Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

 
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Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 16.11.2008 - 22:41 Uhr  ·  #1
Hallo Leute

Ich stehe gerade kurz davor mir das Leben zu nehmen 😢

Mein schöner, müheslig aufgebauter Scheibengenerator für meinen kleinen
Rotorblatt Prüfstand, scheint ein bisschen schwach auf der Brust.
Erklärung:
Ich baue einen Rotorblattprüfstand, im ersten Schritt zunächst nur für H-Rotorblätter.
Hier der Link http://www.kleinwindanlagen.de…php?t=2065

Die Rotorblattgrösse ist max. 50 x 50cm.
Um die mechanische Energie zu messen, die das Blatt abgeben kann, hatte ich folgenden Scheibengenerator (als Leistungsbremse) gebaut.

Durchmesser Magnetscheibe, Mitte Magnete ca. 10,5cm
Magnettyp : Neodym N42 10 x 5mm rund
Magnete sind auf 4mm Stahlscheiben montiert
Luftspalt zwischen den Magneten: ca. 7mm
Spulen : 12 Stück a 50 Windungen 0,4mm Kupferdraht (Durchmesser, nicht Querschnitt)
4 Spulen jeweils in Reihe und das ganze dann als Drehstromgenerator in Sternschaltung

Der Generator sollte lediglich als steuerbare Bremse dienen, die dem Rotor Leistung abnimmt. Spannung und Strom sind von ihrer Grösse her
nebensächlich. Es zählt nur die Bremswirkung.
Trotzdem seit erwähnt, das der Generator im normalen Betrieb sagenhafte ca. 0,6V erzeugt :)
Leider ist es nun so, das selbst wenn ich die drei Phasen kurz schliesse nicht genug Bremswirkung entsteht um den Rotor im gewünschten Umfang abzubremsen.
Der Rotor wird zwar gebremst, aber es reicht schlicht nicht um ihn z.B. komplett herunter zu bremsen.

Wie kann ich meinen Generator verbessern ?
Wenn ich aus dem selben Kupferdraht eine Spule mit doppelt soviel Windungen wickle, wie verhält sich dann die Leistung ?
Es steigt dann ja auch der Widerstand um das doppelte.
Oder soll ich lieber grössere/stärkere Magnete verwenden ?
Verkleinern des Luftspaltes könnte ich von 7 auf 6mm durchführen. Bringt das viel ?







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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 17.11.2008 - 05:32 Uhr  ·  #2
Also meiner Meinung nach solltest du den Spulenwiderstand verringern und nicht vergrößern. Demnach musst du den Leitungsquerschnitt der Spulen vergrößern, indem du z.B. mit den gleichen Draht doppelt wickelst, also parallel schaltest.

Größere Magnete bringen etwas.

Verringerung des Luftspaltes kann auch eine Menge bringen.
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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 17.11.2008 - 09:10 Uhr  ·  #3
Hallo Bernd,

der Generatorbau ist nicht so einfach.
Die Spannung von 0,6V ist ja wirklich nicht viel.

Ich bin kein Generatorbauer, aber ich finde, dass deine Magnete im Verhältnis zum Spulendurchmesser recht klein sind.

Kontrolliere noch mal, ob die Spulen in der Reihenschaltung alle den gleichen Wickelsinn haben.

Die Erhöhung der Windungszahl bringt nur was, wenn du auch den Drahtdurchmesser erhöhst. Dein Wicklungswiderstand pro Phase dürfte jetzt schon bei ca 1,5 Ohm liegen.
Mit zwei Drähten zu wickeln benötigt zu viel Wickelraum. Ein entsprechend dickerer Draht (Durchmesser geht quadratisch ein ) ist die bessere Lösung.

Die Verwendung eines kleinen DC-Motors wäre einfacher gewesen, aber auf mich wolltest du ja nicht hören.

