Hallo zusammen!
In den letzten Tagen habe ich mich wieder verstärkt der Planung meines Scheibengenerators zugewandt. Ich habe versucht ihn so auszulegen, dass er zu meinen 2m-Rohrflüglern passt von denen ich noch einige an Vorrat habe. Diese haben eine SLZ von 4,5. Damit mein Generator bei 2,5 m/s mit dem Laden beginnt, muss er also so ausgelegt sien, dass er schon bei etwas über 100 UPM den ersten Strom in die Batterie drückt.
Diese Auslegung hat sich als nicht ganz so einfach herasugestellt. Man möchte ja möglichst kostengünstig bauen und vor allem die Magnete, obwohl in letzter Zeit im Preis stark gesunken, stellen immer noch einen Großteil der Kosten eines solchen Generators dar.
Für die grobe Abschätzung der WIndungszahl und der STärke des zu evrwendenden Kupferdrahtes habe ich das Rechentool auf 24volt.eu benutzt.
Um dem Generator einen möglichst guten Wirkungsgrad auch bei höheren Leistungen zu spendieren muss er einen niedrigen Innenwiederstand haben. Gerade im 12 V Bereich ist das unglaublich wichtig. Daum werden die Wicklungen bei mir in Dreieck verschaltet. Der resultierende Innenwiederstand wird sich im Bereich um die 0,2 Ohm bewegen. Das ist nicht weltbewegend aber immer noch wesentlich besser als die Generatoren die bei Otherpower und Cp mit teilweise weit über 0,5 Ohm laufen. Wie wichtig diese Anpassung sein kann ist vielen nicht bewusst. Je höher der Innenwiederstand ist, desto mehr Leistung wird bei höheren Strömen in den Generatorspulen verheizt. Das kann bei Starkwind zum Durchbrennen der Spulen führen. Je hochohmiger der Generator also ist, desto mehr bedarf es seiner Kühlung was in dann in der Regel durch die Sturmsicherung gesteuert wird, welche den Stator in den WInd dreht und damit einen guten Luftdurchlass ermöglicht, allerdings auch die Leistung beschneidet.
Um den Innenwiederstand möglichst klein zu halten gibt es mehrere Möglichkeiten:
1. Dicken Wickeldraht verwenden (bei sonst gleicher Anzahl der Spulen und Windungen)
2. Polzahl erhöhen ( erfordert weniger Kupfermasse )
3. Dreieck-Schaltung verwenden (mehr Windungen und dickerer Draht)
Alle diese Aspekte haben den Nachteil dass sie entweder den Durchmesser der Generators stark vergrößern( ebenso wie die Herabsenkung der Ladebeginndrehzahl je nach SLZ ) und /oder einen recht großen Luftspalt zwischen den Magneten erfordern.
Vor allem die Sache mit dem Luftspalt hat mir keine Ruhe gelasen.
Da kamen mir verscheidene Faustformeln und Tips zu Ohren die ich nun auf ihren Wahrheitsgrad untersucht habe:
1. Möglichst starke Magnete verwenden und diese möglichst dicht zusammen (kleiner Luftspalt)
2. Luftspalt zwichen den Magneten der Rotorplatten soll nicht größer sein als Magnetdicke + 20%
3. Luftspaltoptimum liegt im Bereich der doppelten Magnetdicke
Vor allem Punkt 3 scheint utopisch. Bei Magneten mit einer Höhe von 1,5 cm ergäbe das demnach einen Luftspalt von 3 cm! den man als Optimum betrachten solle...
...dass diese Aussage jedoch der Wahrheit am nähesten kommt, darauf gehe ich gleich noch ein.
Zuerst möchte ich noch etwas über die "große Unbekannte" in der AUslegung un Berechnung zum Scheibengenerator schreiben, der ! Magnetischen Flussdichte !
DIe Magnetische Flussdichte (und nicht Feldstärke!) ist sehr entscheidend da sie dirket in die Berechnung zur Ermittlung der Spannung eingeht. Leider ist sie für die meisten unter uns ein großes Fragezeichen. Im Rechner von 24volt.eu ist sie mit 0,55 Tesla angegeben. Sie schwankt jedoch stark mit der größe des Luftspaltes und dem Magnetisierungsgrad der verwendeten Magnete. Um also ordentliche Planung zu betreiben muss man diese größe genauer betrachten und kennen. Dazu habe ich einige Simulationen durchgeführt in denen ich einen Teil des geplanten Scheibengenerators in einem entsprechenden Simulationsprogramm aufgezeichnet und die Flussdichten zwischen den Magneten bei verschiedenen Abständen gemessen habe.
