Scheibengenerator aus Multiplex, völlig eisenlos

[Bernd]

Laut den Ausführungen in dem von mir zuletzt verlinkten Dokument entstehen Wirbelströme sogar durch den
normalen Stromfluss im Leiter, wenn mehrere Leiter zu einem Litzenbündel zusammen geführt werden.
Diese spezielle Entstehung von Wirbelströmen lässt sich allerdings durch eine geschickte Verseilung verhindern.
So ist es in dem Dokument nach zu lesen.
Wer weiss, vielleicht hilft das auch bei "unseren" Wirbelströmen ?

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Unter 3.7.5 des folgenden Dokumentes ist nachzulesen das Wirbelströme in einem Metall dann NICHT auftreten
wenn sich dieses komplett im Magnetfeld befindet. Erst wenn Teile des Metalls aus dem Magnetfeld heraus ragen
kommt es zu dem Wirbelstromeffekt.

http://e3.physik.uni-dortmund.de/e3b/Ph ... lstrom.pdf

Grüsse

Bernd

[magneto]

Hallo Bernd

(...) gehen in die Wirbelstromverlustberechnung sämtliche Faktoren im Quadrat ein, als da wären (bezogen auf unsere eisenlosen Generatoren):

- Geschwindigkeit des bewegten Magnetfeldes
- Höhe des magnetischen Flusses
- Drahtdicke

Die Berechnung würde das natürlich sehr vereinfachen wenn das so stimmt.

Wenn dem so wäre, was ich hier zur Bestätigung durch euch hier anfrage, dann sind auch die typischen Dual-Scheibengeneratoren mit ihren zwei
Magnetscheiben und dem dazwischen liegenden Stator, der dort von einem hohen magnetischen Fluss (grobe Hausnummer ca. 0,75 Tesla) getroffen wird,
ebenso von den Wirbelstromverlusten betroffen wie mein aktueller Generator mit seiner höheren Drehzahl und dafür 3 x kleineren Fluss. (...)

Was die Drehgeschwindigkeit angeht, ich denke daß ihr Einfluß auf Wirbelstrome indirekt ist.
Direkten Einfluß hat wohl die Frequenz des Magnetfeldes – die wiederum von der Drehgeschwindigkeit und von Magnetenanzahl (aber nicht vom Durchmesser und Lineargeschwindigkeit) abhängig ist.
So ist auch (nach meiner Meinung) die hohe Drehzahl der Dualscheiben-Generatoren nicht eindeutig ausschlaggebend, denn die haben am meisten weniger Magnetenpaare auf ihrem Umfang eingebaut – also erzeugen auch niedrigere Frequenz.

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Auf den möglicht hohen Wert des magnetischen Flusses können wir bei Generatorbau nicht verzichten, den ohne ihn läßt sich kein Strom erzeugen.
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Zu den wichtigsten Faktoren, die man bei Wirbelstromvorbeugung berücksichtigt gehört der elektrische Widerstand.
Je größer er ist um so niedrigere Werte des entstehenden Wirbelstromes.
Dies ist der Grund dafür, daß man Trafos und Stators der Elektromaschinen aus Eisen mit Siliziumzusatz (große R-Wert) herstellt. Diese Möglichkeit für die Leiter wäre jedoch unsinnig und wir müssen bei Kupfer bleiben...

Das Ringen nach Erhöhung des elektrischen Widerstandes auf dem Verlaufweges der Wirbelstrome ist auch Hauptgrund dafür daß man ihren Weg zu verlängern versucht.
Diese Strome bilden sich naturgemäß annähernd Kreisförmig rund um den Draht – und wenn man den Draht abflacht (Flachdraht), dann sind diese Strome „gezwungen“ ungünstigen längeren Weg zu laufen – um den langen Umriß des Leiters rum.
Das Abflachen des Leiters um die Wirbelstrome zu begrenzen ist sowohl in Anwendung für Stators / Trafos, wie auch für die Kupferleiter möglich.
Am günstigsten wirkt die Abflachung des Leiters, wenn seine breite Seite parallel zum verlauf der Magnetlinien aufgestellt ist. Dies ist leider nur im Falle eines annähernd homogenen Magnetfeldes realisierbar.

