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2006年3月20日 (月)

エアギャップ発電のネオジウム磁石を強力にする

念願の15φ×3tの強力ネオジウム磁石をネットで買いました。わくわくしながらエアギャップ発電機に装着しデータを取りました。

060320_d1 左の図をクリックし拡大してご覧ください。
左上が磁石を装着した部分の写真です。上のステンレス円盤にしかついていません。吸着力が強いので下にもつけると磁石同士が吸い付いてしまいます。やむをえず下の磁石は8φ×1.5tのネオジウム磁石のまま相対する場所につけています。

その右のオシロスコープ画面は風速2.5m/sの時のコイル1個の無負荷時の出力電圧波形です。約8Vppです。

その下の実験データーは、各風速に対し、左から2段倍電圧整流回路の無負荷DC電圧、2つあるコイルの1コイル分のパルス電圧(Peak to Peak)、回転周期、1秒当たりの回転数、直径200mmのジャイロミル風車のブレード先端の速度、風速に対する周速比、起動を始めてから最大回転に達するまでの時間です。

060320_d2 下の図は測定した特性をまとめたものです。クリックし拡大してご覧ください。グラフ1は負荷抵抗を変えたときの電力特性です。風速4.5m/s時、1000Ω近辺で最大80mWです。前は25mWでしたから電力は3.2倍です。
風速2.5m/sでは、負荷が3000Ω近辺から電力が下がっていますが、これは共振現象でヤグラがユサユサ揺れることによる回転低下です。でも最大16mWの電力で、前が5mWでしたから電力は約3.2倍です。

グラフ2は風速2.5m/sのときの出力特性です。無負荷で15Vですが倍電圧整流ですから負荷を取ると急速に電圧が落ちてきます。8V近辺から変なデータになっているのはやはり共振現象の影響です。グラフ3は風速4.5m/sのときの出力特性です。無負荷で27.3Vあります。

15φ×3tの円柱型ネオジウム磁石は表面磁束密度が3100ガウス、吸着力が3.7Kgもあります。ヤフーで検索し㈱西興産業のネット販売NeoMagから購入しました。10個買うと1個当たり230円で、送料と代引き手数料込みで10個で3315円でした。夕方頼んだのに翌日夜の時間帯届けで、届いたので嬉しかったです。ここは多種の磁石を取扱っており、ネットで簡単に選べました。

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2006年3月19日 (日)

ジャイロミル型風力発電のエアギャップ発電波形

前回のジャイロミル(ストレートダリウス)形風力発電のエアギャップ発電の出力電圧波形はどうなっているでしょうか?

060319 左が無負荷時の場合の、エアギャップ発電のコイル1つの出力電圧波形のオシロスコープ測定画面です。クリックし拡大してご覧ください。

上が風速2.5m/sの場合です。
ネオジウム磁石は全部で1回転に4個ありますので山4つで一回転です。従って回転周期は約180ms。回転数は一秒に5.5回転、つまり333rpmになります。4つ目毎に大きい山があるのは15φ×3tの大型円柱磁石の位置の電圧波形、その他3つの山は6×6×4.5tの角型磁石の位置の電圧波形です。15φ×3t円柱磁石の発電電圧が高いことを示しています。ピーク電圧は円柱磁石が約5.6Vpp、角型磁石が約3Vppです。つまり磁束面が大きい磁石の方が発電量が大きいことを示しています。

下は風速4.5m/sの場合です。
回転周期は約105ms。回転数は一秒に9.5回転、つまり571rpmになります。ピーク電圧は円柱磁石が約10Vpp、角型磁石が約5Vppです。

060319 次の写真は、風速2.5m/sに設定し、倍電圧整流回路2段の負荷として白色系発光ダイオード(LED)6個を接続した場合の、エアギャップ発電のコイル1つの出力電圧波形のオシロスコープ測定画面です。クリックし拡大してご覧ください。

