Discussione: Esperimenti con l'alternatore automobilistico

Ho ripreso in mano il progetto dell'alternatore a magneti permanenti partendo dall'alternatore automobilistico. L'alternatore è stato smontato, pulito (a breve la carcassa verrà verciniata) e il rotore è stato rimpiazzato (rigraziando i ragazzi dell'officina meccanica) con un cilindrone su cui verranno praticati dei tagli per ospitare i magneti (12 magneti 40x20x5 N42). Lo statore per ora è quello originale, 9 spire a onda per ogni fase, 67mOhm di resistenza attualmente). La simulazione con FEMM riporta una tensione di uscita piuttosto bassa (Trifase) intorno a 1.5-1.7 VAC RMS per 100 giri, quindi intorno a 15V per 1000 giri. Sto quindi pensando di riavvolgere l'alternatore con 40 giri (per avere un cut-in intorno a 200 giri) di filo da 0.7-0.8 mm di diametro (devo fare i conti per vedere se riesco a farli "fittare" nelle espansioni polari.

Descrivete le vostre esperienze con gli alternatori automobilistici PMA-ti ovvero con i magneti nel rotore.

Non ho mai fatto esperienze pratiche sugli alternatori da auto in ambito eolico, solo alcune riflessioni: in pratica ai fini della produzione di energia elettrica che nel rotore ci siano magneti permanenti o che sia un rotore avvolto cambia poco, a parte naturalmente il fatto che con i magneti non c'è bisogno di eccitare il rotore con corrente elettrica.
Il collo di bottiglia stà nell'avvolgimento dello statore, sono poche spire, di grossa sezione, ed il tutto per dare una tensione adeguata è progettato per lavorare a giri alti.
15Magneti vedo che la simulazione che hai fatto con FEMM è in linea con quello che da sempre è stato il mio ragionamento sugli alternatori automobilistici: non è sufficiente sostituire gli avvolgimenti rotorici con dei magneti, per far bene bisogna anche rifare gli avvolgimenti statorici.
Vero è che piu' coppie polari ci sono sul rotore e piu' tensione in uscita sarà prodotta a parità di giri, ma bisogna anche fare i conti con lo spazio disponibile...
In sostanza l'alternatore da auto và bene per recuperare il pacco statorico, le calotte, i cuscinetti, ma a livello di rotore e avvolgimento di statore è tutto da rifare trovando ovviamente il giusto compromesso, sperimentando e provando, provando provando...

Originariamente inviata da IlSignor15Magneti

La simulazione con FEMM riporta una tensione di uscita piuttosto bassa (Trifase) intorno a 1.5-1.7 VAC RMS per 100 giri

Potresti simulare anche il valore della corrente che può scorrere su un determinato carico?
E' possibile calcolare l'induzione magnetica nello statore(conoscendo la sezione del ferro) al fine di verificare il corretto funzionamento della macchina in condizioni di non saturazione?

Tramite il FEMM ho calcolato il flusso e di conseguenza la variazione del flusso (legge di faraday) al variare del numero di giri. Il femm permette di ottenere anche l'induttanza e la resistenza statorica dati che permettono di calcolare la corrente e il fattore di potenza. Attualmente l'indice di potenza dell'alternatore V^2/R è circa 33, dato che dovrebbe rimanere costante al variare del numero di spire e dello spessore del filo. Se dimezzo il diametro del filo, la resistenza diventerà 4 volte tanto a parità di lunghezza, ma nello stesso spazio ci staranno almeno 3 volte le spire, quindi la tensione sarà 3 volte mentre la resistenza 12 volte tanto. L'indice di qualità scenderà a 22 circa. Se si riesce a infilarne 4 per ogni spira precedente il fattore rimarra invariato.

Altre esperienze?

Originariamente inviata da IlSignor15Magneti

Attualmente l'indice di potenza dell'alternatore V^2/R è circa 33, dato che dovrebbe rimanere costante al variare del numero di spire e dello spessore del filo.

