UUNNIIVVEERRSSIITTAATTEEAA TTEEHHNNIICCĂĂ ddiinn CCLLUUJJ–NNAAPPOOCCAA [625851]

UUNNIIVVEERRSSIITTAATTEEAA TTEEHHNNIICCĂĂ ddiinn CCLLUUJJ–NNAAPPOOCCAA
FACULTATEA de INGINERIE ELECTRICĂ

Generator sincron cu flux axial, cu magneți
permanenți și fără miez magnetic în stator

I. ENUNȚUL TEMEI:
Generator sincron cu flux axial, cu magneți permanenți și fără miez
magnetic în stator

II. CONȚINUTUL proiectului de diplomă :
 Introducere
 Mulțumiri
 3 capitole
 Concluzii
 Bibliografie

III. LOCUL DOCUMENTĂRII:
Catedra de Mașini și Acționări Electrice

IV. CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC: Șl. Dr. Ing. Florin Jurca

V. Data emiterii temei: 02.02.2013

VI. Termen de predare: 10.07.2013

Conducător științific , Absolvent: [anonimizat]. Florin Nicolae Jurca Korpos Andor -Hunor

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
2

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
3

Declarație -angajament : Deoarece acest proiect de diplomă nu ar fi putut fi finalizat(ă) fără
ajutorul membrilor departamentului de Mașini și Acționări Electrice și a echipamentelor de la
departament , mă angajez să public informațiile conținute în lucrare numai cu acordul scris al
conduc ătorului științific și al directorului de departament .

Data: 05.07.2013 Semnătura

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
4

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
5

Declarație : Subsemnatul Korpos Andor -Hunor declar că am întocmit prezentul pro iect de
diplomă prin eforturi proprii, fără nici un ajutor extern, sub îndrumarea conducătorului
științific și pe baza bibliografiei indicate de acesta.

Data: 05.07.2013 Semnătura

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
6

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
7
Cupr ins

Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………. 8
Mulțumiri ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 10
Cap I. Construcția și funcționarea maș inilor electrice ………………………….. ………………….. 11
1.1 Istoria mașinilor electrice ………………………….. ………………………….. ………………………. 17
1.2 Mașini electrice sincrone cu magneti permanenți ………………………….. ………………… 20
1.3 Mașini electrice sincrone cu flux axial ………………………….. ………………………….. ……. 22
Cap II. Proiectarea generatorului sincron cu flux axial ………………………….. ………………… 27
2.1 Calculul turației turbinei (a palelor) ………………………….. ………………………….. ………. 27
a) Raportul de viteză al turbinei ………………………….. ………………………….. ………………. 27
b) Viteza de pornire ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 28
c) Diametrul turbinei ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 29
d) Turația rotorului ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 29
2.2 Dimensio narea statorului și rotorului ………………………….. ………………………….. …….. 30
a) Număr bobine ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 30
b) Dimensiunile bobinelor ………………………….. ………………………….. ………………………. 30
c) Diametrul statorului și rotorului ………………………….. ………………………….. …………… 31
2.3 Calcul magnetic al generatorului sincron cu flux axial ………………………….. ………… 33
2.4 Calcu lul înfășurării generatorului sincron cu flux axial ………………………….. ………. 34
a) Calculul numărului de spire ………………………….. ………………………….. ………………… 34
b) Calculul grosimii bobinelor ………………………….. ………………………….. …………………. 35
c) Calculul lungimii conductorului folosit ………………………….. ………………………….. … 36
d) Rezistența infășurării ………………………….. ………………………….. ………………………….. 37
2.5 Calculul puterii și a randamentului generatorului sincron cu flux axial ……………. 39
Cap III. Construcția și testarea generatorului sincron cu flux axial ………………………….. 46
3.1 Construcția statorului genereatorului sincron cu flux axial ………………………….. …. 46
3.2 Construcția rotorului generatorului sincron cu flux axial ………………………….. ……. 51
3.3 Construcția sistemului mecanic al generatorului sincron cu flux axial ……………… 57
3.4 Asamblarea și dezasamblarea generatorului ………………………….. ………………………. 63
3.5 Rezultate experimentale ………………………….. ………………………….. ………………………… 64
Conzluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 72
Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 73

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
8
Introducere

Mașin ile electrice au un rol foarte important în prezent , au devenit elementul
fundamental al tehnologiei moderne. Aproape toate echipamentele și mașinile din industrie și
viața noastră de fiecare zi , începând de la râșnița de cafea , aspirator , autoturism până la
strung , robot de asamblare , navă spațială și mii de alte mașini au incor porate în ele mașini
electrice .
De la începutul istoriei omul folosește unelte pentru a -și micșora eforturile muncii și
să-și facă viața mai comodă. O sută de mii de ani înain tea erei noastre au apărut uneltele de
piatră , în al patrulea mileniu înainte de Cristos s -a descoperit roata , în secolul al nouălea s -a
făcut praful de pușcă , în secolul al nouăsprezecelea becul , în secolul al douăzecilea
automobilul , televiziunea , arme n ucleare , nave spațiale , internetul , iar secolul acesta :
biotehnologie , nanotehnologie , teoria M. Se vede că tehnologia a crescut exponențial cu
timpul , astfel u neltele au devenit aparate și mașini , care din ce în ce au devenit mai mici , mai
comple cși și m ai eficienți . Această creștere n -a omis nici mașinele electrice , care au fost în
curs de dezv oltare și îmbunătățire constant . Motivul principal pentru un astfel de interes era
dat de dezvoltarea electronicii de putere și găsirea materiale lor de construcție noi mai
eficiente . Cu aceste ino vații o parte din tehnologiile existente, ca tehnologia colectorului cu
perii a devenit demodat ă, ineficient ă și nefolositoare în aplicațiile noi . Din cauza asta , ca o
altă modalitate de transmitere de energie între statoru l și rotorul mașinilor electrice , s-a
inventat excitația cu magneți permanenți . Astfel mașinele electrice cu magneți permanenți
încet preiau locul mașin ilor convenționale fiindcă , prin creșterea calității și a puterii
magneților permanenți și scăderea preț urilor lor , se contruiesc mașini electrice mult mai
ieftine și mult mai eficiente.
Un domeniu interesant a mașinilor electrice cu magneți permanenți este cel a
mașinilor cu flux axial , de multe ori numite și mașini de tip disc. Aceste mașini din cauza
lungimii axiale mici sunt o alternativă atractivă a mașinilor cu flux radial în aplicațiile de
automobile electrice , pompe , ventilatoare , roboți și generatoare de mică și medie putere.
Acest proiect se concentr ează pe generatorul sincron cu flux axial , cu mag neți
permanenți, fără miez magnetic în stator și cu două rotoare. Aceste mașini electrice au un
randa ment ridicat față de maș inile electrice convenț ionale deoarece lipsește miezul magnetic
din stator , astfel nu există pierderi în fier , și lipsește infășura rea rotorului , nu există pierderi
Joule în rotor . Lipsa miezului magnetic din stator crește densitatea de putere a mașinii , fiindcă
scade masa și volumul total al mașinii , și elimină problema dificultății construirii unui stator
cu dinți trapezoidali. Nu e xistă problema supraincălzir ii dinților statorici din cauza densității
de flux ridicat pe raza interioară a mașinii , unde aceștia devin mai înguști. U n alt avantaj este
forma lui , are lungime mică și diametru mai mare , care o face potrivită pentru integrar e
mecanică in diferite sisteme ca : eoliene , roți ale autoturismelor electrice , ventilatoare , pompe,
uși rotative , roboți , echipamente industriale. În aceste aplicații mașinile electrice sincrone cu
flux axial și magneți permanenți sunt o alegere foarte b ună din cauza factorului de putere
ridicat și randamentului ridicat în comparație cu mașinile de inducție cu flux axial . Factorul de
putere în motoare de inducție cu flux axial , având părți active din fier masiv , variază între 0.6
și 0.8 , în schimb în cazu l mașini lor electrice sincrone cu magneți permanenți acesta variază
între 0.9 și 0.95 [9].

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
9 Azi generatoarel e de mică și medie putere câștigă o pondere tot mai mare , fiindcă se
pot construi conform cerințelor aplicați ilor speciale și unice. Aceste generat oare, în general ,
sunt proiectate și construite de companii mici de inginerie . Mașini le trebuie să fie mecanic
simple și robuste , ieftine de construit și ușor integrabile în sistem.
Pentru autorul proiecului aceste generatoare sincrone cu flux axial pr ezintă un
domeniu de interes și o oportunitate bună de educație prin proiectarea , construirea și testarea
acestuia . Procesul de construire a mașinii este mult mai sim plă decât în cazul celor
tradiționale , cu flux radial , datorită simplității lor , fără a fi nevoie de unelte speciale . Acest
proiect constituie o dovadă care confirmă afirmația că acest tip de mașină se pretează pentru
aplicații personalizate de mică și medie putere , construit într-un laborator sau atelier , fără ca
acesta să fie echipat pentru producție. Metoda prezentată în acest proiect pune accentul pe un
preț redus și timp scurt de proiectare deci o prototipare rapidă pentru generatoare. Desigur ,
cercetarea și dezvoltarea specializată a mașinilor electrice merge mult mai departe decât ceea
ce este prezentat în acest proiect. Scopul prezentat aici inlustrează proiectarea și
construcția simplă a unui generator , care ar putea face parte dintr -un proiect de nivel înalt.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
10

Mulțumiri

Autorul dorește să -și exprime mulțumi rea :
 Tatălui C eresc , Mamei Cerești și lui Iisus Cristos pentru că i -au dat putere și
voință
 Profesorului Dr.Ing. Florin Jurca pentru s upravegherea acestui proiect. Foarte
puțini profesori ar fi dispuși să dea atâta libertate și încredere în explorarea
subiectului ca dânsul , și acest proiect n -ar fi fost posibil fără sprijinul său.
Mulțumesc pentru răbdarea lui.
 Familiei , părinților și fraților pentru încredere , încurajare și ajutor fizic și
spiritual .

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
11
Cap I. Construcția și funcționarea m așinilor electrice

Mașina electrică este un convertor electromecanic ce asigură transformarea energiei
electrice în energie mecanică și invers. Dacă conversia de energie este din energie electrică în
energie mecanică , atunci mașina se numeș te motor , dacă din energie mecanică în energie
electrică , mașina se numește generator , iar dacă din energie electrică cu anumiți parametri tot
în energie electrică dar cu alți parametri , mașina se numește transformator .

Fig. 1.1. Transfer de energie a mașinilor e lectrice rotative [5].

Trebuie remarcat că toate mașinile electrice sunt reversibile , conform princ ipiului
enunțat de Lenz în 1834 : regimul de funcționare al mașinilor electrice depinde doar de sensul
de circulație al puterilor. Conversia de energie se ba zează pe două fenomene
electromagnetice : primul , dacă un conductor se află într -un câmp magnetic care variază , sau
conductorul se deplasează în acest câmp , în el se induce o tensiune; și al doilea , dacă un
conductor parcurs de curent electric este introdus într-un câmp magnetic , asupra lui
acționează o forță electromagnetică care încetează în momentul în care prin conductor nu mai
trece curentul electric .[1]
Primul fenomen este cunoscut ca legea lui Faraday care zice : tensiunea electro motoare
indusă pe o curbă închisă (Γ) este egală cu minus viteza de variație în timp a fluxului
magnetic prin orice suprafață deschisă mărginită de curba închisă (Γ). Formula :

dtd
(1)

Unde: ε este tensiunea electromotare ,
d
este variația fluxului magnetic pe durata dt [2].

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
12 Al doilea fenomen este cunoscut ca forța Lorentz , care este forța exercitată de un câmp
magnetic asupra unei sarcini electrice punctiforme aflată în mișcare . Formula :

BvqF

(2)

Unde:
F este forța Lorentz , q sarcina electrică ,
v vectorul viteză a sarcinii electrice ,
B
vectorul inducției câmpului magnetic [3].

Elementele constructive de baz ă ale mașinilor electrice , în funcț ie de tipul mașinii ,
sunt:
 La transformator (ambele sunt fixe):
o Primar
o Secundar

Fig. 1.2. Structura transformatorului .

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
13
 La mașini rotative :
o Stator
o Rotor

Fig. 1.3. Structura mașinilor electrice rotative [4]

 La mașini liniare :
o Parte fixă
o Parte mobilă (translator)

Fig. 1.4. Structura mașinilor electrice liniare [4]

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
14 Există trei sisteme de bază care alcăt uiesc mașina electrică și anume [4]:

 Sistemul electric constă din înfășurări , conexiuni exterioare , placă de borne ,
contacte alu necătoare , colector , etc. Rolul sistemului electric este de a permite
închiderea curenților în circuitele interne ale mașinii, produce câmpul magnetic
necesar transformării energiei , și în el se induc tensiunile electromotoare.
Înfășurările se pot realiza din cupru sau aluminiu, din conductoare rotunde,
profilate sau turnate. Ele se plasează concentrat pe poli aparenți sau distribuit
în crestături. În acest sistem au loc pierderile prin efect Joule, reprezentat de
disiparea căldurii în conductoarele înfășur ărilor parcurse de curent electric.
Pierderile prin efect Joule se calculează cu ecuația:

2IR pj
(3)

Unde: R este rezistența înfășurării, I este curentul care parcurge
înfășurarea.

Fig. 1.5. Părțile sistemului electric a mașinilor electrice .

