Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

Beitragvon Mo75 » Di 4. Mär 2014, 15:50

Hallo allerseits,

mein Name ist Mario. Drei weitere Kollegen und ich planen eine Kleinwindanlage (Versuchsanlage) für ein Projekt an der Technikerschule, welches auch gebaut werden soll.

Da wir zur Zeit den Generator planen und ich nicht weiß, in welche Kategorie ein komplettes System am besten passt, fange ich mal hier an.

Zur Zeit sind wir noch in der Planungsphase. Festgelegt haben wir bisher:
- C-Rotor mit 3 Flügeln, Durchmesser x Höhe: 0,7m x 0,7m
- Dual-Scheibengenerator, 3-phasig, Durchmesser 20cm bis max 25cm, nicht zu schlechter Wirkungsgrad
- Laderegler für 12V-Akku auf dieser Basis http://www.timnolan.com/index.php?page=arduino-ppt-solar-charger
- Dazugehörige Lüfterwand mit 9x 20cm Lüfter für ca. 6m/s max

Das ganze soll bis Ostern incl. Doku stehen!! :o
Budget max. 1000€

Nun erstmal zu dem Generator:

Wir haben bereits eine ganze Weile mit dem Berechnungs-Excel-Tool von DanielCV herumgerechnet und uns an vermeintlich optimale Werte herangetastet. Dabei sind mir einige Unstimmigkeiten in dem Sheet aufgefallen, dazu später oder an anderer Stelle mehr.

Eine der zur Zeit favorisierten Versionen hat folgende Eckdaten:
- 3phasig
- 4 Spulen pro Phase
- Rotordurchmesser 20cm
- 119Wdg/Spule mit 0,5mm Drahtac
- Magnete 40x10x10, Luftspalt 10,7mm
- Ladebeginn (12>V) bei 3m/s
- Wirkungsgrad bei 12V (3m/s) 91%

Ich habe mal ein bisschen gekritzelt und so könnte der Rotor mit der Magnetanordnung aussehen:

Image00002.jpg
Magnetkreis 20cm
Image00002.jpg (122.33 KiB) 6489-mal betrachtet



Die FEMM-Simu am "Innenkreis" dazu sieht so aus:

Neue Bitmap.png
Femm
Neue Bitmap.png (29.75 KiB) 6489-mal betrachtet



Den Stator überlagert mit dem Rotor stelle ich mir so vor:

Image00005.jpg
Stator mit Rotor
Image00005.jpg (102.67 KiB) 6489-mal betrachtet



Was meint ihr, könnte das was geben?

Wir haben noch alternative Berechnungen mit 15 und 18 Spulen gemacht, wobei der Abstand der Magnete immer beibehalten wurde. Der Wirkungsgrad geht dabei schön hoch (dickerer Draht mit weniger Wdg pro Spule), aber auch die "Materialschlacht" im Hinblick auf die Projektgröße.

Zur Wirkungsgradberechnung:
Habe ich das richtig verstanden, daß das Excel-Sheet den Wirkungsgrad immer auf die Systemspannung (hier 12V) bezieht und mit einem Laderegler dahinter dies so nicht zu gebrauchen ist?
Ich habe das Sheet so abgeändert, daß aus einer angenommenen Windgeschwindigkeit von zB 6m/s (in Feld D76) eine um den entsprechenden Faktor (hier mal 2) multiplizierte Spannung als Basis zur Wirkungsgrad- bzw Stromberechnung (in Feld F74) herangezogen wird. Dies erhöht den Wirkungsgrad bei höheren Geschwindigkeiten.

Das soll für's erste reichen... ;)

Grüße,
Mario
Mo75
 
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Re: Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

Beitragvon Mo75 » Di 4. Mär 2014, 16:14

Eine Frage möchte ich noch nachreichen:

Wie wichtig ist es die Spulenschenkel exakt unter die Magnete zu legen?