Gruß Uli
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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 17.11.2008 - 11:45 Uhr  ·  #4
Die Magnete haben genau die richtige größe, da sie genau ins Spulenloch passen. Es könnte aber günstiger sein, rechteckige Magnete und entsprechende Spulen zu verwenden, da man dann die Feldlinien besser nutzen kann.
Bei so viel Platz, wie noch auf dem Stator ist, sollte es auch egal sein, ob man den Querschnit nun mit einem dickeren Draht oder mehreren parallel gewickelten Drähten realisiert.
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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 17.11.2008 - 13:49 Uhr  ·  #5
Hi Bernd,

Stürz Dich nicht gleich aus dem Kellerfenster!
Auch wenn "nur " 0,6V induziert werden bedeutet das doch das Dein Generator grundsätzlich funktioniert. Und das dabei keine große Leistung (Bremskraft) erzeugt wird liegt halt an der geringen Spannung und dem vergleichsweise hohen Innenwiderstand.
Schau Dir mal genau den folgenden Link an:

http://leifi.physik.uni-muench…regeln.htm

Unter Punkt 3 und 4 ist sehr verständlich klar gemacht wann in einem Leiter eine Spannung induziert wird und wann nicht. Der Leiter muß sich durch ein Magnetfeld bewegen dessen Feldlinien rechtwinkelig zum Leiter stehen (Bild 4). Und wenn man nun genau überlegt ist eine runde Spule dafür nur bedingt geeignet. Besser wäre da eine Spule mit geraden Schenkeln, in Deinem Fall gerade / radial zum Mittelpunkt der Scheibe.
Und nur in diesen geraden, winklig zu den Feldlinien der Magneten liegenden Teilen der Spule wird auch wirklich Spannung induziert. Ich hab das mal im folgenden Bild versucht darzustellen:



Das sind dann nur die grünen Teile der Spule. Der Rest erzeugt nur mehr Widerstand im Leiter und reduziert damit die Leistung des Generators. Und ganz wichtig ist das die beiden Schenkel der Spule im Idealfall von entgegengesetzten Feldlinien getroffen werden. Auf der einen Seite sollen die Elektronen ja nach links, und auf der anderen nach rechts gepumt werden. Daher ergibt sich ja auch immer die These das das Spulenloch so groß wie der Magnet sein soll. Ich meine aber das die Spule so breit sein sollte wie die Magnete auseinander liegen. Das ist ja nicht so weit von der vorigen These auseinander. Auf jeden Fall dürfen beide Schenkel nicht gleichzeitig von Feldlinien der selben Polung / Richtung durchströmt werden. Dann hebt sich nämlich die induzierte Spannung innerhalb der Spule auf. Du hast doch nun schon einen schönen Aufbau gemacht. Der bietet sich ja geradezu an für solche Experimente mit verschiedenen Spulenformen und -Größen. Du mußt ja auch nicht immer einen ganzen Stator bauen, eine Spule reicht doch aus.
Im übrigen hängt die Höhe der induzierten Spannung von mehreren Faktoren ab. Eine Vergrößerung den Magnete wäre aus vorgenannten Gründen in Deinem Fall sogar noch kontraproduktiv. Die Feldstärke der Magneten ist zwar auch wichtig, aber genauso proportional zur erzeugten Spannung verhält sich die Länge des (effektiven!) Leiters und die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes (Drehzahl).

So, hoffe das war jetzt nicht zuviel.

Gruß
Tobias

edit: das mit den Bildern übe ich noch
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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 17.11.2008 - 14:15 Uhr  ·  #6
Einen herzlichen Dank an alle Helfenden.
Ich freue mich immer sehr wenn man sich mit anderen zu "schwierigen" Themen austauschen kann.
Der Sprung aus dem Kellerfenster kann also vorerst noch warten :)

So wie ich das jetzt sehe, dürfte der Kernpunkt allen Übels der Fehler sein, das klein Bernie runde Spulen gewickelt hat.
Die Tatsache das eine Spannung nur bei rechtwinkliger Durchquerung induziert wird, war mir bislang wirklich unbekannt.
Vielen Dank nochmal an Tobi, der einen prima Link und eine noch bessere Grafik samt gut verständlicher Erklärung lieferte.
Auch die Sache mit den Spulendimensionen im Verhältnis zum Magnetabstand klingt sehr einleuchtend, ich werde das bei mir in jetziger Konstellation mal checken.
Wären etvl. rechtwinkliger Magnete doch besser bei rechtwinkligen Spulen ?