Non vorrei insistere, ma la potenza di un alternatore trifase non è data dalla seguente espressione:
P=(3*V*E0)/Xs?
Dove Xs è la reattanza sincrona, ben più elevata della resistenza ohmica?
Non ho la certezza di quello che dico, ma penso che un alternatore (così come un trasformatore) non può erogare la stessa potenza lavorando a frequenze più basse di quelle nominali. Pur aumentando il numero di spire, si ottiene un aumento di tensione ma una diminuzione di corrente, essendo una macchina che conserva la potenza. L'unico modo di aumentare la potenza mantenendo la frequenza bassa è quella di aumentare l'induzione magnetica (aumentando il flusso), c'è però un limite oltre il quale il ferro (quello dello statore) va in saturazione e in tal caso la potenza erogata crolla vertiginosamente.
Non so se mi sfugge qualcosa e quindi se ho detto una castroneria....Spero di sì, visto l'impegno che hai messo nella modifica dell'alternatore.

Quello che ho calcolato non è la potenza, ma un parametro proporzionale alla potenza. Inoltre la frequenza sarà si più bassa (perche i giri saranno più bassi) ma l'induttanza sarà maggiore e quindi la reattanza sarà più o meno la stessa. Anche lo shift di fase (Arctan(fattore di potenza)) non credo cambi in maniera drammatica perche anche R cresce. Non si può aumentare l'induzione, sono sicuro che satura fortemente, tuttavia hai sbagliato a dire che oltre la saturazione la potenza cala, cio non è vero, semplicemente non cresce più, e dal momento che l'induzione è "gratis" perche data da magneti permanenti non c'è tutto questo problema.

Il mio maggior dubbio e sul come riavvolgerlo (diametro e numero di spire) per ottenere 12V intorno a 200giri

Originariamente inviata da IlSignor15Magneti

...Sto quindi pensando di riavvolgere l'alternatore con 40 giri...

Quante cave ha lo statore? Io ho realizzato lo statore per un alternatore di prova partendo da un pacco per motore elettrico, però è sicuramente piu' grande ha infatti 173 mm di Ø esterno, 103 mm di Ø interno e 40 mm di altezza, è un 36 cave con 6 bobine per fase collegate in serie e formate da 25 spire cadauna con due fili in parallelo di sezione 1 mmq, il passo della messa in cava è 1-4.
Sul rotore 12 magneti 20*10*40 grado N42.
Non ho ancora potuto provarlo perche devo ancora fare le flange.
Magari stasera faccio un paio di foto.

Originariamente inviata da Eli-sir

Quante cave ha lo statore?

36 cave, 12 per fase, avvolte ad onda

Originariamente inviata da Eli-sir

Io ho realizzato lo statore per un alternatore di prova partendo da un pacco per motore elettrico, però è sicuramente piu' grande ha infatti 173 mm di Ø esterno, 103 mm di Ø interno e 40 mm di altezza

Il pacco statorico mio ha 126mm di diametro esterno, 90 di interno e circa 25 mm di altezza. Come hai giustamente sottolineato è più piccolo.

Originariamente inviata da Eli-sir

è un 36 cave con 6 bobine per fase collegate in serie e formate da 25 spire cadauna con due fili in parallelo di sezione 1 mmq, il passo della messa in cava è 1-4.

Qui le spire sono 9 con filo di sezione di 2mmq, pensavo di usare un filo da 0.8 e scendere quindi a 0.5mmq per avvolgere almeno 30 spire ad onda. Passo 1-4

Originariamente inviata da Eli-sir

Sul rotore 12 magneti 20*10*40 grado N42.

Per ragioni di spazio i magneti sono 40x20x5 N42, inoltre usare magneti più grossi non credo aumento di molto la potenza (saturazione)

Originariamente inviata da Eli-sir

Non ho ancora potuto provarlo perche devo ancora fare le flange.
Magari stasera faccio un paio di foto.

Sono curioso di vedere le foto, a pensarci bene, provvederò anchio a fare le foto

Ho trovato il disegnino che avevo fatto a suo tempo su carta dell'alternatore che stò realizzando, ora lo allego.