Bei eisenlosen Genis ist das leider praktisch unmöglich, denn hier sind die Felder Bogenförmig und somit der Schnittwinkel des Feldes zur Flachseite des Drahtes variabel.
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Dies sind meine Überlegungen, die ich selbstverständlich nicht als unfehlbar betrachte – vielleicht sind die auch nicht ganz richtig....


Grüsse

Stefan

[Bernd]

Was die Drehgeschwindigkeit angeht, ich denke daß ihr Einfluß auf Wirbelstrome indirekt ist.
Direkten Einfluß hat wohl die Frequenz des Magnetfeldes – die wiederum von der Drehgeschwindigkeit und von Magnetenanzahl (aber nicht vom Durchmesser und Lineargeschwindigkeit) abhängig ist.
So ist auch (nach meiner Meinung) die hohe Drehzahl der Dualscheiben-Generatoren nicht eindeutig ausschlaggebend, denn die haben am meisten weniger Magnetenpaare auf ihrem Umfang eingebaut – also erzeugen auch niedrigere Frequenz.

Ich glaube das ist so nicht richtig, denn die von der Einwirkung eines bewegten Magnetfeldes auf ein Metall ausgehenden Wirbelströme
entstehen sogar ganz ohne Polwechsel z.B. wenn du einen Magneten über ein Blech ziehst. Dabei fühlt man auch gut den Einfluss
der Geschwindigkeit mit der man den Magneten über das Blech zieht auf die Höhe der entstehenden Wirbelströme.

Ebenso wie die Anzahl der Polwechsel beim eisenlosen Generator unerheblich für die induzierte Spannung ist,
so scheinen mir auch die Anzahl der Polwechsel für die Erzeugung der Wirbelströme beim eisenlosen Generator unerheblich zu sein,
wohl aber die Geschwindigkeit mit der Leiter und Magnetfeld zusammen treffen, ganz wie beim Beispiel mit dem Blech und dem Magneten.

Ganz anders sieht es in einem eisernen Kollegen aus. Hier entstehen Wirbelströme im Blechpaket durch den Auf- und Abbau des Magnetfeldes
innerhalb des Blechpaketes.
Deshalb ist hier die Geschwindigkeit mit der das geschieht (Anzahl der Polwechsel pro Zeiteinheit) entscheidend.

Ja den Widerstand für die Wirbelströme zu vergrössern wäre eine gute Lösung. Da sich die Wirbelströme anscheinend erst ausserhalb des
Magnetfeldes schliessen und somit die wirksame Spulenschenkellänge entlang laufen müssen, sollten folgerichtig eigentlich grosse
Spulenschenkellängen mit langen Magneten weniger Wirbelstromverluste produzieren.

Flachspulen halte ich mittlerweile bei einer Bauart mit einseitiger Magnetbestückung für völlig ungeeignet.
Der Grund ist das die induzierte Spannungshöhe in dem flachen "Draht" mit zunehmenden Abstand zum Magneten sinkt.
In der Nähe des Magneten entsteht im flachen Material ein höheres Spannungspotential als weiter vom Magneten entfernt.
Das sollte sehr sicher zu heftigen Verlusten durch Ausgleichsströme sorgen.

Hmm...... grübel..... das gilt natürlich immer, auch für einen realtiv dünnen Draht.
Auch im dünnen Draht erfolgt auf der Seite des Drahtes die dem Magneten zugewandt ist eine höhere Induktion als auf der Seite
die dem Magneten abgewandt ist. Durch den mit zunehmenden Abstand zum Magneten abnehmenden magnetischen Fluss kommt
es bei einem inhomogenen Magnetfeld, wie es nun mal bei einseitiger Magnetbestückung der Fall ist, zu diesem Effekt.
Das heisst der Draht auf seiner ganzen Länge entspricht ersatzweise zwei Drähten mit unterschiedlichen Abständen zum Magneten
die an ihren Enden parallel geschaltet werden, es fliessen Ausgleichsströme !!
Diese Art Verluste, der Entstehung von Ausgleichsströmen gleich im Draht selbst, hatten wir noch gar nicht berücksichtigt.