 Sistemul magnetic se compune din materiale feromagnetice , formând miezul
magnetic , și intrefierul , întreruperea dintre miezul magnetic a statorului și
miezul magnetic a rotorului. Rolul miezurilor magnetice este: șă constituie
suportul pentru înfășurări și/sau magneți permanenți , să formeze un circuit
închis pentru fluxul magnetic și să transmită la axul mașinii cuplul dezvoltat.
Înfășurare
statorică Înfășurare rotorică concentrată
Colector Înfășurare rotorică distribuită
în crestărturi

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
15 Miezul magnetic poate fi realizat din material masiv: fontă sau oțel atunci când
fluxul magnetic care îl străbate este constant, material feromangnetic dur cu
ciclu lat de histerezis pentru mașini electrice ce funcționează pe baza
fenomenului histerezis, și materiale compoz ite pentru aplicații speciale; sau
poate fi realizat din tole, tab lă electrotehnică, atunci când fluxul magnetic care
îl străbate este variabil. În acest sistem există două tipuri de pierderi: pierderile
prin histerezis și pierderile prin curenți turbionari. Prima apare dacă se aplică o
magnetizare variabilă în timp asup ra unui circuit magnetic realizat din material
feromagnetic moale , care determină încălzirea miezului. Ecuația de calcul a
pierderii:

fk phist Fe 1 _
(4)

Unde: k1 este coeficient de pierdere prin histerezis și f frecvența.

Pierderile prin curenți turbionari se datorează efe ctului legii lui Faraday, de
inducție a unei tensiuni electromotoare în miezul magnetic realizat din material
magnetic cu o anumită valoare a rezistivității electrice. Această pierdere se
reduce prin folosirea tolelo r în loc de material masiv. Ecuația pierderii prin
curenți turbionari:

 2
2 _ ) cos(1t kRpcurturb Fe  
(5)

Unde: k2 este coefficient de pierdere prin curenți turbionari ,
ω pulsația , t timpul, R rezistența miezului magnetic.

Fig. 1.6. Miez magnetic al stato rului, alcătuit din tole.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
16  Sistemul mecanic constă din carcasă , arborele rotoric , scuturile frontale cu
lagărele pentru arbore, ventilator pentru răcire. Acest sistem asigură
funcționarea mașinii , evacuarea căldurii (răcire pasivă sau activă) , protecția
mașinii și a personalului.

Fig. 1.7. Părțile sistemului mecanic a mașinii electrice.

Mașinilie electrice se clasifică după mai multe criterii:

 După felul curentului de alimentare :
o De curent continuu
o De curent alternativ

 După felul mișcării :
o Rotative
o Liniare

 După numărul de faze :
o Monofazate
o Polifazate

O altă clasificare a mașinilor electrice este : clasice sau speciale. Mașina de curent
continuu cu colector , mașina de inducție (asincronă) în construcție cu rotorul în colivie sau cu
rotorul bobinat , și mașina sincronă cu excitație electromagnetică sunt mașinile electrice
clasice care au la baza funcționării lor principiile generale ale conversiei electrome canice ale

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
17 energiei. Toate celelalte mașini electrice sunt mașini electrice speciale și se derivă d in aceste
trei. Mașinile electrice speciale pot fi de utilizare specială , de construcție specială , cu
alimentare specială , cu caracteristici speciale, și în afară de principiile generale ale conversiei
electromecanice ale energiei utilizează și alte efecte care stau la baza funționării lor: cel al
histerezisului magnetic , al inducției unipolare [5].

1.1 Istoria mașinilor electrice

Cu invenția pilei electrice (Allessandro Volta, 1800) , a generarării câmpului magnetic
cu ajutorul curentului electric (Hans Christian Oersted, 1820) , și a electromagnetului (William
Sturgeon, 1825) , baza pentru construirea mașinilor electrice a fost depus. La acel moment
încă era deschis întrebarea dacă motoarele electrice să fiu rotative sau oscilante (ex: ca
pistonul unui mot or cu aburi) . Din întreaga lume , mulți inventatori au lucrat în paralel pe
această temă , și de multe ori fără ca să știe unul despre altul , au inventat soluții similare
independent.
Prima mașină rotativă condusă de electromagnetism a fost construit de cătr e englezul
Peter Barlow în 1822 (Roata lui Barlow ).

Fig. 1.8. Roata lui Barlow.

Un disc de cupru care se poate roti în plan vertical, are o margine cufundată într -o baie
de mercur . Aceasta este una din bornele motorului, cealaltă fiind chiar axul discu lui. Un
magnet în formă de U este plasat astfel încât cele două feț e ale discului sunt orientate către
polii acestuia. Contactând cele două borne la o sursă de curent continuu , se va observa rotirea
discului [6].
După multe alte încercări cu aparate rotati ve sau oscilante slabe cu mai mult sau mai
puțin succes, prusac ul Moritz Jacobi a creat primul motor electric rotativ real în mai 1834,
care a dezvoltat o putere mecanică remarcabilă de ie șire. Motorul lui a stabilit un record
mondial, care a fost îmbunătă țit numai patru ani mai târziu, în septembrie 1838 de către
Jacobi însu și. Al doilea motor a lui a fost suficient de puternic pentru a conduce o barcă cu 14
de oameni peste un râu mare. Până în 1839 -1840 la nivel mondial nimeni nu a reușit să
construiască motoare cu performanțe asemănătoare sau superioare .

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
18 Deja în 1833 germanul Heinrich Friedrich Emil Lenz a publicat un artic ol despre legea
reciprocității fenomen elor magneto -electrice și electromagnetice i.e. reversibilitatea motorului
și generatorului elec tric.
În 1835 cei doi olandezi Sibrandus Stratingh și Christopher Becker a u construit un
motor electric care a acționat o mașinuță. Aceasta este prima aplicație practică cunoscută al
unui motor electric. În februarie 1837 americanul Thomas Davenport a pri mit primul patent
pentru un motor electric.
Cu toate acestea , dezvoltările lui Jacobi , Stratingh , Davenport și alții eventual nu au
dus la motoarele electrice pe care o știm noi azi. Motorul de curent continuu nu a fost creat
din aceste motoare , ci mai deg rabă din dezvoltarea generatoarelor de putere (dinamuri).
Bazele au fost puse de William Ritchie și Hippolyte Pixii în 1832, cu inventarea colectorului ,
de Werner Siemens în 1856 cu inventarea indusului în dublu T și de inginerul lui șef ,
Friedrich Hefner -Alteneck , în 1872 cu inventarea armăturii de tip tobă , a înfășurării tambur .
Motoarele de curent continuu până în prezent încă mai au o poziție dominantă pe piață în
gama de putere mică (sub 1 kW).

Fig.1.9. Părțile de bază a dinamului: a) Indus în dublu T,
b) Armătură tobă, c) Colector -perii.

Siemens este primul care pune înfășurările în crestături. Această invenție a marcat un
punct de cotitură în designul mașinilor electrice. În următoarele decenii toate modelele
anterioare au dispărut de pe piaț ă. Până azi aproape toate mașini le electrice se construiesc cu
înfășurările în crestături. În 1873 Auguste Pellerin propune împărțirea miezului magnetic din
fier masiv în mai multe plăci izolate unu față de cealaltă pentru a evita pierderile prin curenți
turbi onari.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
19 Între anii 1885 – 1889 s -a inventat sistemul trifazat de energie electrică , care este baza
pentru transmiterea modernă a energiei electrice și a motoarelor electrice avansate. Un singur
inventator pentru acest sistem trifazat nu poate fi numit , sunt mai multe nume , mai mult sau
mai puțin cunoscu te, care toate au fost profund implicate în invenții : Bradley , Dolivo –
Dobrowolsky, Ferraris, Haselwander, Tesla și Wenström . Galileo Ferraris , inginer Italian în
1885 construiește primul motor de inducție cu două faze.

Fig. 1.10. Motorul de inducție bifazat al lui Galileo Ferraris.

Totuși el crede incorect că aceste mașini nu pot depăși un randament de 50% , astfel nu mai
continuă dezvoltarea acestor mașini. În același timp fără șă aibă cunoștințe despre m otorul lui
Ferraris , Tesla reinventează motorul de inducție bifazat. Friedrich August Haselwander din
Offenburg (Baden) este primul cu idea folosirii sistemului trifazat de curent alternativ în iulie
1887. El construiește primul generator sincron trifazat cu poli aparenți , dar Poșta Germană
interzice funcționarea mașinii de teama perturbării liniilor de telegraf de către acesta.

Fig. 1.11. Generatorul sincron trifazat, cu poli aparenți,
al lui Friedrich August Haselwander .

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
20 Michael Dolivo -Dobrowolsky , șef electrician la AEG în Berlin înbunătățește ideile lui Tesla
și Ferraris și construiește motorul trifazat de inducție cu colivie , care este folosit pe scară
largă și azi. El realizează pentru prima dată că sistemul trifazat , conectat în stea sau triungh i,
necesită doar trei linii electrice și astfel este mai puțin costisitor decât sistemul bifazat care
folosește patru linii electrice. Jonas Wenström intr-un brevet britanic din aprilie 1889 descrie
toate părțile unui sistem trifazat de energie electrică. În 1890 construiește primul lui generator
trifazat , și în 1893 primul sistem trifazat de transmitere a energiei electrice de curent alternativ
din Suedia , de lungime de treisprezece kilometri este instalat.
Astăzi, motorul sincron trifazat este folosit în principal în aplicații extrem de
dinamice , ca de exemplu în roboți , și în autoturisme electrice. Motoarele trifazat e de inducție
cu colivie sunt cele mai adesea produs e în gama puterii lor de peste 1 kW [7].

1.2 Mașini electrice sincrone cu magneti perman enți

În anii 1940 Howard Robert Johnson a dezvoltat o mașină sincronă cu magneți
permanenți , o mașină perpetu um mobile , acționat numai de magneții permanenți. Johnson
afirmă că mașina lui generează mișcare folosind numai și numai magneți permanenți , și în
rotor și în stator , unul acționând împotriva celuilalt. Principiul de mișcare se bazează pe ideea
creării dezechilibrului permanent dintre rotor și stator. A estimat că magneții ar pierde mai
puțin ca 2% din magnetizarea lor acționând o mașină de lucru t imp de optsprezece ani. În 24
aprilie 1979 Johnson a primit brevet pe mașina lui. Una dintre primele modele de aceste
mașini cu magneți permanenți er a motorul Permasyn . O altă variantă de mai târziu acestui
model era cu o colivie de amortizare pe circumfer ința exterioară a rotorului [1,8].
Prima încercare de intrare pe piața motoarelor industriale cu mașini le electrice cu
magneți permanenți era în anii 1980 de către BBC , care producea motoare cu autopornire , cu
magneți de SmCo. Ideea principală în primele stadii a mașini lor cu magneți permaneți era
creșterea randamentului mașini lor tradiționale prin folosirea magneți lor permanenți ca surse
de excitație . Totuși , creșterea mică a randamentului , din cauza magneților slabi , nu a fost
destul pentru clineți , astfel încercarea de intrare pe piață a eșuat. În ciuda regresului , în
ultimele decenii câțiva producăt ori au introdus cu succes mașini le elect rice cu magneți
permanenți, datorită dezvoltării magneților din pământuri rare de energie ridicată [10]. Acești
magne ți sunt făcuți dintr -un aliaj , numit Neodim -Fier-Bor (NdFeB). Prima mașină sincronă cu
magneți permanenți comercială a fost introdusă de SIEMENS . Această mașină era capabilă să
pornească fără starter. De fapt era o mașină de inducție în care în rotor erau magneți
permanenți , care au crescut randamentul și factorul de putere a mașinii și permiteau
funcționarea în sincronism. Primele modificări experimentale în privința transformării
mașinilor de inducție în mașini sincrone cu autopornire erau implementate prin schimbarea
rotorului cu colivie cu rotor cu magneți permanenți și înfășurări de amortizare. Încă se mai
construiesc motoare cu magneți permanenți cu rotoare cu colivie și magneții înserați în
înăuntrul lor de la câțiva kilowați până la 1 MW [1]. Există tipuri de mașini speciale doar cu
excitație cu magneți permanenți , ca mașina sincronă cu magneți permanenți sau mașina de
curent continuu fără perii.
Mașina sincronă este mașina de curent alternativ, la care, la funcționarea în regim
static, viteza de rot ație a rotorului este egală cu viteza câmpului magnetic învârtitor, produs de
stator. La această mașină nu există alunecarea, ca și la mașina asincronă unde rotorul

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
21 întotdeauna este în urma câmpului magnetic învârtitor. Viteza de sincronism a câmpului
magn etic învârtitor se calculează:

ppfns60
(6)

Unde: f este frecvența tensiunii de alimentare și pp este numărul de perechi de poli.

Există mai multe tipuri de mașini electrice sincrone:

 După tipul excitării:
o Excitație cu curent cont inuu:
 Cu poli înecați
 Cu poli aparenți

o Fără excitație externă:
 Cu magneți permanenți
 Cu reluctanță variabilă

Fig. 1.12. Tipuri de rotoare a mașinilor electrice sincrone [4].

Mașinele cu excitație cu curent continuu au nevoie de inele colectoare pe ar borele mașinii
pentru alimentarea înfășurării rotorice. Câmpul magnetic static creat de înfășurarea rotorică
parcursă de curentul continuu, la viteza de s incronism, urmărește câmpul învâ rtitor generat de
înfășurarea statorică. Pentru eliminarea inelelor co lectoare și a pierderilor electrice pe aceste
s-au introdus rotoarele cu magneți permanenți. Magneții permanenți au același rol ca și
înfășurarea, adică generează câmpul magnetic static. Folosirea lor ca excitație a făcut posibil
creșterea randamentului m așinii prin eliminarea pierderilor din înfășurare. Prin urmare nu mai
este nevoie de sursă exterioară pentru excitare, care elimină și necesitatea periilor și a

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
22 colectorului, astfel mașini le nu au nevoie de atâta întreținere. Dezavantajul folosirii
magneți lor permanenți este dificultatea reglării valorii tensiunii de ieșire a generatorului,
aceasta fiind posibilă numai prin reglarea turației sau prin metode de control bazate pe
slabirea de flux .
Aceste mașini în general se folosesc în ambele regimuri de fun cționare motor/
generator.