L'avvolgimento in questo caso non è ad onda, dentro da una parte e fuori dall'altra con filo unico con passo 1-4 (in questo caso) per ogni fase come tipicamente usano gli alternatori da auto, ma è realizzato da singole bobine messe in cava con passo 1-4, come nei motori elettrici per intenderci, formate da 25 spire, per il filo usato sono 2 da 1 mmq in parallelo per ogni bobina, le bobine sono 6 per fase e sono connesse in serie tra di loro. 15Magneti, non capisco cosa hai voluto dire nel post precedente e che cito qui di seguito:

Originariamente inviata da IlSignor15Magneti

Qui le spire sono 9 con filo di sezione di 2mmq, pensavo di usare un filo da 0.8 e scendere quindi a 0.5mmq per avvolgere almeno 30 spire ad onda. Passo 1-4

Secondo la mia deduzione sono 25 spire per bobina diviso 2 a causa del parallelo e il tutto moltiplicato per 6 perchè ci sono appunto 6 bobine, quindi 75 spire per fase. Ho forse preso un granchio? ( Modifica al volo. Si ho preso un granchio e bello grosso, vedere la risposta corretta al post #14)

Nel disegno le bobine sono rappresentate da dei pallini (in realtà sono due bobine da 25 spire in parallelo): rosso per la fase 1, nero per la fase 2 e blu per la fase 3, i magneti rappresentati dalle striscie verdi e arancioni hanno dimensioni tali per cui ogni magnete "copre" le dimensioni di una bobina ovvero 4 cave, nonchè 3 denti cava. Come si può vedere tutte le polarità sud in questo caso coprono tutte le bobine rosse, mentre solo per 1/3 le bobine nere e blu, stesso dicasi quando le bobine rosse "vedranno" le polarità nord a causa della rotazione del rotore (e così anche le bobine nere e le blu). Questo fà si che le tre sinusoidi prodotte dall'alternatore siano sfasate tra di loro di 120°.

Il rotore è formato da un pacco di 40 lamierini di ferro Fe60 tagliati al laser, spessi 1 mm ciascuno e a forma di dodecagono per incollare i 12 magneti.
A tal proposito consiglio una resina epossidica bicomponente, io uso la UHU Plus 300, quello che incolla non molla piu'.

Si tratta proprio di 9 spire, niente paralleli o cose strane. Il disegno che mi hai mandato è esattamente quello con cui ho a che fare.

Caspita allora ho preso un abbaglio colossale! Mi spieghi come ci sei arrivato alle 9 spire?

Le ho contate, semplicemente è l'alternatore immodificato, con lo statore originale. Stasera posto un po de foto. Per togliere gli avvolgimenti originari come faccio? C'è l'araldite sopra

Caspita! Ho capito, era riferito all'alternatore che hai in mano tu, credevo erroneamente che fosse in qualche maniera riferito al mio, ecco perchè non riuscivo a collegare il mio 25 spire con il 9... il caldo mi gioca brutti scherzi...

Una domanda, perchè effettivamente mi è venuto un dubbio: prendiamo di esempio il mio che ha ogni singola bobina fatta con 2 fili da 1 mmq in parallelo per un totale di 25 sipre, ai fini pratici è come avere una bobina da 25 spire con filo da 2 mmq oppure come avere una bobina si con filo da 2 mmq ma con 12,5 spire a causa del parallelo?

Originariamente inviata da Eli-sir

collegare il mio 25 spire con il 9... il caldo mi gioca brutti scherzi...

Caldo? dove lo vedi il caldo? Voglio l'estateee

Originariamente inviata da Eli-sir

Una domanda, perchè effettivamente mi è venuto un dubbio: prendiamo di esempio il mio che ha ogni singola bobina fatta con 2 fili da 1 mmq in parallelo per un totale di 25 sipre, ai fini pratici è come avere una bobina da 25 spire con filo da 2 mmq oppure come avere una bobina si con filo da 2 mmq ma con 12,5 spire a causa del parallelo?

No, è come avere la bobina di 25 spire (stessa tensione) ma con un filo da 2 mmq. L'induttanza è la stessa di una bobina da 25 spire e 1mmq

Te la faccio io una domandina adesso , come faccio ad annientare la resina (araldite) che tiene insieme le spire?