Danke Stefan das du das Beispiel mit der Flachspule nanntest. Das brachte mich erst auf den Gedankenanstoss.

Grüsse

Bernd

[magneto]

Ich glaube das ist so nicht richtig, denn die von der Einwirkung eines bewegten Magnetfeldes auf ein Metall ausgehenden Wirbelströme
entstehen sogar ganz ohne Polwechsel z.B. wenn du einen Magneten über ein Blech ziehst. Dabei fühlt man auch gut den Einfluss
der Geschwindigkeit mit der man den Magneten über das Blech zieht auf die Höhe der entstehenden Wirbelströme.

Ich nehme an, Du meinst, daß der Wirbelstromwert direkt abhängig ist von der Schnelligkeit, mit der der Magnet sich bewegt. Also anders gesagt – von der Schnelligkeit, mit der die Änderung des Flusses erfolgt. Geschwindigkeit der Bewegung und Schnelligkeit der Flußänderung sind hier gleichsam.
So weit einverstanden (?)
Die komplette Umpolung ist aber auch eine Änderung des Magnetflußwertes.
Je öfter die Umpolung geschieht, um so schneller ändert sich der Wert des Flusses.
In dem Sinne ist die lineare Schnelligkeit, mit der Du den Magnet bewegst, mit der Schnelligkeit der Umpolung (Frequenz) ebenfalls gleich zu stellen.

Ganz anders sieht es in einem eisernen Kollegen aus. Hier entstehen Wirbelströme im Blechpaket durch den Auf- und Abbau des Magnetfeldes
innerhalb des Blechpaketes.

Ich glaube, daß Wirbelstrome NUR durch den Auf- und Abbau des Magnetfeldes entstehen – egal ob der Auf- und Abbau des Feldes innerhalb des Volumens eines Leiters durch Bewegung eines Magneten oder durch Induktion vollbracht wird.
Das Prinzip ist überall gleich – Eisenpaket (und ein Blechstück in diesem Paket) als Metall ist auch ein Stromleiter.
In eisernen Generatoren Wirbelstrome entstehen in Blechpaketen des Stators und im Kupfer.
In Ferriten kommen allerdings ZUSÄTZLICH Ummagnetisierungsverluste (Hystereseverluste) in Betracht.
Diese Ferritverluste durch Hysterese sind hauptsächlich von Materialeigenschafen (Weich- oder Hartmagnetische Ferrite) und von Frequenz abhängig.

Grüsse

Stefan

[Ekofun]

Hallo Bernd,

habe gelesen Deine lezte Link (Fisik),der Versuch mit Münze ist interesant: Münze beim eintrit ins Magnetische Feld wird gebremst(Wirbel) inerhalb des Feldes fält mit normale Geschwindigkeit und bei austrit wird sie wieder gebremst.
Also wir haben Wirbelströme beim Eintritt und Austrit,inerhalb des Feldes sind es keine,so habe es verstanden.

Wie wäers: Dünne Draht, Wirklänge größer,und ganze Spule befindet sich in Magnetfeld,also diese Bogen die drausen sind ,sind jetzt in Magnetfeld.
Nach obige Versuch es gibt keine Eintritt und keine Austrit und erwartung nach obige Versuch ist keine Wirbelströme oder ganz minimale.

Die Wirklänge ist dann Magnetlänge minus Bogenlänge weill sich Spule ganz so wie ist inerhalb des Feldes befindet.

Das ist nur eine Überlegung,braucht nicht richtig sein aber diese Versuch brachte mich auf Diese Idee.