1.3 Mașini electrice sincrone cu flux axial

În mașinele convenționale direcția fluxului magnetic era radială , numite mașini cu flux
radial. Între timp au fost dezvoltate și mașinele el ectrice cu magneți permanenți cu flux axi al,
interes ul dezvoltării fiind satisfacerea exigenței aplica țiilor speciale care necesitau limitări
geometrice.

Fig. 1.13. Diferența mașinelor cu flux radial și cu flux axial [20].

Prin dezvoltarea acestor mașini exista posibilitatea construirii mași nilor cu lungime
axială foarte mică , datorită direcției fluxul ui magnetic care nu mai are direcție radială ci
direcție axială. Posibilitatea de a realiza o mașină electrică cu lungime axială foarte redusă o
face mașinele electrice cu flux axial atractivă a plicațiilor unde aceste dime nsiuni geometrice
sunt limitate. Astfel de aplicații sunt [11] :
 Generatoare de viteze mari , antrenate de turbine cu gaze în sisteme hibride de
tracțiune : tipuri multistrat cu 2 -4-6 rotoare și 1 -3-5 statoare .
 Autovehicul hibrid cu combinație de volantă -generator: un singur rotor și două
statoare , înfășurări toroidale pe stator .
 Roata cu acționare directă pentru autovehicule electrice: două rotoare , un stator
fără crestături și înfășurări toroidale , cu magneții permanenți pe supr afața sau
în interiorul rotorului.
 Aplicați i cu pompă cu viteză ajustabilă : stator fără crestături , cu bobine
concentrate , magneți permanenți pe suprafata discului rotoric.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
23  Aplicații servo cu cuplu redus pentru ventilatoare și roboți.

Mașinele electrice cu flux axial și magneți permanenți fac parte din categoria
mașinilor electrice speciale. Sunt diferite de cele convenționale în două maniere importante :
ca sursă de flux magnetic folosesc magneți permanenți în loc de înfășurări , și direcția fluxului
magne tic este paralelă cu direxția axei. În ciuda varietății mari a acestor mașini se pot
menționa trăsăturile comune ca avantaje sau dezavantaje fată de mașinile electrice
convenționale [11].

Avantaje :
 Este mașină compactă cu o lungime redusă ;
 Densitate de pu tere ridicat;
 Randament ridicat , nu există pierderi Joule datorat e xcitației cu magneți
permanenți;
 Mult mai robustă.

Dezavantaje :
 Intrefier crescut;
 Diametru ridicat ;
 Dependență putere/diametru.

Mașinele electrice cu flux axial se pot construi într -o varietate largă , care poate fi
clasificat ă astfel [11]:
 Aranj amentul statorului și rotorului :
o Structură simplă : un rotor și un stator
o Structură dublă : cu stator în interior și două rotoare pe fiecare parte sau
cu rotor în interior și două statoare
o Multistrat : mai multe rotoare și statoare în succesiune
 Poziția magneților permanenți :
o Montate pe suprafața discului
o Îngropate
 Tipul statorului :
o Cu miez magnetic:
 Cu crestături
 Cu poli aparenți
o Fără miez magnetic

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
24

Fig. 1.14. Tipuri constructive al generatorului cu flux axial: a) Structură simplă, b) Structură
dublă: un rotor -două rotoare, c) Structură dublă: un stator -două rotoare, d) Multistrat .
[10,12]

Structura cu un singur stator și rotor este configurația cea mai simplă a mașinii cu flux
axial. Dezavantajul lui însă este încărcarea dezechilibrată a axei , astfel necesită un sistem de
rulmenți mai complex. Forța de atracție , normală pe planul discurilor , dintre stator și rotor
tinde să aducă aceste împreună. În schimb , structura dublă este simetrică , forța de atracție
dintre stator și rotoar e se elimină , și încărcarea pe axa mașinii este echilibrată. Mașinele cu
structură dublă se pot construi cu un rotor intern și două statoare pe fiecare parte , sau invers
cu un stator și două rotoare. Avantajul primului tip e ste că răcirea înfășurări lor este bună și
poate funcționa și dacă pe o parte înfășurările sunt defectate. Înfășurările statoarelor se pot
conecta în paralel sau în serie , depinde de cerințele aplicației în care este folosit mașina.
Dezavantajul însă este c ă traseele de returnare a fluxului magnetic se află în miezul statoric ,
astfel pierderile în fier sunt relativ mari. Pe de altă parte , structura cu un stator și două rotoare ,
are avan tajul pierderii reduse în cupru și în fier , fiindcă traseele de returnare a fluxului
magnetic sunt în miezurile rotoarelor. Densitatea de putere este superioară primului tip. Dacă

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
25 magneții sunt plasați pe suprafață , rotorul acționează ca un ventilator , astfel crește nivelul de
răcire a înfășurărilor statorice. În ciuda avantaje lor structurii duble , structura multistrat poate
să fie cea mai bună soluție pentru unele aplicații , unde este nevoie de putere mai mare dar
diametrul mașinii este limitat. În aceste cazuri creșterea numărului statoarelor și rotoarelor
este o soluție foart e bună. De exemplu , când o mașină cu un anumit diametru , cu un stator și
două rotoare produce 10 kW de putere , aceași mașină cu patru rotoare și trei statoare poate să
producă 30 kW de putere sau chiar mai mult , 50 kW , cu șase rotoare și cinci statoare.
Diametrul a rămas la fel tot timpul , numai lungimea mașinii s -a schimbat. Singura problemă
cu această metodă este că cresc și pierderile și și prețul din cauza creșterii numărului
magneților permanenți. Aceste tipuri de obicei se folosesc în unitățile de pro pulsie a
vapoarelor sau ca generatoare de mare viteze [11].
Plasarea magneților permanenți pe rotorul mașinii se poate face în două felur i: montați
pe suprafața discului rotoric sau îngropați în el. În cazul îngropării , magneții sunt bine
protejați împotri va forțelor centrifuge astfel mașina devine mai robustă , funcționarea ei mai
sigură. Totuși îngroparea lor se realizează mai dificil ca montarea lor pe suprafața rotorului.
La aceste mașini , unde magneții sunt montați pe suprafată , fiindcă permeanța magne ților este
aproape egală cu cea a aerului , intrefierul efectiv devine mai mare , inductanța înfășurării
statorice este mică și capabilitatea de a funcționa peste viteza de bază este limitată. Acesta
este dezavantajul principal acestui tip [11]. Magneții mon tați pe suprafață funcționeaz ă ca un
ventilator răcind înfăș urările statorice.
Aceste mașini se pot construi cu miez magnetic, cu crestături sau fără miez magnetic
pe stator. La versiunea fără miez componenta de permeanță din riplurile de flux , din pierde rile
în fier din dinți , din saturația dinților și din vibrațiile legate de dinți este eliminată. De
asemenea și pierderile din înfășurări sunt mai mici din cauza lungimii reduse a părții frontale
a înfășurării. Totuși acest model nu este recomandat în cazu ri când mașina este supus stresului
mecanic. Mașina cu crestături statorice este mult mai robustă și are intrefier efectiv mult mai
mic. Un alt avataj este că permite mai multe tipuri de înfășurări care rezultă în diferite
distribuții de flux. Există două tipuri principale de înfășurare : NN (nord nord) și NS (nord
sud). Tipul NN are lungimea frontală a bobinelor mai mici ce rezultă pierderi mai mici în
cupru. Dar miezul magnetic a statorului fiind mai lată pe direcția axei produce creșterea
pierderilor în fier. În cazul tipului NS este exact invers. Pierderile în cupru sunt mai mari ,
fiincă lungimea frontală a bobinelor este mai mare , și pierderile în fier sunt mai mici , fiincă
lățimea miezului magnetic este mai mică [11,12].

Fig. 1.15. Configurația de î nfășurare NN și NS. [11]

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
26
Este posibil ca statorul să fie fără miez magnetic, numit în literatura științifică „core –
less stator”. Această configurație este folosit ă de obic ei la aplicații cu putere sub 1 kW și
viteză de rotație ridicată, din cauza intrefier ului crescut. Aceasta are ca efect scăderea
inducției magnetice în intrefier. La aceste mașini înfășurările statorice sunt montate pe un
material neferomagnetic, care poate fi rășină, lemn, plastic , etc. Astfel pierderile în fier sunt
eliminați fiindcă nu exită miez magnetic, dar cresc pierderile în cupru din cauza apariției
curenți lor turbionari în conductori, din înfășurărea statorică, pentru ca aceștia sunt expuși
direct la fluxul magnetic alternativ produs de magneții permanenți. Acest efect respectiv
pierderile pot fi reduse prin folosirea conductorului subțire pentru înfășurarea statorică [12].
Avantaj important al acestui tip de stator este prețul scăzut de realizare.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
27
Cap II. Proiectarea generatorului sincron cu flu x axial

Obiectivul acestui proiect este dezvoltarea unei metode de proiectare a generatorului
sincron cu flux axial, cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator. În acest capitol
este descris metoda de proiectare și calculul performanțelor mași nii. Proiectarea generatorului
conține dimensionarea generatorulu i, calulul circuitului magnetic , calculul înfășurării statorice
și a parametrilor ei, calculul caracteristicilor generatorului.

2.1 Calcul ul turaț iei turbinei (a palelor)

Înainte de proiecta re trebuie determinat ce fel de turbină va fi folosită pentru
antrenarea generatorului, și trebuie calculat turația turbinei în funcție de vânt. Aceasta va
determina turația generatorului, adică tensiunea debitată de acesta. Prin urmare trebuie
calculat toate variabilele care intervin în determinarea turației turbinei.

a) Raport ul de viteză al turbinei

Înseamnă raportul dintre viteza v ârfului palelor și viteza vântului. Este foarte
important , deoarece , dacă turbina se învârte prea lent majoritatea vântulu i va trece de turbină ,
fără să fie captat de pale, și dacă se învârte prea repede, palele vor străbate întotdeauna vânt
utilizat. Aceasta din cauză că fiecare pală va trece pe traseul palei anterioare care deja a
preluat energia vântului în acel loc. Este important să treacă destul timp între trecerea a două
pale pe același loc. Ca turbina să preia cât mai multă energie de la vânt acest raport trebuie
ales adecvat. Formula de calcul pentru raport ul viteză este:

vântpală pală
vântvârfpală
vvârfvr
vvr
(7)

Unde : vvârfpală – viteza vârfului palei a rotorului [m/s]
vvânt – viteza vântului [m/s]
ωpală – viteza unghiulară a rotorului [rad/s]
rpală – raza rotorului [m]

Pentru acest proiect, calculele pentr u generatorul cu flux axial se realizează
considerând ca și el ement de antrenare o turbină în construcție orizontal ă cu trei pale de
diametru 2m, adică cu rază de 1m. Se presupune că turația turbinei este de 500 rpm. Aceasta
transformat în rad/s:

3.52 500602
602 turb pală n
rad/s. (8)

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
28 Dacă generatorul funcționează în vânt de 10 m/s (36 km/h), care este un vânt
semnificativ pe scara Beaufort, tipic pentru zona noastră geografică (ramurile mici ale
copacilor se miscă, steagurile flutură in acest vânt.), raportul devine:

23.51013.52
vântpală pală
vântvârfpală
vvârfvr
vvr
(7)

Dar fără a intra în amănunte, studiile arată valorile aproximative, optimale a raportulu i
viteză vârf pentru tipuri diferite de turbine cu ax orizontal . Aceste rezultate se pot vedea în
următorul tabel.

Tab. 2.1. Raport de viteză al turbinei în funcție de număr de pale.
Rapo rt viteză vârf Număr de pale a turbinei
6-7 2
5-6 3
2-3 5

Calculul și tabelul arată același rezultat (turbina considerată acest ui proiect are trei
pale) , valoarea raportului se fixează la :

rvvâr =5. (9)

b) Viteza de pornire

Numit în literatur a engleză “cut in wind speed”, s e refer ă la viteza de vânt la care
generatorul începe să debiteze energie utilă. Valoarea lui de obicei este între 3 și 4.5 m/s. Pe
următoarea imagine se vede caracteristica tipică a puterii debitate de generator î n functie de
viteză constantă de vânt.

