab, on tegemist generaatori paigalseisva osaga. Staator koosneb üksikutest mähistest, mis on omavahel ühendatud mingi kindla skeemi järgi vastavalt sellele, millise karakteristikuga pinget tahetakse generaatorist saada (ühe- või mitmefaasilist).

Hugh Piggotti disainiga generaatori staator kujutab endast ühte polüester- või epoksiidvaiguga vormitud ketast, mille sisse on ringi kujuliselt valatud teatud arv mähiseid. Staatori vastas pöörleb magnetrootor, mille tulemusel tekib elektrivool, nagu juba eelmises peatükis juttu oli.

Kuna rootor oli plaanitud 12 magnetiga, tuli staator teha 9 mähisega. 12 ja 9 tulenevad sellest, et kolmefaasilise generaatori magnetite ja mähiste arvu suhe peab olema 4:3. Ainult sel juhul on faasipinged üksteise suhtes nihutatud täpselt 2π/3 ehk 120 kraadi.

 

3-faasiline vahelduvpinge

 

Kolmefaasilise staatori mähiste ühendamiseks on kaks võimalust: täht- või kolmnurkühendus (ingl k star connection ja delta connection). Tähtühenduse korral ühendatakse faasimähiste "lõpud" omavahel kokku. Seda ühendukohta kutsutakse neutraalpunktiks (nagu võrgutoite neutraal ehk "null"). Kolmnurkühendusel pannakse omavahel kokku aga ühe faasimähise "lõpp" teise "algusega". Sel juhul neutraal puudub.

 

 

Mähiste ühendamine 3-faasilises staatoris.

Omadustelt erinevad eelpool mainitud ühendused takistuse ja genereeritava elektromotoorjõu poolest. Tähtühendusega generaator annab 1,73-korda suurema liinipinge, kui kolmnurkühendus. Samas on sellise ühenduse puhul staatori takistus suurem, mille tõttu väheneb maksimaalne voolutugevus, mida generaator on võimeline üle kuumenemata andma.

Kolmnurkühenduse korral on liinipinge võrdne faasipingega, kuid staatori takistus on väiksem. Seetõttu peab generaator vastu suuremale voolutugevusele, aga vastava tööpinge saavutamiseks on vaja jällegi suuremaid pöördeid.

Mina valisin siiski tähtühenduse, kuna seda varianti soovitab kogenud tuulegeneraatorite ehitaja Hugh Piggott oma kirjanduses. Samuti, vaadanud uuemaid projekte lehel otherpower.com, ei kasuta ameeriklastest meisterdajad kuigi palju kolmnurkühendust.

Mähised

Staatori mähiste tegemiseks ostsin Oomipoest (OÜ Dormikor) kolm 880 g pooli 1,5 mm diameetriga lakitud mähisetraati. Traadi jämeduse valisin otherpower.com soovituste järgi ning tegin üsnagi õige valiku, sest mähised mahtusid täpselt ühele (magnetrootoriga ühtivale) ringjoonele ära. Eelistada tuleks alati võimalikult suure ristlõike pindalaga traati, sest mida jämedam on traat, seda suuremat voolutugevust generaator võimaldab. Vajaduse korral võib ristlõike suurendamiseks kasutada kahte või enamat rivi mähisetraati.

 

Mähisetraat.

 

Mähiste kerimiseks valmistasin eraldi abivahendi. See on kahest ümmargusest vineeritükist tehtud vändaga seadeldis, mille südamiku ümber keeratakse mähisetraati. Kerija südamiku pind on võrdne magneti külgpinnaga (50 x 25 mm) ning kahe vineerketta kauguseks on mähise paksus, milleks võtsin 13 mm. Parema ülevaate saab järgnevatelt piltidelt:

 

Mähisekerija.

Vaade teise nurga alt.

