Scheibengenerator mit einer Spule

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Scheibengenerator mit einer Spule

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Gepostet: 09.10.2017 - 08:46 Uhr  ·  #1
Hallo liebes Windradforum

Im Rahmen meiner Abschlussarbeit meines Studiums darf ich einen Generator entwickeln. Der kleine Generator treibt eine kleine Leiterplatte an, auf der ein Mikrocontroller einige Sensoren und einen Treiber für einen Schrittmotor implementiert werden. Die Spannungsversorgung soll 3,3V betragen. Strom brauche ich durchschnittlich ca. 15 mA. Kurzzeitig ca. 100 mA.
Und zwar wird eine Scheibe (Durchmesser d = ca. 10cm) angetrieben und hat Umdrehungsgeschwindigkeiten von 0 bis 150 U/s. Die Anforderung ist, dass die Leiterplatte bei 15 U/s durch die Scheibe versorgt werden kann. Die drehende Scheibe ist dabei vertikal und die Leiterplatte ( ca. 5cm * 4cm ) horizontal dazu.
Die Schwierigkeit dabei ist, dass keinen Platz für eine statische Scheibe mit x Spulen vorhanden ist.
Mein jetziger Ansatz sieht eine einzige Spule mit Ferritkern vor. Und zwar würde ich einen U oder E-Kern verwenden, diese so nah wie möglich an den Rotor montieren bzw. Löten und somit genügend Energie zu erzeugen. Die "offenen" Enden schliessen den magn. Kreis mit den Permanentmagneten auf dem Rotor. Dabei kann ich beliebig viele Permanentmagnete auf den Rotor kleben/montieren,wobei je weniger, desto besser gilt.
Mein Ziel ist es dabei, die vielen Luftspulen durch eine einzige grössere zu ersetzen.
Neodymmagneten: Neodymmagnet 10x10x1

- Kann mit dieser Anordnung überhaupt genügend Energie für meine Bedürfnisse erzeugt werden?
- Mit Neodymmagneten wird mehr Energie erzeugt. Kann dabei nicht die magn. Kraft auf die Spule gross werden und zu hohe mechanische Belastungen auf die Leiterplatte auftreten, vorallem wenn der Rotor stillsteht?
- Wie kriege ich die Spule auf einen E- oder F- Ferritkern?

Ich hoffe, ich bin hier im passenden Forum und möchte mich schon im Voraus für die Hilfe bedanken.

Grüsse aus der Schweiz
Robert
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Re: Scheibengenerator mit einer Spule

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Gepostet: 10.10.2017 - 17:20 Uhr  ·  #2
Hallo Robert

Das ist mal wieder ein "neuer " Ansatz einen Generator zu bauen, wirt aber grundsätzlich gehen!
Es wirt auch kein Scheibengenerator im üblichen Sinn denn es ist auch ein Eisengenerator ohne Lufspulen.
Diese haben ja einen Feritkern, oder Schnittbandkern, der Schnittband läst eine stärkere Induktion zu, ist auch Verlusarm dank seiner o,1mm Bleche.
Das die Magnete grosse Kraft auf diesen Kern aus üben hast Du ja schon erkannt, also eine gut gelagerte Welle einbauen.
Bei 900 bis 9 000 U/min würde ich die Magnete auch nicht "auf" eine Scheibe kleben, sondern "IN" diese einkleben.
Ich würde 12 Magnete nehmen.
Dann noch eine Lage Glasgewebe auf jede Seite (80 g Gewebe ist 0,1 mm dick) , damit sie fest verankert sind.
Der Kern aus einem Schnittbandkern, kann mit nur einem Spallt auf einer Seite die Magnete bestreichen, oder mit beiden Seiten immer 2 Magnete.
Bei einseitigem müsste für den Spallt am Kern so 2 mm abgearbeitet werden, oder in der Spule etwas aufgefüttert werden.
Die Spule kommt dann über die Trennstelle wie im Normalfall auch.
Wenn beide Schenkel über Magneten sind kommen auf jedes U des Kerns eine Spule.
Die kann dann den Raum komplett ausfüllen, muß aber direkt auf den Kern mit Spulenkasten ! gewickelt werden, oder je 2 kleine Spulen auf jeden Schenkel.
Mit Feritt wirt es auch so in etwa gehen.
Wenn nur ein Magnet bestrichen wirt, können die Magnete alle gleich gepolt geklebt werden.
Das gibt dann immer nur eine Spannung in eine Richtung, und keine Sinuswelle.
Darum braucht man nur eine Diode die einen Rückstrom verhindert, also nur einmal die Sperrspannung als Spannunggsverlust abrechnen.
Eine interessante Sache das ganze .