Fig. 2.1. Caracteristica puterii turbinei [13]

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
29
Se vede bine că la viteza de vânt de 3.5 m/s generatoarele de obicei incep să debiteze
putere electrică. Puterea debitată crește cu creșterea vitezei vântului p ână la viteza no minală ,
la care generatorul debitează puterea electrică nominală. Dacă viteza vântului crește mai
departe, generatorul începe să debiteze mai multă energie, și creșterea tensiunii asupra valorii
nominale produce străpungerea înfășurării, astfel defectarea generatorului. Din această cauză
turbina se proiectează astfel încât prin variația unghiului palelor să limiteze turația
generatorul, sau se folosește o cutie de viteze care indiferent de viteza vântului la ieșire are
viteză de rotație nominală . Viteza nom inală este viteza minimă a vântului la care generatorul
va genera puterea nominală. Viteza nominală pentru generatoare este de obicei între 11 și
16m/s. Există o limită a vitezei vântului peste care generatorul se oprește, și nu mai generează
energie elect rică, măsură de siguranță pentru evitarea defectării generatorului. Oprirea poate fi
realizată de o frâ nă automată comandată de un senz or de viteză, ori cu ajutorul unui mecanism
care la viteze mari întoarce palele sau toată turbina din direcția vântului. Această viteză
maximă se numește și “cut out wind speed”, și are ca valori 20 – 35 m/s [13].
Astfel pentru viteza de pornire se alege :

5.3in cutv
m/s. (10)

c) Diametrul turbinei

Cum era menționat mai sus , se presupune ca diametrul tu rbinei folosit este 2 m , și are
trei pale :

2turbd
m. (11)

d) Turația rotorului

S-a calculat valoarea raportului viteză vârf, r vvârf =5, și valoarea vitezei de pornire a
generatorului, v cut-in =3.5 m/s. Cu ajutorul acestor valori se poate calcula turația minimă a
rotorului, adică turația minimă a generatorului la care acesta începe să debiteze putere
electrică , care are formula de calcul următoare :

1671 2605.35
2260

turbin cut vvârf
dv rn
rpm (12)

Unde: rvvârf – raport viteză vârf
vcut-in – viteza de pornire [m/s]
dturb – diametrul turbinei [m].

Turația generatorului în rotații pe secundă:

785.260secnn
rps. (13)

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
30
2.2 Dimensionarea statorului și rotorului

a) Număr bobine

La generatoarele cu f lux axial și magneți permanenți, trifaz ate magneții se aliniează
odată cu o singură fază . Astfel dacă avem trei bobine, cel mai simplu caz, câte una pentru
fiecare fază, avem nevoie de 4 magneți permanenți ca numai o singură bobină să fie aliniată
cu un pol magnetic. Pentru determinarea numărul ui de bobine și magneți trebuie luat în
considerare că pentru fiecare bobină trebuie 1.33 magneți [14]. Se poate construi un tabel cu
perechile de număr de bobine respectiv magneți.

Tab. 2.2. Număr de magneți în funcție de număr de bobine.
Bobine Magneți Bobine pe fază
6 8 2
9 12 3
12 16 4
15 20 5
18 24 6

În proiectul acesta se alege varianta cu douăsprezece bobine și saisprezece magneți.
Numărul bobinelor pe o fază astfel va fi patru. Dar având în vedere că construcția
generatorului va fi un stator – două rotoare, numărul necesar de magneți se dublează , adică
numărul total necesar de magneți este treizecișidoi. Alegerea se justifică fiindcă valoarea
tensiunii debitată, dorită este înaltă. Cu cât mai multe bobine are generatorul cu atât crește
valoar ea tensiunii la ieșire , dacă toți ceilalți parametri rămân neschimbați.
Număr bobine și magneți ales:
12bobn (14)

16magn . (15)

b) Dimensiunile b obinelor

Forma magneților și a bobinelor la un generator fără miez magnetic în stator poate fi
de mai multe feluri: cu formă trapezoidală, cu formă rotundă. Alegerea variantei folosite
depinde de dimensiunile și caracteristicile generatorului, de valoarea investiției realizării
generatorului, și posibilitățile de ac hiziționare a megneților permanenți. În cadrul acestui
proiect alegerea a căzut pe varianta cu forma rotundă în loc de cel trapezo idal, din cauza
ușurinței de achiziționare a magneților , sunt fabricate într -o varietate mai mare și au preț mai
scăzut, și ușurința bobinării.
Studiile și experimentele arată că bobinele trebuie dimensionate în funcție de
dimensiunea magneților folosiți, adică diametrul interior a bobinelor trebuie să fie egal sau
mai mare decât diametrul magnețiilor permanen ți pentru ca toate liniile de câmp magnetic să
intre în bobină, altfel zis fluxul magnetic prin bobine să fie maxim. Pentru a satisface această
cerință s e alege ca diametrul interior a bobinelor să fie egal cu diametrul magneților
permanenți și anume (ca magneți permanenți p entru acest proiect s -au ales cei cu diametru de
treizeci de milimetri):

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
31
dibob=dmag=30 mm. (16)

Ca diametrul exterior maxim a bobinelor se ia patruzeci de milimetri :

debob=40 mm . (17)

Distanța între bobine se alege șapte milimetri:

gb =7 mm. (18)

Aceste valori se aleg în funcție de dimensiunile dorite a generatorului.

c) Diametrul statorului și rotorului

Pentru ușurarea calculelor se ia un cerc imaginar pe marginea cărui se plasează cercuri
mici, având diametrele egale cu di ametrele exterioare bobinelor și distanța între ele egal cu
cea aleasă inițial. Având toate informațiile necesare se poate calcula diametrul la centrul
bobinelor din circumferința la centrul bobinelor:

180 52.179)7124012() ( b bob ebob bob
cg n d nd
mm (19)

Unde: nbob – număr bob ine
debob – diametrul exterior maxim a bobinelor [mm]
gb – distanța intre bobine [mm]

Știind diametrul la centrul bobinelor ușor se calculează și diametrul statorului,
adăugân d la această diametrul exterior maxim a bobinelor și lățimea părții exterioare a
discului statorului , care s e ia arbitrar zece milimetri .

240 102 40 180 2  h d d debob c s
mm (20)

Unde: h – lățimea părții exterioare a discului statoric,
în exteriorul bobinelor [mm].

Diametrul la centrul magneților permanenți este egal cu diametrul la c entrul bobinelor
fiind că acestea trebuie să fie față în față. Se poate calcula distanța dintre magneții permanenți
astfel:

3.5163016 180 
magmag mag c
mnd n dg
mm (21)

Unde: dc – diametrul la centrul magneților,
egal cu diametrul la centrul bobinelor [mm]

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
32 nmag – număr magneți pe un rotor
dmag – diametrul magneților [mm].

Diametrul exterior a rotoarelor s e alege egal cu diametrul exterior a statorului:

240s rd d
mm. (22)

Având dimensiunile statorului și rotorului , și poziția bobinelor și ma gneților cu
ajutorul programului AutoCAD se realizează desenele statorului cu bobinele, a rotorul ui cu
magneții , și rotorul suprapus pe stator.

Fig. 2.2. Rotorul cu 16 magneți, stato rul cu 12 bobine și rotor suprapus pe stator.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
33
2.3 Calcul magnetic al gener atorului sincron cu flux axial

Mai înainte , la dimensionarea statorului și rotorului era definit numărul magneților
permanenți folosiți, adică șaisprezece pe un rotor, și diametrul s -a ales să fie de treizeci de
milimetri. În funcție de aceste două date t rebuie văzut ce tipuri de magneți permanenți pot fi
achiziționați. În final s -a găsit tipul cel mai potrivit a magneților pentru acest proiect.
Magneții aleși sunt de tip NdFeB , pentru că sunt cei mai puternici și astfel crește randamentul
și puterea gener atorului, și au următoarele caracteristici principale :

30magd
mm – diametrul magneților (16)
7magg
mm – grosimea magneților (23)
29.1magB
T – inducția magnetică a unui magnet (24)

Se știe inducția magnetică a magneților permanenț i care produc fluxul magnetic total.
Fluxul magnetic util, care ajunge la bobine este mai mic ca fluxul magnetic total fiindcă există
pierderi în intrefier, numit flux de scăpări. Pentru a calcula aceste pierderi trebuie știu t lățimea
intrefierului, adică distanța dintre doi magneți permanenți opuși de pe cele două rotoare.
Lățimea intrefierului se determină luând în considerare grosimea statorului și distanța dintre
stator și magneții rotoarelor pe fiecare parte a statorului. Distanțele se măsoară de la magneții
permanenți fiindcă aceștia sunt cele mai înalte puncte a rotoarelor în direcția axială . Grosimea
statorului depinde de grosimea bobinelor, care depinde de grosimea conductorului folosit și
numărul de spire, care depind e de valoarea tensiunii debitate dorite. Astfel la punctul acesta
trebuie făcut mai multe încercări de calcul luând în considerare toți acești parametri , calculați
mai târziu în subpunctele următoare, ca să se ajungă la rezultatul cel mai bun.
În urma înce rcărilor realizate pe cale analitică s e determină lățimea intrefierului și
anume:

7
mm – lățimea intrefierului. (25)

Acum este posibil calcularea inducției magnetice utile care produce tensiune în bobine
cu următoarea formulă:

968.0 5.0)2( 





magmag mag magugB B B
T (26)

Unde: Bmagu – inducția magnetică utilă [T]
Bmag – inducția magnetică a megnetului permanent [T]
gmag – grosime magnet [mm]
δ – lățimea intrefierului [mm] .

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
34
2.4 Calculul înfășurării generatorului sincron cu flux axial

a) Calculul numărului de spire

Tensiunea indusă în bobine depinde liniar de numărul de spire , și este egal cu viteza
de scădere în timp a fluxului magnetic prin suprafața bobinei :

dtdNdtNd
dtiLd
dtde ) ( )( (27)

Unde: Ψ – flux magnetic total ce înlănțuie spirele [Wb]
L – inductivitatea proprie a bobinei [H]
i – curentul care produce fluxul [A]
N – numărul de spire
Φ – flux magnetic pe o spiră [Wb] .

Generatorul acestui proiect se dimensionează ca tensiunea produsă de acesta să fie
230V:

230U
V. (28)

Numarul de spire necesare pentru bobine ca generatorul să producă această tensiune
aleasă se calculează cu următoarea formulă:

302
312100030785.2 968.01626230
1000) 2(3222
sec








mndn B nU
N
bobmag
magu mag

(29)
Unde : U -tensiunea generată [V]
nmag -numărul magneților pe un rotor
Bmagu -inducția magnetică utilă [T]
nsec -turația generatorului în [rotații/sec ]
dmag -diametrul magnetului [mm ]
nbob -numărul bobinelor
m -număr faze .

În relația de mai sus constanta √3 indică conexiunea în stea a celor trei faze a
generator ului, constanta 2 se leagă de numărul magneților permanenți . Fiindcă avem structură
a generatorului un stator și două rotoare față în față , trebiue dublat inducția magnetică utilă,
care se face simplu prin dublarea numărului de magneți permanenți: 2*16=32 . Calculul

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
35 rezultă că este nevoie de bobine cu trei sute de spire ca generatorul să debiteze tensiune de
230 V.

b) Calculul grosimii bobinelor

Inițial la determinarea diametrului statorului s -a fixat valoarea diametrului interior și
diametrului exterior maxi m a bobinelor, dibob=30 mm, d ebob=40 mm. Pentru calcularea
grosimii bobinelor s e ia în considerare lățimea intrefierului ales, care limitează grosimea
bobinelor și care în cazul acesta este δ=7 mm , și diametrul exterior maxim a bobinelor , care
nu poate fi depășit, altfel bobinele nu mai vor încăpea pe stator. Înainte de a calcula grosimea
bobinei trebuie determinat ce tip de conductor va fi folosit, și ce grosime are acesta. În cazul
acesta se alege conductor rotund cu diametrul:

dcond=0.18 mm. (30)

Grosimea bobinelor se calculează simplu prin împărțirea secțiunii bobinei cu lățimea
lui cu următoarea ecuație , lățimea bobinei fiind aleasă mai mic decât
2ibob ebob d d , în cazul
acesta 4 mm :

4bobl
mm. (31)

72.247.01 300218.0
22 2






 
bob umplfircond
bobl fnrNd
g
mm (32)

Unde : dcond – diametrul conductorului folosit pentru bobine [mm]
N – număr spire
nrfir – număr fire in mâini la bobinare
fumpl – factor de umplere
lbob – lățimea bobinei [mm] .

Fig. 2.3. Dimensiunile principale a le bobinei .

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
36 În relație prima dată se calculează secțiunea totală a conductoarelor , luând în
considerare și pierderile de spațiu în înfășurare între conductoare, acesta fiind sârmă și nu
conductor profilat , prin factorul de umplere f umpl. Această secțiune apoi se împa rte cu lățimea
bobinei , rezultând grosimea lui. Lățimea bobinei se referă la diferența dintre raza exterioară a
bobinei și cea interioară. Numărul de fire în mâini se referă la numărul conductoarelor în
paralel la bobinare. Dacă conductorul folosit are dia metru mare bobinarea întâmpină greutăți
din cauza rigidității ridicate a conductorului. În acest caz în loc de un singur conductor cu
diametru mare se folosește mai multe conductoare în paralel, cu diametre mai mici, legate
împreună la capete. În cazul acesta se ia un singur conductor , fiindcă nu apar probleme de
bobinare , conductorul ales fiind subțire și destul de f lexibil .
Dacă cumva rezultatul calculului, adică grosimea bobinei rezultă mai mare decât
lățimea intrefierului ales, trebuie refăcută calculele cu valori modificate. Dacă nu se vrea
schimbarea diametrului generatorului atunci p rima dată la subpunctul calculului mag netic
trebuie reales valoare lățimii intrefierului, și în funcție de aceasta recalculate toate celelalte
valori pâna la acest punct. Dacă nici cum nu se ajunge la un rezultat satisfăcător, trebuie
crescut diametrul mașinii (d s, dr) și diametrul la centrul magneților și bobinelor (d c). În acest
caz toate calculele trebuie refăcute.

c) Calculul lungimii conductorului folosit

Nu este destul de știut ce tip de conductor trebuie folosit, ci lungimea totală acestuia.
Prima dată tre buie calculat lungimea necesară d e conductor pentru realizarea unei singure
bobine. Aceasta s e calculează din circumferința medie a bobinei și numărul de spire . Pentru
determinarea circumferinței medii a bobinei trebuie calculat diametrul exterior a bobinei.
Acesta nu este egal și nu treb uie confundat cu diametrul exterior maxim, d ebob, folosit pentru
dimensionarea statorului. Diametrul exterior real a bobinei se calculează însumând diametrul
interior și dublul lățimii bobinei :

3842 30 2 bob ibob erbob l d d
mm (33)

Unde: dibob – diametrul int erior a bobinei [mm]
lbob – lățimea bobinei [mm] .

