1. Idee Layout Spulen & Magnete

Hallo,

parallel zu den Versuchen bin ich grad dabei, über das Layout des Generators nachzudenken.
Die endgültige Version hängt natürlich von meinen Versuchen ab.

Aktuell tendiere ich zu 16 Magnetpaaren und jeweils 8 Spulen pro Phase.
Die Spulenwindungen will ich so wickeln, dass sie im Bereich der Magneten flach nebeneinanderliegen und die Kreuzung ausserhalb dieses Bereiches stattfindet. (Schnittzeichnung oben rechts)
Damit will ich einen möglichst geringen Luftspalt zwischen den Magneten erreichen. Das ganze will ich dann vergiessen und mit Glasfaser stabilisieren.
So weit meine Idee.
Um Zur Stabilität will ich zwischen den Spulen noch Glasfaserröhrchen o.ä. mit eingiessen. So weit meine vorläufige Idee. nun die Zeichnung dazu:

Die Grösse der Magneten kann sich durchaus noch ändern, es ist nur leichter so, die Phasen dem Moment der grössten Spannung vorzustellen.
Nun seid Ihr dran... das Orange ist die Vergussmasse incl Glasfaser

Gruss Friedhelm

Ja sie überlappen, aber nicht innen, wo die Magnete sind, da liegen sie flach nebeneinander, nur aussen, ausserhalb der Magnete sollen sie überlappen,
Dazu ist es erforderlich, 2 der 3 Spulen beim Wickeln abzuwinkeln, damit sie aneinander vorbei gehen.
Oben rechts auf dem Bild habe ich das im Schnitt dargestellt. Da sind 3 Spulen abgebildet.
bei Phase 1 ist der Überlappungsbereich nach oben verlegt, Phase 2 ist eine flache Spule, bei Phase 3 ist der Überlappungsbereich nach unten verlegt.
Damit können die 3 Spulen im Magnetbereich flach nebeneinander liegen.
Ich habe auch schon eine Idee, wie die Form aussehen muss, in der ich die Spulen 'wickle'. Es wird mehr ein legen, als ein Wickeln sein.

Gruss Friedhelm

Ich glaub, ich habs verstanden. Klingt kompliziert aber machbar.

Hallo Max,

nein, die Baugrösse ist nicht der Grund für diese Idee.
Es geht mir darum, 3 Phasen mit 8 Spulen zu haben, um eine weitere Idee umzusetzen, die ich mir ausgedacht habe.
Es geht um eine Anpassung der Leistung an die Drehzahl.
In 4 Stufen möchte ich die Spulen nach Drehzahl erst alle in Reihe bis hinterher alle parallel schalten.
Grund hierfür ist, ein Step-Up-Konverter würde Leistung in dem Drehzahlbereich verbraten, in dem am wenigsten vorhanden ist.
Dann ist es natürlich so, dass der Konverter schon bei kleinen Drehzahlen versucht, die maximale Leistung zu ziehen.
Damit würde er das Windrad zu sehr abbremsen, so dass es zu einem Aufschaukeln kommen könnte.
Durch die Reihenschaltung der Spulen hätte ich am Anfang genug Spannung aber wenig Strom.
Bei Erhöhung der Drehzahl würden dann erst 4 Spulen in reihe und die dann parallel geschaltet werden = weniger Spannung mehr Strom. Durch die Drehzahl aber genug Spannung.
Nächste Stufe wäre 2 Spulen in Reihe, aber die 4 Pakete dann parallel geschaltet = wieder weniger Spannung mehr Strom.
Die letzte Stufe wäre dann die Parallelschaltung aller Spulen mit maximaler Spannung.
Den Schaltplan hierzu gibts schon. Geeignete Bauteile habe ich dank der Hilfe anderer Windradspezis auch schon im Auge.
Die Steuerung werde ich vermutlich mit einem C-Control angehen...
Da ganze muss natürlich so gesteuert werden, dass die Schaltpunkte so liegen, dass nach der Umschaltung nicht zu wenig Spannung da ist.
Bei 'Runterschalten' bei Verlangsamung muss natürlich später runtergeschaltet werden, damit es in den Grenzbereichen nicht zum Aufschaukeln kommt.
Ziel ist es, den Spannungsbereich des Generators so zu halten, dass er leicht zur Ladung der Batterien benutzt werden kann.
Durch die Reihenschaltung am Anfang wäre die Vom Windrad abgeforderte Leistung auch nicht so hoch, dass das Anlaufen erschwert wäre.

