2 kW-Anlage

[CFD]

Hallo Wilfried,
um etwas Klarheit über den magnetischen Fluss zu erhalten, habe ich deinen Entwurf mal in FEMM simuliert.
(Magnetabmessungen: 30x30x10 - 40MGOe - 1,3 EUR/Stück)

Geometrie:

U-Eisen-Generator_V2_01.png (16.99 KiB) 6728-mal betrachtet

FEMM-Simulationsmodell:

Einseitige Anordnung:

In 10mm Entfernung vom Magnet beträgt die magnetische Flussdichte gemittelt über 30mm ca. 0,32T (Ausgewertet wurde der rote Pfad im Bild)

Zweiseitige anordnung: Luftspalt: 40mm

U-Eisen-Generator_V2_04.png (299.1 KiB) 6730-mal betrachtet

In 10mm Entfernung vom Magnet beträgt die magnetische Flussdichte gemittelt über 30mm ca. 0,45T (Ausgewertet wurde der rote Pfad im Bild)

Ergebnis:
Total ungeeignet - wie man zuerst vieleicht vermutet - ist die einseitige Anordnung nicht.
Ein Nachteil gegenüber der zweiseitigen Anordnung ist aber, dass das Magnetfeld mit der Entfernung immer schneller abnimmt. Es wird schwierig werden, genug Kupfer in den Bereichen mit einer ausreichend hohen magnetischen Flussdichte unterbringen zu können.
Bei der doppelseitigen Anordnung ist das Magnetfeld im Luftspalt nahezu homogen (gleicher Wert und Richtung). Jeder Leiter, der im Luftspalt angeordnet wird, sieht die gleiche "hohe" magnetische Flussdichte.
Die doppelseitige Anordnung hat eine um ca. 40% höhere magnetische Flussdichte im Spulenbereich (-> 40% höhere Spannung bei gleichem Innenwiderstand)
Kann man auf eine 40% höhere Spannung bei einem extrem langsam laufenden Generator verzichten?

Gruß CFD

[Wilfried]

Hallo Bernd,

es ist mir schon ein bisschen unangenehm, eigentlich gehört das Thema ja in eine ganz andere Rubrik. Für uns verzahnt sich das nur so sehr, weil die Trägerplatte für die Flügel ja auch die Magnete tragen soll.
Damit die Magnete bei kippelnder Scheibe nicht die Spulen berühren, haben wir an eine Gleitfläche gedacht welche einen Sicherheitsabstand garantiert. Und als zusätzlichen Ausgleich montieren wir immer zwei Magnetpakete gegenüber, jeweils um 90° versetzt, insgesamt also vier.
Und den magnetischen Fluss könnte man von den U-Magneten fast vollständig durch Spulen mit Eisenpaketen ziehen. Hier ist nur ein kleiner Luftspalt zu überwinden, im Gegensatz von Pol zu Pol.

Grüße aus Hannover - es schneit hier mal wieder, bei Minus 8 °C, doch unser Rotor dreht unermüdlich seine Runden, auch im Dunkeln
Wilfried

[Wilfried]

Hallo CFD,

sehe gerade Deinen tollen Beitrag. Wie ich Bernd schon schrieb, könnte man den magnetischen Fluss doch mit Eisenpaketen durch die Spulen ziehen und hätte dann nur einen Luftspalt von wenigen Millimetern. Also, auf der einen Seite den U-Magnet mit ziemlich weitem Polabstand und gegenüber ein Eisenpaket mit Spule - dachte ich mir so

Beste Grüße
Wilfried

[Bernd]

zwei Punkte die ich wichtige finde möchte ich noch anmerken.
Zum einen wurde die Flussdichtebetrachtung jeweils in einem Abstand von 10mm erstellt.
Bei der doppelseitigen Ausführung steht aber nicht nur nach 10mm die ermittelte Flussdichte zur Verfügung,
sondern wie CFD schon schrieb nahezu im ganzen 40mm hohen Luftspalt. Das ist ein riesen Vorteil.

Umgekehrt ist der geringere Fluss bei der einseitigen Anordnung nur bis 10mm so hoch vorhanden, oberhalb
dieser Grenze nimmt er rapide ab.