Astfel se poate calculca lungimea necesară de conductor pentru o singură bobină:

32044230383002



  ibob erbob
condd dN l
mm (34)
32condl
m (35)

Unde: derbob – diametrul interior a bobinei [mm]
dibob – diametrul exterior real a bobinei [mm]
N – număr spire

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
37 Lungimea totală necesară de conductor pentru toate bobinele generatorului :

384 3212cond bob totcond l n l
m (36)

Unde: nbob – număr bobine
lcond – lungime conductor necesar pentru o singură bobi nă [m]

d) Rezistența infășurării

Este foarte important cunoașterea rezistenței înfășurării statorice a generatorului.
Trebuie calculat rezistența unei singure bobine, după care se poate calcula și rezistența totală a
înfășurării statorice. Rezistența unei bobine se poate calcula în două feluri. În primul caz
trebuie cunoscut lungimea conductor ului necesar pentru o singură bobină și rezistența lui pe
metru , care se alege din următorul tabel :

Tab. 2.3. Caracteristicile conductoarelor de Cu.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
38
Se calculează rezistența bobinei:

84.27 87.032 R l Rcond bob
Ω (37)

Unde: lcond – lungimea condutorului intr -o bobină [m]
R – rezistența pe metru ales din tabel [ Ω/m].

Celălalt caz de calculare a rezistenței bobinei necesită cunoașterea rezistivității
materialului c onductorului , în cazul nostru cupru, și lungimea și sectiunea conductorului.
Rezistivitatea cuprului este:

81072.1Cu
Ωm. (38)

Foarte important este la calcularea rezistenței cu acest caz luarea corectă a secțiunii
conductorului. Conduct orul folosit pentru bobinare este emailat pe suprafață, care crește
secțiunea acestuia, dar pentru calculul rezistenței trebuie luat numai secțiunea cuprului, sau
materialului respectiv a conductorului. Această valoare se ia din tabelul anterior din prima
coloană corespunzător diametrului conductorului emailat.
Se calculează rezistența și în acest caz :

37.27
10)216.0(321072.1
)2(6 28
2* *



  
condtotcond
Cu
condcond
Cu bobdl
SlR
Ω
(39)

Unde : ρCu – rezistivitatea cuprului [ Ωm]
S*
cond – secțiunea conductorului fără email [mm2]
d*
cond – diametru con ductor fără email [mm].

Se vede că cele două modalități de calcul au d at rezultate aproximative. În continuare
trebiue calculat rezistența unei faze. Se știe că generatorul acestui proiect este trifazat, și pe o
fază are patru bobine. Astfel, cunoscând le gea de calcul a rezistențelor conectate în serie sau
paralel, se determină rezistența fazei:

875.645.27
4bob
fazăRR
Ω (40)

Unde: Rbob – rezistența bobinei (valoarea medie a celor două rezultate) [Ω] .

În cazul acesta bobinele unei faze vor fi conect ate în paralel și nu în serie, din
considerații personale, astfel valoarea curentului generat va fi de patru ori mai mare dar
tensiune generată de patru ori mai mic. Rezistența fazei se calculează cu formula rezistențelor
în paralel. Rezistența totală a în fășurării statorice depinde de conexiunea fazelor, car e poate fi

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
39 în stea sau în triunghi. Generatorul acestui proiect este dorit să fie realizat în așa fel încât
conexiunea fazelor să fie schimbabil din exterior. Astfel poate fi exp erimentat funcționarea
generatorului în ambele conexiuni.

Fig. 2.4. Tipuri de conexiuni a le fazelor.

2.5 Calculul puterii și a randamentului generatorului sincron cu flux
axial

Ultimul pas în proiectarea generatorului sincron cu flux axial este detereminarea
puterii și a randa mentului lui. Poate fi spus că aceste sunt cele mai importante date în funcția
cărora se decide dacă generatorul este sau nu satisfăcător cerințelor aplicației, și dacă
construirea lui merită investiții le. Dacă puterea debitată este inferior celei dorite g eneratorul
trebuie reproiectat, trebuie ales magneți permanenți mai puternici și, sau trebuie făcute alte
bobine. Dacă randamentul generatorului este prea mic, acesta va genera putere mai mică cât
ar trebui să genereze. Este foarte important ca randamentul lui să fie cât mai mare pentru că
astfel cea mai mare parte a energiei vântului poate fi exploatat.
În ordine să aflăm puterea și randamentul generatorului prima dată trebuie știut ce
parte a energiei vântului este preluat de către turbină. Pentru aceasta trebuie știut randamentul
turbinei. Legea lui Be tzi spune că orice turbină eoliană poate prelua cel mai mult 59.3 % a
energiei cinetice a vântului. Turbinele practice ating 75%, 80% acestei limite [15].
Determinarea eficienței turbinei necesită calcule fo arte complexe în funcție de forma și tipul
lor, astfel s -au făcut experimente și din rezultate s -au realizat grafici, de pe care poate fi citit
eficiența în funcție de tipul turbinei și raportul viteză de vârf :

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
40

Fig. 2.5. Caracteristicile diferitelor tip uri de turbine

Se știe deja că generatorul acestui proiect folosește turbină cu trei pale, și raportul
viteză vârf acesteia este r vvânt=5. De pe grafic se determină eficiența turbinei care este:

38.0turb %. (41)

Puterea turbin ei depinde de randamentul ei, de cubul vitezei vântului și densitatea
aerului. Densitatea aerului la temperaturi normale de 20oC este:

2.1aer
kg/m3. (42)

Se consideră viteza de vânt tipică acestei regiuni geografice:

4vântv m/s. (43)

Puterea turbinei se calculează cu următoarea ecuație:

8.45 38.04222.15.025.032
32




   turb vântturb
aer turb vdP
W (44)

Unde: ρaer – densitatea aerului la 20oC [kg/m3]
dpală – diametrul turbinei [m]

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
41 vvânt – viteza vântului [m/s]
ηturb – randamentul turbinei

Diam etrul turbinei s -a determinat la primul subpunct a l proiectării generatorului.

Puterea turbinei este puterea mecanică de intrare pentru generator, care în acesta se
transformă în putere electrică. Puterea electrică este putere utilă a generatorului, care în
continuare poate fi folosit pentru alimentarea aparatelor sau încărcarea bateriilor. O parte din
puterea mecanică de intrare, prin transformarea lui în putere electrică, se pierde în generator
în formă de căldură, prin efectul Joule în circuitul electr ic și prin frecare în lagăre. Raportul
puterii electrice, de ieșire a generatorului și a puterii mecanice de intrare dă randamentul
sistemului eolian .
Pentru calcularea puterii electrice a generatorului prima dată trebuie calculat
curentul de fază. Ace sta se calculează prin produsul densității de curent și secțiunea
conductorului bobinei. De obicei densitatea de curent se alage între 5.5 -7.5 A/mm2. În cazul
acesta se alege:

7J
A/mm2. (45)

Se calculea ză curentul de fază:

17.0418.0742 2
  cond
fdJSJ I
A (46)

Unde: dcond – diametrul conductorului [mm]

Știind că bobinele pe fazele generatorului se conectează în loc de serie în paralel,
rezultatul obținut la (46) trebuie înmulțit cu patru și rezultatul va fi curentul de fază real:

68.0 17.04 4  SJ If
A (47)

În continuare se determină tensiunea electromotoare indusă în înfășurarea
generatorului. Tensiunea electromotoare indusă (TEM) depinde de turație, de numărul de
spire și de fluxul magnetic, și are formula de calcul [18]:

w p w p k w k wf E    
212
(48)

Unde: f – frecvența [Hz]
w – număr de spire pe fază
φp – flux magnetic maxim al unui pol [Wb]
kw – factor de înfășurare
ω – pulsație.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
42
Numărul de spire pe fază este egal cu suma spirelor bobinelor de pe o fază. În cazul
acesta pe o fază sunt patru bobine, fiecare având 300 de spire, astfel numărul de spire total pe
fază este 1200 :

1200w
(49)

Fluxul magnetic maxim al unui pol, φ p, se calculează din produsul inducției magnetice
utile al un ui pol, B magu, și suprafața polului.

42323
1084.621030968.0210 







   mag
magu magu pd
BS B
Wb
(50)

Unde: Bmagu – inducția magnetică utilă [T]
S – suprafața magnetului permanent [ m2]
dmag – diametrul magnetului permanent [ mm]

Pentru a lua în considerare forma și mod ul de distribuire a înfășurării pe stator , în care
se induce tensiunea , se folosește un coeficient, numit factor de înfășurare. Acest factor se
calculează:

i y p w kkk k 
(51)

Unde: kp – factor de repartizare a înfășurării în crestături
ky – factor de scurtare al pasului
ki – fator de înclinare.

Fiindcă înfășurarea statorului generatorului este concentrată factorul de înclinare, k i, și
factorul de repartizare în crestături, k p, devin egale cu zero, iar factorul de scurtare a pasului,
ky=1. Astfel:

1wk
(52)

Se calculează tensiunea indusă în înfășurarea statorului cu formula (48) pentru mai
multe valori ale turației. Rezultatele se prezintă în următorul tabel:

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
43
Tab. 2.4. Tensiunea indusă la diferite turații al generatorului.
Turație: n [rpm] Pulsație: ω [rad/s] Tensiunea indusă pe
o fază: E [V] Tensiunea pe cele trei
faze:
3xE [V]
50 5,23 3,03 9,09
100 10,47 6,07 18,21
150 15,7 9,11 27,33
200 20,94 12,15 36,45
250 26,18 15,19 45,57
300 31,41 18,23 54,69
350 36,65 21,27 63,81
400 41,88 24,31 72,93
450 47,12 27,35 82,05
500 52,36 30,38 91,14

Se menționează că turația, n [rpm], trebuie transformat în [rad/s] pentru calcularea
tensiunii induse (48), cu formula:

30n
(53)

Unde: n – turația generatorului [rpm].

Se calculează puterea electrică a generatorului în funcție de tensiunea debitată la
turația care se obține la viteza vântului determinat cu ecuația (43). Turația turbinei, adică a
generatorului la această viteză a vântului se calculează cu ecuația (12), în care în locul vitezei
de pornire se înlocuiește viteza vântului de la (43). Rezultatul ecuației (12) este:

190n
rpm (54)

Tensiunea de fază debitată de generator la această tu rație se calculează cu ecuația ( 48),
fiind atent că turația din [rpm] trebuie transformat în [rad/s] cu ecuația ( 53). Tensiunea de fază
debitată de generator este:

54.11fU
V (55)

Acum se poate calcula puterea electrică a generato rului la turația n=190 rpm ( 54),
conform ecuației generale:

54.23168.054.113 cos 3  f f el I U P
W (56)

Unde: U f – tensiunea de fază debitată la 190 rpm [V]
If – curentul de fază [A]
cosφ – factor de putere

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
44
Factorul de putere cosφ se ia unitar în ecuația (56) f iindcă se consideră sarcină pur
rezistivă.
Se calculează randamentul sistemului eolian, adică a generatorlui legat împreună cu
turbină, prin raportul puterii electrice, calculat cu ecuația (56), și puterea turbinei, calculat cu
ecuația (44).

51.08.4545.23
_ 
turbel
eol sistPP
(57)

Se observă că randamentul total al sistemului eolian este foarte slab. Să se calculeze
randamentul generatorului, care este mai importantă din punc de vedere al proiectului.
Randamentul generatorului se calculează cu formula:

p SS
nn

(58)

Unde: Sn – puterea nominală aparentă a generatorului [VA]
p – pierderile în generator [W]

Puterea nominală aparentă a generatorului este produsul tensiunii nominale impuse la
inceputul proiectului (28), și a curentului de f ază determinat cu ecuația (47):

3.11768.05.573 3 f n IU S
VA (59)

Unde : U – tensiunea impusă [V]
If – curentul de fază [A]

Fiindcă cele patru bobine a fezei generatorului este conectat în paralel valoarea
tensiunii impuse trebuie împărțită cu patru.
Pierderile în generator sunt pierderi Joule, adică pierderi de căldură în circuitul electric
al generatorului, care se calculeză cu ecuația:

53.9 68.0875.63 32 2f fazăI R p
W (60)

Unde: R fază – rezistența unei faze a generatorului [Ω]
If – curentul de faz ă [A]

Fiindcă generatorul este trifazat pierderile prin efect Joule se triplează, de aceea apare
constanta 3 în ecuația precedentă .
Se poate calcula randamentul generatorului cu formula (58):

92.053.93.1173.117
(61)

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
45
Randa mentul generatorului se vede că este foarte bună, înseamnă că în practică ar
funcționa foarte bine. Cu acesta s -a terminat proiectarea generatorului cu flux axial , cu
magneți permanenți și fără miez magnetic în stator. Toate informațiile pent ru construirea lui
este în față , nu este altceva de făcut decât transpunerea teoriei în practică.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
46
Cap III. Construcția și testarea generatorului sincron cu flux axial

Acest capitol conține etapele de construcție a generatorului sincron cu flu x axial , bazat
pe rezultatele obținute în capitolul precedent. Metoda prezentată pune accentul pe un preț
redus și timp scurt de proiectare deci o prototipare rapidă pentru generator. Sunt descriși în
amănunte toți pașii pentru construirea statorului, roto rului, și a sistemului mecanic, dar și a
asamblării și dezasamblării părților generatorului. Testările se fac la mers în gol a
generatorului și la mers în sarcină rezistivă. Rezultatele obținute în urma testărilor se compară
cu rezultatele calculelor anali tice și se trag concluziile.

