W elektrowni wiatrowej, wodnej i cieplnej trzeba ostatecznie wprawić w ruch generator zamieniający energię mechaniczną na elektryczną. W dużych blokach cieplnych pole wytwarza uzwojenie wzbudzenia, ale w turbinach wiatrowych i mniejszych maszynach jego rolę przejmują magnesy stałe. Nie są one jednak źródłem energii. Zapewniają jedynie pole, a energia pochodzi z pracy wykonanej na wale.

 

Indukcja elektromagnetyczna — fundament działania

Podstawą jest prawo indukcji Faradaya. Jeżeli strumień magnetyczny przechodzący przez cewkę zmienia się w czasie, w uzwojeniu pojawia się siła elektromotoryczna (SEM). Nie jest ona tożsama z napięciem na zaciskach: pod obciążeniem zależy ono także od prądu, rezystancji i reaktancji uzwojeń oraz reakcji pola prądu stojana. Zmianę wymusza obrót: kolejne bieguny magnesów neodymowych lub innych magnesów stałych przesuwają się względem uzwojeń stojana.

 

Wartość SEM zależy zarówno od liczby zwojów, jak i szybkości zmian strumienia. O strumieniu w pojedynczym zwoju decydują natomiast indukcja magnetyczna i geometria maszyny, w tym szerokość szczeliny powietrznej.

Jak zbudowany jest generator z magnesami stałymi?

Magnesy są zwykle na wirniku, uzwojenia w nieruchomym stojanie. Bieguny N i S rozmieszcza się naprzemiennie, dlatego podczas obrotu strumień magnetyczny skojarzony z cewkami zmienia się okresowo, indukując napięcie przemienne. W maszynach trójfazowych uzwojenia układa się tak, aby otrzymać trzy przebiegi przesunięte o 120° elektrycznych.

 

Spotyka się konstrukcje o strumieniu promieniowym oraz tarczowe, o strumieniu osiowym.

Skąd naprawdę bierze się energia?

Magnes stały nie jest paliwem. Kiedy podłączymy odbiornik i popłynie prąd, wytworzone przez ten prąd pole przeciwdziała zmianie, która go wywołała — to konsekwencja prawa Lenza.

Na wale pojawia się moment hamujący: im większą moc elektryczną odbieramy, tym większej mocy mechanicznej musi dostarczyć napęd. Generator nie tworzy energii z pola magnesów, lecz przekształca mechaniczną w elektryczną, zawsze ze stratami w miedzi, rdzeniu i mechanicznymi.

Dlaczego potrzebna jest energoelektronika?

Częstotliwość napięcia zależy od prędkości obrotowej i liczby par biegunów, a w turbinach wiatrowych bywa zmienna. Dlatego w instalacjach sieciowych energia przechodzi przez stopień AC–DC, obwód pośredni prądu stałego i stopień DC–AC dopasowujący napięcie do sieci. Przy ładowaniu akumulatora wystarcza stopień AC–DC o kontrolowanym prądzie.

Gdzie stosuje się takie generatory?

Najbardziej znane są bezprzekładniowe turbiny wiatrowe. Wirnik wielobiegunowego generatora obraca się w nich z prędkością wirnika turbiny, więc przekładnia jest zbędna. Ceną za takie rozwiązanie są większa średnica i masa maszyny, duże zużycie materiału magnetycznego oraz konieczność zastosowania przekształtnika na pełną moc.

 

Pracują też w małych elektrowniach wodnych, agregatach, układach odzysku energii hamowania i prądnicach rowerowych.

Zalety i ograniczenia

Brak uzwojenia wzbudzenia na wirniku ogranicza część strat i upraszcza konstrukcję. Magnes neodymowy dzięki swoim właściwością pozwala uzyskać silne pole magnetyczne przy niewielkich wymiarach. Trzeba jednak wspomnieć o tym, że są jednak kosztowniejsze od magnesów ferrytowych i podatne na korozję, dlatego wymagają ochrony powierzchni. Wybór zależy od wymagań konkretnej konstrukcji urządzenia.

W wysokiej temperaturze parametry magnesów pogarszają się częściowo odwracalnie, a przekroczenie dopuszczalnych warunków pracy grozi trwałym częściowym rozmagnesowaniem.

Najważniejsze jest jednak to, że wzbudzenia zapewnianego przez magnesy stałe nie da się wyłączyć. Dopóki wirnik się obraca, magnesy wytwarzają strumień i wewnętrzną SEM. W razie zwarcia może więc popłynąć znaczny prąd zwarciowy, którego — inaczej niż w maszynie ze wzbudzeniem elektromagnetycznym — nie ograniczymy wyłączeniem prądu wzbudzenia.

Bibliografia

Ling S.J., Moebs W., Sanny J., Fizyka dla szkół wyższych. Tom 2, OpenStax, rozdz. 13.1 „Prawo Faradaya”, 13.2 „Reguła Lenza” oraz 13.6 „Generatory elektryczne i siła przeciwelektromotoryczna”, 2018.
https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/13-1-prawo-faradaya
https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/13-2-regula-lenza
https://openstax.org/books/fizyka-dla-szk%C3%B3%C5%82-wy%C5%BCszych-tom-2/pages/13-6-generatory-elektryczne-i-sila-przeciwelektromotoryczna

Muljadi E., Butterfield C.P., Wan Y., Axial Flux, Modular, Permanent-Magnet Generator with a Toroidal Winding for Wind Turbine Applications, NREL/CP-500-24996, National Renewable Energy Laboratory, 1998.
https://www.nrel.gov/docs/legosti/fy98/24996.pdf

U.S. Department of Energy, Explore a Wind Turbine – Text Version, sekcja „Direct-Drive Generator” (dostęp: 26 sierpnia 2026).
https://www.energy.gov/cmei/systems/explore-wind-turbine-text-version

Carrara S., Alves Dias P., Plazzotta B., Pavel C., Raw materials demand for wind and solar PV technologies in the transition towards a decarbonised energy system, EUR 30095 EN, Publications Office of the European Union, Luksemburg 2020, doi: 10.2760/160859.
https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC119941

Smith B.J., Riddle M.E., Earlam M.R., Iloeje C., Diamond D., Rare Earth Permanent Magnets: Supply Chain Deep Dive Assessment, U.S. Department of Energy, 24 lutego 2022.
https://www.energy.gov/sites/default/files/2022-02/Neodymium%20Magnets%20Supply%20Chain%20Report%20-%20Final.pdf