上がLED6個並列の場合で、ピーク電圧は約3Vppです。
下はLED2直列を3並列の場合で、ピーク電圧は約4Vppとなっています。

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ジャイロミル型風力発電の構造(エアギャップ発電部)

ジャイロミル(ストレートダリウス)形風力発電のエアギャップ発電部を紹介します。

060315airgapk 左がエアギャップ発電部の拡大写真です、クリックし拡大してご覧ください。

風車の下の2枚のステンレス製円盤の間隔は18mmです。その間を模型(タミヤ)のギアボックス付属品の円形ホーンというプラスチック部品2個+最大長60mmの十字型留め金具+4Mワッシャ2枚を軸にはめて調節しています。
一番下の円盤取り付け用60歯プラスチック歯車と軸受けボールベアリングとの間には4φの模型用アルミストッパーという部品を高さ調節のため挟んでいます。

この2枚の円盤の内側のちょうどブレードを取り付けている裏の位置に対応して、上下各4個のネオジウム磁石を、自分自身の吸着力で貼り付けています。上の円盤の内側に、1個は15φ×3t(mm)の円柱磁石、あとの3個は6×6×4.5t(mm)の角型磁石です。下の円盤には8φ×1.5tの円柱磁石を、上の磁石に対応した位置に自分自身の吸着力で貼り付けています。
磁束の方向は4組とも、お互いに引き合う方向にあわせています。

この上下のネオジウム磁石の間の約12mmの隙間の空間に、厚さ約7mmの900ターン空芯コイルを挟むように、コイルを貼り付けたプラスチック板をヤグラに二組、固定します。

060315neomag1 次の写真は使ったネオジウム磁石です。
一番左の15φ×3t(mm)の円柱磁石は、直径4.8cmクリアソフトマグネットというプリクラ写真が入れられるマグネット(ダイソー、発注マグネットNo42、105円)からはずしたものです。これが最も安くていいのですが1個しか売ってなくて、その後、何度店に足を運んでもありません。
その隣の8φ×1.5tの円柱磁石は、直径約3cmの丸型クリアマグネット(ダイソー、発注マグネットNo43、3個105円)です。
一番右の6×6×4.5t(mm)の角型磁石は、東急ハンズで建具用?に売っていたもの(1個 577円)です。15φ×3t(mm)の円柱磁石を東急ハンズで高くてもいいから買おうとしたのですがありませんでした。ダイソーさんは、電子工作や模型部品に事業拡大すればもっと買うのになぁなどと思ってしまいます。

060315coil1 次の写真はコイルの部分です。
ボールペンの軸を厚さ5mmに切り、6φの穴に広げ、両側に両面テープで、クリアファイルのペラペラのプラスチックを直径50φの円形に切り出し、中心に6φの穴を開けて貼り付け、ボビンにしました。

これを、下の写真の自作簡易巻き線機に、両側をしっかりとしたプラスチックと6φの大型ワッシャをナットで締め付け、その5mmの空間に0.26mmのエナメル線を約900回ガラ巻きで巻きつけます。どうしてもボビンの両側の締め付けが弱いのとゆるく巻くので、巻き太ってしまい、できあがった空芯コイルは厚さが約7mmで直径が約40mmにもなってしまいました。

060315makisenki このコイルを半透明プラスチックテープでグルグル巻きに縛り上げて完成です。

これを写真のように、プラスチックの下敷きを加工したものに両面テープで貼り付け、リード線はラグ端子に半田付けします。
これを6Mネジと5Mネジとナットで高さ位置を調整しヤグラに固定します。

二組のコイルの出力電圧を前々回紹介した倍電圧2段整流回路に接続すれば完成です。

エナメル線は秋葉原で買いました。

さて完成したエアギャップ発電機は、2つの円盤の軸への取り付け強度と平面精度が悪いのでユラユラと揺れながら回ります。コイルと磁石がぶつからないよう微妙に高さを調整します。

次回は、発電波形の紹介をします。

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ジャイロミル型風力発電の構造(骨組みと風車)