3.1 Construcția statorului genereatorului sincron cu flux axial

Statorul generatorului conține circuitul electric, adică bobinele în care se induc
tensiunile. În capitolul precedent sau calculat toți parametrii necesar i pen tru construirea
bobinelor : diametrul exterior și interior a bobinelor (derbob,dibob), grosimea și lățimea ei (gbob,
lbob), numărul de spire necesar e (N), grosimea conductorului folosit (dcond), lungimea totală
necesară pentru toate bobinele (ltotbob).
Pentru fabricarea bobinelor se folosește o mașină de bobinat. Trebiue realizat o
unealtă , un suport pe care se pot bobina bobine cu dimensiunile dorite. Acesta trebuie să
limiteze grosimea ei să nu fie mai mare decât cea definită în calcule și diametrul inter ior care
nu poate fi mai mic ca diametrul magneților permanenți. Restul dimensiunilor poate fi oricât
între limitele definite în calcule. Se realizează unealta cu diametru l egal cu diametrul interior a
bobinelor dorit, de 30 mm dintr -o țeavă de plastic , pe care se montează două șaibe
(limitatoare) mobile , cu ajutorul cărora se poate regla grosimea calculată pentru bobine. Du pă
reglar ea și fixarea limitatoarelor, între ele , pe cilindrul plastic se înfășurează un strat de bandă
de hârtie. Ace asta având rolul de a ușura sco aterea bobinei finalizate de pe cilindru. Fixarea
stratului de hârtiei s e realizează cu trei ațe adezive , poziționate în jurul cilindrului la 1200 una
de cealaltă. Ața adezivă are rolul și de a lega spirele împreună după bobinare pentru
rigidizarea bobinei . Când se fac toate etapele de pregătire , această unealtă se mont ează pe
mașina de bobinat , și se începe bobinarea , numărând numărul de spire necesar cu ajutorul
numărătorului conectat la axa mașinii de bobinat. Bobinarea se realizează pri n înfășurarea
strânsă a conductorului pe unealta suport bobină de pe sulul cu conductor emailat. Când se
ajunge la numărul dorit de bobine se oprește învîrtirea aparatului, se leagă cele trei ațe pentru
a rigidiza bobina, se taie conductorul între aparat d e bobinare și sul având grijă ca lungimea
firelor de legare să fie destul de lungă . Se scoate suportul bobinei din aparatul de bobinat, se
scoate un limitator de grosime de pe cilindru și se scoate bobina de pe suport. Se pune înapoi
pe cilindu limitatorul de grosime, se reglează grosimea dorită și se începe din nou etapele
descrise mai sus. Când s -au realizat toate bobinele , rigidizate prin legarea strânsă a ațelor
adezive , acestea se scufundă în baie de lac pentru rigidizare suplimentară.
Imaginile următ oare conțin etapele de bobinare :

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
47

Fig. 3.1. Mașina de bobinat și părțile lui importante

Fig. 3.2. Suport bobină și părtile lui

Numărător Mâner
Unealtă
suport bobină
Bobină Ață adezivă Limitatoare
de grosime

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
48

Fig. 3.3. Bobinele rigidizate cu ață adezivă si lac

Este recomandat să se facă câteva bobine de rezervă lângă cele necesare, pentru a evita
problemele în caz ce se defectează niște dintre ele în timpul realizării celorlalte părți a
generatorului. După realizarea bobinelor trebuie fabricat statorul în care ele vor fi montate.
Statorul generatorului se realiz ează din material neconductiv și nemagnetic , în cazul
nostru Polymethyl methacrylate (PMMA) cunoscut sub numele de Plexiglass. Acest material
este termoplastic , transparent , ușor și rezistent la spargere, folosit deseori ca o alternativă
pentru sticlă. Deși din punc de vedere tehnic nu este un tip de sticlă , substanța a fost numit
uneori sticlă acrilică. Chimic , acesta este polimer sintetic de metacrilat de metil . Materialul a
fost dezvoltat în 1928 în diverse laboratoare de mulți chimiști , cum ar fi Willi am Chalmers ,
Otto Röhm și Walter Bauer și a fost adus mai întâi la piață în 1933 de către firma Rohm and
Haas , sub marcă Plexiglas. De atunci a cesta a fost vândut sub mai multe nume diferite,
inclusiv Acrylite , Lucite și Plexiglas . PMMA este o alternativă economică la policarbonat
(PC), atunci când puterea extremă nu este necesar ă. În plus , PMMA nu con ține dăunătoarele
subunită ți bisfenol -A din policarbonat . Acesta este preferat, din cauza proprietă ților sale
moderate , de manipulare și procesare u șoară, și preț redus . PMMA nemodificat se comportă
într-un mod fragil atunci când este încărcată , mai ales sub o forță de impact , și este mai
predispus la zgârieturi decât sticla conven țional ă. Cu toate acestea , PMMA modificat atinge
rezisten ță mare la impact și zg ârieturi [16]. Acest material este o alegere foarte bună pentru
realizarea statorului din cauza: prelucrabilității bune și ușoare, rigidității și rezistenței bune la
zgârieturi , și nu în ultimul rând prețului scăzut. Dimensiunile statorului s -au calculat l a
proiectarea generatorului, diametrul lui d s=240 mm și grosimea lui g s=4 mm . Trebuie ținut în
minte că este nevoie de loc pe stator pentru firele de conectare a bobinelor fiecărei faze și
pentru suportul de fixare al acestui . În cazul acesta s e hotărăște ca aceste conexiuni să se facă
în afara bobinelor spre exteriorul statorului , și fixarea lui la soclu l generatorului să se facă de
la marginea statorului . Astfel dimensiunea finală a statorului trebuie luat mai mare ca cel
determinat în proiectare. După tă ierea plexiglasului la dimensiunile stabilite trebuie realizat

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
49 găurile în care vor fi plasate bobinele și gaura centrală pentru axul generatorului. Prima dată
se desenează pe suprafața plexiglasului poziția găurilor și a canalelor pentru conductoarele de
conexiune a bobinelor. Canalele au rolul de a duce conductoarele sub suprafața statorului spre
margine, pentru a evita posibilitatea atingerii conductoarelor de către rotor, din cauza distaței
mici între acestea. Ele trebuie să aibă adâncime de 1 -2 mm și se realizează cu o freză. Găurile ,
care trebuie să aibă diametrul egal cu diametrul exterior a bobinelor, se realizează cu o freză
după care muchia găurilor se șlefuiește cu hârtie abrazivă pentru a ușura băgarea bobinelor . Pe
marginea statorului se realizea ză locul de prindere la suportul lui.

Fig. 3.4. Statorul generatorului realizat din Plexiglas

Suportul are forma de T inversat. Partea superioară are rolul de prindere a statorului și
prin parte a inferioară se prinde totul la soclul generatorului. Suportul funcționează ca o
menghină, care cu ajutorul șurubilor strânge margine a plexiglasului astfel fixând acesta. Cele
patru găuri din centru, care se văd pe imaginea statorul ui, au rolul în montare a rotoarelor pe
ax, care va fi explicat mai târziu.
După realizarea găurilor și canalelor, se montează bobinele în găuri . Trebuie ținut în
minte că bobinele trebuie montate în aceeași direcție, adică direcția bobinării lor trebuie să fie
aceeași. Dacă nu se face asta, există posibilitatea de a conecta o bobină invers, astfel tensiunea
indusă în aceasta va fi anulată de tensiunea indusă într -o bobină conectată corect. După
Loc de
prindere la
suport Canale pentru
conductoare
Gaură pentru
bobină Gaură
pentru ax

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
50 montarea bobinelor acestea se fixează cu adeziv bicomponent sau orice altă metodă . La
realizarea generatoru lui acestui proiect s e folosește , pentru fixarea bobinelor, ciocan ul de lipit
cu plastic. Acesta topește o baghetă de plastic și cu topitura se lipesc obiectele. Are avantajul
că se usucă foarte rapid și este foarte rezistent. Fixare a bobinelor este foarte importantă
fiindcă împiedică căderea lor din locașe în timpul funcționării ce ar produce defectarea
generatorului .

Fig. 3.5. Bobinele montate în stat or și conductoarele de conectare

Ultimul pas în realizarea statorului generator ului este legarea bobinelor împreună
corespunzător fazelor. Se vede pe imagine că sau notat bobinele fiecărei faze pentru a
simplifica conectarea lor împreună. Se decide ca bobinele fazelor să se leagă în paralel și nu
în serie, cum a fost considerat în ca pitolul de proiectare. Motivul deciziei este obținerea unui
curent de fază mai mare în favoarea tensiunii, curentul de fază crește de patru ori dar
tensiune a de fază devine patru ori mai mic ă. Conductoarele de conectare se fixează pe
marginea statoru lui, î n afara periferiei unde vor veni rotoarele, și se leagă la bornele de
conectare. Fiecare fază se dotează cu două borne exterioare, care au rolul de a permite
conectarea fazelor în stea sau triunghi din exterior.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
51

Fig. 3.6. Statorul generatorului finaliza t.

3.2 Construcția r otorului generatorului sincron cu flux axial

Fluxul magnetic în generator este generat de magneții permanenți , în număr de
șaisprezece per rotor . Acești sunt de tip NdFeB , au formă de disc de dimensiune precizată în
proiectarea gener atorului , diametru de treizeci de milimetri și grosime de șapte milimetri .
Direcția de magnetizare este axială, paralel cu înălțimea magnetului. Informațile tehni ce a
magneților folosiți se văd în următorul tabel [17]:

Fig. 3.7. Dimensiunile magne ților permaneți
folosiți [17]

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
52
Tabel 3.1. Caracteristicile magnetului permanent folosit.
Articol S-30-07-N
Formă Disc
Diametru 30 mm
Înălțime 7 mm
Toleranță î n mărime +/- 0,1 mm
Direcția de magnetizare Axială (paralelă cu înălțimea)
Material NdFeB (Neodymium Fier Bor)
Tipul învelișului Nichel (Ni -Cu-Ni)
Putere Aprox. 14 kg Aprox. 136 N
Masă 37,6048 g
Metodă de fabricare Sinterizat
Magnetizare (Grad) N42
Temperatura maximă de lucru 800C
Temperatura Curie 3100C
Inducție remanentă Br 12900 – 13200 G 1,29 – 1,32 T (Wb/m2)
Câmp coercitiv bHc 10,8 – 12,0 kOe 860 – 955 kA/m
Câmp coercitiv iHc ≥12 kOe ≥955 kA/m
Produs energie (BxH) max. 40 – 42 MGOe 318 – 334 kJ/m3

Caracteristica de demagnetizar e a magnetului permanent cu grad de magnetizare N42
se vede pe următoarea imagine:

Fig. 3.8. Curba de demagnetizare N42 [17]

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
53 Pe axa X a caracteristicii se prezintă intensitatea câmpul ui magnetic în kOe
(kiloOersted) , pe axa Y se prezintă inducția magn etică în kG (kiloGauss) , unități de măsură
folosiți î n sistemul CGS ( Centimetru -Gram -Secundă). În Sistemul Internațional de unități
aceste se măsoară în A/m (Amper per metru) respectiv T (Tesla), unde :

mA Oe /110004
(62)

și

T G1 10000
. (63)

Rotorul generatorului se realizează din material magnetic masiv deoarece în zona
rotorului avem câmp magnetic constant în timp.
Materialele feromagnetice , după definiția dicționarului explicativ , sunt materiale care
prezintă feromag netism , care au proprietatea de a fi atras de un câmp magnetic și care își pot
păstra magnetizarea după ce este înlăturată ca uza care o produce. Feromagnetis mul este
mehanizmul de bază în urma căruia unele mate riale devin magneți permanenți sau sunt at rași
la magneți. Există mai multe tipuri de magnetism: feromagnetis m, ferimagnetis m,
paramagnetism și diamagnetis m. Dintre aceste tipuri ce l mai puternic este feromagnetis mul,
este singurul care poate crea forțe destul de puternice pentru a fi simțite. Celelal te forțe sunt
atât de slabe încât numai cu ajutorul echipamentelor de măsură sensibile se pot detecta.
Numai un număr redus de substanțe sunt feromagnetice , cele mai obișnuite sunt : fierul (Fe),
nickel (Ni), cobalt (Co) și aliajele lor , câțiva compuși ai m etalelor de pământuri r are și câteva
minerale naturale . Feromagnetis mul este foarte important în industrie și tehnologie modernă ,
stă la baza a multor echipamente electromecanice ca: electromagneți , motoare electrice ,
generatoare , transformatoare și a dispozitivelor de stocare magnetică : magnetofon , harddisk
etc.
Pentru împlinirea condiției de material feromagnetic și din cau za costului redus și
simplității de a fi încorporat în sistem se alege pentru rotor două discuri de fr ână de
autoturism . Materialul lo r este fontă , care este un aliaj casant de fier și carbon și alte elemente
(siliciu Si , mangan Mn , sulf S , fosfor P), cu un conținut ridicat de carbon ( 2,04 – 6,67%).
Forma și dimensiunile discurilor se v ăd pe următoarea imagine :

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
54

Fig. 3.9. Dimensiunil e discului de frână

În capitolul de proiectare s -a calculat diametrul rotorului la centrul magneților
permanenți , dc=180 mm . Magneții trebuie plasați pe acest cerc. Pe discuri la o distanță de 90
mm de la centrul lui, jur împrejur, cu ajutorul frezei se realizează șaisprezece găuri de
adâncime egală cu grosimea magneților permanenți , de 7 mm, pentru a fi locașe magneților.
Magneții se îngropează total în disc pentru a preveni riscul de agățare a unui magnet în stator
sau într -o bobină în timpul funcționăr ii. La turații mari , din cauza rigidității mai scăzute , față
de metal, a plexigla sului folosit pentru stator , poate ca acesta să iese din echilibru și să se
apropie de una de rotoare. În acest caz , dacă pe rotor magneții nu sunt îngropați total , unul
dintr e ei se poate agăța intr -o bobină și produce ruperea statorului , avarierea generatorului .