Gruß Aloys.
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Re: Scheibengenerator mit einer Spule

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Gepostet: 11.10.2017 - 07:04 Uhr  ·  #3
Hallo Aloys

Vielen Dank für deinen Ansatz.Deinen Post hat mir Mut gemacht, bei diesem Ansatz zu bleiben, da wegen der Magnetstärke auch mein Auftraggeber (Maschinenbauer) skeptisch wurde. Er hat einen alternativen Lösungsweg noch vorgeschlagen. Zum Thema...
Mir ist bewusst, dass dies kein Scheibengenerator ist, aber einen passenden Fachbegriff habe ich nicht parat. :-)
die Montage an der Bremsscheibe ist die Sache des Maschinenbauers, aber ich wiese ihn gern auf die Problematik hin.
Zitat
Ich würde 12 Magnete nehmen.

Warum 12? Ist das deine Erfahrung?

Zitat
Der Kern aus einem Schnittbandkern, kann mit nur einem Spallt auf einer Seite die Magnete bestreichen, oder mit beiden Seiten immer 2 Magnete. Bei einseitigem müsste für den Spallt am Kern so 2 mm abgearbeitet werden, oder in der Spule etwas aufgefüttert werden.

Da muss ich ehrlich gestehen, verstehe ich nicht ganz was du meinst. Redest du hier von einem E- oder U-Kern? Und wieso muss bei einem Kern abgearbeitet werden? Wenn die Magnete vorbeizischen ist es doch am effizientesten, wenn die Schenkel des Spulenkerns möglichst nah am Magnet sind. Ich kann auch nicht nachvollziehen, was du mit auffüttern und Magnete bestreichen meinst. Wie du merkst habe ich mit Spulen bzw. Transformatoren bedürftige Erfahrungen.

Zitat
Wenn beide Schenkel über Magneten sind kommen auf jedes U des Kerns eine Spule.

Habe ich mir auch überlegt. Da könnte man den ganzen Platz des Kerns verwenden. Je nach Bedarf der Grösse des Induktionswertes. Einen E-Kern wäre noch effizienter, wenn die Spule auf dem mittleren Schenkel montiert werden kann. Dann hat es 3 "offene" Schenkel die je nach Position des Magnetes noch mehr Spannung induzieren sollte.

Zitat
Wenn nur ein Magnet bestrichen wirt, können die Magnete alle gleich gepolt geklebt werden.
Das gibt dann immer nur eine Spannung in eine Richtung, und keine Sinuswelle.
Darum braucht man nur eine Diode die einen Rückstrom verhindert, also nur einmal die Sperrspannung als Spannunggsverlust abrechnen.

Nur eine Polung der Magneten wäre wünschenswert. Jedoch habe ich das Gefühl, dass mit Nord/Südpolung das effizienter wird, da das Magnetfeld sich um 180° drehen muss. Beziehungsweise ich würde die Trägheit des Magnetfelder mir zunutze machen. Der einzige Mehraufwand wäre die Gleichrichtung mit einem Brückengleichrichter, welcher halt ein wenig mehr Spannungsabfall verursacht. Deine Methode ist natürlich zu bevorzugen.

Zitat
Eine interessante Sache das ganze .

Isses, aber für ein Mikrocontroller Projekt ist diese Analogbeschaltung sehr aufwändig :-)
Herzlichen Dank für dein Feedback.
Robert
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Re: Scheibengenerator mit einer Spule

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Gepostet: 11.10.2017 - 15:26 Uhr  ·  #4
Hallo Robert

12 Magnete ?
Die Scheibe hat 10 cm Durchmesser und die Magnete können auf Radius von 9 cm geklebt werden.
Der Umpfang ist dort 28,3 cm.
Die Magnete brauchen auch einen Abstand neben einander, nehmen wir mal 1 cm dann rechne Ich 28 : 2 cm = 14 ? geht also auch.
Der genauere Abstand sollte dann aber zu dem E Kern passen der auch eine gute Wahl ist. (hatte einfach nur auf 12 getippt).