Ich denke, die Spulen werden eher gelegt als gewickelt werden. Jede Lage muss vermutlich separat fixiert werde, bevor ich mit der nächsten anfangen kann.
Aber da es für das Boot sein soll (ich plane 2 Lenz2 auf dem Boot, um maximal autark zu werden), ist es mir den Aufwand wert.
Obs die Ideen umsetzbar sind.... na gut, das werde ich sehen...

Sorry für den Roman... aber das ist der Hintergrund für die Idee der Spulenauslegung.

Gruss Friedhelm

Hallo Daniel,

ich versuche es mal zu beschreiben. Ist aber komplex, weil einige Dinge zusammenkommen.
Die etwas flapsige, pauschale Beschreibung soll es bildlicher machen. Ich vernachlässige die Wirkungsgrade der Bauteile.

Ein Akku mit Laderegler versucht erst mal grundsätzlich den Akku so schnell wie möglich zu laden.
Ein normaler Laderegler weiß grundsätzlich nicht, wieviel Leistung zur Verfügung steht, er ist dafür gebaut, einen Akku bestmöglich zu laden. Dazu nimmt er alles, was er an Leistung bekommt. Damit wären wir nah am Kern des Problems.

Ein Windrad, welches sich grad beginnt zu drehen, hat noch nicht viel Leistung.
Die Spannung würde nicht reichen, einen Akku zu laden. Wenn man den Generator anders auslegen würde, dann könnte man vielleicht genug Spannung bei niedriger Drehzahl haben, aber der Aufwand hierfür wäre gewaltig und die Leistung, die das Windrad abgibt würde hierdurch nicht steigen. Ausserdem hätte man dann im Falle von viel Wind sehr viel Spannung, die dann in gefährliche Bereiche für die Bauteile gehen könnte, bzw. nicht mehr ohne viel Aufwand verwertbar ist.

Deswegen gibt es die Idee, die Spannung elektronisch bis auf die fürs Ladegerät nutzbare Spannung hochzuwandeln. Bis dahin ist das noch nicht schlecht.
Ich versuchs mit ein wenig rechnen...
Angenommen der Generator würde bei niedrigen Drehzahlen 6 W bereit stellen... leider eben nur 6 V und 1 A.... (Parallelschaltung der Spulen vorausgesetzt... Nun kommt der StepUp-Wandler und nimmt sich an Leistung, was er bekommen kann... um ca. 14 V (ein wenig Spannung fällt bei den meisten Ladereglern auch ab) und 400 mA hinten herauszubekommen.
Nun ist ein StepUp-Wandler ein hungriges Gerät, was das ziehen von Strom betrifft.. er müsste normalerweise bei 350 mA aufhören, damit das Windrad die Chance hat, weiter zu beschleunigen. Das macht er aber i.d.R. nicht... sondern, er versucht noch mehr Strom zu ziehen...
Das wirkt für den Generator wie ein Beinahe-Kurzschluss... er wird zwangsweise gebremst... die Spannung fällt unter den verwertbaren Wert.. der Step-Up-Wandler schaltet sich ab... Das Windrad kann wieder bis zur verwertbaren Spannung beschleunigen... Das meinte ich mit aufschaukeln. Um das zu verhindern müsste man die Leistungsaufnahme des StepUp-Wandlers noch zusätzlich im Verhältnis zur Drehzahl regeln...
Es wird komplizierter.... Wir haben dann folgende Bauteile in Reihe:
Spule, Gleichrichter, drehzahlabhängiger Strombegrenzer (der nebenbei auch ein wenig Strom benötigt), StepUp-Wandler, Step-Down-Wandler (für viel Wind), Laderegler für die Batterie, Batterie.
Nun rechne einfach im Schnitt optimistisch mit 90% Wirkungsgrad jedes Bauteiles, dann kommt folgendes raus:
100 % - Spule = 90% - Gleichrichter = 81 % - Strombegrenzer = 73% - StepUp = 66 - StepDown = 60 - Laderegler = 54 % ohne Batterieverluste....
Nun benötigt die Schaltung auch noch ein wenig Strom... dann biste bei 50 % von der eh mickrigen Leistung bei wenig Wind.
Wobei ich noch keinen Step-Up-Wandler mit halbwegs tragbarem Wirkungsgrad gesehen habe. (höchste waren um 80% glaube ich)

Die stufenweise Umschaltung der Spulen von Reihenschaltung auf Parallelschaltung würde mit weniger Bauteilen auskommen, da die Spannung in einem leicht verwertbaren Bereich bleibt. Da wären Spule, Gleichrichter, Umschaltung, Laderegler. Im Hintergrund müsste natürlich eine Steuerung werkeln...