Summa sumarum verschlechtern sich die Nutzbedinungen bei einseitiger Anordnung und voller Nutzung des
bespielhaften Luftspaltes von 40mm weit extremer als bei den im Beispiel ausgewählten jeweils 10mm.

Nächster bisher unbewerteter Punkt :
Das Verhältnis von den Bereichen in denen nutzbringend Spannung induziert wird zu denen bei denen es nicht
der Fall ist, also Freiraum ohne nennenswerten Fluss bzw. waagerecht verlaufenden Fluss, liegt sehr ungünstig.
Wie in den Beispielgrafiken zu erkennen stehen diese beiden Bereiche in etwa in einem Verhältnis von 1 : 3.

Grüsse

Bernd

[Bernd]

könnte man den magnetischen Fluss doch mit Eisenpaketen durch die Spulen ziehen und hätte dann nur einen Luftspalt von wenigen Millimetern

Das halte ich mechanisch bei einem so grossen Durchmesser für äusserst schwierig, denn dann wirken ja immense
Kräfte die versuchen die beiden Scheiben aufeinander zu ziehen. Das könnte ungünstigenfalls durch die langen Hebelarme
dazu führen das sich Magnete und eiserne Spulen auf einer Seite so stark anziehen, das sie sich berühren und aufeinander kleben
und dafür Magnete und Spulen auf der anderen Seite auseinander klaffen, mal ganz abgesehen von den Nachteilen eiserner Konstruktionen.
ich würde UNBEDINGT bei einem sowieso schon aufwändigen Selbstbau IMMER versuchen auf Eisen in den Spulen verzichten zu können.
Das wäre so als ob man einen Porsche baut und dann 135er Räder einer Ente montiert.

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo wilfried,
Spulen mit einem geblechten Weicheisenkern haben nicht nur Vorteile.

- Elektroblech in der richtigen Geometrie erforderlich (Sonderanfertigung)
- Bleche müssen miteinander zu einem Blechpakt verbacken werden (Vorrichtung erforderlich)
- Blechpakete und Magnete ziehen sich mit enormen Kräften an -> erschwerte Montage, hohe axiale Lagerbelastung
- Cogging -> verursachen Schwingungen
- höheres Gewicht im Vergleich zu eisenlosen Spulen

Gruß CFD

[Bernd]

Und als zusätzlichen Ausgleich montieren wir immer zwei Magnetpakete gegenüber, jeweils um 90° versetzt, insgesamt also vier.

Das kann ich mir jetzt nicht vorstellen wie du das meinst, eine Skizze wäre hilfreich.

Grüsse

Bernd

[Wilfried]

Hast Recht, aber für eine Skizze fehlt im Moment die Zeit. Gemeint war, dass am Außenrand der Scheibe alle 90° ein Paket mit den Spulen und Stabilisatoren sitzt, welche entweder als Gleitflächen oder als Magnetlager arbeiten, System Magnetschwebebahn.

Hallo CFD, die aufgezählten Nachteile sehe ich weniger kritisch.


- Elektroblech in der richtigen Geometrie erforderlich (Sonderanfertigung).
Kein Problem, U-Bleche aus der Serie, ein Freund hat eine moderne Travowickelei.
- Bleche müssen miteinander zu einem Blechpakt verbacken werden (Vorrichtung erforderlich)
auch kein Problem
- Blechpakete und Magnete ziehen sich mit enormen Kräften an -> erschwerte Montage, hohe axiale Lagerbelastung
sollten in den Griff zu bekommen sein
- Cogging -> verursachen Schwingungen
da liegt meine größte Befürchtung - Geräusche - die Scheibe wirkt wie ein Lautsprecher, muss wahrscheinlich mit "Antidröhn" beschichtet werden
- höheres Gewicht im Vergleich zu eisenlosen Spulen
fällt bei der Gesamtkonstruktion, Mast mit Vorderachse und dem Container noch darunter, kaum auf.

