Baubericht eisenloser Ringgenerator, Großversion

[Bernd]

Ich habe gestern abend einen ersten Test mit einer provisorischen Spule mit 2 Windungen gemacht.
Heute will ich einen Fahrradtacho adaptieren, aber meine ersten Eindrücke zeigen das die Spannung
ca. 0,01 Volt pro U/min je Windung/Spule beträgt. Das ganze dann mal die Spulenanzahl.

Ein Beispiel:
Bei 60 U/min und je 10 Windungen pro Spule (20 Spulen) ergeben sich dann ca. 12 Volt.
Anders ausgedrückt brauche ich ca. 30 Windungen pro Spule um bei 20U/min auf 12 Volt zu kommen.

Hört sich vielleicht nicht so viel an, man muss aber bedenken das man einen grossen Querschnitt benötigt
und so ein Spule dann sehr dick wird, wobei man das nicht unbegrenzt steigern kann denn je weiter die
Drähte vom Magneten entfernt sind, desto weniger Spannung erzeugen sie.

Ich kontrolliere noch mal mit dem Fahradtacho als Drehzahlmesser.

Grüsse

Bernd

[Bernd]

So nun genaueres.
Ich habe eine Versuchsanordnung wie im folgenden Foto zu sehen aufgebaut
Die Magnetscheibe ist dabei drehbar vor dem Tisch stehend gelagert.
Ein Fahrradtacho nimmt die Drehzahl auf, ein Multimeter die inudzierte Spannung.



Als erster Test erfolgte die Messung mit einer Spule mit zwei Windungen, die in zwei unterschiedlichen
Abständen zum Magneten montiert wurde.



Als erstes erfolgte eine Messung bei der die Drähte allseitig ca. 8 mm Abstand zum Magnet hatten.
(Auf dem Foto sind es weniger)
Es ergaben sich mit dieser Spule mit zwei Windungen folgende Werte:

90 U/min = 0,21 Volt
60 U/min = 0,137 Volt
30 U/min = 0,057 Volt

Bei einem reduzierten Abstand von ca. 4 mm ergaben sich folgende Werte:

90 U/min = wegen Unwucht des Aufbaus durch Seitenschlag nicht möglich
60 U/min = 0,215 Volt
30 U/min = 0,10 Volt


Als nächstes folgte interessehalber ein Versuch, bei dem die Spule der Länge nach aufgeklappt wurde.
Wie das zu verstehen ist, ist auf dem folgenen Bild zu sehen:



Hier machte ich mehrere Messungen bei 60 U/min, aber mit unterschiedlichen Abständen zwischen
Magnet und Spule.
Der Abstand lässt sich hier prima durch verschieben des kleines Tisches verstellen.



Die Ergebnisse des Versuchs mit der geraden Spule:

60 U/min, Abstand 30 mm = 0,004 Volt
60 U/min, Abstand 15 mm = 0,028 Volt
60 U/min, Abstand 5 mm = 0,069 Volt
60 U/min, Abstand 2-3 mm = 0,088 Volt

Wie man sehr deutlich erkennen kann ist ein geringer Abstand zum Magneten sehr wichtig oder
anders ausgedrückt ist das eine weitere Variable bei der Berechnung.
Wer dazu tendiert vor dem Basteln erstmal alles genauestens berechnen zu wollen, dem kann ich diesen
Ringgenerator also nicht unbedingt empfehlen.
Alternativ hier einfach weiter mitlesen

Zurück zur eckigen Spule, also dem eigentlichen Spulenaufbau.
Da ich derzeit mit einer Spulendicke von ca. 1cm kalkuliere dürfte meine Messung mit der eckigen Spule
mit 8mm Magnetabstand als Mittelwert für die gesamte Spule recht gut hinkommen.
(man muss den Luftspalt zwischen Magnet und Spule mit rechnen)

Bei diesen 8mm Abstand ergaben sich pro U/min und pro Windung je Spule ca. 0,00114 Volt.
Mit diesem Wert kann ích nun den möglichen Spulenaufbau dimensionieren.

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo Bernd,
bezüglich Festigkeitsberechnungen kannst du mal eine Skizze mit den aktuell geplanten Hauptabmessungen anfertigen und den geschätzten Gewichten der Hauptkomponenten ?

Zwecks Nachrechnung deiner Messergebnisse, sind die Messwerte der induzierten Spannung Effektivwerte oder Peak?

Gruß CFD

[Bernd]

Es sind Effektivwerte. Skizze werde ich anfertigen.