Fig. 3.10. Rotoarele cu locașele magneților permanenți

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
55
Pentru montarea discurilor de frână folosite ca rotoare pe axul generatorului este
nevoie de două flanșe. Flanșele trebuie să centreze discurile rotorice, astfel trebuie
dimensionate ca aceste să intre exact în disc. Pentru asta se măsoară diametrul găurii centrale
a discului de frână și diametrul interior a centrului. Cu ajutorul valorilor măsurate se
realize ază desenul flanșei în AutoCAD.

Fig. 3.11. Dimensiunile flanșelor rotoarelor

Flanșele se realizează cu ajutorul strungului. Se prind la discuri cu patru șuruburi de
tip M8. În gaura centrală a flanșelor va intra axul generatorului.
Următorul pas în real izarea rotoarelor este montarea magneților permanenți în ele.
Magneții trebuie verificați și marcați în funcție de polaritate înainte de a monta pe rotor,
fiindcă dacă se montează greșit nu se mai pot scoat e din locaș fără distrugerea lor . Acesta este
necesar că ei trebuie montați cu polaritate alternativă, adică N S N S și așa mai departe. După
marcarea polarității, ei se montează în locașele de pe rotoare. Pentru a fi sigur că stau ferm în
locașe înainte de băgare magneții se ung cu adeziv bicomponent. Es te nevoie de acesta că
magneții vor sta fată în fată cu polarități inversate și forța de atracție între ei fiind foarte mare,
trebuie împiedicat căderea lor din locașe și lipirea lor. Cu ast a se termină realizarea
rotoarelor.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
56

Fig. 3.12. Rotoarele cu mag neții permanenți montați

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
57
3.3 Construcția s istemul ui mecanic al generatorului sincron cu flux
axial

S-au realizat statorul și rotoarele generatorului cu flux axial, mai este nevoie de
sistemul mecanic pe care se montează acestea și care permite învârtirea generatorului.
Sistemul mecanic conține: axul generatorului, lagărele și suportul lor, soclul generatorului. Pe
ax, numit și arbore , se montează rotoarele cu ajutorul flanșelor . Axul pe cele două capete întră
în lagărele care face p osibil învârtirea generatorului. Rulmenții au suporturile lor, care țin pe
loc arborele și fixează tot generatorul la soclul mașinii.

Fig. 3.13. Părțile mecanice al generatorului sincron cu flux axial

Axul generatorului se dimensionează în funcție de dimensiunile generatorului. Știind
dimensiunile discurilor de frână, folosite pentru rotoare, și distanța dintre rotoare, δ=7 mm, se
poate calcula lungimea arborelui. Secțiunea lui depinde de gaura centra lă a flanșelor
rotoarelor, prin care se centrează acestea și care este de 20 mm cum s -a stabilit la fabricarea
lor, și de diametrul interior a rulmenților care suportă axul. Penru acest proiect se folosesc doi
rulmenți de tip 6202, cu diametru interior de 15 mm, diametru exterior de 35 mm, și grosime
de 11 mm.
Rotorul, disc
de frână
Flanșă
Rulment
Ax
Lagăr
Locaș pentru magnet
Stator

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
58

Fig. 3.14. Dimensiunile principale al rulmentului

Cunoscând toate informațiile necesare, în programul AutoCAD se realizează desenul
axului:

Fig. 3.15. Dimensiunile axului generatorului

Partea centrală a arborelui cu lungimea de 70 mm este partea dintre cele două rotoare
și leagă cele două rotoare . Partea cu secțiunea de 20 mm este filetată. R otoarele prin flanșele
se așează pe această parte a axului, împinse până ce se așează strâns la peretel e părții cu
secțiunea cea mai mare. Rotoarele se potrivesc pe ax numai într -o singură poziție din cauza
penelor. Rotoarele se fixează prin strângerea piulițelor pe filetul axului. Partea cu secțiunea de
15 mm este partea care intră în rulmenți. Partea cu s ecțiunea cea mai mică este în exteriorul
generatorului și prin aceasta se antrenează generatorul. Pe următoarea figură se vede: axul
realizat cu strung, filetat la părțile pentru fixarea rotoarelor, piulițele de fixare și panele de la
fiecare rotor.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
59

Fig. 3.16. Axul generatorului cu piulițele și penele de fixare a rotoarelor.

Suportul axului generatorului constă din port-lagăr , brațul suportului și talpa
suportului. Port-lagărul se dimensionează în funcție de rulmentul folosit, în cazul acesta are
dimen siunile: diametrul exterior 35 mm și grosime 11 mm. Port-lagărul se realizează cu
strung. Brațul și talpa suportului se fabrică din bare și țevi de fier prin sudare. Îmbinarea port-
lagărului cu brațul și talpa se face prin sudare . Prin talpă se șurubează suportul la soclul
generatorului.

Fig. 3.17. Dimensiunile lagărului

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
60

Fig. 3.18. Suporturile generatorului cu rulmenții

S-au realizat toate părțile generatorului, urmărește asamblarea și testarea mecanică.
Pentru testare generatorul se asamblează făr ă stator ca acesta să nu se defectează eventual
dacă există ceva eroare la partea dinamică a generatorului. Trebuie văzut dacă nu există părți
care se agață de alte părți, sau dacă învârtirea generatorului nu este sigură și echilibrată. Dacă
rotoarele nu s unt bine centrate la învârtire ele încep să se bată. Acest defect trebuie îndepărtat
neapărat. Este recomandat ca testarea bătăii să se facă învîrtind rotoarele cu mâna, deoarece,
dacă există defectul și generatorul este învărtit la turații mari, se avaria ză generatorul înainte
ca aceasta să fie detectat. Această operațiune se realizează cu ajutorul unui ceas comparator,
verificând bătaia axială și bătaia radială. Rezultatele arată că bătaia discurilor în direcția
axială și radiă este sub limitele permise, și anume mai mici ca 20 μm.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
61

Fig. 3.19. Verificarea bătăii axiale a generatorului

Fabricarea generatorului cu flux axial, cu magneți permanenți, și fără miez magnetic la stator
a ajuns la ultimul pas și anume vopsirea părților. După uscarea vopselei se face asamblarea
finală a generatorului.

Fig. 3.20. Partea fronatală a generatorului după vopsire

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
62

Fig. 3.21. Partea posterioară a generatorului după vopsire

Fig. 3.22. Vedere laterală.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
63
3.4 Asamblarea și dezasamblarea generatorului

Mulțumit str ucturii generatorului sincron cu flux axial al acestui proiect este nevoie de
urmărirea unor pași la asamblare și la dezasamblare.
Asamb larea generatorului se începe cu montarea suporturilor statorului pe acesta. La
fabricarea statorului s -a menționat că t rebuie lăsat loc, pe marginea lui, pentru suport.
Suportul prinde statorul ca o menghină, are o tăietură dealungul lui în care intră plexiglasul
până la limită și cu ajutorul șurubilor se strânge. Trebiue avut grijă să nu fie strâns prea tare că
plexiglasu l poate să se rupă . Așa statorul nu se mai poate fixa cum trebuie și în timpul
funcționării poate să cadă, producând distrugerea bobinelor. Suporturile statorului au câte doi
șuruburi M5 , astfel este nevoie de două chei de 8 pentru strângerea șurubilor. În momentul
acesta statorul nu se montează pe soclu, prima dată trebuie introdusă între rotoare.
Generatorul respectiv a fost proiectat astfel încât să poată funcționa în două moduri: NN -SS și
NS-SN. Primul mod este c ând magnețile care stau față în față au a ceeași polaritate, adică unul
împinge pe celălalt. Al doilea caz este când magneții care stau fată în față au polarități
diferite, între ei există forță de atracție. Aceste două moduri de funcționare se realizează prin
decalarea rotoarelor, unu față de cel ălalt, cu un singur pas de magneți. Dacă înainte magnețile
față în față aveau polarități diferite, după decalare în orice sens cu un pas polar , ei vor avea
polarități asemănătoare. Generatorul acestui proiect are abilitatea aceasta, un rotor poate fi
decal at de celălalt cu un pas polar. Rotorul din față (spre capătul axului prin care se
conextează la turbină) este fix fată de axul generatorului, adică se poate monta într -o singură
poziție pe acesta. După așezarea rotorului pe ax, trebuie băgat pana cu urech e în canalul de
pană. Pana cu ureche are o crestătură la capăt în care se agață șurubelnița, în așa fel poate fi
scos la dezasamblare. Se pune piulița rotorului și se strânge cu o cheie de 30. Rotorul din
spate este cel care poate fi decalat prin schimbare a poziției p enei. Înainte montării trebuie
băgat patru șuruburi M8, de lungime minimă de 10 cm, în cele patru găuri a rotorului. Aceștia
au rolul de a împiedica lipirea roto rului la celălat. Primul rotor, cel fix, se prinde cu menghină
cu axul în poziție v erticală. Pe acesta se pune statorul, care are și el patru găuri în centru
pentru cei patru șuruburi a rotorului din spate. Dacă nu se fac patru găuri pe stator, șuruburile
distrug statorul când aceste se înșurubesc sau dezșurubesc. Celălalt rotor cu cele patru
șuruburi se poziționează asupra axului și încet șuruburile se dezșurubesc, astfel apropi ind
rotorul la celălalt. Înainte ca acesta să se așează pe ax, se verifică dacă canalul penei este în
poziția bună. La punctul acesta se decide modul de funcționa re a generatorul ui. În cazul
acestui proiect se hotărăște să funcționeze în NS -SN, adică cu magneți opuși. Se scot cei patru
șuruburi, lăsând rotorul să se așează pe ax, se introduce pana cu ureche în canal și se pune
piulița pentru fixarea rotorului. Se s trânge cu cheie de 30. S -a asamblat statorul cu rotoarele,
mai este nevoie de montarea lor pe soclul generatorului. Pe capetele axului trebuie puși
rulmențile întroduși în port-lagărele suporturilor. Ajustajul este cu alunecare, astfel rulmențile
pot fi pu se pe ax cu mână, fără necesitatea ciocanului. Următorul pas este montarea statorului
și rotorului pe soclul generatorului. Suporturile statorului pe talpe au două găuri, una pe
fiecare parte, prin care trec capetele șuruburilor de M6, cu care se prinde st atorul la soclu.
Șuruburile trec peste soclu, capul lor fiind înecat în materia lul soclului pe partea inferioară a
acestuia, suportul se prinde la ei cu piulițe. Pentru strângerea lor avem nevoie de cheie de 10.
Suporturile rotoarelor au găuri de 8 mm. În aceste intră capătul șuruburilor M8, care ies din

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
64 soclu și au capul înecat ca și șuruburile pentru stator. Cu montarea piulițelor și str ângerea lor
cu o cheie de 13 se termină asamblarea generatorului.
Dezasamblarea se face exact în ordine inversă. Prima dată mașina se scoate de pe
soclu. Se scot suporturile rotorului, adică al axului generatorului. Se învârte statorul între
rotoare până când găurile de pe el se aliniază cu găurile rotorului din spate. Se prinde rotorul
din față în menghină ca celălalt șă poată fi desprins de pe ax. Se scoate piulița rotorului din
spate cu cheia de 30 și cu o șurubelniță plată mică se scoate pana din canal. Se întroduc
șuruburile de M8 cu lungime minimă de 10 cm în găurile din rotorul din spate, până ce se
lovesc de flanșa rotorului celălalt. Încet și pe rând se strâng cei patru șuruburi până c ând
rotorul este desprins de pe ax. Se scoate statorul. Celălalt rotor poate fi desprins de ax la fel ca
și primul. Astfel se dezasamblează generatorul.

3.5 Rezultate experimentale

După asamblarea și testarea mecanică a generatorului nu mai este altceva de făcut
decât testarea electrică. Testarea constă din testarea celor două regimuri de funcționare: în gol
și în sarcină.
Măsurătorile la funcționarea în gol se fac prin conectarea fazelor generatorului la
aparate de măsură: în cel mai simplu caz voltmetru dar dacă este dorit să fie vizibile formele
undelor, atunci este nevoie de un osciloscop sau o cutie de achiziții conectat la calculator. În
cazul acesta se folosește cutia de achi ziții și programul LabView pentru interpretarea
semnalelor. Fazele generatorului prin bornele de conectare se conectează la bornele cutie i de
achiziții , șe pornește programul, și se antrenează generatorul. Măsurătorile se fac la diferite
trepte de turații, în cazul acesta la 267 rpm și 535 rpm. Turația generatorului trebuie menținută
constantă în timpul măsurării, când valorile de la cutie sunt citite de către calculator și
interpretate. Turația se măsoară cu un tahometru, care numără apariția unui marcaj pe obiectul
învârtit într -un anumit interval, c e rezultă turația obiectului. Rezultatele măsurătorilor se
prezintă pe grafice, tensiunile fazelor în funcție de timp.