Demnach scheint es wenig verwunderlich das mein kleiner Generator nur so wenig Spannung produziert.
Ich brauche also vermutlich nicht meine ganze Konstruktion zu erneuern (ich dachte bereits an eine grössere Magnetscheibe mit
wesentlich grösseren Magneten), sondern ich versuche es zunächst mal mit eckigen Spulen.
Gleichzeitig werde ich versuchen einen grösseren Drahtquerschnitt einzusetzen und evtl. auch die Windungsanzahl noch etwas erhöhen,
was aber aus Platzgründen vielleicht beim grösseren Draht nicht möglich sein wird.

Widerstand zwischen zwei Phasen gemessen sind derzeit übrigens ca. 2,8 Ohm
Wickelsinn passte bei allen Spulen.

An Uli :
Ich stelle grundsätzlich viel etabliertes in Frage, das ist meine Natur als "Erforscher und Tüftler", das ist aber nicht bös
oder gar besserwisserisch gemeint.
Ich hoffe du bist nicht eingeschnappt das ich zunächst "mein Ding" durchziehe.
Stellt sich mein Handeln am Ende als falsch, unnötig, oder was auch immer heraus, werde ich das gerne zugeben und umdenken.
Bis dahin bleibe ich aber ein technischer Rebell :) (Meintwegen auch ein Dickkopf 😉 )

Vielen Dank für eure Tips !
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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 18.11.2008 - 23:13 Uhr  ·  #7
Hallo Tobi
Zitat
Ich meine aber das die Spule so breit sein sollte wie die Magnete auseinander liegen. Das ist ja nicht so weit von der vorigen These auseinander. Auf jeden Fall dürfen beide Schenkel nicht gleichzeitig von Feldlinien der selben Polung / Richtung durchströmt werden. Dann hebt sich nämlich die induzierte Spannung innerhalb der Spule auf. Du hast doch nun schon einen schönen Aufbau gemacht. Der bietet sich ja geradezu an für solche Experimente mit verschiedenen Spulenformen und -Größen. Du mußt ja auch nicht immer einen ganzen Stator bauen, eine Spule reicht doch aus.

Das war glaube ich genau die richtige Anregung für mich !!

Heute kam ich, inspiriert durch Tobi, auf folgende Idee :
Ich liess meinen Prüfstand mit konstanter Drehzahl rotieren.
Den Stator hatte ich zuvor entfernt, es drehten sich nur die beiden Magnetscheiben.


Nun konnte ich ein Testobjekt in den rotierenden Magnetspalt hinein halten.
Weil ich zu faul war heute noch neue Spulen zu wickeln, schaute ich mich nach Ersatzmaterial um.
Durch meine kleine Autowerkstatt habe ich zig verschiedene Kupferdichtringe in allen möglichen Grössen gebunkert.
Diese verwendete ich als "Kurzschlusspulen"



Der kleinste Dichtring hatte einen etwas grösseren Innendurchmesser als der Magnetaussendurchmesser.
Also klassische Bauform einer Spule wie häufig empfohlen. Das spürbare Bremsmoment ist ziemlich klein.

Dann nahm ich einen Kupferring, der im Durchmesser dem Abstand der Mitte meiner Magnete entsprach.
Man glaubt es kaum, deutlich mehr Bremsmoment zu spüren, spirch mehr Energie erzeugt, sicher weil zwei nebeneinander liegende Magnete
gleichzeitig über den Schenkeln des Dichtrings standen.

Als letztes dann nahm ich einen ziemlich grossen Kupferdichtring, den ich so verbog das er nicht mehr rund war,
sondern seine Schenkel parallel zueinander verliefen, siehe Bild.


Die Mitte der Schenkel haben den Abstand meiner Magnete.
Ich kann nur sagen, was Tobi vermutete scheint wirklich so zu sein.
Dieser "parallel verbogene" Dichtring erzeugt das grösste Bremsmoment und somit wohl auch die grösste Leistung.

Besten Dank an Tobi !

