Scheibengenerator aus Multiplex, völlig eisenlos

[MaRiJonas]

Hallo Bernd,

in dem Beitrag in Wikipedia, den Andreas über den Unipolgenerator schon gepostet hatte http://de.wikipedia.org/wiki/Unipolarmaschine, stehen unter N-Maschine interessante Sachen.

Da hast Du einen tollen Versuch gemacht, Bernd. Danke.

Bei dem Versuch mit der Stirnseite werden im magnetnahen Teil größere Wirbelströme erzeugt als im entfernteren Teil des Alustreifens.
Deswegen wird vorne stärker gebremst als hinten und der Streifen erfährt ein Torsionsmoment.

Dadurch, dass sich die magnetische Flussdichte auch nach hinten ändert, können sich da auch kleinere Kreise von Wirbelströmen ausbilden.
Somit ist die Bremswirkung eine stärkere als mit der flachen Seite, auch wenn diese sich im stärkeren Bereich des Magnetfeldes befindet!

Das bestätigt aber durchaus Deine Aussage, dass sich die Wirbelströme dann bilden (können), wenn das Magnetfeld im Leiter (zum SELBEN Zeitpunkt) irgendwo anders ist, sprich sich ändert. Die Wirbelströme müssen also immer so einen großen Kreis "laufen" bis sie im Leiter eine Magnetfeldänderung "finden". Sprich bei der flachen Seite ist das Magnetfeld über die ganze Schenkelfläche konstant und nur oben und unten hört das Magnetfeld auf. Bei dem Versuch mit der Stirnseite wird das Magnetfeld nach hinten schon bedeutend schwächer, deswegen bilden sich auch hier Wirbelströme.

Gruß

Richard, der sich hoffentlich verständlich genug ausgedrückt hat.

[Bernd]

Hallo Richard, ja der Unipolargenerator war mir schon bekannt und er ist auch schon im Forum mal besprochen worden.
Ich habe mir auch schon Seiten reingezogen gehabt wo er gebaut und untersucht wurde.
Besonders krass ist dabei das Paradoxon das auftritt wenn Magnet und Scheibe fest miteinander verbunden und
dann in Rotation versetzt werden. Da streiten sich die Gelehrten wohl bis heute wie das zustande kommt.
Wirbelströme scheinen bei diesem Generator keine zu enstehen, so lange sich die komplette Scheibe im homogenen Magnetfeld befindet.

Bei dem Versuch mit der Stirnseite werden im magnetnahen Teil größere Wirbelströme erzeugt als im entfernteren Teil des Alustreifens.
Deswegen wird vorne stärker gebremst als hinten und der Streifen erfährt ein Torsionsmoment.

Eigentlich ändert sich das Magnetfeld das auf den Alustreifen wirkt ja fast nicht, auch wenn es vorne stärker ist als hinten.
die Verteilung bleibt ja nahezu gleich.
Wenn Wirbelströme aber auch dann enstehen wenn sich das Feld nicht ändert, sondern es nur bewegt wird, dann ist
deine Erklärung logisch nachvollziehbar.

Aber betrachten wir diese Annahme mal bezogen auf die flache Alublechseite. Hier müssten dann heftige Wirbelströme entstehen
wenn der Magnet über die flache Seite des Bleches geführt wird und zu einer ebensolchen heftigen Abbremsung führen.
Tatsächlich tut sich da aber gar nichts im gleichförmigen starken Feld hinter dem Magneten...

Dadurch, dass sich die magnetische Flussdichte auch nach hinten ändert, können sich da auch kleinere Kreise von Wirbelströmen ausbilden.
Somit ist die Bremswirkung eine stärkere als mit der flachen Seite, auch wenn diese sich im stärkeren Bereich des Magnetfeldes befindet!

Das hört sich sehr gut an. Nahe am Magnet ist das Feld so stark das Wirbelströme "die grosse Runde" drehen müssen damit sich ihr Stromkreis schliesst.
Trotzdem würde ich dennoch einen merklichen Resteffekt erwarten und nicht das was der Versuch zeigte.

Oder ist der Grund das der Fluss sich auf dem Weg nach hinten abschwächt alleine schon ein Auslöser für eine stärkere Wirbelstrombildung ?
Sprich wenn ein Metall von unterschiedlichen (wenn auch konstanten) Flusstärken getroffen wird.