Für mein Verständnis erzeugt das den saubersten Sinus mit dem höchsten Peak. Wenn man die Spule nun rechteckig wickelt hat man weniger Drahtwiderstand: Vorteil. Dafür wird der Sinus evt nicht mehr so sauber und hoch, dafür eher flacher und breiter ausfallen, weil zu keinem Zeitpunkt die komplette Spule v.d. Magnetfeldlinien gekreuzt wird, sondern eher "nacheinander".
Frage ist ob die erzeugte Leistung die selbe ist....
Eine ähnliche Frage stellt sich bezüglich der Schenkelbreite, die wir - hab ich vergessen oben zu schreiben - erstmal mit 7mm angenommen haben. Dies ist zwar mehr als die halbe Magnetbreite (10mm/2), die hier von Bernd des öfteren "angepriesen" wird, aber sollte nach meinem Bauch ;) noch gut gehen. Hat dann nicht ein breiter Schenkel, der evt nie komplett vom mag. Fluss durchquert wird eine ähnliche Auswirkung wie Schenkel, die nicht 90° durchquert werden, also auch zu keiner Zeit den kompletten Fluss abbekommen?

Gruß,
Mario
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Re: Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

Beitragvon Bernd » Di 4. Mär 2014, 16:59

Ich glaube das ihr grundsätzlich alles richtig gemacht habt.
Durch die geringe Breite der Magneten bzw. durch deren grossen Abstand zueinander bleibt viel ungenutzter Raum auf der Magnetscheibe.
Genauso sieht es dann auch auf der Statorscheibe aus.
Aber vielleicht war das dem preislichen Aufwand geschuldet ?
Aber wenn ihr eure Zieldaten erreicht ist es ok.

Ohne euch jetzt verwirren zu wollen ist die Höhe der induzierten Spannung nur von der Flussänderung pro Zeiteinheit im Spulenkern abhängig.
Über rechteckige oder trapezförmige Spulen würde ich mir keine so grossen Gedanken machen, der Unterschied in der maximalen Leistungsausbeute
dürfte fast gleich Null sein aufgrund der Punkte die du selber schon nanntest.


Grüsse

Bernd
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Re: Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

Beitragvon herbk » Di 4. Mär 2014, 17:38

Hi
geht das Berechnungs-Excel-Tool von DanielCV von Windgeschwindigkeit oder Umfangsgeschwindigkeit des Genis aus?
Gruß Herbert
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Re: Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

Beitragvon vm » Di 4. Mär 2014, 18:53

Hallo Mario

Mach mal noch ein Bild des Flussdichte Verlaufs ( integral BN ) bei Femm ( bei "ansehen " die rote Linie zwischen die 2 Punkte zwischen den Magneten ,und Interalbefehl , da sollte eine Kurve bei herauskommen)

Und wen ihr es schon ausgerechnet habt die mittlere Länge einer Windung .
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Re: Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

Beitragvon Mo75 » Di 4. Mär 2014, 20:41

Ich versuche mal nacheinander auf alle Punkte einzugehen.

@Bernd:
Der "große" Abstand zwischen den Magneten ist dadurch entstanden, daß ich bei der Zeichnung einfach mal von 20cm Durchmesser ausgegangen bin. In der Simu zeigt sich ja recht deutlich, daß schon ein nicht unerheblicher Anteil des Flusses zum Nachbarmagneten ungenutzt verlohren geht, wesshalb ich diesen Abstand nicht weiter verringern wollte. Dazu kommt, dass dann das Joch enger wird und, soweit ich das verstanden habe, keinesfalls unter Magnetbreite kommen sollte. Ich dachte mir, dass ein bisschen Reserve auch hier nicht schlecht ist: Joch etwas breiter als Magnet und Schenkel etwas schmaler als Magnet.
Oder ist es doch sinnvoll die Magnete noch enger aneinander zu rücken?
Von den Kosten her kommt es auf ein paar Magnete nicht an, auch die Version mit 18 Spulen und 48 Magneten ist denkbar.
Das mit der Flussänderung im Spulenkern hab ich die letzten Tage schon versucht zu verstehen (hab hier die ganzen Beiträge gelesen), kann mich aber irgendwie besser mit der "Leiter bewegt sich im Magnetfeld" anfreunden.

@Herbert:
Das Berechnungs-Tool geht von Windgeschwindigkeit aus. Mit Hilfe der Schnelllaufzahl errechnet es intern die Drehzahl. Dies geschieht über die meiner Meinung nach nicht korrekte Berechnung des Umfanges in Spulenmitte. Hier hat das Excelsheet mMn noch ein paar Fehler. Ich habe zB die Formel in F11 von
=(D14+(D16*2)+D17+D15+(D16*2))*D11/2/1000 auf
=((D14+D15)/2+D17+(D16*2))*D11/1000 geändert.
Erschien mir logischer die Schenkelbreite nicht 4fach zu rechnen. Auch muss man bedenken, dass das Tool nicht "narrensicher" ist.
Aber hier sieht man, dass es bisher reine Theorie ist.
Das Tool findest du hier:
http://www.daswindrad.de/forum/viewtopic.php?f=8&t=668

Ich hänge mal meine Version unten an.