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo Bernd,
anbei die Ergebnisse der Vergleichsberechnung:

FEMM-Simulation des Magnetkreises:
Aussendurchmesser = 600mm
Anzahl Magnete=48
Magnetmaterial= NdFeB 52MGOe

femm_48_600.png (197.27 KiB) 9487-mal betrachtet

Die Magnetische Flußdichte verhält sich in radialer Richtung wie folgt (0mm entspricht D=600mm d.h. Luftspalt=0mm, der Auswertepfad ist die rote Linie zwischen den zwei Magneten im obigen Bild):

femm_48_600_radial.png (13.8 KiB) 9477-mal betrachtet

Man erkennt, dass zwischen 0mm bis 5 mm die Magnetische Flussdichte kaum abnimmt. Danach ist der Abfall der Flussdichte annähernd linear.

Die Nachrechnung deiner Versuchsergebnisse mit der Formel für die Lorenz-Induktion ergibt folgendes:

8mm Luftspalt:

48_d600_8mm.png (24.51 KiB) 9476-mal betrachtet

4mm Luftspalt:

48_d600_4mm.png (24.63 KiB) 9477-mal betrachtet

Die Berechnungsergebnisse für 8mm Luftspalt stimmen sehr gut mit deinen Messergebnissen überein. Bei 4mm Luftspalt liefert die Berechnung niedrigere Werte zu deinen Messergebnissen.

Gruss CFD

[Bernd]

Vielen Dank für deine Berechnungen und die schönen, nachvollziehbaren Grafiken.
Ich freue mich immer sehr wenn zu komplexen Themen Grafiken gepostet werden.
Könntest du evtl. auch nochmal die Formel für die Lorentz Induktion posten ?
Evtl. auch die für die Spulenidnuktion ? ( falls greifbar )

In deiner Grafik hast du den Strich zur Ermittlung des Flusses genau zwischen zwei Magneten
positioniert. Genau an der Stelle ist der Fluss sicher am geringsten. Es würde sich bei einer
normal breiten Spule im späteren Wirkbetrieb an der Position genau zwischen zwei Magneten
zwar sicher die grösste Induktion ergeben, aber auch deswegen weil die Randbereiche des
(breiten) Spulenschenkels dann von höherer Flussdichte getroffen werden.

Trotzdem passt es ja so wie es ist in die Berechnung.
Die Formel geht davon aus das dieser Fluss im Umlauf quasi gleich bleibt.
Da der Fluss im Umlauf aber schwankt und es genau über dem Magneten einen Bereich gibt bei
dem gar keine Spannung erzeugt wird, kann man quasi diesen Fluss als "Durchschnittsfluss" im
Umlauf bezeichnen, der höhere und tiefere Werte includiert und angleicht ?

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo Bernd,
die induzierte Spannung berechne ich mit dieser Formel:

U_ind = 2 * Pi * f_n * r * B * l
U_ind = Induzierte Spannung (V)
f_n = Drehzahl des Rotors (1/s)
r = Radius des Rotors (m)
B = Magnetische Flussdichte (T)
l = Länge des Leiters der vom Magnetfeld durchsetzt wird (m)

Mal eine Frage bezüglich Messtechnik:
Ist dein Digitalmultimeter ein Echteffektivwert-Messgeräte (true RMS meter)? Ich bin nämlich noch auf der Suche nach dem Fehler zwischen Messung und Rechnung für den 4mm Abstand.

Nachfolgend habe ich mal eine Auswertung des Anteils des magnetischen Flusses gemacht, der beim rotierenden Rotor in einem Kupferleiter die Spannung induziert. Das ist ja nur der radiale Anteil des magnetischen Flusses (bezogen auf die Drehachse des Rotors).

Die Auswertung erfolgte entlang dieser Pfade:

Pfadauswertung 01.png (91.95 KiB) 9329-mal betrachtet

Im nachfolgenden Diagramm ist die höhe des radialen Anteils des magnetischen Flusses in Abhängigkeit des Luftspaltes dargestellt:

Pfadauswertung 02.png (47.2 KiB) 9314-mal betrachtet

Das Ergebnis der Auswertung ist in der Hinsicht interessant, weil daraus auf die Signalform der induzierten Spannung geschlossen werden kann.
Ab einem Spulenabstand von 8mm sollte ein sinusformiges Signal entstehen. Wohingegen bei einem Spulenabstand von weniger als 8mm ein Signal mit zwei Peaks pro Halbwelle entstehen sollte. Je geringer der Abstand, desto ausgeprägter die Peaks. Das sieht dann in etwa folgendermassen aus:

Signalform.png (3 KiB) 9305-mal betrachtet

Bei meinen Soundkartenmessungen habe ich dieses Verhalten auch schon beobachtet. Damals konnte ich mir es jedoch noch nicht erklären.