Fig. 3.23. Formele ten siunilor de fază la mers în gol, la turație de n=267 rpm.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
65

Fig. 3.24. Formele tensiunilor de fază la mers în gol, la turație de n=535 rpm.

Se poate vedea pe grafice amplitudinea tensiunilor și se poate calcula și frecvența lor.
Amplitudinea tensiunilor în cazul turației de 267 rpm este în jur de 23 de volți , asta însea mnă
că valoare efectivă a tensiunii de fază este 23/√2=16.2 V . Frecvența se calculează ca inversul
perioadei semnalului . Perioada se citește de pe grafic, este distanța dintre două amplitudini a
unui semnal, și este T =0.028 s. Astfel frecvența se calculea ză cu ecuația :

Tf1
[Hz] (64)

7.35028.01f Hz.

În al doilea caz , la turație de 5 35 rpm amplitudinea tensiunilor este 43 -44 volți ,
valoarea efectivă a tensiunii de fază este 44/√2=31.1 V . Frecvența calculată conform ecuației
(64) este:

4.71014.01f Hz.

Se observă că prin dublarea turației se dubl ează și frecvența, care se înțelege de la
sine.
La funcționarea în gol se fac e încă un set de măsurări, și anume măsurarea tensiunii
fazelor la dif erite valori ale turației. În cazul acesta ca aparat de măsură se foloseste un
multimetru digital. Rezultatele măsurărilor se prezintă pe un grafic, tensiunea de fază în
funcție de turație:

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
66
Uf=f(n)
05101520253035
0 100 200 300 400 500 600
n (RPM)Uf (V)
Fig. 3.25. Tensiunea de fază în funcția turației generatorului

Se observă că creșterea turației are ca efect creșterea tensiunii debitate de generator.
Însă această creștere a tensiunii nu poate fi făcut până la infinit, deoarece la o anumită valoare
înfășurările se străpung, generatorul se defectează. Această limită a tensiunii este tensiunea
pentru care a fost proiectată generatorul, adică 230 V. Dar trebuie avut în vedere că bobinele
fazelor în loc de serie s -au conectat în paral el, astfel tensiunea debitată nominală este de patru
ori mai mic, 57.5 V. Din grafic se poate aproxima valoarea turației generatorului la care
acesta debitează această tensiune nominală de 57.5 V , și care este în jur de 800 -900 rpm.
În capitolul proiectării s -au calculat valorile tensiunii induse în fazele generatorului
(Tebelul 2.4.) pentru același valori a turațiilor la care au fost făcute măsurătorile. Astfel poate
fi realizat un grafic de comparație a valorilor calculate inițial și a valorilor măsurate. Pentru
simplicitate se realizeză un tabel cu cele două seturi de valori:

Tabelul 3.2. Valorile tensiunii de fază calculate și măsurate.
n [rpm] 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Uf calc.
[V] 3,03 6,07 9,11 12,15 15,19 18,23 21,27 24,31 27,35 30,38
Uf măs.
[V] 3,9 6,4 9,1 12,9 16,2 19,2 22,3 26 28,9 32,5

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
67
Graficul comparativ a te nsiunilor de fază induse în generator realizat după tabelul 3.2.:

Uf=f(n)
05101520253035
0 100 200 300 400 500 600
n (rpm)Uf (V)
Tensiunile măsurate
Tensiunile calculate

Fig. 3.26. Tensiunile calculate și măsurate în funcție de turație

Se observă că cele două tipuri de valori, calculați și măsura ți, sunt foarte apropiate,
cele măsurate sunt chiar mai mar i decât cele calculate. Acesta poate fi rezultatul erorilor de
măsurare, fiindcă este foarte greu să se țină turația generatorului la valoarea constantă dorită.
Cu toate acestea se poate afirma că calculele proiectării au fost corecte, și generatorul
îndep linește cerințele impuse inițial.

Următorul set de măsurări se fac e la funcționarea generatorului în sarcină. Sarcina
folosită este pur rezistivă, o rezistență variabilă care se conectează la fazele generatorului prin
intermediul unui redresor. Fazele gen eratorului se conectează în stea. Celălalt capăt a fazelor
se conectează la cutia de achiziții, în așa fel ca și tensiunile dar și curenții să fie măsurabile.
Măsurările se fac la două valori diferite a turației ca și în cazul funcț ionării în gol, la 250 r pm
și 535 rpm.Turația generatorului în timpul măsurării trebuie menținută constantă. Rezultatele
se prezintă pe următoarele grafice, tensiunile de fază în funcție de timp și curenții de fază în
funcție de timp:

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
68

Fig. 3.26. Formele tensiunilor de fază la mers în sarcină, la turația n=250 rpm.

Fig. 3.27. Formele curenților de fază la mers în sarcină, la turația n=250 rpm.

Se vede că amplitudinea tensiunilor la mers în sarcină scade aproape cu cinci , șase
volți față de amplitudinea tensiunilor la mers î n gol . Valorile lui în cazul acesta sunt în jur de
17 volți. Valoarea efectivă a tensiunii în acest caz este 17/√2=12 V. Se poate citi de pe figură
perioada tensiunii, T =0.03 s, din care se calculează frecvența semnalului cu ecuația (64) :

3.3303.01f Hz.

Curențiile de fază sunt deformați din cauza sarcinii resistive conectate la generator.
Amlpitudinea lor este în jur de 0.4 A, iar valoarea efectivă este 0.4/√2=0.28 A. Perioada și
frecvența curenților este și trebuie să fie egală cu c ea a t ensiunilor.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
69
Funcționarea în sarcină rezistivă se testează la o altă valoarea a turației generatorului,
la n= 535 rpm. Cu creșterea turației se observă creșterea tensiunii debitate de generator și a
frecvenței acesteia. Amplitudinea tensiunii de fază și în cazul acesta este cu 6 -7 volți mai
mică decât amplitudinea tensiunii de fază, când generatorul funcționa în gol. Valoarea
efectivă a tensiunii de fază este 37/√2=26.1 V. Se observă că sarcina rezistivă nu are efect
asupra frecvenței semnalelor, acesta fiind influențată numai de turația generatorului. Perioada
semnalului este egal cu cel de la funcționarea în gol, T=0.014 s. Frecvența semnalului
conform ecuației (64) este:

4.71014.01f
Hz.

Fig. 3.28. Formele tensiunilor de f ază la mer s în sarcină, la turația n=535 rpm.

Fig. 3.29. Formele curenților de fază la mers în sarcină, la turația n= 535 prm.

Se vede că amplitudinea curenților este în jur de 0.9 A, valoarea efectivă a lor este
0.9/√2=0.63 A. Frecvența curenților este egal cu frecvența tensiunilor. Sarcina rezistivă
conectată la generator are ca efect deformarea undelor.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
70
La funcționare în sarcină rezistivă se fac încă un set de măsurători în scopul de a vedea
dependența tensiunii de fază de curentul de fază, dacă turaț ia generatorului este menținută
constantă. Se alege ca valoare constantă a turației n=400 rpm.
Rezulta tul măsurătoril or se prezintă în următorul tab el și următorul grafic:

Tabelul 3.3. Tensiunea de fază în funcție de curent.
Uf [V] 28,7 26,36 25,7 25,18 24,16 22 21
If [A] 0,05 0,07 0,08 0,1 0,13 0,16 0,27

Uf=f(If)
05101520253035
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
If (A)Uf (V)

Fig. 3.30. Tensiunea de fază în funcție de curentul de fază.

Se observă că, la turație constantă, cu creșterea curentului pe fazele generatorului
scade tensiunea debitată de acesta. Asta înseamnă că pentru alimentarea unei sarcini rezistive
care disipă mai mult curent, scade tensiunea în ordine ca valoarea curentului să poată crește.
În continuare se calculează valoarea puterii electrice a generatorului, știind că factorul
de putere cosφ=1, fiindc ă sarcina este pur rezistivă. Formula de calcul a puterii pe o fază este:

cosf f f I U P
[W] (65)

Unde: Uf – tensiunea de fază [V]
If – curentul de fază [A]

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
71 cosφ – factor de putere.

Se calculează puterea electrică a generatorului conf orm valorilor măsurate a tensiunii
și al curentului de fază, tabelate în tabelul 3.2.:

Tabelul 3.4 . Puterea electrică pe faze.
Uf (V) 28.7 26,36 25,7 25,18 24,1 22 21
If (A) 0,05 0,07 0,08 0,1 0,13 0,16 0,27
Pf (W) 1.43 1,84 2,05 2,51 3,13 3,52 5,67

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
72
Conzluzii

Scopul acestei lucrări a fost găsirea unei metode de proiectare și construcție a
generatoarelor sincrone cu flux axial, cu magneți permanenți, și fără miez magnetic în stator
care oferă a soluție ieftină, ra pidă și eficientă.
Azi, cererea de mașini electrice speciale pentru aplicații unice este foarte mare, astfel
se dorește ca prototiparea lor să fie rapidă, ușoară și ieftină. Autorul a încercat să
îndeplinească aceste cerințe în cadrul acestui proiect. Part ea de proiectare și ecuațile de calcul
folosite au fost întocmite în așa fel încât să fie de înțeles și de persoane cu cunoștințe reduse
de inginerie electrică și mecanică. Etapele de proiectare și construire au fost explicate pas cu
pas. Generatorul a fo st proiectat în așa fel încât construirea lui să fie ușoară, ieftină, fără
investiții mari, și posibilă, fără necesitatea uneltelor speciale și aparatajului special.
Generatorul s -a construit cu success , și însușirile determianate inițial au fost validate: nu este
nevoie de nici o unealtă specială, timpul de construcție este redus, iar prețul total al
construcției este unul accesibil. C ea mai mare parte din pr ețul realizării generatorului era dat
de prețul magneților permanenți. Datorită structurii simple ș i robuste generatorul nu necesită
întreținere periodică , un alt avantaj important al acestui tip de generator. Prin calcule s -a
estimat, tensiunea la bornele generatorului, puterea dezvoltată de acesta, pierderile și
randamentul .
După construcția generato rului s -au realizat teste și măsurători pe standul de încercare ,
iar rezultatele obținute au fost comparate cu cele estimate. Această comparație indică faptul
că estimările au fost corecte și generatorul îndeplinește cerințele impuse inițial . Probleme de
încălzire nu au apărut, rezultat al lipsei pierderilor în miezului magnetic din stator, însușire
care crește numărul avantajelor mașinii. Generatorul poate f i folosit în toate domeniile de
generare a energiei electrice, în sisteme eoliene cu ax orizontal sau vertical a turbinei.
Structu ra lui permite interconectarea mai multor generatoare de acest tip, astfel se poate
ajunge la puteri mai mari de ieșire.
Studiile viitoare ar trebui să includă și teste legate de configurația cu rotoarele decalate
cu magne ții permanenți situați față în față să aibă polaritate identică. O altă încercare ar putea
fi cu alt tip de înfășurare statorică, în care pe o fază a generatorului bobinele sunt conectate în
serie, sau chiar cu bobine diferite, realizate din conductor mai gros.

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
73
Bibliografie

[1] KINNUNEN , JANNE . Direct -on-line axial flux permanent magnet synchronous generator
static and dynamic performance.

[2] MICU, DAN O. Teoria c âmpului electromagnetic

[3] MICU, DAN O. Teoria c âmpului electromagnetic

[4] MARȚIȘ, CLAUDIA. Mașini electrice. 2010 -2011.

[5] SZAB Ó, LORÁND. Ma șini electrice speciale.

[6] http://www.magnet.fsu.edu/educat ion/tutorials/java/barlowswheel

[7] http://www.eti.kit.edu/engli sh/1376.php

[8] http://www.google.com/patents/US4151431

[9] JUSSILA, HANNE. Concentrated winding multiphase permanent magnet machine
design and electromagnetic properties -case axial flux machine.

[10] CHALLA, SUNIl KUMAR. Comparative study of axial flux permanent magnet
brushless DC motor operating with the winding connected in single -phase and two -phase
system.

[11] FUNDA, SAHIN. Design and development of a high -speed axial -flux permanent -magnet
machine.

[12] PAR VIAINEN, ASKO. Design of axial -flux permanent -magnet low -speed machines and
performance comparison between radial -flux and axial -flux machines.

[13] http://www.wind -power -program.com/turbine_characteristics.htm

[14] http://www.windenergy.nl/website/files/artikelen/AXIAL_FLUX_HowItWorks.pdf

[15] BASS, ROBERT W. Is the Albert Betz law stating the maximum wind turbine
efficiency of 16/27 ’s accurate?

[16]http://www.britannica.com/EBchecked/topic/1551203/polymethyl -methacrylate -PMMA

[17] http://www.supermagnete.de/eng/S -30-07-N

Generator sincron cu flux axial,
cu magneți permanenți și fără miez magnetic în stator
74 [18] CIOC, ION și BICHIR; NĂSTASE ș.a. Mașini electrice Îndrumar de Proiectare, Vol.II,
Editura Scrisul Românesc Craiova, 1981

[19] http://www.nadaparasiempre.com/hobbies/wind -energy/generator/index.html

[20] ROSSOUW, F. G. Analysis and Design of Axial Flux Permanent Magnet Wind
Generator System for Direct Battery Charging Applications ,2009