Das ist aber alles noch graue Theorie - Gedanken in meinem Kopf ... aber ich denke es macht mehr Sinn, drüber nachzudenken, durch stufenweise umschaltbare Schaltung von hoher Spannung und niedrigem Strom(Reihenschaltung der 8 Spulen) bei wenig Drehzahl zu niedriger Spannung(in Relation zur Anfangsdrehzahl) und hohem Strom (Parallelschaltung der 8 Spulen) die Spannung im einfach verwertbaren Bereich zu halten, als das durch viel Elektronik im Hintergrund zu realisieren.

Sorry, wieder ein Roman, aber es ist halt ein wenig komplex.
Wenn gewünscht kann ich auch eine Tabelle der Schaltstufen und die Schaltung für die Veränderungsstufen von Reihenschaltung zur Parallelschaltung einstellen... will das hier nur nicht ungefragt zumüllen.

Gruss Friedhelm

Hallo Friedhelm,

das Problem beim Anlaufen scheint es ja in der Praxis wohl nicht zu geben, sonst liefen die ganzen Kleinwindanlagen ja nicht, z.b. Black etc...

Ich finde aber Deinen Ansatz mit den versetzten Spulen nach wie vor sehr interessant aus verschiedenen anderen Gründen, bzw. Vorteilen die man daraus ziehen könnte, wie schon vorher erwähnt: Mehr Platz > weniger Innenwiderstand / höhere Spannung bei gleichem Scheibendurchmesser

Auch das Prinzip von stufenweiser Umschaltung der Spulen von Reihenschaltung auf Parallelschaltung würde sehr viele Möglichkeiten mit sich bringen - ich denke da z.B. als resultat an eine Art integrierten MPPT Regler, dazu vielleicht ist der noch sehr günstig dann !

Man müsste mal genau durchplanen wie sowas in einem konkreten Beispiel aussehen könnte...

Also:

Mich würde das sehr interessieren, das ist sicher kein Müll, sondern Diskussionstoff für das Thema Scheibengenos !! Also rück raus damit

Hallo Eddy,

ich habe sicher hier das Rad nicht erfunden.
Aber das Foto zeigt nicht das, wass ich meine. Auf dem Foto wird viel mehr Höhe als bei meinem Ansatz benötigt!
Hier wurden die Spulen einfach schräg (dazu noch huddelig) übereinander gelegt.
Bei meiner Variante wird im Bereich der Magnete nicht mehr als eine Spulenhöhe plus Befestigung und Spalt benötigt.
Die Variante von Dir zeigt schräg übereinandergelegte Spulen, die minimal das dreifache der Spulenhöhe plus Befestigung und Luft benötigen.
Der Unterschied liegt darin, dass die Überlagerung der Spulen bei mir ausserhalb des Magnetbereiches gelegt wird. innerhalb des Manetbereiches liegen die Spulen flach nebeneinander!

Gruss Friedhelm

Hallo Daniel,

ich hatte tatsächlich die Photomos-Schalter in Erwägung gezogen. Sie arbeiten verschleissfrei, mit geringstem Innenwiderstand.
Den Bezugsweg muss ich dann noch ermitteln. Ein Mitstreiter hatte da aber schon Unterstützung signalisiert.
Die Steuerung sollte über ein C-Control erfolgen. Eine Photozelle misst die Umdrehungen und steuert dann darüber die Umschaltung.
Aber so weit bin ich noch gar nicht.
Die Frage nach dem Platz... zur Not kommt unter den Generator ein Tupperwarebehälter für die Elektronik.
Die genauen Gedanken zur Unterbringung der Elektronik mache ich mir, wenn ich so weit bin, dass ich die Funktion getestet habe.
Zuverlässigkeit und optimale Nutzung steht bei mir vor den Kostenaspekten.

Ich überlege evtl. ein Kabelbündel nach unten zu führen, um die Elektronik unter Deck abgesetzt zu haben.
Klingt für viele abenteuerlich, aber das Teil soll noch abnehmbar sein, 2 x 24-polige Stecker (16A belastbar - IP 55) würden reichen.
Der Mast soll bei mir ca. 2 m übers Deck hinausragen, deshalb ist die Länge der Kabel überschaubar.

