Hilfe beim Scheibengenerator (C-Rotor, Schulprojekt)

[Mo75]

Hallo zusammen und danke für die Kommentare!

Da ich grade dabei bin schonmal für die Doku alles in Worte zu fassen, nur kurze Meldung.

@Bernd

Wenn ich es recht sehe hast bei dem Energiegehalt aber den nötigen Abstand
zwischen Magnetscheiben und Spulen ausser Acht gelassen ?
Wenn der noch beim Energiegehalt berücksichtigt wird dürfte sich das Ergebnis noch ein klein wenig verschieben schätze ich.

Haupsächlich darin unterscheiden sich doch die beiden Beiträge/Screenshots auf dieser Seite (18). Oben ist der Energiegehalt mit nötigem Abstand, unten ohne den Abstand aus Femm abgelesen. Ansonsten sind die Werte in dem Sheet identisch. DIe 2. Version habe ich gemacht, weil mir bei der ersten Version aufgefallen war, das der Energiegehalt ziemlich gut mit dem resultierenden Spulenwiderstand korreliert. Aber eben etwas verschoben. Habe dann "einfach mal versucht" und herausgekommen ist das 2. Diagramm. Ich glaube ich hatte das auch erwähnt... Ergebnis in diesem Beispiel: Energiegehalt auf gesamten Luftspalt maximieren maximiert den Wirkungsgrad. Kann in einer anderen Rechnung natürlich wieder etwas anders aussehen. Alleine die Abweichungen/Rundungsfehler durch die Drahttabelle erzeugt wahrscheinlich schon einen hohen Fehler...

Aus die Wirbelstromverluste waren wir meine ich schonmal kurz eingegangen. Da der Wert so winzig war, hab ich das später außer 8 gelassen. War hoffentlich nicht so schlimm...

@Volker:

Der Winkel der Spulenschenkel sollte mit dem der Magneten Übereinstimmen damit sie beide gleichzeitig mittig und gerade zu beiden Magneten stehen.( in der Magnetmitte ist der höchste Fluss und nimmt zum Rand zu stark ab )

Das fand ich jetzt mal interessant. Bisher wurde es eher als unwichtig kommentiert, aber für mich ist auch logisch, dass die höchste Spannung dann induziert wird, wenn die Schenkel radial zur mitte gerichtet sind. Allerdings braucht es dann mehr Kupfer am Spulenkopf und der Vorteil könnte ggf wieder verpuffen. Ich fand meine Variante einen guten Kompromiss. Rein subjektiv natürlich... Genau an der Stelle bin ich grade an der Doku...

[Mo75]

Für die Doku hab ich es so formuliert:

Wie in dem Bild zu sehen ist wurden die Innenseiten der Spulenschenkel radial zum Mittelpunkt hin ausgerichtet. Dies ist der Tatsache geschuldet, dass die Magnetfeldlinien den Leiter möglichst im 90° -Winkel durchqueren sollen. Optimal wäre eine Ausrichtung der Spulenschenkelmitte radial zur Rotorwelle, was jedoch einen höheren ohmschen Widerstand durch größere Wicklungslänge zur Folge hätte. Das andere Extrem wären rechteckige Spulen mit den geringsten ohmschen Verlusten. Somit haben wir uns für einen Mittelweg entschieden. Dies bietet zusätzlich den Vorteil einer kleinen Platzreserve zwischen den Spulen für den Fall, dass die Schenkelbreite beim Wickeln in der Praxis breiter ausfällt als in der Theorie.

Was meint ihr, lohnt das die paar Winkelgrade noch in Kupfer umzusetzen? Nach dem Motto wer A sagt...

[Bernd]

Optimal wäre eine Ausrichtung der Spulenschenkelmitte radial zur Rotorwelle

Nur die Mitte ? Kann nicht folgen was du damit aussagen willst. Sehe kein Bild vor mir.
Ich halte es sowieso zumindest für fraglich ob eine trapezförmige Spule eine höhere Induktion zur Folge hätte
als eine rechteckige Spule, denn für die Formel der Spuleninduktion durch den wechselnden magnetischen Fluss in
ihrem Kern reicht der rechteckige Aufbau voll auus.
Das könnte man vielleicht mal mit einem Versuch mit zwei unterschiedlichen Spulen klären.

Ergebnis in diesem Beispiel: Energiegehalt auf gesamten Luftspalt maximieren maximiert den Wirkungsgrad

Beschreibe noch mal bitte wo du Unterschiede in den Werteproportionen der beiden Szenarien siehst, ich erkenne leider keine.


Grüsse

Bernd

[Mo75]

Morgen Bernd,

Nur die Mitte ? Kann nicht folgen was du damit aussagen willst. Sehe kein Bild vor mir.