Originariamente inviata da IlSignor15Magneti

Te la faccio io una domandina adesso , come faccio ad annientare la resina (araldite) che tiene insieme le spire?

Se è proprio araldite originale o similare (bicomponente) fai ben poco, l'unica soluzione è quella di tagliare le testate degli avvolgimenti e poi con un punzone, circa della stessa forma della cava, e con un martello battere fuori i monconi di filo che rimangono dentro la cava. Naturalmente con questo metodo non recuperi il filo (i riparatori di motori elettrici fanno così).

Se lo statore è impregnato con una vernice isolante monocomponente puoi provare a lasciarlo a bagno nel diluente nitro in modo che la vernice "rinvenga" e si allenti, però non sò come si comporti la smaltatura del filo se hai intenzione di recuperarlo.

Tra poco il rotore sarà pronto e farò le prime prove al tornio

Il rotore è finito e assemblato. C'e un po di cogging, ma una volta messo in moto funziona bene. La tensione (con lo statore originale) è 2.2V / 100 RPM trifase rettificato. Quello che mi preoccupa è la corrente. Ottengo correnti di cortocircuito molto meno elevate di quanto mi aspetti per quegli avvolgimento. A quanto ammonta l'induttanza di un alternatore automobilistico?

Ecco dimostrato che con lo statore originale ci si fà ben poco... purtroppo.
L'induttanza bisognerebbe misurarla con un induttanzimetro, avendolo... Se vuoi posso misurare uno statore di alternatore originale non modificato, ma sicuramente sarà diverso dal tuo.

Ho intenzione di avvolgerlo con un nuovo filo ma la corrente sarà ancora piu bassa allora... Certò però che l'induttanza a frequenze cosi basse non dovrebbe avere un impaggo gigantesco

Il fatto è che riavvolgere non migliorerà le cose. L'efficienza peggiorerà oppure si otterrà meno corrente.

Facciamo sto ragionamento:

Ho un alternatore che da V (a tot giri) con N spire con sezione A e con resistenza per fase R

(Trascuriamo l'induttanza per ora)

se voglio riavvolgere per raddoppiare la tensione devo necessariamente dimezzare la sezione del filo (doppia resistenza a parità di lunghezza) e raddoppiare le spire, quindi:

tensione: 2V (spire 2N)
Resistenza: 2*2*R (4R)

Cio significa che per raggiungere la tensione di carica batterie sono necessari la metà dei giri, tuttavia la corrente sarà un quarto e la potenza la metà, oppure devo aggiungere un po di più di giri in modo da averere una tensione maggiore avere una corrente uguale al caso precedente, tuttavia la dissipazione sarà 4 volte tanto!!

Per avere la stessa potenza ed efficienza devo lavorare al doppio della tensione di carica, ovvero a parità di giri rispetto a prima.

In buona sostanza, riavvolgere serve solo per scegliere la tensione di lavoro ma non per migliorare le prestazioni dell'alternatore...

Quindi la mia domanda è, ha senso riavvolgerlo? O è meglio una moltiplica?

Originariamente inviata da IlSignor15Magneti

riavvolgere serve solo per scegliere la tensione di lavoro ma non per migliorare le prestazioni dell'alternatore...

E' esattamente così...

Originariamente inviata da IlSignor15Magneti

Quindi la mia domanda è, ha senso riavvolgerlo? O è meglio una moltiplica?