Nun muss ich mal gucken wie ich das gelernte umsetzen kann.
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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 19.11.2008 - 13:47 Uhr  ·  #8
Hi Bernd,

Danke für die Rückmeldung, und auch schön das der Effekt auch gleich so deutlich erkennbar ist.
Ich hab Dir da mal ein paar Vorschläge zur Umsetzung gemacht:



Ich bin da mal von 14 Magneten je Scheibe ausgegangen. Ich meine so viel erkannt / geschätzt zu haben. Ist aber eigentlich auch egal.
Du könntest den Draht wie im Bild links wickeln. Das ist dann nur eine Phase. 3-phasig wäre dann in der Mitte. Da sieht man aber schon das sich Innen und Außen viele Drähte den Platz streitig machen. Allerdings ist dort in der Vertikalen auch mehr Platz vorhanden, da ja dort die Magnete entsprechend Platz lassen. Trotzdem wird das in der Praxis schwierig zu bauen sein.
Rechts die bekannte Variante mit einzelnen Spulen. Wichtig ist grundsätzlich halt das möglichst präzise gearbeitet wird. Bei der rechten Variate könnte man auch mal darüber nachdenken ob man bei höheren Drehzahlen nicht mehrere Spulen je Phase automatisch parallel schaltet. Wenn man z.B. je Phase 4 Spulen hätte, könnte man mit steigender Drehzahl erst je 2, und später dann alle 4 Spule parallel schalten. Das bringt "untenrum" mehr Spannung, und "oben" mehr Stromstärke. Da könnten sich mal die Elektronik Spezies drauf stürzen. Davon hab ich nämlich nicht genug Ahnung.
Sind aber alles nur Prinzip-Überlegungen.

Grundsätzlich darf man aber auch nicht vergessen das diese Art von Scheibengeneratoren zwar einfach zu bauen sind, aber auch mit den verbauten Ressourcen recht verschwenderisch umgehen. So trägt doch recht viel des verbauten Kupfers gar nichts zur Spannungserzeugung bei, und mit der Masse an Magnetmaterial könnte man immerhin ein Generator mit doppelter Polzahl bauen. Das würde eine Halbierung der Drehzahl, bzw. eine Halbierung der erforderlichen Leiterlänge und damit des entsprechenden Widerstandes bedeuten.

Viel Spaß beim weiterbasteln noch.

Gruß
Tobias
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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 19.11.2008 - 15:32 Uhr  ·  #9
Hallo Tobi

Auch wenn es überzogen klingt, aber du verblüffst mich schon wieder.

Die dritte Abbildung war in etwa das was ich bisher kannte.
Abbildung 1 zeigt eine sehr interessante alternative Wickelmethode, bei der das nachträgliche Zusammengedrösel und
Verlöten der Spulen entfällt.
Das finde ich schonmal gut.
Außerdem wäre die Spule sofort komplett fertig, also die ganze Spulenscheibe.
Noch besser finde ich, das diese Wickelmethode sogar noch Kupfer einspart.
Fast perfekt, wenn da nicht der Umstand wäre das es ein 1 Phasen Generator ist der leider ein zu ruckeliges Bremsmoment erzeugt.
Ich habe das mal an meinem jetzigen Generator ausprobiert wenn ich z.B. nur Phase 1 und 2 kurz schliesse.
Dann ruckelt es die ganze Konstruktion des H-Rotors durch. Das kann man sehen und hören.
Ich befürchte so wäre es bei einem 1 Phasen Generator auch.
Gleichzeitig ist es auch ein Grund, warum Motore bzw. Generatoren mit geringer Polzahl für meine kleine Leistungsbremse nicht
geeignet wären.

Die zweite Abbildung finde ich auch sehr interessant, allerdings sehe ich wie du auch geschrieben hast, Probleme in den seitlichen Bereichen.
Dort wird sich der Kupferdraht wohl auftürmen.
Man müsste das mal ausprobieren.

Noch eine Frage, wird denn nicht auch Spannung in einer Spule alleine dadurch erzeugt, das sich die Polarität des Magnetfeldes an deren Ende ändert ?
Oder wird Spannung nur dann erzeugt, wenn die Leiter im 90 Grad Winkel das Magnetfeld queren ?

P.S.
Nun weiss ich auch warum du so perfekte Abbildungen "zauberst". Ich war auf deiner Homepage ... :)
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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 20.11.2008 - 00:23 Uhr  ·  #10
Vielleicht kann man das mittlere Beispiel hernehmen, aber im wirksamen Teil die Leiter nebeneinander legen, so daß dort die Spulendicke gleich Leiterdicke ist. So kann man den Luftspalt kleiner machen.

