50cm C- Rotor Prototyp

[jb79]

Hmm gar keine so schlechte Idee: "keep it simple".
Nachteile sehe ich darin, daß man wieder ein Rastmoment hat (ohne Magnetkern macht das kaum Sinn) und den Großteil der Zeit die Magneten sinnlos rotieren. Nur wenn sie beim Eisenkern der Spule sind werden sie wirksam.
Magneten die direkt neben dem Eisenkern sind verfälschen das Feld im Metallkern der Spule => Abschwächung der Induktion.

Vorteil:
erstmal einfacherer Aufbau (weniger Teile besonders weniger Spulen)
Mit einer entsprechend großen "Glocke" könnte man recht große Durchmesser realisieren. Folge: große Spule mit ausreichend Windungen und ordentlich dickem Draht => "hohe" Spannung und niedriger Innenwiderstand.
Bei großem Durchmesser kann man auch entsprechend mehr Magneten (muß immer eine ungerade Anzahl an Magnetpaaren sein) für eine höhere Spannung (mehr Magnetfeldwechsel pro Umdrehung = mehr Spannung) erreicht werden.

[Kyrill]

Also wie ich das sehe, sind im drehbaren Mantel Magnete dicht an dicht in wechsender Polarität angebracht. Die Spule hat einen achsialen Kern (Rohr) aus mehreren Lagen Weicheisenblech (Trafoblech) und an jedem Ende eine sternförmige Platte ebenfalls aus ein paar Lagen Trafoblech angeschweißt oder gebördelt, deren Strahlen so gebogen sind, dass sie mit etwas Abstand wie betende Hände in einander greifen und an denen die Magnete abwechselnd N und S vorbeistreichen. Dadurch wird ein Magnetfeldwechsel erreicht, der durch den Kern der Wicklung längs der Achse geht und in der Wicklung den Strom induziert. In wie weit der Rastmoment größer wird müsste man testen. Er würde sicherlich einen haben, dieser Generator, aber die Speichendynamos haben ja auch einen und es funktioniert.

[Bernd]

Es handelt sich dabei um einen so genannten Klauenpolgenerator.
Wie Peter schon richtig gesagt hat, liegen an den "Fingern" bzw. den Klauen jeweils unterschiedliche
Magnetpole an und das wechselt mit jeder neuen Stellung der Magnetglocke und das ist auch gleich eines
der Geheimnisse der enormen Leistung, nämlich die vielen Pole pro Umdrehung die bei meinem Shimano
immerhin 14 Hz pro Umdrehung erzeugen, also 28 Magnete pro Umdrehung in dem Winzling.

Der Vorteil dieses Generators ist das er die Kraft sämtlicher Magnete über die Finger in einer einzelnen
Spule konzentriert, was zur Folge hat das er dadurch, zusammen mit der grossen Polanzahl, trotz winziger
Abmessungen schon sehr früh sehr hohe Spannungen erzeugen kann. So gelingt es meinem Shimano ab
ca. 30 U/min (mit Verdopplerschaltung) einen 12V Akku zu laden, wer hätte das gedacht, ich jedenfalls nicht.

Wo Licht ist, ist aber meist auch Schatten. Das was man am Aufwand beim Spulenaufbau einspart,
dürfte man hier zeitlich in den Bau der aus Trafoblech bestehenden Klauenfinger investieren.
Wenn einem dafür eine praktikable Lösung einfällt könnte so ein Klauenpolgenerator eine sehr interessante
Maschine werden.
Anmerken möchte ich noch, wie es Jürgen ja auch schon sagte, das diese Generatoren relativ lange Eisenstrecken
haben, nämlich die Klauen, durch die das Magnetfeld einen langen Weg zurück legen muss. Das führt unweigerlich
zu nicht ganz geringen (Um)Magnetisierungsverlusten die sich in einem recht mässigen Wirkungsgrad äussern.
Wenn ich mich recht entsinne liegt der selbst beim SON kaum über 65 %, der Rest ist Verlust.
Beim eisenlosen dürfte der Wirkungsgrad beim Ladebeginn bei ca. 95% oder mehr liegen und dann mit zunehmender
Belastung naturgemäß etwas sinken.
Zum anderen hat der Klaunepolgenerator, bedingt durch seine Leistung bei geringer Drehzahl, ein sehr ausgeprägtes
Rastmoment und er ist in der Bauform des Nabendynamos auch "nur" ein Wechselstromgenerator und kein
Drehstromgenerator. Das heisst er "rubbelt" die ganze Windradkonstruktion erheblich durch und das hört man
schon recht deutlich. Drehstromkonstruktionen arbeiten erheblich leiser. Auch mit zwei Nabendynamos wie bei Stav
kann man durch geschickte Montage diesen Effekt etwas mindern.

