Klauenpolgenerator

[Bernd]

Ich habe gestern die Dimensionen und Maße des Innenlebens meiner beiden Nabendynamos verglichen.
Vielleicht nutzt uns das mal etwas wenn wir selber einen Klauenpolgenerator dimensionieren.
Zunächst mal habe ich die geblechten Klauen des Shimano von seinem Spulenkern entfernt.
Das ging erstaunlich einfach denn die Klauen sind sehr lose auf den Kern gesteckt und halten
nur durch eine Lacktränkung zusammen.
Als erstes ein Bild das die recht grosse Spule des SRAM Nabendynamos mit dem Ferritkern zeigt:




Das nächste Bild zeigt den Klauenpolstator des Shimano. Schön sieht man die geblechten Klauen.
Schon jetzt konnte ich erahnen das sich im Inneren eine kleinere Spule befindet als bei SRAM.




Auf den folgenden beiden Bildern kann man schon rein optisch erkennen das die Spule des Shimano deutlich kleiner ist.
Auf der Waage zeigt sich das die SRAM Spule ca. 150 Gramm wiegt und die Shimanospule nur ca. 85 Gramm.
Der Unterschied ist also sehr deutlich. Wieso kommt der Shimano mit soviel weniger Kupfer aus ?
Die Antwort ist das er mit weniger Windungen und/oder geringeren Windungsdurchmesser anscheinend die gleiche
Induktion erreicht. Aber wie schafft er das ? Stärkerer Fluss durch den Kern ?
Die Spule des SRAM ist übrigens aus 0,7mm dicken Draht gewickelt und die des Shimano aus 0,6mm Draht.
Beide haben fast identische Innenwiderstände. Bei SRAM sind es 1,9 Ohm und beim Shimano 2 Ohm.






Das folgende Bild zeigt die vom Kern entfernten kleinen Klauen des Shimano.
Wie gesagt lassen sie sich leicht entfernen. Man hat fast bedenken das sie sich im normalen Betrieb auch lösen könnten.
Alle Klauen zusammen wiegen ca. 145 Gramm.




Auf dem nächsten Foto bekommt man einen Eindruck von der Grösse der Klauen.
Schön ist auch deren Form zu erkennen. Zu Beginn der Klaue ist diese noch recht dünn.
So wie auf meiner Hand liegend sind die Klauen auch im Dynamo montiert.




Das letzte Bild zeigt die Maße der Klauenteile. Die Klaue ist an ihrer Spitze gerade mal 1mm dick was auch Sinn macht
wenn es um Materialeinsparung geht denn an der Spitze wirkt ja nur ein Teil des magnetischen Flusses und am
Ende der Klaue dann der gesamte magnetische Fluss den die Klaue "eingesammelt" hat.




Wer möchte kann ja mal den ungefähren Querschnitt des Klauenendes das durch den Kern ragt, berechnen.
Es sind soviele Klauen wie Magnetpole, also 28 Stück. Von jeder Seite ragen 14 Klauenenden in den Kern und
ragen bis zur MItte. Von der anderen Seite dann das gleiche. Das Kernvorlumen entspricht daher dem Volumen
von 14 Klauenenden.
Was mir bei ein paar Spielereien mit einem Magneten und den Klauen auffiel ist das sie den magnetischen Fluss
wirklich sehr gut leiten. Ein kleiner Magnet auf der Klauenspitze hebt auch am hinteren Klauenende problemlos
Eisenteile auf. Das gleiche wiederholte ich mit den selbst gemachten Ferritteilen von Manfred. Erwartungsgemäß
leitete das Gusseisenferrit, obwohl von den Dimensionen in etwa gleich gross, den magnetischen Fluss wesentlich schlechter.