Grüsse

Bernd

[MaRiJonas]

Oder ist der Grund das der Fluss sich auf dem Weg nach hinten abschwächt alleine schon ein Auslöser für eine stärkere Wirbelstrombildung ?
Sprich wenn ein Metall von unterschiedlichen (wenn auch konstanten) Flusstärken getroffen wird.

JA, so habe ich das gemeint! Nur das Abnehmen des Feldes ist entscheidend und nicht die Stärke.

[Bernd]

Das Feld nimmt aber nicht in der Form ab das es sich auf- oder abbaut, wie es der Fall wäre wenn das Alublech
den Einflussbereich des Magneten verlässt oder es in den Einflussbereich hinein gerät. Das ist mir sehr
wichtig zu unterscheiden.
In diesem Fall liegt ein permanentes, nach hinten schwächer werdendes Magnetfeld am Alu an das durch
mich lediglich seitlich bewegt wird. Während der Bewegung bleibt das Magnetfeld in seiner räumlichen Ausprägung stabil.
Es wird nicht auf- oder abgebaut, es bewegt sich "lediglich" seitlich hin und her.
Während dieser Zeit wird die Vorderkante des Bleches ständig von einem hohen Fluss getroffen und die Hinterkante
ständig von einem niedrigeren Fluss.
(Ich spreche dabei von dem Versuch mit dem Alustreifen hinter dem Magneten bei dem selbiger auf die
schmale Seite des Bleches einwirkt.)

Man könnte es sich auch einfach machen und sagen das man diesen speziellen Effekt vernachlässigen kann wenn der
Leiter flach/dünn genug ist, wobei er noch relativ dick sein kann um diesen Effekt zu minimieren, siehe Versuch
mit der flachen Seite des Bleches.
Das gilt allerdings nicht wenn der gleiche Leiter von einem sich auf oder abbauenden Feld getroffen wird.

Grüsse

Bernd

[MaRiJonas]

Das bestätigt aber durchaus Deine Aussage, dass sich die Wirbelströme dann bilden (können), wenn das Magnetfeld im Leiter (zum SELBEN Zeitpunkt) irgendwo anders ist, sprich sich ändert.

Ja, das habe ich genau so versucht zu beschreiben. Mit anderen Worten könnte man auch von einem "magnetisches Potential" sprechen, das Wirbeltröme erzeugt. Dieses Potential kann örtlicher ODER zeitlicher Natur sein. Es sind durchaus zwei ganz verschiedene Sachen!

Gruß

Richard

[Bernd]

So sehe ich das auch und dann haben wir auch wieder die Analogie zu den beiden Induktionsformen.
Bisher scheint mir das Auftreten von Wirbelstrombildungen bei einer Flussänderung besonders heftig zu sein.
Der flache Alustreifen scheint ja geradezu am Magneten zu kleben wenn der Magnet mit einer
Außenkante über das Alu fährt.
Vielleicht sollte ich den Versuch auch noch mal mit einem runden Gegenstand wiederholen.
Idealerweise mit einem runden Kupferstab. Das entspräche dann besser unserem Generatorszenario.

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Vielleicht ist es Zeit für eine kurze Zusammenfassung.

- Fakt ist das die gemessenen mechanischen Verluste an meinem halb fertigen Generator zum überwiegenden
Teil auf Wirbeslstromverluste innerhalb der Statorwicklung zurück zu führen sind.

- Fakt scheint auch zu sein das Wirbelstromeffekte immer dann heftig auftreten wenn sich das Magnetfeld
in seiner Intensität ändert, es auf- oder abgebaut wird.

-unklar scheint noch die Phase zu sein in der sich ein Spulendraht komplett unter einem Magneten befindet
und somit nur von der Bewegung des (in seiner Intensität stabilen) Magnetfeldes erfasst wird.

- Die Drehzahl bzw. erzeugte Frequenz des Generators scheint im Quadrat in die Berechnung der Wirbelstromverluste
einzugehen, denn doppelte Drehzahl bedeutet doppelte Spannungsinduktion, leider auch der Wirbelstromspannung und
somit bei gleich gebliebenen Wirkwiderstand auch doppelter Wirbelstrom und dadurch die vierfache Verlustleistung.

- Die Wirbelstromverluste kann man durch die Verwendung mehrerer dünner parallel geschalteter Drähte reduzieren.

gibt es noch mehr Punkte die schon abgeklärt sind ?