@vm (glaube Volker?)
Die mittlere Windungslänge habe ich noch nicht errechnet. Im Excel-Tool wird eine Spule mit 17m angegeben. Bei 119 Wdg ergäben das 0,143m pro Wdg. Wobei ich noch nicht genau untersucht habe, wie das Tool hier rechnet.

Hier die FEMM-Simu mit Verlauf im Luftspalt auf Magnetbreite. Links ist der Magnetabstand wie ursprünglich 13mm, rechts auf 10mm verringert. Man sieht, dass bei engerem Abstand der Fluss etwas abnimmt.
Links: Average B.n = 0.445954 Tesla
Rechts: Average B.n = 0.428651 Tesla
Klar, is nich die Welt, aber man kann ja noch Verluste wegen engerem Joch erwarten, oder?

Neue Bitmap.png
Femm Simu
Neue Bitmap.png (451.4 KiB) 6457-mal betrachtet

ich hoffe man kann es lesen...

Ich frage mich allerdings, warum im Excel-Tool mit ziemlich genau doppelter Feldstärke gerechnet wird...

Hier noch die Excel-Berechnung
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Re: Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

Beitragvon vm » Di 4. Mär 2014, 21:11

Hallo Mario


Ja ich bin Volker ( leider kann man seit der letzten Attacke Beiträge nicht mehr ändern wenn sie einmal abgesendet sind )

Ich habe mal etwas rumgerechnet

Der C-Rotor ist 0,7X 0,7 m hat also 0,49 m^2.

Damit kann er bei 30% Wirkungsgrad ( 30% der Windenergie wird in Mechanische Leistung umgesetzt , was schon viel ist )
folgendes leisten.

3m/sek Wind.......2,39 Watt auf der Welle .............Leerl. 81U/min ......Last 60 U/min
6.....................19,12............................................163...................122
9.....................64,52............................................245...................184


Bei meinem geschätzten Spulenumfang von 0,13m und 119 Windungen bei 4 Spulen / Phase komme ich schon auf 5,5 Ohm / Phase , was bei 3 Phasen nach Gleichrichtung etwa 9,5 Ohm Geni-Widerstand bedeutet und recht viel ist .

Der Rest dauert noch etwas .

mfg.Volker
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Re: Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

Beitragvon Mo75 » Di 4. Mär 2014, 21:25

Hi Volker,

kein Problem wegen dem Namen...

Auf diese Leistungs-Werte komme ich bzw das Excel-Toorl vom Bernd auch. Allerdings bin ich immer von 20% ausgegangen.
Aber wie kommst du an die Leerlauf- und Lastdrehzahlen? Da rechnet das Excelsheet irgendwie anders...

MArio
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Re: Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

Beitragvon Ekofun » Di 4. Mär 2014, 21:37

Hallo Mario,

Nach Deinen Daten ( B = 0,45 T ; D-Rech. = 0,16 m) habe Windungen gerechnet für eine Wechselspanung von 14 V.

U/min = 70 ; Wdg = 133 pro Spule
U/min = 100 ; Wdg = 95 pro Spule
U/min = 150 ; Wdg = 63 pro Spule
U/min = 200 ; Wdg = 47 pro Spule

Es sind 4 Spulen pro Fase wie Sie gesagt haben und 16 Mags pro Scheibe.

Grüße

Ekofun
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Re: Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

Beitragvon Mo75 » Di 4. Mär 2014, 22:01

Hallo Eko,

dank auch dir für die Berechnungen.

Im Prinzip scheint sich das mit meinen Rechnungen bzw mit denen des Excel-Tools ganz gut zu decken. Ich hatte ja 119 WIcklungen für 12V in Sternschaltung. Bei TSR 0,7 und 3m/s WInd ergibt das knappe 60U/min.
Was meinst du mit D-Rech? Ist das der Durchmesser an Mitte Spulenloch, also 16cm?

Gruß,
Mario
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