ジャイロミル(ストレートダリウス)形風力発電の骨組みと風車の構造を紹介します。

060315jyrokou 左が装置全体の写真です、クリックし拡大してご覧ください。

ヤグラ(骨組み)の材料は、7φの穴が12mmピッチであいている鉄クローム曲げ板というものです。厚さ1×幅15×長さ289mmの曲げ板16本、厚さ1×幅20×長さ385mmの曲げ板8本、長さ500mmの6M全ネジ4本を6Mナット32個です。これで一辺が252mmの四角と対角線が356.38mmになるように長さ385mm曲げ板の穴を少し削って調整し中心になるようにうまく組み立てます。風車の下の軸受け部の対角線部分は加重がかかるので曲げ板を二重にします。風車の軸は4φ×500mmのステンレス棒です。上と下の軸受けは4φ用のボールベアリングを厚さ1×幅15×長さ95mmの同様の曲げ板で、風車の中心の穴に合わせてワッシャと6Mネジとナットで挟みつけます。下の曲げ板の上の部分の軸にも4φのワッシャ2個とベアリング付の輪を挟んだものをはめています。

風車は、下の2枚の円盤は直径が150mmφで、3φの穴が多数開いているステンレス製円盤で、料理用の「落し蓋」(1枚105円)として売っているものです。この中心の穴を加工し、軸への取り付けは模型用の60歯のプラスチック歯車を、中心を合わせて両面テープで貼り付けます。プラスチック歯車のアルミストッパー部のイモネジで軸に締め付けます。上の1枚の円盤は直径120mmのCD-R媒体(3枚105円)を穴あけ加工したものです。やはり60歯のプラスチック歯車を貼り付けます。

上下の円盤と風車の垂直ブレード(羽根)の固定は、幅10mmで長辺40mm(3φ穴3ケ)、短辺10mm(3φ穴1ケ)の「ミニステー」というL型金具で、ブレードが真っ直ぐになるように2mmのネジとナットで接続します。全部で8個必要です。

ブレードは翼弦長50mm、最大厚さ8mm、縦300mmのクラークY翼形(+厚さ2mm)をアガチス材(木材)をカンナで削って作りました。4枚使ってます。

各部の詳細寸法は、適当に現物あわせで作ります。
これで、音もなく回転します。

曲げ板、全ネジ、軸棒、アガチス材はドイト、ベアリングとプラスチック歯車は東急ハンズ、落し蓋とCD-R媒体は近くの100円ショップ、ミニステーはくろがねやで買いました。

下の2枚の落し蓋の円盤はエアギャップ発電機の一部を構成しているので、別記事に書きます。

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2006年3月17日 (金)

ジャイロミル型風力発電のデータ(続編)

工場長さんのご提案で、LED2個直列の3並列の負荷にしてみました。
確かに電圧が上がり、電流は下がって電力もさがり、LEDの明るさは良いようです。効率があがったといえますね。

060317_d1 左のデーターと写真がLED6個並列と、2直列を3並列の実験結果です。
ついでに白色系LED3並列と赤色系LED3並列を直列接続したものも実験しました。こうすれば、白色系と赤色系を混在して発光させることができます。

その下の表は各色のLEDのVf電圧の実測値です。

060317 下の図は回路図です。

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2006年3月16日 (木)

ジャイロミル型風力発電のデータ

ジャイロミル(ストレートダリウス)形風車とエアギャップ発電の特性データを測定しました。

060316gyromil_D1 左が発電特性実験の写真です、クリックし拡大してご覧ください。左上が扇風機の弱(風速2.5m/s)、右上が強(風速4.5m/s)での発電実験の写真です。ブレッドボードの右上と右下に青、白、緑のLEDが光っています。
 
写真の下は実験データです。各風速に対し、左から2段倍電圧整流回路の無負荷DC電圧、2つあるコイルの1コイル分のパルス電圧(Peak to Peak)、回転周期、1秒当たりの回転数、直径200mmのジャイロミル風車のブレード先端の速度、風速に対する周速比、起動を始めてから定常回転に達するまでの時間です。