Jetzt habe ich selbst mal auf die schnelle das Eisenvolumen überschlagen. der zuführende Klauenschenkel ist ca.
4 mal 4mm dick, im Kern sogar noch etwas mehr. 4 mal 4 mm ergibt 16 mm². Das mal 14 gerechnet ergibt 224 mm²
oder anders ausgedrückt 2,24 Quadratzentimeter geblechter Eisenquerschnitt in den Schenkeln. Tatsächlich ist der
Kern sogar noch dicker, aber das schwächste Glied bestimmt ja eine Kette.
Wenn die Menge des Kernmaterials den Stromfluss begrenzen soll, kann es dann sein das 2,24 cm² Trafoblech
nicht ausreichen um mehr als 0,5 A in der Spule zu erzeugen ? Kann das hinkommen ?
Wenn ich mir überlege wie dick der Kern eines 12V Trafos ist der vielleicht 3A abgeben kann dann würde ich aus dem
Bauch heraus sagen ja. Was meint ihr ?

Grüsse

Bernd

[Ekofun]

Hallo Bernd,

ja, jetzt bin ca 80% sicher das Krallenausführung und Kernmaterial mit Leistungspere zu tun haben.Noch etwas,in Rechnung wird nur Querschnit vom eine Kralle genommen nicht alle zusammenzählen.Bei Bei Motoren und Genis wird auch mit Querschnit eines Pol gerechnet(E-Buch).
Kralle ist am Spize 1mm dick dann immer dicker bis 4,2 mm.Mit diesen Ausführung wächst magnetische Wiederstand imn Eisen,und weill er so dinn ist kommt es schnell zu Sätigung,dazu kommt noch kleine Querschnitt,und schwache Magneten.

Der Trafo von 100VA hat ein Querschnitt von 12,6 cm² für 10A das ist 1,26cm² für 1A.
Habe eine Skize gemacht um es besser erklähren.

Grüße

Ekofun

[Bernd]

Die dünne Spitze hat, wie schon gesagt, nach meinem Verständnis keinen begrenzenden Einfluss sondern ist
nach meiner Meinung völlig ok so. Das die Klaue nach hinten dicker wird ist bedingt durch den nach hinten
ansteigenden magnetischen Fluss.
Die Klaue sammelt ja quasi über ihre ganze Länge magnetischen Fluss ein der dann am Klauenende natürlich viel
höher ist als an der Spitze. Daher kann die Spitze auch viel dünner ausfallen ohne etwas zu begrenzen.
Wenn am Klauenende 4 x 4mm ok ist, dann sollte an deren Anfang 1 x 4mm auch völlig ausreichend sein.

Wenn einn normaler 12 Volt 100 VA Trafo mit 1,2 cm² Querschnitt pro A auskommt, dann hätte der Nabendynamo
ja noch Luft bis ca. 2 A bevor das Eisen in die Sättigung geht, wenn nicht sogar noch mehr da der Trafo bei
100VA vermutlich auch noch nicht vollends in die Sättigung geht.

Grüsse

Bernd

[Manfred]

Hallo Bernd,

deine schönen Bilder haben bei mir "Bilder" erzeugt. In Formeln denken das kann ich nicht. Die "Bilder" müssen jetzt raus, bevor ich platze.

Der Trafo hat einen Luftspalt der kleiner oder grösser für die Leistungsregelung zuständig ist, so habe ich es verstanden.
Der Klauenpolgenerator hat zwischen Klaue und Magnet auch einen Luftspalt.

kleiner Luftspalt = gute Übertragung des magnetischen Flusses = mehr Leistung
grosser Luftspalt= schlechtere Übertragung des magnetischen Flusses
starker Magnet = höherer Magnetfluss = mehr Leistung
schwacher Magnet = kleinerer Magnetfluss

Wenn ich es richtig verstanden habe, dann bündeln und leiten die gblechten Klauen den Magnetfluss durch die Spule,verstärkt wird er nicht. Wenn das Blech dann satt ist geht nichts mehr rein und du kannst am am Rotor drehen so hoch wie du willst, es kommt nicht mehr dabei heraus.