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Ich stelle jetzt mal ein paar Behauptungen auf und stelle sie hier zur Diskussion ein.
Ich beziehe mich dabei auf Wirbelstromverluste in den Leitern des Spulenpaket eines eisenlosen Generators.

1) Wirbelstromverluste steigen mit dem Quadrat einer Drehzahlerhöhung an.

2) Wirbelstromverluste steigen mit dem Quadrat einer Erhöhung der Magnetanzahl/Polwechseln an.

2) Wirbelstromverluste verhalten sich proportional zur Querschnittsveränderung des Leiters

3) Wirbelstromverluste steigen mit dem Quadrat des Drahtdurchmessers an.

4) Wirbelstromverluste steigen mit dem Quadrat der Erhöhung des magnetischen Flusses an.

Eine Formel für die Berechnung der Wirbelstromverluste im Spulenpaket eisenloser Systeme müsste daher mind. folgende Elemente enthalten:

- erzeugte Frequenz² (oder Drehzahl mal Polwechsel)²
- Höhe des magnetischen Flusses²
- Drahtdurchmesser²
- wirksame Gesamtleiterlänge im Magnetfeld

Finde ich damit Zustimmung ?

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Ich habe die zur Diskussion stehenden Aussagen ergänzt.

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Ich wage mal einen noch wertefreien Einsatz des Formelgrundgerüstes das ich weiter oben benannte.

Der Verlust durch Wirbelströme innerhalb des Spulenpaketes eines eisenlosen Generators errechnet sich aus folgenden Parametern:

P wirbelverlust = (erzeugte Frequenz in Hz)² * (magnetischer Fluss in T)² * (Drahtdurchmesser in m)² * wirksame Gesamtleiterlängein m

Ob wir die Einzelfaktoren multiplizieren müssen ist mir unklar. Vielleicht ist das falsch. Wichtig scheint mir die Beachtung der Quadratzeichen
innerhalb der Formel da nicht alle Werte mit der gleichen Gewichtung in die Formel eingehen, siehe Gesamtleiterlänge.

Auf jeden Fall errechnet die Formel erstmal einen Wert der einem einheitenlosen Faktor für die Höhe der Verluste entspricht.
Damit liessen sich vielleicht Generatoren untereinander vergleichen, aber noch keine Absolutwerte der Verluste in Watt berechnen.
Für meinen halb fertigen Generator lautet die Verlustrechnung:

P wirbelverlust = 400(Hz)² * 0,25(T)² * 0,00071(m)² * 172,8m = 400² * 0,25² * 0,00071² * 172,8 = 160000 * 0,00625 * 0,000000504 * 172,8 = 0,864

Die Formel so umzubauen bzw. zu ergänzen das sie Absolutwerte in Watt ausspuckt überlasse ich euch.
Es fehlt noch der Formelanteil der eine Leistungsberechnung durchführt.

Edit:
Ich habe dieses Formelgrundgerüst mal auf einen anderen Generator angewandt, den Scheibengenerator aus dem Kleinwindshop den ich mal getestet hatte.
Als Wert für die Flussdichte habe ich 0,75 Tesla angenommen
Windungsanzahl 50 ( wusste ich nicht mehr genau )
Wirksame Schenkellänge 4,6cm
Drahtdurchmesser 1,6mm
Polwechsel pro Umdrehung = 12 = 6 Hz

Ich komme bei 1000 U/min (die dieser Generator für Nennleistung im Normalbetrieb nicht benötigt) zu folgenden Ergebnis:

P wirbelverlust = (100 Hz)² * (0,75 T)² * (0,0016m)² * 41,4m = 10000 * 0,5625 * 0,0000025 * 41,4 = 0,576

Das heisst das dieser Scheibengenerator bei 1000 U/min weniger Wirbelstromverluste produzieren würde als mein Generator mit
nur einer Statorscheibe aus 0,71mm Draht. So in etwa hatte ich mir das auch vorgestellt, eigentlich sogar noch krasser.
Man muss allerdings bedenken das ich den Stator ja noch erneuern werde, aus dem dünneren 0,45mm Draht.
Rein rechnerisch liegen die Verluste dann nicht mehr bei dem einheitenlosen Vergleichswert von 0,864 sondern dann
nur noch bei ca. 0,346 für einen Stator. Da mein Generator zwei Statorscheiben enthält wären es dann 0,692.

Grüsse

Bernd