Dennoch finde ich den Bau eines Klauenpolgenerators eine gute Idee. Vielleicht kann man auch Ferrit als Material
einsetzen und somit die Ummagnetisierungsverluste etwas minimieren. Zumindest als Spulenkern müsste das gehen.

Falls Peter direkt an die Verwendung eines Nabendynamos denkt, was den Aufbau des Windrades natürlich erheblich
erleichtern würde, so kann ich berichten das selbiger bei einer 12V Nutzung maximal ca. 5 bis 7 Watt abgeben
kann. Diese Grenze entsteht durch die gesetzlich vorgeschriebene Auslegung der Nabendynamos auf max. 500 mA.

Grüsse

Bernd

[Kyrill]

Falls Peter direkt an die Verwendung eines Nabendynamos denkt, was den Aufbau des Windrades natürlich erheblich
erleichtern würde, so kann ich berichten das selbiger bei einer 12V Nutzung maximal ca. 5 bis 7 Watt abgeben
kann. Diese Grenze entsteht durch die gesetzlich vorgeschriebene Auslegung der Nabendynamos auf max. 500 mA.

Bernd

Jetzt hört mein Wissen schon wieder auf, kann man das durch eine andere Baugröße oder so ändern? Wodurch ist diese Grenze entstanden so rein mechanisch betrachtet? Ich hab was von Sättigung gelesen, aber ich weiß nicht wie man die beeinflussen kann... Fragen über Fragen ...
Wie stark müßte die Kupferlitze für die Spule sein und wie stark die Magnete im Mantel und wieviele Windungen brauche ich für eine ordentliche Leistung vielleicht 2 oder dreimal höher als die Seriendynamos?

[Bernd]

Meine Leistungsangaben bezogen sich auf einen fertigen, käuflich zu erwerbenden normalen Nabendynamo.
Wenn man selber baut kann man natürlich ganz anders vorgehen.
Die Grenze beim handelsüblichen Nabendynamo resultiert daraus das die Entwickler der Nabendynamos sich
Gedanken machen mussten wie sie es schaffen könnten das die Leistung des Dynamos nicht immer weiter
steigt, je schneller er rotiert. (das ist eine gesetzliche Forderung)
So kam man auf die Idee das Eisen so (knapp) zu konzipieren das es nur eine bestimmte Menge an "Energie"
transportieren kann und dann ist Schluss. Man nennt das die magnetische Sättigung. Ausschlaggebend ist dafür
die Menge, Form, Dicke des Eisens und dessen Eigenschaften. So bekamen die Entwickler den geforderten
Knick in die Leistungskurve hinein.

Aus dem Stehgreif kann man nicht sagen wie eine Selbstbauspule für einen Selbstbauklauengenerator aussehen
müsste, dazu muss man sich erstmal über die Dimensionen, Leistung etc. Gedanken machen die der Generator
letztendlich bekommen soll.
Ebenso sind viele andere Faktoren zu klären wie Durchmesser, Polanzahl, Magnetvolumen, Eigenschaften des
verwendeten Eisenmaterials und dessen Querschnitt etc.
Als erstes braucht man eine max. Wunschleistung und eine Spannung bei einer bestimmten Drehzahl.
Gehen wir mal von 11 Volt bei 24 U/min aus, wie auch bei unseren anderen Überlegungen.
Als max Leistung vielleicht 100 Watt.
Die Jungs die sich gut mit dem Programm FEM auskennen könnten daraus vielleicht eine Simulation für
einen Klauenpolgenerator bauen aber das ist viel Arbeit. Ich kann das nicht.

Umwickeln eines fertigen Nabendynamos ändert nur die Spannung, nicht den Strom da dieser wie beschrieben
durch die eintretende Sättigung des Eisens bestimmt wird und dort auf ca. 500mA begrenzt ist.