Ein Schnittbandkern besteht aus 2 U Kernen, die von einem Spannband (Allu) zusammengehalten werden.
Wenn da nur an einer Stelle die Magnetscheibe durch geht, muß da dann Platz sein, oder da wo kein Spallt sein soll, eben etwas Eisen zwischen um dort keinen Luftspallt zu haben.
Das lassen wir dann mal da es auch einfacher geht.

Also mal einen normalen E Kern aus einem E I Trafoblechkern !
Der mitlere hat doppelten Querschnitt und trägt die Spule.
Der sollte gleichen Querschnitt wie der Magnet haben , also 1 mal 1 cm !
Die halben Schenkel vom E sollen auch vom Nachbarmagnet getroffen werden, entweder mittig oder etwas weiter zur Seite.
Da kännen ewentuell auch 16 oder 18 Magnete, immer im Wechsel N Pol - S Pol in Frage.
Die Abstände bestimmen die Polzahl. (durch 2 teilbar).

Die Scheibe mit den Magneten muß 2,5 bis 3 mm dick, und aus Eisen (magnetisierbar) sein.
Sie wirt dann nur einseitig zu dem E Kern hingezogen.

Die Frequenz errechnet sich aus Drehzahl pro sek mal Polpare , also bei 14 Magneten (7 Pare) mal 15 U/sek gleich 105 Hz.
Die Feldstärke wirt nicht so hoch wie in einem Trafo werden, da der Magnet nut 1 mm dick ist, und noch den Luftspallt überbrücken muß.
Feldstärke also etwa 0,5 bis 0,6 Teslar. (Trafos haben 1,2 T !
Das wir dann etwas durch die höhere Frequens angeglichen.
Ein Trafo mit 1 cm² Blechquerschnitt braucht dann für 1 V etwa 45 Windungen.
Für 3,3 V würde ich dann trotzdem 5 V als Ziel anstreben, da die Spule durch den CU Wiederstand auch Verluste hat.
Also 5 V sind dann 225 Windungen.
Der Wickelraum wirt zu 50 % mit CU gefüllt, der Rest ist Isolation.
Dieser Querschnitt wirt dann durch die 225 Windungen geteilt, und ergibt den CU Querschnitt, daraus dann noch den Drahtdurchmesser errechnen.

Na dann mal loß :-)

Gruß Aloys.
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Re: Scheibengenerator mit einer Spule

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Gepostet: 12.10.2017 - 19:45 Uhr  ·  #5
Hallo Aloys

Nochmals herzlichen Dank für Deine Bemühungen.
Leider müssen die Magnete bei einem Radius von ca. 2cm montiert werden. Aber das wird nicht der limitierende Faktor sein.
Deine Berechnungen leuchten mir ein. Jedoch müsste das noch ein wenig kleiner sein. Am Wochenende werde ich aber einige Messungen durchführen, und bin dann schlauer (hoffentlich).

Gruss
Robert
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Re: Scheibengenerator mit einer Spule

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Gepostet: 16.10.2017 - 06:36 Uhr  ·  #6
Hallo Aloys

Am Wochenende habe ich einen Testaufbau gemacht.
Dabei habe ich 8 Magnete : magnets in einem Kreis mit Radius 2cm (vom Mashcinenbauer vorgegeben) angeordnet.
für die Spulehabe ich eine Ringkernspule auseinandergenommen und den Ferritkern halbiert und meinen eigenen Draht drumgewickelt N = 300 ca.

Meine Erwartung war eine genügend hohe Leistung, sowie mehr Spannung: Resultat war aber folgendes:
Bei 900 U/s erhielt ich bei RL = 10 einen "Sinus" mit RMS = 1.34V und Upp= 4V. Entspricht ca. 180 mW.
Mit Gleichrichten etc bleibt mir für 3.3V ca. 112 mW. Dies ist genügend für meine Sensoren etc. Leider benötigt mein kleiner Schrittmotor ca. 300 mA. Was ca. 1W ergibt. Da bin ich meilenweit daneben. ich habe jetzt shcon das Gefühl, dass meinen Spulenkörper gross ist.
Da muss ich noch eine Lösung dafür finden.
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