Een Alternator aanpassen voor gebruik in een windmolen

Voorwoord

Een alternator die gebouwd is om te functioneren in een wagen / vrachtwagen, is niet geschikt om te gebruiken in een windmolen, en dit wel om twee redenen:

Om te genereren moet hij gevoed worden door de accu van de auto,
dit gebeurd in de wagen door het contact "op te zetten", bij een windmolen is dat helaas niet van toepassing
en moet dat op een of andere manier "automatisch" gebeuren wanneer de spanning van de alternator hoger komt dan die van de accu.
Daarom moet er een systeem gebouwd worden die de rotor van de alternator pas aan de accu legt wanneer deze voldoende stroom / spanning levert, anders zou de accu leeg lopen.
Het toerental waarop gegenereerd wordt is eigenlijk wat te hoog.
Het is dus nodig deze te herwikkelen omdat hij op een lager toerental genereert zodat hij een hoger rendement heeft, de nodige uitleg staat hier onder.

Een Auto Alternator herwikkelen.

Er zijn meerdere manieren waarop deze alternatoren gewikkeld worden.
Je hebt ook nog de “dubbele ster” en de dubbele driehoek”.
Dat zijn gewoon, 2 sterren of 2 driehoeken die naast elkaar gewikkeld worden en die “parallel” aan elkaar aangesloten zijn, maar dat zijn "speciale" gevallen en laten we dit terzijde.
Hoe dan ook, de gewone alternatoren uit de “standaard” auto zijn altijd gewikkeld zoals de tekening hieronder laat zien.

Afbeelding 1 of Afbeelding 2

Hoe zo een stator er in het "echt" uitziet zie je op volgende foto.
Deze stator heeft zijn originele wikkelingen nog en moet dus nog ontmanteld worden voor het herwikkelen mogelijk te maken.

De foto toont een stator die in “Ster” gewikkeld is, je ziet de 3 fasen die verder naar de gelijkrichter gaan, en het ster of middenpunt waar de 3 draden samenkomen in de bruine "kous" aan de rand van de kern op 4 uur.
Je ziet 36 polen, dat zijn er 12 per fase in dit geval. Naar gelang de gebruikte alternator kan dat aantal verschillen.
Deze stator is van een Delco Remy alternator en komt uit een Mustang (bouwjaar 1958), een oldtimer dus, maar uitermate geschikt voor het ombouwen, lees herwikkelen.
(Ik vond de alternatoren bij de locale oud ijzerboer en betaalde 25 Euro voor 2 stuks).

Hier onder wat foto's van de Delco Remy

Overzicht van de alternator.

Overzicht van de onderdelen.

De stator is gedemonteerd.

De wikkelingen zijn verwijderd en de kern is proper gemaakt.

De kern is terug herwikkelt met het dubbel aantal windingen en terug in de behuizing geplaatst, de zwarte kabel is de aftakking van de 3 fasen R, S en T en die naar de regulator gaan.

Hier zie je duidelijk de 3 geleiders van de zwarte kabel (bruin, geel en blauw).

De rotor die zal bekrachtigt worden door de accu via de regulator.

De rotor is terug op zijn plaats gezet in de alternator.

Achterkant van de Delco Remy.

Diode om te beletten dat de accu zou leeglopen.

Deze alternator kan in originele staat maximum ongeveer 55 Amp. / uur leveren bij +/- 14 V en doet dan ongeveer 1000 trs / min. Ons streven is deze alternator bij minder toeren vlugger op laadspanning te laten komen.

Stel; we willen dat hij op laadspanning komt op 500 trs./min. Ipv 1000. Dat wil zeggen dat er dubbel zoveel draad in moet dan origineel.
Stel, origineel zitten er 6 wikkelingen per bobijn en de draadsectie is 1.2 mm².
Dan moeten wij 12 wikkelingen per bobijn maken met een draadsectie van 0.6 mm².

Onze alternator zal nu op 500 toeren reeds 14 V leveren, maar er hangt wel een prijskaartje aan vast, in plaats van 55 Amp, zal hij nu maar maximum ongeveer 25 Amp aan stroom kunnen leveren.
Naar gelang de accu meer geladen is zal hij natuurlijk ook minder gaan kunnen leveren.

Gelukkig is dat niet zo erg want de wind waait toch gratis.
Wat verder kun je zien hoe het berekenen en wikkelen in zijn werk gaat.

Hoe elektrisch een Alternator aanpassen.

We gaan de stator bewerken, dit is het vaste deel van de machine.
Die bestaat uit een aantal kernen en wikkelingen.
De stator is gewoonlijk 3 fasig gewikkeld, die wikkelingen bestaan uit vrij dikke draden, het is dit gedeelte van de alternator dat de stroom levert aan de accu.
Eenmaal de machine gedemonteerd zal je zien dat de stator er uit ziet als een kroon, bestaande uit ijzeren lamellen waar de wikkelingen omheen zitten.
De draden gaan naar de gelijkrichter die bestaat uit 6 dioden die “zwaar” genoeg zijn om de nodige stroom te kunnen trekken.
Die draden moeten los gemaakt worden zodat de stator volledig vrij komt van het geheel.

Indien hij aangesloten is in “Ster” zal er maar 1 draad per aansluitpunt zijn en een centraal punt waar de drie andere draden samen gebracht zijn.
Zie Afbeelding 1

Als de alternator gewikkeld is in “Driehoek” zal je zien dat de 3 punten die naar de gelijkrichter gaan 2 aan 2 aangesloten zijn.
Zie Afbeelding 2

Voorbereiding van de stator.