Grüsse

Bernd

[Kyrill]

Vielleicht ließt ja jemand von den Wissenden mit und ich komme da ein Stück weiter. Idee die Klauenpole von einer Drehstromlichtmaschine aus dem Auto vielleicht? Ob so etwas geeignet ist? Die kann man von der Achse abziehen, glaube ich...

[raiyul]

Ein Dynamo, ein Wechselstromgenerator, mit einem Rotor aus Permanentmagneten zeigt konstruktionsbedingt immer einen Sättigungseffetk bei höhen Strömen. Kurz gesagt kann ein solcher Generator unter Kurzschluss als (fast reine) Stromquelle betrachtet werden. Der Hauptgrund liegt hauptsächlich weder in den Wirbelströmen (also nur wenig mit dem Eisen zu tun), noch in einer ohmschen Spannungsabfall in den Statorspulen, sondern fast nur im induktiven Verhalten der Spulen mit dem Wechselstrom. Also geht dabei nur wenig Leistung verloren und bei einem Kurzschluss kann sogar in diesem Fall der Generator weniger gebremst werden als in einem normalen Betrieb mit einer Last unter Spannung. Dies tritt vor allem bei hohen Drehgeschwindigkeit ein. Diesbezüglich habe ich meine theoretische Überlegungen noch um einen Abschnitt 12 erweitert. Der Aufbau des Generators bestimmt, was als hohe Stromintensität und als hohe Drehgeschwindigkeit zu betrachten ist.
Anschliessend bin ich wieder hier ins Forum gekommen und die Messwerte von Berndt , (aus dem Beitrag des Fr 17. Apr 2009, 14:40 theoretisch näher untersucht (ein DoppelklicK auf das Bild bringt den Originaltext)
.
Es wurde als Bild gebracht, weil HTML für mathematische Formel ungeeignet ist, die Möglichkeiten in diesem Forum noch mehr reduziert.
Wieso ist die Kennlinie Strom(Windgeschwindigkeit) so nah an einem optimalen Verhalten ist mit noch Rätselhaft. Es ist klar, dass bis ein Strom in den Akkumulator fliesst, der Gleichrichter eine wichtige Rolle spielt. Dann wirken bei kleinen Spannungen zusammen das zeitliche Verhalten in jeder Periode (mehr oder weniger sinusoidal) des Wechselstroms und die Dioden.
Mich wundert, wie nur dank Tüffteln ein so schönes Resultat erbracht wurde. Auch Rätselhaft für einen Theoretiker wie ich.
Bemerkung: bei einer jährlichen mittleren linearen Windgeschwindigkeit von 4 m/s ist die mittlere jährliche Leistung diejenige bei 6m/s also ca. 2,4 W. Dies kommt aus der Vermischung kubisches Verhaltens der Windgeschwindigkeit und ihrer Verteilung (nach Weibull/Rayleigh). 2,4 W*24h*365 = 21 024 Wh = rund 21kWh pro Jahr. Das gleiche Windrad auf 10m hoch in Berlin (bei 3 m/s im Mittel), wäre der mittlere Ertrag ca. die Hälfte (für den Ertrag gültige Geschwindigkeit gleich ca. 4,6 m/s).

Dabei darf nicht vergessen werden, dass 90% der Windenergie bei Geschwindigkeiten oberhalb der Mittleren enthalten ist und auch nur 10% bei Geschwindigkeiten, die 2,5 mal höher als die Mittlere sind. Starke Windböen und ruhige Perioden bringen also über einer langen Dauer eher wenig Energie. Weil der Wind eben seine Geschwindigkeit, also seine verfügbare Leistung ständig ändert. Alle Werte, gemessene oder theoretisch ermittelte sind daher immer statistisch zu betrachten.

[Bernd]

Hmm... also das man im Kurzschlussfall den ohmschen Widerstand und die Wirbelstrombildung in den
Eisenanteilen eines Generators vernachlässigen kann leuchtet mir nicht ein. Wieso sollten die darin
auftretenden Verluste im Kurzschlussfall plötzlich nicht mehr existent sein ?

Beim 50cm Rotor hast du also festgestellt, das sich die Leistung mit zunehmender Drehzahl nicht proportional
der Drehzahl/Spannungserhöhung verhalten hat, sondern eher proportional der im Wind enthaltenen Leistung,
habe ich dich da so richtig verstanden ?
Tatsächlich zeigen meine Messwerte ja eine solche Tendenz. Ich habe das nie so betrachtet und finde es
eben so aussergewöhnlich wie du. Was ist die Erklärung dafür ?

