Induzierte Spanungsberechnung im Lehrlauf?

Spannungserzeugung durch Spulen und Magnete wie funktionierts, Formeln und mehr

Re: Induzierte Spanungsberechnung im Lehrlauf?

Beitragvon Ekofun » Mo 11. Mär 2013, 14:41

Hallo Aloys,

ja,wir haben vom eine lange Formel diese gemacht und die ist sehr gut und mann kann sie leicht in Gedechnis behalten.

Aber,kannst Du uns sagen wie werdest Du rechnen eine Geni den Du machen willst(voraus) der 15 V haben soll bei 50 U/min und 300 W Leistung,als Beispiel.Es ist sehr interesante Thema und ist schön zu wissen mehrere Berechnungsarten,denke ich.Danke im voraus.

Grüße

Ekofun
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Re: Induzierte Spanungsberechnung im Lehrlauf?

Beitragvon Famzim » Mo 11. Mär 2013, 17:31

Hallo Ekofun

Für genaue Berechnungen werden auf jeden Fall Erfahrungswerde benötigt, die oft sehr ernüchtern sind.
Ich habe solche aber nur mit Eisengeneratoren gemacht, die ich auch schon gepostet habe.
Ein kleiner, unter Hochpolmaschine, ich füge es mal hier an um eine auswertung zu machen.
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Gewickelt sind 90 Windungen auf jeden Steg, macht dann pro Phase 360 Windungen.
Der Widerstand ist 1,5 Ohm pro Phase.
Schaltung ist Sternschaltung.
Die Lehrlaufwechselspannung zwischen 2 Phasen ist 23,7 V bei 314 Hz . =940 U/min.

Dann kam ein 3 Phasen Gleichrichter dran.
Lehrlaufspannung dann 32,02 V
Dann der Belastungstest bei gleich bleibender Drehzahl.
-- 28,24 V -- 0,20 A -- 5,65 W
-- 26 76 V -- 0,30 A -- 8,03 W
-- 25 40 V -- 0,40 A -- 10,16 W
-- 24,23 V -- 0,50 A -- 12,11 W
-- 23,11 V -- 0,60 A -- 13,86 W
-- 21,68 V -- 0,72 A -- 15 60 W
-- 20,40 V -- 0,83 A -- 16,93 W
-- 19,44 V -- 0,90 A -- 17,50 W
-- 17,53 V -- 1,03 A -- 18,05 W
-- 16,00 V -- 1,13 A -- 18,15 W
-- 12,25 V -- 1,30 A -- 16,60 W gemessen an einem 12 V Akku !
--- 0,07 V -- 1,66 A --- 0,1 W gemessen bei kurzschluß am Gleichrichter.
Vor dem Gleichrichter zwischen 2 Phasen sind 1,7 V ~ zu messen !

Der beste Betriebspunkt liegt dann bei halber Lerlaufspannung ( 32 V durch 2 = 16 V).
Der günstigste Strom liegt bei (1,13 A : 1,66 A = 68 % Kurzschlußstrom :)
So sieht es aus !
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Da sagt der Erfahrungswert für Spannung das die Lehrlaufspannung doppelt so hoch sein muß wie die Spannung bei maximaler Leistung.
Nehme ich den Wirkungsgrat mal mit rein ist das aber nicht so gut.
Also erst noch mehr Daten
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Ich habe mal versucht dem Eta auf die Schliche zu kommen und das Drehmoment mit gemessen!
Wieder bei 940 U/min, mit einem stärkeren Belastungspoti .
Lehrlauf benötigt dann eine Leistung von 1,1 W .