Leistungssteigerung des Klauenpolgenerators

grösserer Gesamtdurchmesser = mehr Platz für die Unterbringung der Mechanik
stärkere Magnete (Streichholzmagnete) = mehr Leistung
ein sehr enger Luftspalt zwischen Klaue und Magnet = guter Magnetfluss = mehr Leistung
einen stärkere Blechung der Klauen = keine Sättigung
richtige Dimensionierung der Spule

Das alles so in die richtigen Grössenverhältnisse zu bringen ist nicht einfach und viel probieren und testen angesagt.
Der Klauenpolgenerator sieht auf den ersten Blick sehr einfach aus, hat es jedoch faustdick hinter den Ohren.

Grüsse
Manfred

[Bernd]

Ja richtig, überhaupt sind eiserne Generatoren meiner Meinung nach um ein vielfaches komplizierter zu
konstruieren als eisenlose, vom Umwickeln bereits fertiger Konstruktionen mal abgesehen.
Das sche... Eisen hat neben seinen Vorteilen auch sehr viele Nachteile. Die mögliche Sättigung, ab der
kein weiterer magnetischer Fluss mehr hindurch passt, ist einer der vielen Nachteile.
Sättigung kann man aber nicht durch Blechen beseitigen. Gegen die magn. Sättigung hilft nur ein möglichst
gutes Material und ein hoher Querschnitt wobei letzteres für uns vielleicht die einfachere Variante wäre.

Das Blechen hilft nur gegen die Wirbelströme die einen Teil der Drehbewegung des Magnetrotors in unnütze
Ströme innerhalb des Eisen verwandeln, in Wirbelstromverluste.

Der Luftspalt als solcher wirkt nicht begrenzend im Sinne eines entstehenden Knicks in der Leistungskurve.
Er sorgt "nur" dafür das die ganze Leistungskurve flacher verläuft da pro Drehzahl dann weniger Spannung erzeugt wird.
Das könnte man durch höhere Drehzahl kompensieren.

Woher kommt der Knick in der Leistungskurve eines Nabendynamos ?
Sollte die Idee mit dem Bypass für den magnetischen Fluss über die Klauenzwischenräume auch schon weit unterhalb
der möglichen Sättigung des Kerns wirksam werden ? Das könnte vielleicht die Lösung sein.

Grüsse

Bernd

[Ekofun]

Hallo Bernd, Manfred,

was Manfred geschrieben hat ist meiner Meinung nach richtige Weg um das im Versuch heraus zu bekommen, diese Geheimnis.Es gibt keine andere Komponenten mehr in Spiel,nur Kralen,Spule,Kern.Wenn "L" nicht der Grund ist,wenn Krallen Nicht der Grund ist(wo ich Zweifel habe) und wenn Kern auch nicht der Grund ist,dann müssen wir eine Testgeni wie Manfred es sagte machen und dann sehen wir wie er sich verhält.

Im Stadt hier gibt es mittlere Betrieb für Motorenwicklungen(Wicklerei).Habe diese Problem mit Daten,Fotos denen gezeigt und ob Sie glauben oder nicht Antwort war nur mit Schultern zucken,und dann diese Ding verstehen wir nicht.Nun wie viel Wissen vom solchen Leuten zu erwarten
were,habe keine Schimmer,denke mehr als eine der das als Hobi betreibt,oder?

Und wird noch immer behauptet "der ist einfach" aber wie Manfred sagte "hat er dick hinter der Ohren".

Grüße

Ekofun

[Manfred]

Hallo Bernd,

den Bypass - Gedanken hatte ich in meinen "Bildern" vollkommen unterschlagen. Könnte man das nicht durch das Entfernen von Klauen prüfen
Ich erwarte heute den Generator und dann sprechen wir mal die einzelnen Modifikationen durch und schauen mal was dabei heraus kommt.
Für die Messtechnik brauche ich dann noch genaue Anweisungen.

Grüsse
Manfred

[Bernd]

Ja man könnte jede zweite Klaue entfernen und hätte vermutlich dann nur noch die halbe Spannung pro Umdrehung.
Ebenso hätte man allerdings auch nur noch den halben Kernquerschnitt wie derzeit zur Verfügung.
Es wäre ein sehr interessantes Experiment das ich leider nicht durchführen kann da ich bei meinen Demontagen
"unwichtige" Teile, wie sie für den Wiederzusammenbau nötig wären, einfach weggeworfen hatte.