In dieser Skizze ist die Ausrichtung der Spulen zu sehen. Die Trapezform ist so ausgelegt, dass die Innenflanke eines jeden Spulenschenkels zum Mittelpunkt zeigt. Rein theoretisch wäre es ideal, wenn jeder Draht im Schenkel in Richtung Mitte zeigt, damit die Magnetfeldlinien den Draht im 90°-Winkel kreuzt. Das ist nicht ohne weiteres realisierbar und desshalb würde man die mittlere Wicklungslage des Spulenschenkels zur Mitte ausrichten. Das war mit "Ausrichtung der Spulenschenkelmitte radial zur Rotorwelle" gemeint. Sollte ich vllt noch umformulieren . Ich denke, so hat Volker das auch gemeint. D.h. auf die Skizze bezogen würde das Spulenloch außen statt 30mm auf knapp 40mm erweitert werden müssen.

Ich halte es sowieso zumindest für fraglich ob eine trapezförmige Spule eine höhere Induktion zur Folge hätte
als eine rechteckige Spule

Ich mag da irgendwie schon dran glauben, bin mir aber überhaupt nicht sicher, daher auch nur die "leichte" und nicht "perfekte" Trapezform als Kompromiss.
Wenn wir das in der Theorie nicht klären können, muss ein Versuch gemacht werden. Ob wir die Zeit dazu finden ist fraglich. Ich glaube, dass sich zumindest die Form der entstehenden Sinuskurve etwas ändern würde.

Beschreibe noch mal bitte wo du Unterschiede in den Werteproportionen der beiden Szenarien siehst, ich erkenne leider keine

Der Satz lautete gestern aber auch noch etwas anders
Am einfachsten stelle ich beide Diagramme nochmal gegenüber, ich denke, das sollte alle Klarheiten beseitigen :

Energiegehalt vs Spulenwiderstand.png (122.56 KiB) 8838-mal betrachtet

Mein Gedanke dabei war, dass das linke Diagramm einen Zusammenhang zwischen Energie und Widerstand erkennen lässt, die Kurvenmaxima bzw. -minima aber nicht optimal zusammenfallen. Desshalb nochmal das rechte Diagramm, wo die Gesamtenergie als Vergleich genommen wurde. Hier passt jetzt der "Enengie-Buckel" prima zum "Widerstands-Tal". Ob das Zufall ist oder nicht? Dazu müsste man wenigstens mal mit anderen Generatorgrößen simulieren/rechnen um eine halbwegs brauchbare Aussage zu bekommen. Aber das überlasse ich dir für deinen noch mit Leben zu füllenden Beitrag in den Grundlagen

Gruß,
Mario

Edit: Update Screenshot (gleiche Skalierung der Diagramme). Jetzt sehe ich erst selbst, dass die Kurven auch im linken Diagramm schon ganz gut zusammen passen. Die Zahlenwerte in der Tabelle sagen aber klar, dass bei geringestem Widerstand die höchste Energiedichte über die gesamte Fläche herrscht.

[Mo75]

Nachtrag:

@Eko
Bernd schrieb:

Da erschien uns die Energiedichte genau das richtige zu sein.
Ekofun war der erste der diesen Weg in unserem Forum heraus fand.

Ich möchte nicht mich nicht "mit fremden Federn schmücken" und daher wollte ich nicht unerwähnt lassen, dass Eko mich im Laufe dieses Threads ja auch erst auf die Idee gebracht hat! Danke dafür!

@Bernd:

Ich meinte eher die kurzzeitige Strombelastbarkeit, also wieviel Ampere kann der Draht im Extremfall kurzzeitig ab ohne gleich zu verschmoren.

Ja, das ist verständlich. Daran hatte ich nicht gedacht sondern nur an die Dauerbelastbarkeit.
Durch den massiveren Aufbau hat man für kurzzeitige Leistungsspitzen auch mehr Wärmekapazität zur Verfügung...

gruß,
Mario

[herbk]

Guten Morgen Mario,
mal 2 Dinge die mir spontan in den Sinn kommen, wenn ich die beiden Diagramme sehe:
Für was soll die Simulation einer Situation die ich niemals bauen kann gut sein?
und
Wenn ich den Drahtdurchmesser auch bei den größeren Spulenhöhen weiter in 0,05er Schritten anhebe, wird sich der Widerstand auch weiter nicht viel erhöhen, der "Nutzbereich" also noch breiter werden. Irgendwie sind die Diagramme für mich so aus, dass sie etwas beweisen sollen was so gewünscht wird.
Sehe ich mir das linke Diagramm genau an, ist für mich der Bereich der besten Energienutzung zwischen 10 und 12mm Spulenhöhe, bis 14mm ist es immer noch sehr gut und wenn Du ab 14mm den Drahtdurchmesser wie vorher auch anhebst, dann hast Du bis fast 18mm Spulendicke eine Energie von > 0,9Joule bei fast nicht steigendem Widerstand.

[Mo75]

Moin Herbert,

ich glaube, dass hier etwas missverstanden wird.

Für was soll die Simulation einer Situation die ich niemals bauen kann gut sein?

Was kann man denn deiner Meinung nicht bauen?
Bitte verwechsle nicht die Fläche zur Energiebestimmung mit der reell genutzten Fläche, in der die Spule liegt. Diese ist IMMER mit 2mm Reserve gerechnet (Also Luftspalt minus 2mm, wie in allen Rechnungen vorher auch). Ich vergleiche hier nur die Zahlen, da tatsächlich (theoretisch) vorhanden sind.