Wikkel voorzichtig elk van de 3 groepen af terwijl je noteert hoeveel windingen er op iedere wikkeling zitten.
Eenmaal de stator volledig leeg is moet hij goed opgepoetst worden, zonder evenwel de kernen en uitsparingen te beschadigen. Verwijder al wat in de weg zit om de lege stator te herwikkelen en poets hem daarna met alcohol of een andere ontvetter en laat hem goed drogen.
Verzeker je ervan dat de isolatielaag op de stator nog intact is, herstel of vervang het oliepapier in de uitsparingen met nieuw materiaal dat min of meer hittebestendig is, (uitstekend hiervoor is vb teflon).
De nieuwe spoelen zullen gewikkeld worden met dunnere draad omdat er meer wikkelingen per uitsparing nodig zullen zijn.

Berekening

Het berekenen is vrij simpel, ik geef een voorbeeld.
Je hebt een alternator die max. 40Amp. kan leveren, hij komt op voldoende spanning voor een accu op te laden bij 1500 trs/min.
Er zijn 5 wikkelingen per spoel, de draaddiameter bedraagt 1.45 mm, zijn sectie is dus 1.65 mm².

Wat kan men ervan verwachten eenmaal herwikkelt.

Het origineel produceerde dus 40 Amp. bij 13.5 V. (ongeveer), dat geeft 540 Watt.
(40 Ampère X 13.5 V. nominaal).
In functie van de rotor zal deze alternator zijn laadspanning (13.5 V) bij 370 trs/min. leveren en de accu gaan opladen.
We mogen dan ongeveer 135 Watt bij 700 trs of meer verwachten.
Deze productie moet bereikt worden bij een windkracht 4 Beaufort ( 20 à 28 Km/uur) maar dit is zuiver afhankelijk van de kwaliteit en afwerkinggraad van de wieken.

Het berekenen der grootheden.

Aantal windingen per spoel op het origineel was 5.
Laadstroom gebeurde op 1500 trs/min.
We stellen als doel dat hij de accu moet beginnen te laden bij een toerental dat 4 maal lager ligt dan het origineel, dus, bij 375 trs/min.
Het aantal windingen zal dus 4 maal hoger liggen, dus 20 windingen per spoel.
De diameter van de draad was 1.45 en zijn sectie 1.65 mm².
We delen 1.65 door 4 en komen bij 0.4125 mm².
We berekenen aan de hand van de sectie de nieuwe diameter, dus 0.4125 / Pi,
trek hieruit de vierkantwortel, dat geeft ons de straal van de nieuwe diameter (0.3624),
we vermenigvuldigen die met 2 om de diameter te verkrijgen en komen zo op 0.72 mm. (afgerond). De aan te schaffen draad heeft dus een diameter van 0.72 mm.

Welke stroomopbrengst kunnen we van de nieuwe unit verwachten.

Wat zal hij maximaal nog kunnen leveren?
De maximale stroom van het origineel, (3 fasen in ster) was 40Amp, er zijn 3 fasen, dus 3 spoelen. 40 gedeeld door 3 geeft 13.33 per fase, de sectie van de draad was 1.65 mm².
Er gaat dus een stroom van 13.33 Amp. door een draad met een sectie van 1.65 mm² dat een densiteit geeft van ongeveer 8.08 Amp. per mm².
Als we dezelfde densiteit gebruiken in de nieuwe wikkelingen verkrijgen we dus
0.4125 mm² maal 8.08 Amp. verkrijgen we 3.33 Amp per fase, een totaal dus van 9.99 Amp.
9.99 Amp. maal 13.5 V (laadstroom) geeft 135 Watt nominaal.
(Hier bewijzen de cijfers het vooropgestelde doel).

Maar, in de praktijk...

In werkelijkheid zal het geleverde vermogen afhangen van een aantal factoren, zoals

De windkracht
De ligging
De kwaliteit van de rotor
Het exact “in de wind zetten van de machine”.
De staat van de accu.

Het Herwikkelen.

De berekeningen zijn gemaakt in functie van de alternator die in je bezit is en de noden die je ervan verwacht.
De stator is goed proper gemaakt en is klaar om de nieuwe spoelen te ontvangen.
De tekening hieronder laat zien hoe het moet.
Je ziet respectievelijk fase 1 (rood), fase 2 (blauw) en fase 3 (groen).
Ze starten alle drie in de richting van het uurwerk, het volgende spoel tegen de richting van de klok in, enz..

Het is erg belangrijk steeds afwisselend links en daarna rechts te wikkelen zodat er afwisselend een positieve en daarnaast een negatieve pool gecreëerd word en zo tot je helemaal rond bent.

Nota

Auto alternatoren, (lees alternatoren van wagens) hebben geen diodes aan boord om de rotor te “auto-exiteren”, er zullen dus 6 kleine diodes van het type 1 N 5820 of equivalent, moeten geïnstalleerd worden samen in de schakeling die er moet voor zorgen dat:

de alternator zichzelf aanzwengelt zonder behulp van de accu.
de accu met de rotor verbind zodra de alternator voldoende levert zodat hij volop kan leveren,
en de accu van de rotor weer "ontkoppelt) als het toerental onder de minimum drempel gezakt is.

Zie het principeschema hier onder.

Hoe zo een regulator bouwen zie je hier.