Wäre tatsächlich die Menge an Eisen, also der Eisenquerschnitt der durch die Spule verläuft, ausschlaggebend für
die maximale Höhe des Stroms, dann sollten nach Entfernung der Hälfte der Klauen auch bei hohen Drehzahlen nie
mehr als ca. 0,25 Ampere möglich sein. Manfred das ist ein hervorragendes Experiement um für Klarheit zu sorgen.
Ich freue mich das du als "Nichtelektriker" auf diese Idee gekommen bist.

Sollte die Menge an Eisen nicht der begrenzende Faktor sein sondern der "Bypasseffekt" die Bremse sein, dann sollte
durch die jetzt viel grösseren Abständen zwischen den Klauen der Strom bei höheren Drehzahlen deutlich über 0,25 A ausfallen.

Bevor du aber jede zweite Klaue entfernst sollten wir zuvor am kompletten Dynamo noch Messungen machen damit
wir die Veränderungen wirklich klar erkennen können.

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Ekofun so komisch es klingt aber Experten sind oft sehr sehr schmalspurige Fachidioten mit denen man
abseits ihrer gewohnten Bahnen absolut nichts anfangen kann.
Für mich ist immer entlarvent wenn ein "Experte" ohne zuvor das Internet oder sein Formelbuch zu befragen keine Einschätzung
zu einer neuen Situation abgeben kann. Leider gibt es viele die gar kein "Gefühl" für ihr Fachgebiet entwickeln und ohne passende
Formeln oder die Möglichkeit etwas nachlesen zu können aufgeschmissen sind.
Es wundert mich daher nicht das deine Motorenwicklerein null Ahnung von einer Bauformen hat die sie in der Firma nicht bearbeiten.

Kralle ist am Spize 1mm dick dann immer dicker bis 4,2 mm.Mit diesen Ausführung wächst magnetische Wiederstand imn Eisen,
und weill er so dinn ist kommt es schnell zu Sätigung,dazu kommt noch kleine Querschnitt,und schwache Magneten.

Der Querschnitt ist ja mal 14 zu nehmen, dann haben wir erst den wirksamen Eisenquerschnitt der durch die Spule führt.
Schwache Magneten würden einer Sättigung eher entgegen wirken, aber....... da kommt mir eine Idee, schwache Magnete !!
Es ist doch so das ein Magnet nur bis zu einer gewissen Grenze seinen Job erbringen kann und oberhalb dieser Grenze,
wenn das Gegenmagnetfeld das durch den in der Spule fliessenden Strom erzeugt wird zu gross wird, dann wird das ursprüngliche
Magnetfeld des Dauermagneten durch das Gegenmagnetfeld quasi aufgehoben, das ergäbe eine deutliche Leistungs-Grenze/Knick.
Diese Grenze, der genaue Begriff ist mir gerade entfallen, liegt bei den Ferritmagneten nach meinem Wissen recht niedrig.
Kann es sein das das unseren Dynamo in die Knie zwingt ?

Wenn dem so wäre würde eine Umbestückung von Ferrit auf Streichholzmagnete eine sehr deutliche Verbesserung bringen
falls dann nicht, durch die weit stärkeren Magnete, tatsächlich das Eisen dann zusätzlich in die Sättigung geht.

Manfreds und meine Idee sind glaube ich gute neue Ansatzpunkte um das Rätsel des Nabendynamos zu lösen. (Eigenlob )

Grüsse

Bernd

[andreas]

Hallo Bernd,

Was auffällt ist das die Induktivität von Primär und Sekundärspule nicht in dem Verhältnis der Windungszahlen
beider Wicklungen steht, was ich eigentlich erwartet hätte.

Spannungen und Windungszahlen verhalten sich proportional zueinander, die Induktivität steigt aber quadratisch zu den Windungszahlen. Das ist aber nichts neues und in jedem Elektro-Fachbuch nachzulesen. Wer es papierlos mag: N² taucht in allen diesen Formeln auf, die eine Induktivität ergeben.

MfG. Andreas