27,14 V --- 0,25 A ---- 6,78 W --- mechanisch 8,28 W --- Eta 82,0 %
24,12 V --- 0,50 A --- 12,06 W --------------- 14,38 W --- Eta 83,8 %
23,00 V --- 0,60 A --- 13,80 W --------------- 16,38 W --- Eta 84,2 %
21,78 V --- 0,70 A --- 15,25 W --------------- 18,40 W --- Eta 83,0 %
20,66 V --- o,80 A --- 16,53 W --------------- 20,10 W --- Eta 82,0 %
19,32 V --- 0,90 A --- 17,40 W --------------- 21,54 W --- Eta 80,7 %
17,70 V --- 1,03 A --- 18,23 W --------------- 22,72 W --- Eta 80,2 %
16 00 V --- 1,13 A --- 18,08 W --------------- 22,16 W --- Eta 77,4 %
12,24 V --- 1,30 A --- 15,90 W --------------- 22,66 W --- Eta 70,1 %
7,00 V --- 1,50 A --- 10,50 W --------------- 18,58 W --- Eta 56,5 %
0,50 V --- 1,65 A --- 0,82 W ---------------- 9,92 W --- Eta 8,2 %
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Wie angegeben benögtigt der G eine Leistung von 1,1 W für diese Drehzahl, im Lehrlauf.
Wenn ich von 32 V Lehrlauf ausgehe ist der beste Wirkungsgrat bei 23 V, und das sind ~ 72 % dieser Spannung.
Dann ist, bedingt durch den nidrigen Strom, die Leistung nur 76 % des Maximums.
Das Eta aber 4 % besser.
Durch eine Drehzahlsteigerung stiege dann auch der Strom weiter, und der Generator hätte dadurch noch Leistungsreserve.

Such ich mal nach dem Spannungsverlust durch den CU Widerstand, der 1,5 Ohm pro Phase ist, und auf Drehstomverhältnisse dann ~ 2,6 Ohm beträgt, würde ein Kurzschlußstrom bei 32 V durch 2,6 Ohm gleich 12, 3 A fliessen, von denen er aber nur 1,66 A erreicht.
Das beste Eta hat er bei 0,6 A und die höchste Leistung bei ~ 1 A .
So etwas kann an fertigen Generator getestet werden, und dann werden Rückschlüsse daraus gezogen, die dann Erfahrungswerte genannt werden.
Der drastische Spannungseinbruch bei höheren Strömen endsteht durch Rückwirkungen der Elektromagnetfelder aus den Generatorspulen.
Diese sind entgegengesetzt des Feldes der Magnete.
Durch, und im Luftspallt, wirkt das nicht nur als Schwächung, das wäre nicht so stark, sondern zusätzlich durch Umleitung zum Nachbarmagnet.
Bei einem anderen Generatorversuch habe ich zusätzliche Meßspulen eingelegt, um die Induktionsspannung die noch wirkt, zu messen.
Das ist eine Motor-Generatorkombi, und ich lasse mal alle werte drin, auch wegen der Drehzahlschwankungen.
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Nochmal Messungen:
Motor nun der 32 Poler und Generator 28 Pole.
Darum die etwas niedrigeren Drehzahlen!
Drehzahl--- Moment--- Motor V--- Motor A--- Gen.V (Y)- Gen.Strom- Mess Spule
3500 --------20 -------34,4------3,3---------22,6------------0------3,25 (Strom nicht gemessen).
3370 --------40 -------33,9------5,5---------21,0------------0------3,09
3010 -------120--------32,6-----13,6---------15,2-----------11,4----2,41
2930 -------140--------32,0-----15,7---------14,0-----------13,7----2,21
2870 -------160--------31,6-----17,9---------11,9-----------17,1----1,9
2860 -------164--------31,5-----18,4---------10,0-----------19,4----1,62
2880 -------160--------31,7-----17,7----------8,5-----------21,0----1,41
3070 --------97--------32,5-----11,2----------2,9-----------24,0----0,75
U/min-------Ncm---------V--------A------------V-------------A-------V
--------------------------------------------
In der hinteren Reie runter sind also die Meßspulenwerte, die nur nach Drehzahl und Magnetfeld geht.
Die Spannung brich da Unverhältnismässig zusammen.
Auch das Dehmomend ist nicht synkron mit dem Generatorstrom.
Wenn da die dritte Reie, mit 120 Ncm und 11,4 A Generatorstrom mit der letzten Reie bei ~ Kurzschluß verglichen wird, da sind dann nur 97 Ncm für den doppelten Strom von 24 A nötig.
Auch oben bei dem kleineren Generator sind bei Kuzschluß keine 10 W Wellenleistung nötig , gegenüber etwa 22 W bei max Leistung.
Das ist auch der Grund das ein Windrad durchgeht, trotz Bremsung mit Generatorkurzschluß.