Zum Vergleich habe ich auch noch den Absolutwert des magnetischen Flusses (richtungsungebunden) ausgewertet.

Pfadauswertung 03.png (53.08 KiB) 9308-mal betrachtet

Gruß CFD

[Bernd]

Ist dein Digitalmultimeter ein Echteffektivwert-Messgeräte (true RMS meter)?

Nein, das wäre eine mögliche Fehlerquelle.
Der Fehler beträgt aber "nur" 25% und es ist zu bedenken das bei diesem provisorischen Aufbau
das ganze nicht 100%ig genau seiten- und höhenschlagfrei rotiert.
25% wären ja lediglich weniger als plus minus 1mm. Insofern finde ich es schon erstaunlich das
die Messung mit der Theorie recht gut übereinstimmen.

Ich bin im Besitz eines Oszis und werde mir die Spannung mal genauer angucken.

Genauere Ergebnisse, mit denen sich die Theorie noch besser mit dem Endergebnis vergleichen
lässt, wird es geben wenn ich eine "richtige" Testspule im Orginalformat, also so wie später im Einsatz,
gebaut habe. Diese "Realsspule" wid dann auch die unterschiedlichen Abstände innerhalb der Spule
zum Magneten berücksichtigen. Auch die Breite ist noch genau zu testen. Ich bin mir noch nicht sicher
ob eine Spule so breit wie die Magnetdicke, oder so breit wie der Magnetabstand, das bessere
Ergebnis liefern wird.

P.S. beim Testgenerator war die Sinuskurve so schön das man glauben könnte die wäre geschummelt.

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo Bernd,

P.S. beim Testgenerator war die Sinuskurve so schön das man glauben könnte die wäre geschummelt.

Meinst Du deine oder meine Messergebnisse?

Sinus.png (24.3 KiB) 9287-mal betrachtet

Ich habe extra nur Messergebnisse gepostet, bei denen der Luftspalt relativ groß und dadurch der Kurvenverlauf schön Sinusförmig war.
Den ~buckeligen~ Verlauf bei geringem Luftspalt habe ich auf den "höhenschlag" der Magnete zueinander (0,5 - 1 mm sind es bei mir schon) geschoben und die buckeligen Messkurven nicht veröffentlicht um niemanden damit zu verwirren. Ich habe sie nicht ein mal auf meinem Rechner gespeichert, sondern sofort wieder gelöscht.

Es wird wahrscheinlich so sein, dass berechneter Spitzenwert und daraus gebildeter Effektivwert (einfach multipliziert mit eins durch Wurzel zwei) mit dem vom Multimeter angezeigten (wie auch immer ermittelten) Effektivwert nicht ohne weiteres verglichen werden können. Zumindest nicht für Messergebnisse bei geringem Luftspalt, da dann das Signal von einem reinen Sinus stark abweicht. Letztlich wird für einen Vergleich zwischen Berechnung und Realität ein Oszi erforderlich sein.

Bin schon auf deine Messergebnisse mit dem Oszi gespannt. Wäre schön, wenn sich die Theorie (8mm-Grenze) in der Praxis bestätigen würde.

Gruß CFD

[Bernd]

P.S. beim Testgenerator war die Sinuskurve so schön das man glauben könnte die wäre geschummelt.

Meinst Du deine oder meine Messergebnisse?

Da meinte ich meine Sinuskurve, die ich am Oszi sah, fotografierte und auch postete.

Heute nun der gewünschte Versuch mit der visuellen Darstellung der erzeugten Spannung.
CFD ich kann nur sagen Volltreffer ! Der Spannungsverlauf zeigt sich genauso wie du es
vorher gesagt hast.
Verändert man den Abstand so wird die typische Sinuskurve zunächst oben platt um dann ab ca.
6 - 7 mm langsam in die "Doppelpeakform" überzugehen. Der Übergang ist fliessend.
Die Bilder wurden bei ca. 4mm Abstand gemacht.



Auch der Wert für die induzierte Spannung deckt sich jetzt mit der Theorie. Ich ermittelte bei 60 U/min
ziemlich genau 0,22 Volt Peak und sehe erst jetzt das es genau der Wert ist den du errechnet hattest.

Grüsse

Bernd