Im Bild unten kann man den Versuchsaufbau des Beispieles erkennen. Die Magnete haben die Abmaße LxBxH= 4cm x 4cm x 1,5cm.
Die Eisenscheiben auf denen die Magnete (N52) angeordnet sind haben eine STärke von 10mm.
Der Abstand zwischen den einzelnen Magneten entspricht hier ihrer Breite, also ebenfalls 4 cm
Die Farbgebung stellt hier die Intensität der Flussdichte dar die man durch den Vergleich mit der Lgende am rechten Rand interpretieren kann.
Ich habe nun mit einem Luftspalt von 45! mm begonnen und ihn in 5mm Schritten verringert wobei ich die Flussdichten notiert habe. Das Ergebinis stellt sich wie folgt dar:
Luftspalt ( mm ) Flussdichte ( T )
45.................................0,45
35.................................0,53
30.................................0,7
25.................................0,8
20.................................0,88
15.................................0,93
10.................................0,96
5..................................1,0
Hier lässt sich nun leicht erkennen was auch mir vorher so nicht bewusst war:
Doppelte Magnetdicke bzw. halbe Luftspaltbreite heißt NICHT doppelte Flussdichte. Je näher man die Magnete zusammenrückt, desto (wesentlich) überproportional geringer wird also der für die Einbringung der Wicklungen zur Verfügung stehende Luftspalt im Verhältnis zur nur schwach ansteigenden Flussdichte.
Es ist also in vielen Fällen unnötig, extrem dicke und damit teure Magnete zu verwenden wenn der Luftspalt ohnehin sehr klein bleiben soll (da z.B. bei hohen SLZ nicht derartig viel benötigt wird)
Stattdessen ist es meiner Meinung nach sinnvoller, den Luftspalt relativ groß zu halten und dafür dickeren Draht zu verwenden um den oben genannten Innenwiederstand möglichst klein zu halten.
In diesem Beispiel liegt das Optimum meiner Meinung nach bei zwischen 35 und 30 mm Spaltbreite. Bei unter 25 mm Breite wird das Verhältnis von Flussdichtenerhöhung zu Luftspaltverringerung bereits recht ungünstig (uneffektiv). Bei über 35 mm Luftspalt entspricht dieser schon fast dem ABstand der Magnete auf einer Rotorscheibe und in der Simulation konnte man klar erkennen dass ein Teil der Feldlinien zwischen 2 benachbarten Magneten auf ein und der selben Rotorscheibe verlief. Da Ergebnis ist eine dadurch verringerte Flussdichte zwischen den Magneten zweier gegenüberliegender Rotorscheiben- also sehr ungünstig.
Bei 35 mm Abstand konnte man außerdem schon ansatzweise erkennen dass die Flussdichte zwischen den Magneten nicht mehr einheitlich war und zur Mitte hin abnahm. Auch das ist sicherlich nicht günstig.
Darum empfinde ich in diesem Beispiel 30 mm Luftspalt als die beste Größe, wmit sich die 3. oben genannte Faustformel zu bestätigen scheint.
Da ich einen solche großen Luftspalt für mein Projekt nicht benötige, habe ich mich nun dazu entschlossen nur eine Rotorscheibe mit Magneten zu bestücken und damit die Kosten für Magnete zu halbieren. Mein geplanter Luftspalt liegt dadurch bei 12 mm und bietet genügend Platz für die Unterbringung der Windungspakete, wobei jeder Spulenschenkel 20 mm breit und 8mm hoch sein wird. SOmit habe ich noch 4mm für die Luftspalte zwischen Stator und Rotor, den man sicherlich geringer halten könnte aber falls sich durch Lagerschaden oder Temperatoreinfluss mal was verzieht habe ich somit etwas Spielraum. In meinem Fall werden es 12 Magnete sein die zwischen ihnen und der gegenüberliegenden EIsenscheibe eine Flussdichte von rund 0,7 Tesla im Luftspalt aufbauen.
Um möglichst kostengünstig zu bauen, muss man nun bei unetrschiedlichen Projekten etwas mit den verschiedenen Daten herumspielen um das Optimum zwischen Magnetgröße/Anzahl, Innenwiederstand und Baugröße zu ermitteln. Mein im Verhältnis zu den otherpower-Generatoren fast halb so schnell drehender generator wird damit auf einen Durchmesser des Stators von etwa 36 cm kommen. Nicht gerade klein, dafür aber mit gutem WIrkungsgrad auch bei größeren Strömen, großer Wärmeabgabefläche, sehr langsamdrehend, niederohmig und verhältnismäßig günstig im Bau.
Ich hoffe dass einige Aspekte dieses Beitrages anderen zukünftigen Scheibengeneratorbauern bei der Planung ihres "Gerätes" etwas weiterhelfen können...