Ich bin mir eigentlich sicher, das ein Dualgenerator sich ähnlich bei Überlast verhällt, das kann auch bei niedrigeren Drehzahlen getestet werden, um das Spannungs und Stromverhältnis des Generators zu ergründen.
Vergleicht man diese Werte mit den Berechnungen, können Neuberechnungen auch genauer vorbestimmt werden.
Es muß der Generator einfach mal, bei gleichbleibender Drehzahl, über den besten Eta und die gröste Leistung noch stärker belastet werden, um den Knickpunkt wo er einbricht zu finden.

Wenn es mit Feem geht würde mich eine Sim interessieren von einem Dualgenerator.
ZB : Magnete 20 mm breit und 10 mm dick. Luftspallt 10 mm, und mitten drinn ein Magnet, auch 20 mm breit aber nur 1 mm dick.
Dieser aber entgegengesetzt, also N Pol zu N Pol und S Pol zum S Pol gerichtet.
Das ist in ähnlicher weise, das Magnetfeld der Generatorspulen.
Ich habe davon zwar eine eigene Vorstellung im Kopf, aber ein Bild einer Simulation wäre schon sehr interessant.

Gruß Aloys.
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Re: Induzierte Spanungsberechnung im Lehrlauf?

Beitragvon Ekofun » Mo 11. Mär 2013, 19:23

Hallo Aloys,

danke Dir für ausführliche Bericht über Deine Genis,sehr interesant,glaube das die alle male Halbachgenis sind.Was mich stört ist große Drehzahl der nötig ist um Spanung zu bekommen.Werde aber das noch studieren.
Haben Sie irgendwan ein normale Eisengeni vom Drehstrommotor gemacht?,ich habe mehrere gemacht eine ist noch da,muss nur breitere Ferritmagneten besorgen,die sind zu schmal,dann ist er noch besser.Anlauf(Rastung) ist 0,044 Nm.

Diese Simu werde Dir machen,brauche nur Volpolzah also wieviel Spulen pro Fase,dann denke soll er 3 Fasen haben?
Versuche es als Scheibengeni machen,wenn nicht gelingt dann mache es als Kreis.

Grüße

Ekofun
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Re: Induzierte Spanungsberechnung im Lehrlauf?

Beitragvon Famzim » Di 12. Mär 2013, 11:22

Hallo Ekofun

Schon mal Danke für die Sim :) die sicher auch andere interessiert.

Da es nur um den Feldverlauf zwischen den Magnete geht, können die 1mm Magnete auch synkron, also 12 stück zwischen 12 "Haubtmagneten" sitzen.
Also 20 mm breit, 10 dick (ist die Länge wichtig dann auch 20 mm) , der Seitenabstand zwischen den Magneten auch 20 mm , und der Luftspallt 10 mm, mit dem 1 mm Magnet in der Mitte, entgegengesetzt gepolt.