Interessehalber: Gibt es einen Grund 3 Phasen zu nehmen? Sind 5 nicht besser? Oder sogar 7? Oder eine?
Im 3~Netz hat das ja auch mit der Anzahl der Leiter zu tun, hier ist das doch zweitrangig weil eh alles Gleichgerichtet und zusammengewurstet wird.
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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 20.11.2008 - 07:08 Uhr  ·  #11
Hallo Radixdelta
ich glaube wenn man die Leiter auf der Scheibe "verteilt", also in die Breite verteilt, dann trifft der Magnet nicht alle Leiter gleichzeitig und
es entsteht wohl auch nicht mehr der richtige Phasenversatz.

Man könnte tatsächlich noch mehr als 3 Phasen erzeugen bei entsprechender Anzahl der Spulen und Magnete.
Allerdings ist der gleichgerichtete Strom schon bei "nur" 3 Phasen schon sehr wenig wellig.
Die "Ruckelmomente" bei Leistungsentnahme würden noch weniger, sind aber ebenfalls bei 3 Phasen schon sehr gering.

Eine einzelne Phase hat viele Nachteile, z.B. ruckeliges Laufverhalten im Vergleich zu 3 Phasen sowie eine
schwierigere Siebung des späteren Gleichstroms.
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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 21.11.2008 - 17:34 Uhr  ·  #12
Verteilen wollte ich eine Spule, Phasenversatz hat man dann eh nicht. Aber wenn man genau nachdenkt gibt es Probleme, weil es Punkte gibt, wo ein Leiter der den Strom nach aussen führt und ein Leiter der denselben Strom nach innen führt nebeneinander liegen, und wenn der Magnet da drüber geht gibt's Murks weil der Strom in zwei Richtungen Gleichzeitig soll...

Mit den vielen Phasen wollte ich darauf hinaus das jede Phase ggf. nur eine Windung hat. Dann liessen sich soviele Phasen einbauen, das Leiter an Leiter liegt. Das macht [Magnetabstand geteilt durch Leiterdurchmesser]Phasen. Dann hat man die Spulen sehr dünn und kann den Luftspalt minimieren. Das sollte zu mehr Leistung führen.

Selbst wenn man herkömmliche Spulen mit vielen Wicklungen nimmt kann man mit weiteren Phasen in den Zwischenräumen, wo sonst nichts ist, Leistung umsetzen. Das sollte doch die erzielbare Leistung erhöhen, man hat ja absolut mehr Kupfer im Bereich der Induktion ohne dabei den Luftspalt zu vergrößern. Nachteil ist natürlich die schwierige Herstellung weil Innen und Aussen noch mehr Leitungen zusammenkommen.
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Re: Mini Scheibengenerator, Fehldimensionierung wer kann helfen?

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Gepostet: 22.11.2008 - 09:34 Uhr  ·  #13
Hallo Radixdelta

Der Ansatz die "unnütze Luft" zwischen den Spulen ausnutzen zu wollen finde ich sehr gut.
Bezogen auf das mittlere Bild von Tobi könnte man z.B. die Spulenstränge etwas verbreitern, dafür abflachen um den Magnetspalt zu verkleinern.
Oder aber weitere Spulen in die Luftzwischenräume packen.
An den Seiten würde es bei mehr Kupferdraht durch weitere Spulen aber sicher alles andere als einfach werden,
da würde sich der Draht auftürmen.

Die Idee eine Spule extrem in die Breite zu ziehen würde nach meinem Empfinden nicht funktionieren, also zumindest dann nicht,
wenn die Spule breiter als der Magnet würde.
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Frage zum magnetischen Feld

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Gepostet: 28.11.2008 - 01:17 Uhr  ·  #14
Ich danke allen Einsendern zu diesem Thema für ihre Beiträge. Ich habe eine Menge über die mich so interressierenden Scheibenläufer dazugelernt. Plötzlich erkenne ich ein System in dem Draht-Gewusel von eisenlosen Spulenankern.

Danke, Tobi, für die Erklärungen und die tollen Grafiken. Und BerndH, die Idee mit den Kupferringen find ich pfiffig.

Eine Frage, die hier vielleicht schon behandelt wurde, aber für mich noch völlig offen ist: Muss ein magnetischer Kreis zwischen den Magneten der Ober- und Unterseite hergestellt werden und wie geschieht das - vielleicht durch benachbarte Magnetpaare?

Dank und Gruß, Herbert
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Gepostet: 28.11.2008 - 08:23 Uhr  ·  #15
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