Grüße

Ekofun

[MaRiJonas]

Hallo Bernd,

ich habe jetzt Mal die Annahme aufgegriffen, das in einem Leiterstück der Schenkellänge l eine Spannung induziert wird. Diese bildet einen Strom aus, der in der eine Leiterhälfte hin und auf der anderen Leiterhälfte zurückfließt.

Als wirksame Fläche für das Magnetfeld habe ich die Maximale Fläche eines Wicklungschenkels angenommen = Schenkellänge x Drahtdurchmesser.

Daraus habe ich die induzierte Spannung berechnet mit Hilfe der Formel Ui = delta PHI / delta t, die Auftritt, wenn der Leiter in das Magnetfeld kommt oder dieses verlässt, also 96 Mal je Umdrehung.

delta t ist dann bei 918 U/min 6,81 * 10^-4 s

Die Änderung des magnetischen Flusses delta PHI = B x A = 0,25 T/qm * 0,04m * 0,00071m = 7,1 * 10^-6T

Daraus ergibt sich eine induzierte Spannung von 10,4mV.

Wenn ich nun die halbe Querschnittsfläche des Drahtes verwende, und die doppelte Schenkellänge, kann ich den Widerstand der theoretischen Leiterschleife des Wirbelstroms berechnen. R = rho * l / A = 1,79*10^-8 *0,08m / (0,00071^2 /8 * 3,14 ) = 7,23 mOhm

Mit P = U^2 / R ergibt sich für die Verlustleistung der Wirbelströme 0,015mW je Schenkelstrecke pro Magnetfeldänderung.

Bei 45 * 48 * 2 *2 Schenkellängen auf dem Scheibenrotator ergibt das eine maximal errechnete Verlustleistung durch Wirbelströme von 129 Watt.
Das ist etwa doppelt so viel, als Bernd gemessen hat (91W-23W=68W).

Das ist ja ein sehr gutes Ergebnis für so eine theoretisch aufgestellte Gleichung, denn sie liegt nur um den Faktor 2 zu hoch.
Auf jeden Fall viel besser als mein erstes Modell, das um einen Faktor von 5 Millionen daneben lag.

Unsere Annahme, dass dis komplette Schenkelfläche die wirksame Fläche für das Magnetfeld ist, war definitiv als zu groß angesetzt.
Jetzt wissen wir, dass eine effektive Fläche von 50% anzusetzen ist, um eine sehr exakte Formel zu erhalten, falls der physikalische Hintergrund zutrifft.

Jetzt habe ich das gleich Mal für den dünneren Draht gemacht, unter der Annahme, dass das gleiche Kupfergewicht "verwickelt" wird. Das sind dann um, 2,489 mehr Wicklungen. So komme ich auf einem bereits korrigierten Wert von etwa 27 Watt im Gegensatz zu 68 Watt.

Das würde bedeuten, die Wirbelströme sinken umgekehrt proportional zu der Anzahl der Wicklungen!

Unter der Voraussetzung, dass die gleiche Kupfermenge im gleichen Volumen untergebracht wird.

Vielen Dank Bernd, dass Du recherchiert hast, denn das deckt sich dann auch mit meinem Modell, dass der Strom erst da herum fließt, wo das Magnetfeld wieder weg ist.

Ich hoffe Ihr könnt und wollt den theoretischen Berechnungen und Überlegungen folgen.

Gruß

Richard

P.S.: So haben wir uns damals im Physikunterricht völlig unbekannten Effekten angenähert.

EDIT: Ich habe noch Mal nachgerechnet, da war noch der eine oder andere Fehler drin.
Es wäre gut, wenn das jemand noch Mal nachvollzieht/nachprüft, ob nicht noch Rechen- oder Denkfehler drin sind.

[Bernd]

Ich nehme an, Du meinst, daß der Wirbelstromwert direkt abhängig ist von der Schnelligkeit, mit der der Magnet sich bewegt.
Also anders gesagt – von der Schnelligkeit, mit der die Änderung des Flusses erfolgt.