Gruß
Max
In den letzten Tagen habe ich mich wieder verstärkt der Planung meines Scheibengenerators zugewandt. Ich habe versucht ihn so auszulegen, dass er zu meinen 2m-Rohrflüglern passt von denen ich noch einige an Vorrat habe. Diese haben eine SLZ von 4,5. Damit mein Generator bei 2,5 m/s mit dem Laden beginnt, muss er also so ausgelegt sien, dass er schon bei etwas über 100 UPM den ersten Strom in die Batterie drückt.
Diese Auslegung hat sich als nicht ganz so einfach herasugestellt. Man möchte ja möglichst kostengünstig bauen und vor allem die Magnete, obwohl in letzter Zeit im Preis stark gesunken, stellen immer noch einen Großteil der Kosten eines solchen Generators dar.
Für die grobe Abschätzung der WIndungszahl und der STärke des zu evrwendenden Kupferdrahtes habe ich das Rechentool auf 24volt.eu benutzt.
Um dem Generator einen möglichst guten Wirkungsgrad auch bei höheren Leistungen zu spendieren muss er einen niedrigen Innenwiederstand haben. Gerade im 12 V Bereich ist das unglaublich wichtig. Daum werden die Wicklungen bei mir in Dreieck verschaltet. Der resultierende Innenwiederstand wird sich im Bereich um die 0,2 Ohm bewegen. Das ist nicht weltbewegend aber immer noch wesentlich besser als die Generatoren die bei Otherpower und Cp mit teilweise weit über 0,5 Ohm laufen. Wie wichtig diese Anpassung sein kann ist vielen nicht bewusst. Je höher der Innenwiederstand ist, desto mehr Leistung wird bei höheren Strömen in den Generatorspulen verheizt. Das kann bei Starkwind zum Durchbrennen der Spulen führen. Je hochohmiger der Generator also ist, desto mehr bedarf es seiner Kühlung was in dann in der Regel durch die Sturmsicherung gesteuert wird, welche den Stator in den WInd dreht und damit einen guten Luftdurchlass ermöglicht, allerdings auch die Leistung beschneidet.
Um den Innenwiederstand möglichst klein zu halten gibt es mehrere Möglichkeiten:
1. Dicken Wickeldraht verwenden (bei sonst gleicher Anzahl der Spulen und Windungen)
2. Polzahl erhöhen ( erfordert weniger Kupfermasse )
3. Dreieck-Schaltung verwenden (mehr Windungen und dickerer Draht)
Alle diese Aspekte haben den Nachteil dass sie entweder den Durchmesser der Generators stark vergrößern( ebenso wie die Herabsenkung der Ladebeginndrehzahl je nach SLZ ) und /oder einen recht großen Luftspalt zwischen den Magneten erfordern.
Vor allem die Sache mit dem Luftspalt hat mir keine Ruhe gelasen.
Da kamen mir verscheidene Faustformeln und Tips zu Ohren die ich nun auf ihren Wahrheitsgrad untersucht habe:
1. Möglichst starke Magnete verwenden und diese möglichst dicht zusammen (kleiner Luftspalt)
2. Luftspalt zwichen den Magneten der Rotorplatten soll nicht größer sein als Magnetdicke + 20%
3. Luftspaltoptimum liegt im Bereich der doppelten Magnetdicke
Vor allem Punkt 3 scheint utopisch. Bei Magneten mit einer Höhe von 1,5 cm ergäbe das demnach einen Luftspalt von 3 cm! den man als Optimum betrachten solle...
...dass diese Aussage jedoch der Wahrheit am nähesten kommt, darauf gehe ich gleich noch ein.
Zuerst möchte ich noch etwas über die "große Unbekannte" in der AUslegung un Berechnung zum Scheibengenerator schreiben, der ! Magnetischen Flussdichte !
DIe Magnetische Flussdichte (und nicht Feldstärke!) ist sehr entscheidend da sie dirket in die Berechnung zur Ermittlung der Spannung eingeht. Leider ist sie für die meisten unter uns ein großes Fragezeichen. Im Rechner von 24volt.eu ist sie mit 0,55 Tesla angegeben. Sie schwankt jedoch stark mit der größe des Luftspaltes und dem Magnetisierungsgrad der verwendeten Magnete. Um also ordentliche Planung zu betreiben muss man diese größe genauer betrachten und kennen. Dazu habe ich einige Simulationen durchgeführt in denen ich einen Teil des geplanten Scheibengenerators in einem entsprechenden Simulationsprogramm aufgezeichnet und die Flussdichten zwischen den Magneten bei verschiedenen Abständen gemessen habe.
Im Bild unten kann man den Versuchsaufbau des Beispieles erkennen. Die Magnete haben die Abmaße LxBxH= 4cm x 4cm x 1,5cm.