 

Keerdude arv

Järgmisena tuli mõelda, mitu keerdu traati ühte mähisesse panna. Kuna ehitasin 12 V süsteemi, siis oli vaja uurida, milliste pööretega antud pinge saavutatakse. Eeldasin, et generaator peaks laadimist alustama kusagil 120 p/min (pööret minutis).

Kõigepealt tegin 65 keeruga testmähise ning mõõtsin pinge, mis tekib magnetrootori pöörlemisel umbes 120 p/min. Kui ma õigesti mäletan, sain tulemuseks kusagil 2 V. Korrutades selle 3-ga, saame kolme mähise jadamisi pinge. Seejärel tuleb saadud arv korrutada veel ruutjuur 3-ga , kuna tahtsin teha tähtühendusega staatorit. Kui need arvutused läbi teha, saan 2 x 3 x 1,73 = 10,4 V. Sellest aga jääb akude laadimiseks väheseks. Seega pidin keerdusid lisama ning pärast paari katsetust osutus piisavaks 85 keerdu. Sel juhul andis generaator välja kusagil 13 V.

Tol hetkel ma ei arvestanud seda, et mähiselt mõõdetav vahelduvpinge on siinuspinge efektiivväärtus, inglise keeles RMS ehk root mean square (amplituudväärtus jagatud ruutjuur 2-ga). Kolmefaasilise voolu alaldamisel saab aga kergelt pulseeriva pinge, mille keskväärtus on ligilähedane vahelduvpinge amplituudväärtusele. Seega on 13 V vahelduvpinge alaldatuna 18,3 V (13 x 1,41). Sellest tuleb lahutada maha veel alaldi dioodide pingelang, mis on umbes 1,5 V. Lõpptulemus on seega hoopis 16,9 V ehk natuke rohkem kui tegelikult vaja oli.

 

Mähise testimine.

 

Valamine

Kui mähised olid kõik valmis, tuli hakata mõtlema, kuidas valada mähised polüestervaiguga ühtseks kettaks. Selleks tegin vineerist vormi, mis on näha järgneval pildil. Selleks, et mähised õigele kohale jääksid, joonistasin vormi põhja võrdsed sektorid. Edasi sai vorm kokku määritud auto vahaga ning servad tihendatud silikooniga, et vaik vormi külge kinni ei jääks.

Staatori vorm

Järgmisena ühendasin mähised vastavalt eelpool näidatud skeemile. Traadid on mõistlik omavahel kokku joota, et ühendus võimalikult hea oleks. Enne jootmist peaks muidugi traadi otsad lakist puhastama. Pärast tuleb ühenduskohad isoleerida, et miskit lühisesse ei läheks.

 

Mähiste ühendamine.

 

 

Valmis mähistejada ühendasin omavahel klaaskiudriide tükkide ja natukese polüestervaiguga, kuna mähiste vormist välja võtmisel nihkuksid need muidu paigalt. Mähised on vaja välja tõsta selleks, et panna vormi põhja polüestervaiku ja klaaskiudriiet.
Järgnevalt oli aeg valamise juurde jõudnud. Selleks segasin ühte väikesesse plastämbrisse paraja koguse polüestervaiku ning segasin juurde kõvendi. Nagu juba mainisin, valasin enne vormi põhja natuke vaiku ja panin sinna ka klaaskiudriide rõnga - alles seejärel asetasin mähised omale kohale. Järgmiseks täitsin vormi ääreni, lisasin teise jupi riiet ning panin kaane peale. Lasin vaigul taheneda ühe öö toatemperatuuril.

 

Vormist välja võetud staator.

 

Kui polüester oli tahenenud, võtsin staatori vormist välja ning eemaldasin üleliigsed osad. Järgmiseks jootsin kokku mähisejadade ühed otsad ehk tegin ära tähtühenduse. Ülejäänud kolme otsa jaoks tegin 6 mm poltidest klemmid. Viimasena puurisin augud staatori kinnitamiseks.

 

Valmis staator (augud puurimata).