Eigentlich nicht. Grundlage war dabei die Überlegung das Wirbelströme auch dann entstehen wenn sich ein Leiter innerhalb eines
nicht wechselnden Magnetfeldes bewegt, genauso wie ja auch Spannung erzeugt wird wenn sich ein Leiter in einem konstanten Magnetfeld bewegt.

Wir wir zwischenzeitlich erfahren haben können die Wirbelströme aber nur dann wirksam werden wenn Teile des Leiter aus dem Magnetfeld
heraus ragen. Das scheinen bei uns die Spulenköpfe zu sein. Daher finde ich Ekofuns Idee richtig das man vermutlich die Entstehung minimieren
könnte wenn man die Magnete bis über die Spulenköpfe hinaus ragen lässt.
In der Praxis wäre das aber sehr teuer und wieviel man damit gewinnt und ob sich nicht im Spulenkopf neue Wirbelströme ergeben, wenn der Magnet
nun dort auch noch drüber fährt, wäre noch abzuklären.

Es ist auch auf jeden Fall richtig was Stefan sagt, das Wirbelströme auch immer dann wirksam werden wenn ein Magnetfeld auf- oder abgebaut wird.
Das ist immer am Anfang und am Ende eines Magneten der Fall, also dann wenn der rotierende Magnet beginnt das Magnetfeld in einem Draht
aufzubauen und auch wenn der Magnet über den Leiter hinweg ist und sich wieder vom Leiter entfernt und das Magnetfeld somit wieder schwindet
und es dann in umgekehrter Polarität mit dem nächsten Magneten erneut los geht.
Beim Beispiel mit dem Blech und dem Magneten den man drüber hinweg führt, wäre das am Anfang und am Ende des Magneten der Fall.
Das Blechstück unter dem Magneten dürfte auch unter heftiger Wirbelstrombildung leiden wenn das Blech über den Magneten oben und unten hinaus reicht.

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Hallo Richard, ob man das so rechnen kann, soweit bin ich noch nicht.
Mein "Wissensgebäude" weisst noch zuviele Lücken auf.
Grundsätzlich denke ich aber schon das der Weg so in etwa stimmt.
Nur welche Weglänge der Stromschleife und welchen Querschnitt man zur Berechnung heran ziehen muss,
da bin ich mir noch nicht sicher.

Edit:
Ich sehe gerade das dein "Danebenliegen" um den Faktor 28 nun auf den Faktor 2 gesunken ist.
Ich habe leider nicht nachvollziehen können welchen Hintergrund das hat, was du nachträglich verändert hattest.

Unsere Annahme, dass dis komplette Schenkelfläche die wirksame Fläche für das Magnetfeld ist, war definitiv als zu groß angesetzt.
Jetzt wissen wir, dass eine effektive Fläche von 50% anzusetzen ist, um eine sehr exakte Formel zu erhalten, falls der physikalische Hintergrund zutrifft.

Da kann ich nicht folgen.
Was ist eine "Schenkelfläche" und warum muss man sie halbieren ?

Grüsse

Bernd

[Ekofun]

Hallo Bernd,

habe so gedacht;Magneten sind so groß wie man sich leisten kann aber z.B die sind 50mm lang dann ist auch Spule so groß mit Köpfen und steht unter Magnet,so dass nichts ausen ist.
Nachteil ist das Wirklänge nicht mehr Magnetlänge ist sonder diese Länge minus Spulenbogen,so zum Beispiel bleibt dan nur 3cm Wirkfläche übrig.
Eigentlich schade um verschenkte teuere Flußdichte,aber wenn dan keine Wirbelverluste von ca 100W entstehen kann sich vileicht lohnen.

Das könnte eine Art vom bekämpfung der Wirbelverluste sein,vileicht endeken wir noch bessere Weise das gleiche zu schaffen.

Grüße

Ekofun