Die Eisenscheiben auf denen die Magnete (N52) angeordnet sind haben eine STärke von 10mm.
Der Abstand zwischen den einzelnen Magneten entspricht hier ihrer Breite, also ebenfalls 4 cm
Die Farbgebung stellt hier die Intensität der Flussdichte dar die man durch den Vergleich mit der Lgende am rechten Rand interpretieren kann.
Ich habe nun mit einem Luftspalt von 45! mm begonnen und ihn in 5mm Schritten verringert wobei ich die Flussdichten notiert habe. Das Ergebinis stellt sich wie folgt dar:
Luftspalt ( mm ) Flussdichte ( T )
45.................................0,45
35.................................0,53
30.................................0,7
25.................................0,8
20.................................0,88
15.................................0,93
10.................................0,96
5..................................1,0
Hier lässt sich nun leicht erkennen was auch mir vorher so nicht bewusst war:
Doppelte Magnetdicke bzw. halbe Luftspaltbreite heißt NICHT doppelte Flussdichte. Je näher man die Magnete zusammenrückt, desto (wesentlich) überproportional geringer wird also der für die Einbringung der Wicklungen zur Verfügung stehende Luftspalt im Verhältnis zur nur schwach ansteigenden Flussdichte.
Es ist also in vielen Fällen unnötig, extrem dicke und damit teure Magnete zu verwenden wenn der Luftspalt ohnehin sehr klein bleiben soll (da z.B. bei hohen SLZ nicht derartig viel benötigt wird)
Stattdessen ist es meiner Meinung nach sinnvoller, den Luftspalt relativ groß zu halten und dafür dickeren Draht zu verwenden um den oben genannten Innenwiederstand möglichst klein zu halten.
In diesem Beispiel liegt das Optimum meiner Meinung nach bei zwischen 35 und 30 mm Spaltbreite. Bei unter 25 mm Breite wird das Verhältnis von Flussdichtenerhöhung zu Luftspaltverringerung bereits recht ungünstig (uneffektiv). Bei über 35 mm Luftspalt entspricht dieser schon fast dem ABstand der Magnete auf einer Rotorscheibe und in der Simulation konnte man klar erkennen dass ein Teil der Feldlinien zwischen 2 benachbarten Magneten auf ein und der selben Rotorscheibe verlief. Da Ergebnis ist eine dadurch verringerte Flussdichte zwischen den Magneten zweier gegenüberliegender Rotorscheiben- also sehr ungünstig.
Bei 35 mm Abstand konnte man außerdem schon ansatzweise erkennen dass die Flussdichte zwischen den Magneten nicht mehr einheitlich war und zur Mitte hin abnahm. Auch das ist sicherlich nicht günstig.
Darum empfinde ich in diesem Beispiel 30 mm Luftspalt als die beste Größe, wmit sich die 3. oben genannte Faustformel zu bestätigen scheint.
Da ich einen solche großen Luftspalt für mein Projekt nicht benötige, habe ich mich nun dazu entschlossen nur eine Rotorscheibe mit Magneten zu bestücken und damit die Kosten für Magnete zu halbieren. Mein geplanter Luftspalt liegt dadurch bei 12 mm und bietet genügend Platz für die Unterbringung der Windungspakete, wobei jeder Spulenschenkel 20 mm breit und 8mm hoch sein wird. SOmit habe ich noch 4mm für die Luftspalte zwischen Stator und Rotor, den man sicherlich geringer halten könnte aber falls sich durch Lagerschaden oder Temperatoreinfluss mal was verzieht habe ich somit etwas Spielraum. In meinem Fall werden es 12 Magnete sein die zwischen ihnen und der gegenüberliegenden EIsenscheibe eine Flussdichte von rund 0,7 Tesla im Luftspalt aufbauen.
Um möglichst kostengünstig zu bauen, muss man nun bei unetrschiedlichen Projekten etwas mit den verschiedenen Daten herumspielen um das Optimum zwischen Magnetgröße/Anzahl, Innenwiederstand und Baugröße zu ermitteln. Mein im Verhältnis zu den otherpower-Generatoren fast halb so schnell drehender generator wird damit auf einen Durchmesser des Stators von etwa 36 cm kommen. Nicht gerade klein, dafür aber mit gutem WIrkungsgrad auch bei größeren Strömen, großer Wärmeabgabefläche, sehr langsamdrehend, niederohmig und verhältnismäßig günstig im Bau.
Ich hoffe dass einige Aspekte dieses Beitrages anderen zukünftigen Scheibengeneratorbauern bei der Planung ihres "Gerätes" etwas weiterhelfen können...
Gruß
Max
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