Ich denke das Eisen spart Magnetgröße und erhöht den Wirkungsgrad, denn so werden fast alle Feldlinien durch die Spule gezogen, während bei "Luftspulen" das Feld doch stark streut. Der magnetische Fluss lässt sich gut über den Luftspalt drosseln, also dem Abstand zwischen Permanentmagnet und Eisenpaket.

Muss mich nun aber erstmal schnell um eine andere Baustelle kümmern

Beste Grüße
Wilfried

[Bernd]

Es ist richtig das man unter Einsatz von Eisen mit weniger Magnetmasse auskommt, das wars dann aber
auch schon mit den Vorteilen eines eisernen. Auf der anderen Seite sind dann nur noch Nachteile

Ein "eiserner" Generator hat keinen höheren Wirkungsgrad als ein eisenloser, sondern in aller Regel sogar
einen deutlich niedrigeren !
Man muss unterscheiden zwischen Wirkungsgrad und Baugrösseneffizienz, das wird oft verwechselt.
Das bedeutet bei gleicher Leistung ist der eisenlose meistens grösser als ein vergleichbarer eiserner, das hat aber
absolut nichts mit dem Wirkungsgrad zu tun !
Wirkungsgrad ist das Verhältnis von aufgenommener mechanischer Energie, zu abgegebener elektrischer Energie.

Beim Wirkungsgrad liegt ein eisenloser in aller Regel weit vorn, ganz einfach weil er nicht die ganzen Eisenverluste
aufweist. Beim eisenlosen muss nicht ständig Eisen ummagnetisiert werden und er hat auch mit viel geringeren
Induktionen zu kämpfen.
So hat ein eiserner in "deiner" Leistungsklasse meist einen Wirkungsgrad vom um die 70 - 85% und ein gut
gebauter eisenloser kann durchaus, gerade im wichtigen Teillastbereich(!), auf über 95 % kommen.

Da kommt so ein Eisending, gerade im Teillastbereich, nicht mal annähernd hin !

Bei wenig Wind werden die Unterschiede noch krasser. Hier siegt der eisenlose mit noch weiterem Abstand weil für ihn
einfach keine Leistung aufgebracht werden muss um seine (nicht vorhandenen) mechanischen Verluste zu überwinden.
Jedes bisschen Leistung kann der eisenlose sofort und nur durch die Verluste innerhalb seiner Spulen begrenzt, in elektrische
Energie umwandeln. Der Ladebeginn setzt früher ein, das Windrad dreht sich häufiger, die energetische Gesamtbilanz liegt positiver.
Beim eisernen wird bei wenig Wind ein gutes Teil der zur Verfügung stehenden mechanischen Energie zur Überwindung
der Leerlaufverluste verbraucht.

Nicht ohne Grund sind daher die eisenlosen Scheibengeneratoren für Windräder so beliebt.
Das Windrad dreht früher, es dreht häufiger und erzeugt früher Energie.

Das eisenlose durch das Fehlen magnetischer Rastungen auch nicht so viele Schwinungen in das Windrad
induzieren sei nur am Rande erwähnt, denn dieser Vorteil ist eher geringer Natur da die stärksten Schwingungen
bei der Energieerzeugung selbst enstehen, unabhängig ob eisenlos oder nicht. Hier ist die Phasenanzahl für
eine geringe Geräuschentwicklung entscheidend.

Für Eisen gibt es nach meiner Auffassung nur zwei Argumente, sie sind in der Anschaffung meist günstiger und
sind bei vergleichbarer Nennleistung kleiner. Andere pro Eisen Argumente kenne ich nicht.

So das wars jetzt.
Wenn diese Argumente nicht überzeugen dann freue ich mich auf den vermutlich ersten Selbstbau eines grossen
eisernen Generators von dem wir in einem Windradforum hören werden. Auch dieser Baubericht und seine
Ergebnisse werden sicher sehr interessant sein. Das ist nicht ironisch sondern ernst gemeint.

Grüsse

Bernd

[Wilfried]

numa sachte, wie der Hannoveraner saacht, noch sind wir beim Brägenstorming und beleuchten das Problem speziell für Möglichkeiten unserer Konstruktion - runde Wabenplatte, D = 2 m, als Flügelträger und vielleicht auch als Magnetträger.

Beste Grüße
Wilfried