Come ho già scritto al post #5, facendo lavorare un alternatore a frequenze più basse di quelle nominali comporta perdita di potenza. Generare il campo rotorico con magneti permanenti estremamente potenti fa guadagnare qualcosa, ma entro un certo limite, oltre il quale si raggiunge la saturazione del ferro. A questo punto, come hai giustamente detto (correggendo il mio banale errore) la macchina svilupperà sempre la stessa potenza, pur aumentando l'induzione. E' chiaro quindi che occorre necessariamente aumentare la frequenza e quindi adottare un moltiplicatore di giri.
Certo è che hai realizzato un alternatore che avrà un rendimento superiore (circa un 5%) rispetto ad uno originale.
A questo punto c'è un però che a molti sfugge....
Volendo usare l'alternatore in un aerogeneratore, come adatteresti la sua impedenza d'uscita a quella del carico (accumulatori) al fine di ottenere il massimo trasferimento di potenza? Chiaramente con un inverter collegato all'uscita dell'alternatore e che quindi lavora sulla potenza totale della macchina. Supponiamo che tale inverter abbia un rendimento del 95%, su 800W generati (ad es.) perderai 40W.
In un alternatore originale, invece, sarebbe possibile svolgere la funzione di MPPT agendo sulla sola corrente di eccitazione. Ammesso che il dispositivo di potenza atto alla modulazione della corrente di eccitazione abbia lo stesso rendimento del precedente, lavorando su circa il 5% della potenza della macchina, perderà solo 2W. Ecco che il 5% di rendimento offerto dai magneti permanenti viene "rimangiato" dall'elettronica che, ripeto, si trova costretta a lavorare sull'intera potenza della macchina.
In ogni caso complimenti per la competenza nella realizzazione. Tienici aggiornati.
Saluti

Originariamente inviata da atomax

E' esattamente così...
..
In un alternatore originale, invece, sarebbe possibile svolgere la funzione di MPPT agendo sulla sola corrente di eccitazione. Ammesso che il dispositivo di potenza atto alla modulazione della corrente di eccitazione abbia lo stesso rendimento del precedente, lavorando su circa il 5% della potenza della macchina, perderà solo 2W. Ecco che il 5% di rendimento offerto dai magneti permanenti viene "rimangiato" dall'elettronica che, ripeto, si trova costretta a lavorare sull'intera potenza della macchina.
In ogni caso complimenti per la competenza nella realizzazione. Tienici aggiornati.
Saluti

L'unico vantaggio è che la tensione è maggiore rispetto al rotore eccitato esternamente, e si raggiunge la tensione di carica (13,8V)a poco più di 600 giri (contro i 1000 e passa dell'alternatore originale) e a 800 giri circa) si dovrebbe gia esprimere la potenza massima (45A 14,4V) dell'alternatore. Tuttavia i giri sono troppo e non si riesce ad accordare il diametro delle pale con la potenza che il rotore deve assorbire, inoltre sotto 600 giri non si ottiene un ciufolo a meno che non si usi un circuito step-up-step-down fissando la tensione di lavoro a una percentuale fissa dell'OCV (che in sostanza è il rendimento dell'alternatore)

L'uso delle moltipliche può essere una buona idea ma la coppia resistente di cogging sara moltiplicata per il valore della moltiplica, e quindi la pale dovranno essere piùttosto grandi.

Oppure riavvolgo e mi accontento di meno potenza....

non ci sono altre soluzioni...

oppure lo uso come dinamo per la mia bici

Se posso darti un consiglio riavvolgi e accontentati di meno potenza, personalmente non vedo bene l'utilizzo di una moltiplica su di un generatore eolico, specialmente se all'interno dell'alternatore vi sono dei magneti che creano un certo effetto cogging con il ferro dello statore.
Meglio vedrei la moltiplica con il rotore originale eccitato esternamente, magari con l'integrazione di un sensore di velocità (anche un semplicie interruttore centrifugo callettato sull'asse del rotore) che da il consenso ad un circuito di eccitare il rotore sopra un certo numero di giri, così si è sicuri che almeno il tutto parta e la coppia di spunto non è piu' un problema, poi come dice giustamente Atomax:

In un alternatore originale, invece, sarebbe possibile svolgere la funzione di MPPT agendo sulla sola corrente di eccitazione.

Un compromesso buono quanto può essere?

2x, 3x, 4x?

Anche una moltiplica 4x non sarebbe male, qui sul forum ci sono esempi di turbine eoliche che usano alternatori da auto non modificati e ad occhio hanno una moltplica tra 8 e 10x di solito ricavata dalla classica puleggia di lavatrice, rotori tripala in pvc da 2-2,5 mt di diametro e sono funzionanti, almeno, da quello che si legge...