Formeln.png (225.78 KiB) 8834-mal betrachtet

Wenn ich den Drahtdurchmesser auch bei den größeren Spulenhöhen weiter in 0,5er Schritten anhebe, wird sich der Widerstand auch weiter nicht viel erhöhen, der "Nutzbereich" also noch breiter werden.

Wie willst du den Durchmesser erhöhen, wenn kein Platz ist? Und dann noch direkt 0,5mm?
ALLE Windungszahlen sind nach den bekannten Formeln für die gewünschte Spannung berechnet. Dann wurde über die Dichte (Windungen pro cm²) aus der Drahttabelle der entsprechende Durchmesser ausgesucht. Darauf wiederum basiert die Widerstandsberechnung. Alle Versionen aus der Tabelle können (theoretisch) ohne weiteres so wie sie da stehen gebaut werden.

Irgendwie sind die Diagramme für mich so aus, dass sie etwas beweisen was so gewünscht wird.

Was meinst du damit?
Wenn du den Zusammenhang "maximale Energiedichte - geringster Spulenwiderstand" meinst: JA, das wäre doch für uns alle super, oder nicht? Dass das aber durch diese eine Rechnung hier nicht gesichert ist, hatte ich ja schon ein erwähnt...

wenn Du ab 14mm den Drahtdurchmesser wie vorher auch anhebst

Das hätte ich ja auch gemacht, wenn es denn gepasst hätte. Siehe errechnete Dichte (Wdg/cm²) und dann Drahttabelle.

Gruß,
Mario

[Mo75]

Zwei Hinweise noch:
- In den Diagrammen ist auf der x-Achse die Höhe des Luftspaltes und nicht die Spulenhöhe angegeben.
- Der Drahtdurchmesser für 14mm Luftspalt muss korrekterweise 0,85mm und nicht 0,9mm sein. Dies ändert den Spulenwiderstand von 0,548 auf 0,614Ohm. Dies verursacht einen leichten Knick in der Kurve, der aber nichts grundlegendes ändert:

Energiegehalt vs Spulenwiderstand_korr.png (7.38 KiB) 8823-mal betrachtet

[Bernd]

Mein Gedanke dabei war, dass das linke Diagramm einen Zusammenhang zwischen Energie und Widerstand erkennen lässt, die Kurvenmaxima bzw. -minima aber nicht optimal zusammenfallen

Das sie es nicht tun liegt an den praxisnah gewählten Werten für den nötigen Luftspalt.
In den beiden Konstellationen ergeben sich daher auch andere optimale Abstände zwischen den Magnetscheiben.
Bei der Berücksichtigung des nötigen Luftspaltes kommen wir auf einen optimalen Magnetabstand von 10 bis 12mm.
Ohne den Luftspalt kommen wir auf einen optimalen Magnetabstand von 8mm, welcher aber praxisuntauglich wäre da kein Spulenträger mehr dazwischen passt.

Wie auch immer finde ich es erstaunlich das die Werte für den Abstand, die man "aus dem Bauch heraus" verwenden würde, nämlich Magnetabstand
etwa gleich Magnetdicke oder etwas mehr, gleichzeitig auch wissenschaftlich betrachtet, zumindest in diesem Beispiel, die optimalen sind.

Die Betrachtung der optimalen Raumverhältnisse zwischen den Magnetscheiben anhand der sich ergebenden Energiedichte ist der Schlüssel zur Lösung der Frage gewesen.
Zuvor gab es oft recht kontroverse Meinungen zu diesem Thema. Einige meinte superdünne Statoren und eine möglichst hohe Flussdichte wäre der Köngisweg, als auch
das genaue Gegenteil dessen wurde schon hier im Forum vertreten.
Ich glaube diese Frage wurde nun abschliessend geklärt.


Grüsse

Bernd

[Mo75]

Bei der Berücksichtigung des nötigen Luftspaltes kommen wir auf einen optimalen Magnetabstand von 10 bis 12mm.
Ohne den Luftspalt kommen wir auf einen optimalen Magnetabstand von 8mm, welcher aber praxisuntauglich wäre da kein Spulenträger mehr dazwischen passt.

Rein von der Energiedichte ist der Fall eindeutig. Warum aber ist der errechnete Widerstand bei 10 oder 12mm etwas höher als bei 8mm mit den jeweils entsprechenden Drahtstärken? Laut Berechnung hat die 6mm-Spule (81*0,75mm) den geringesten Widerstand. Oder ist das am Ende garnicht so relevant, sondern vielmehr, dass die Energie bei den 10-12mm-Versionen "besser" per Induktion "übertragen" wird, also mehr Spannung erzeugt, die den höheren Widerstand mehr als ausgleicht? Wieder nur graue Theorie...

Zuvor gab es oft recht kontroverse Meinungen zu diesem Thema. Einige meinte superdünne Statoren und eine möglichst hohe Flussdichte wäre der Köngisweg, als auch
das genaue Gegenteil dessen wurde schon hier im Forum vertreten.

Gibt es da einen Thread oder Link zu, wo man die Diskussion noch nachlesen kann? Würde mich interessieren...

Gruß,
Mario