Noch mal zu deiner Bemerkung, dass die von mir geschilderte Problematik beim Black nicht auftritt.
Beim Black handelt es sich um einen Horizontalläufer, der wesentlich höhere Umdrehungen hat.
Die die Anfangsdrehzahl wird hier m.E. nicht genutzt. (Erst ab einer bestimmten Spannung wird die Leistung genutzt.)
Meine Betrachtung bezog sich auf langsam drehende Vertikalläufer.
Hier ist es durchaus mit Step-Up-Reglern schon zu dem geschilderten Phänomen gekommen.
Wenn man die mögliche Leistung bei geringem Wind sieht, ist die Nutzung hier sicherlich auch nicht gerade wirtschaftlich.
Nur zählt an Bord jedes Ampere. Und wenn es in der Nacht leichten Wind gibt, dann sind mir 10-20 geerntete Amperestunden wichtig genug, um mir Gedanken zur Nutzung zu machen.
Wenn jemand über Einspeisung ins Netz nachdenkt, dann ist das sicher in keiner Weise sinnvoll, sich über den geringen Anteil der Nutzung Gedanken zu machen.

Ich finde es schön, dass Du Dich hier mit engagieren willst...
Ich werde mich Schritt für Schritt durch die Grundlagen hangeln, um daraus dann die Basis für meine 2 Windräder zu entwickeln.
Wenn ich dabei z.B. über 84 Photomos pro Windrad nachdenke (+1 Reserveschaltung).... könnte es sein, dass am Ende dabei auch andere Lösungsansätze entstehen. Aktuell überarbeite ich grad die Schaltung, da ich denke, dass man auch mit weniger Schaltern auskommen könnte (1/3 weniger-wären dann 'nur noch' 63).
Doch so weit bin ich noch nicht. Dazu werde ich dann auch gern die Hilfe von erfahrenen Elektronikern annehmen.

Gruss Friedhelm

Hallo Friedhelm,

ok das mit dem horizontalen Windrad wusste ich nicht, ...Die Idee ist aber auch für Vertikalläufer hochinteressant, finde ich.

Die überarbeitete Schaltung sieht gut aus, und ist wohl auch deutlich günstiger zu realisieren.

Wo ich noch meine Zweifel habe, ist die Sache mit den Kabelsträngen, die Du also rausführen möchtest, um die Schalter dann auszulagern - entstehen dadurch keine deutlichen Verluste aufgrund viel grösserer Drahtlänge ( höherer Innenwiderstand), ich schätze mal bei soviele Schaltern und 2 Meter ist das schon erheblich... oder bin ich hier auf dem falschen Dampfer ? Ich dachte hier eher daran, den Stator einfach etwas grösser im Durchmesser zu gestalten und die Schalter jeweil so nah wie möglich neben jede Spule unterzubringen, ...

Auch die Frage mit Steuerung über Drehzahl oder Spannung hast Du mit der mir schwieriger erscheinenden Antwort Drehzahl beantwortet... ich denke nach wie vor über die Spannung zu steuern ist sicher einfacher und effektiver, da es ja im Endeffekt um die erzeugte Spannung geht, und die Drehzahl dazu ja erstmal experimentell ermittelt werden müsste, und diese dann aufgrund von Temperaturunterschieden im Stator, in der Aussenluft, etc. immer mit anderen erzeugten Spannungen übereinstimmen wird, also nicht konstant ist. Das Ergebnis wäre folglich ein Umschalten bei ganz unterschiedlichen Spannungspunkten, dagegen bei Messung der Spannung eben nicht.

Welches ist denn nun der Punkt an dem Du weiterarbeitest ? Die Theorie sieht ja schon ganz gut aus, sobald Du Steuerung und Schalter Fragen gelöst hast, könntest Du mal so einen Generator dimensionieren - und dann können erste Tests mit einem gebauten Stator beginnen ? Oder ?

Beste Grüße,
Daniel

EIne Regelung nur über dei Drehzahl ist aber auch nicht besser. Je nach Ladezustand der Batterie und deren Kapazität und somit Innenwiderstand, ändert sich die Belastung. SOmit arbeitet der Repeller dann auch wieder nicht im optimalen bereich, könnte unterfordert oder überfordert sein, genau wie bei der anderen Variante. Am besten wäre es, wenn man beides verbindet und eine COntrollersteuerung entwirft. Ich habe auch schon über sowas nachgedacht und werde das im Laufe des Jahres mal umsetzen. Ich habe einen Kumpel der sowas häufiger macht und das fix hinbekommt. Dann spart man sich auch die ganzen Relais und kommt mit nur sehr wenigen aus...

Gruß
Max