21 kW/h mit dem Nabenedynamo pro Jahr, wenn auch an einem guten Standort, das erscheint mir sehr viel aber
dein Rechenweg ist natürlich korrekt.

Grüsse

Bernd

[raiyul]

Meine Meinung in Sachen Widerstand und Wirbelströme muss ich noch ein bisschen erklären. Der ohmsche Widerstand ist immer da und ihn merkt man vor allem bei keineren Drehgschwindigkeiten. Mir der Erhöhung der Geschwindigket treten neue Effekte ein. Von der magnetischen Induktion verursacht fliessen dichteren Ströme durch Spulen und Eisen. Klar dass dabei ohmsche Verluste verursacht werden, in den Spulen und im Eisen gleichzeitigt. Diese verursachen auch ein Induktion, die gegen die Induktion, die von der Bewegung in einem sonst konstanten Magnetfeld verursacht wird. Also herrschen Induktion und Gegeninduktion. Bei der Sättigung spielen beide gegeneinander, so dass der gelieferte Strom eine Grenze erreicht. Die Wirbelströme im Eisen wirken wie eine parallel zur Hauptspule gelegte Spule, deren Stromschleife mit dem Eisenwiderstand geschlossen ist. Im Studium wurde uns so oft erklärt, dass die Wirbelströme unerwünscht sind, und wie man davon fast vollständig los werden kann, dass ich nicht glauben kann, das es heute anders ist. Vor allem mit den heutigen Materialen, Ferriten, Metallpulver in Keramik, usw. Damals gab's fast nur eine Lösung: Eisenteile aus Blechen bauen, die isoliert voneindander waren, damit nur wenig Verluste in den dünnen Blechen erzeugt werden.

Also : bei einem Kurzschluss spielt bei kleineren Geschwindigkeiten vor allem der ohmsche Widerstand eine Rolle, bei hohen Geschwindigkeiten spielt vor allem die Gegenselbstinduktion eine Rolle. Die Wirbelströme spielen bei hohen Geschwindigkeiten also auch eine Rolle (zusammen mit den Spulen), aber wie gesagt, ich kann nicht glauben, dass plötzlich die Generatoren so schlecht sind, dass diesen Wirbelströmen eine Hauptrolle zugeteilt wird. Ich betone es, es ist bei mir eher eine Glaubensache. Aber wenn der Generator an einer Fahrradlampe angeschlossen ist und mit höheren Geschwindigkeiten sein Drehmoment sinkt, so dass die vom Rad genommene Leistung etwa gleich bleibt, dann spielt die Spule eine viel wichtigere Rolle als die Wirbelströme. Meinen Glauben sollte ich nicht aus dem Himmel holen, ich werde noch versuchen ihn zu unterstützen. Dafür ist die bereits erwähnte Arbeit mit dem Novatec Nabengenerator eine interessante Basis. Für eine spätere Zeit.

Eine Erklärung für das kubische Verhalten der Leistung suche ich. Ich finde, die Sache ist ziemlich kompliziert. Eigentlich bringen etwas dabei : Form der Spannung (mehr oder weniger Sinusoidal), Verhältniss Wechselspannung vor dem Gleichrichter / Spannung am Akkumulator, der Zusammenhang zwischen gelieferten Strom und Bremseffekt im Windrad, mit Rückwirkung durch Geschwindigkeit auf die Spannung am Generator. Man darf kein Element vergessen.

--
Übrigens, es sind 21 kWh im Jahr. Kilowatt mal Stunden (Anzahl Stunden im Jahr), nicht Kilowatt pro Stunde. Die kW/h weiss ich nicht wie berechnen, leider.

[jb79]

1kWh ist die Arbeit, die bei einer Leistung von 1000W die über 1h lang anliegt geleistet wird.
1kWh ist aber auch z.B. 10W für 100h lang.

21kWh bei einer Leistung von 10W bedeutet, daß diese 10W für 2100h anliegen müssen, damit man 21kWh bekommt.

Will man jetzt Energie speichern, z.B. in einer Batterie, so gehts um Spannung und Kapazität. Eine Batterie mit z.B. 12V und 60Ah bedeutet, daß man 12V*60Ah=720Wh=0,72kWh speichern kann, das nur am Rande. Hoffe daß meine Erklärung halbwegs verständlich war.