下の図は、LED負荷を取り外し、カーボン抵抗だけを負荷にして測定した特性をまとめたものです。クリックし拡大してご覧ください。

060316gyromil_D2 グラフ1は負荷抵抗を変えたときの電力特性です。負荷820Ω近辺が最大電力のとなる負荷です。風速2.5m/sで5mW,風速4.5m/sで最大25mWです。微々たる電力ですが、発光ダイオードは電圧さえ高ければ5mWでも6ケのLEDが結構明るくきれいに光ります。

グラフ2は風速2.5m/sのときの出力特性です。無負荷で8Vもあっても倍電圧整流ですから負荷を取ると急速に電圧が落ちてきます。白色系のLEDは動作電圧が3V付近ですから、平均電圧が2.6V近辺で脈流電圧で発光は脈動します。赤、橙、黄などの赤色系LEDを一緒に並列につけると2V付近に電圧がクランプしてしまい。白色系LEDは光らなくなります。したがって6個のLEDは青、白、緑に統一しました。

グラフ3は風速4.5m/sのときの出力特性です。無負荷で16Vもあって電解コンデンサの耐圧が16Vなので壊したかと心配しました。よく考えたら各コンデンサには1/4の4Vしかかからないのでホッとしました。

次回から、詳しい構造を掲載の予定です。

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2006年3月12日 (日)

自然風でジャイロミル型風力発電に成功!

ジャイロミル(ストレートダリウス)形風車とエァーギャップ発電で、ついに自然風での発電に成功しました。ちょっと感動です。

DSC00024 左がその写真です、クリックし拡大してご覧ください。ブレッドボードの右の方に青、白、緑、その下に黄、橙、赤のLEDが光っているのが見えるでしょうか? 
今日は、南南西の風、最大風速6m/sの予報がでており、測定時は平均3m/sの風が吹いていました。

風車のブレードは、長さ300mm、最大翼厚8mm、翼弦長50mmのクラークY型の垂直ブレード4枚です。回転直径は約200mmです。

ブレードは上側を直径120mmのCD-ROM媒体円盤に、下側を直径150mmのステンレス製落し蓋(円盤)にとりつけ、各円盤の中心を風車の軸に固定しました。

エァーギャップ発電は、風車の軸に一体となったステンレス円盤2枚(上の一枚はブレード固定と共用)を約18mm離して取り付けて、その空間に発電コイルを固定して作りました。上の円盤の下側に強力ネオジウム磁石を4個、下の円盤の上にダイソーで3個100円のクリアマグネットについていた薄いネオジム磁石(説明にこうかいてあった)を相対するように貼り付けてあります。発電コイルは0.26mmのエナメル線をコイル厚さが約7mmになるように900回巻いて作りました。このコイルをプラスチックの下敷きに貼り付けたものを2組、ステンレス金属円盤の上下の磁石に挟むように取り付け、梁に固定しました。
エァーギャップ発電は、起動トルクがほとんど0なのです。全く何も負荷がついてないみたいに起動します。垂直型風力発電に最適ですね。自然風の中で、スルスルと音もなく軽やかに回り始める様子は感動ものです。

整流回路は、以前掲載したショットキーダイオードの倍電圧整流回路です。2つのコイルの出力パルス電圧を倍電圧整流し、2段に積み上げています。

実験では、扇風機弱(風速2.5m/s)で軽く起動し、約2分で回転数は毎秒5.3回転となり先端周速は3.3m/sになります。ですから周速比は1.3ですね。
一つのコイルには5Vppのパルスが得られました。無負荷の直流出力は8.8Vでした。但し倍電圧整流ですから、負荷をかけると急速に電圧は落ちます。LEDをつけると2.4V程度になります。

まずは、うれしくて、成功の第一報まで。次回から、詳しい構造やデータ、苦労話を掲載します。

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