Zu Meinen Generatoren.
Die sind gewichtsobtimierte Modellmotoren, das heist Leistung aus Drehzahl !
Dazu mal ein paar Vergleiche.
1: Kleinmotoren mit Bürsten und Feritmagneten wiegen für 100 W Leistung gute 300 g und drehen 10 000 U/min.
Dann wurde weiter entwickelt auf Cobaltsamarium.
2. Diese Bürstenmotore wogen nur noch 100 g bei einer Leistung von 100 W, brauchten auch nicht unbedingt die hohe Drehzahl, sondern kamen auch mit 6 000 bis 8 000 U/min schon dahin, bei gleichzeitig besserem Wikungsgrad.
Die nächste Steigerung kam mit der Entwicklung der hochpoligen Drehstrom-Synkronmotoren.
Diese in "Einzelzahnwicklung" gebauten Motoren haben bei gleicher Drehzahl die 5 oder 7 fache Frequenz wie die Bürstis.
Das Drehmoment ist wesendlich höher und der Kupferanteil erheblich kleiner .
Da wiegt ein (wirklich) kleiner 100 W Motor nur noch 10 bis 20 g , allerdings ist die Drehzahl eben sehr hoch.
Nimmt man "so einen" nun als Generator bei 100 U/min, sinkt natürlich die Leistung mit der Drehzahl.
Da geht es dann die Leistung durch 10 000 mal 100, oder einfach nur noch 1 % der Motorleistung zu kalkulieren.
Im Generatorbetrieb sind dann leider, nur noch mal die Hälfte raus zu holen.

Zu Generatoren mit Feritmagneten:
Da Feritte etwa nur 0,3 Teslar bei geschlossenem Magnetkreis haben, bringen sie nur etwa 0,15 T im Luftspallt.

Die Stege mit den Wicklungen sollten aber schon mit 1,2 T geflutet werden, um halbwegs ausgenutzt zu werden.
Rechnerisch muß also der Magnet dann 8 mal breiter sein wie der Steg in der Spule.
Der breite "Hammerhopf", der das Feld einsammelt natürlich auch.
Das ist aber meist nicht der Fall, nur bei den kleinen " 3 T Ankern ", die sind so breit. (Ich nehme an das Ihr diese Bezeichnung kennt).
Man kann auch Neodyms nebeneinander "Kaskadieren" mit kleinen Abständen, und die Rastung damit reduzieren.
Da reicht die 2 bis 3 fache Magnetbreite zu Stegbreite. (Die Spitzenmotore haben bis 1,8 T im Steg ) .
Alle Eisengenis haben eine gewisse Schwergängigkeit, zusätzlich zur Rastung.
Auch bei langsamem drehen ist es gut zu messen.
Das bedingt die Hystereseschleife des Materials, die immer wirksam ist, je breiter sie ausfällt um so schwergängiger dreht der Generator.
Bei dem kleinen Oben braucht es dazu 1,1 W Leistung, bei 940 U/min und ~22 W maximaler elektrischer Leistung.
So gesehen sind das dann nur 5 %
Bei halber Generatorleistung aber schon 10 %, und bei 20 % Generatorleistung (4,4 W) schon 25 %.
Dazu noch der CU Verlust, da kommt bei geringer Windleistung dann nicht viel.
Da sind die Dualen bei kleiner Leistung wesendlich besser, haben aber mehr Material im Einsatz.
Man bekommt eben nichts umsonst.

Gruß Aloys.
Famzim
 
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Re: Induzierte Spanungsberechnung im Lehrlauf?

Beitragvon Ekofun » Di 12. Mär 2013, 13:20

Hallo Aloys,

habe das,soweit mir meine Wissen ermöglicht,studiert,und komme zum schluß das diese Motoren sehr gut sind für Flugmodele und da wo große Leistung und kleinste Motorgewicht wichtige Role spielt.Denke aber,das die für Windgenis weniger geeignet sind,kann sein das ich im Unrecht bin,aber das ist mein Gefühl in diese Sache.Für Windgenis haben Dual-Eisenlose Genis erhobene Stelle.Und wenn die noch mit überlapende Spulen gemacht sind dann ist Kupferausnuzung am größten,meiner Meinung nach.

Wenn man ein Test mit Geni macht,unbelastet, dann geht Spanung linear mit Drehzahl hoh,dise Entgegen Feld ist nicht noch da,weil keine Strom gezogen wird.Sobald aber er belastet wird wird auch Strom gezogen und die macht magnetische Feld (H) der entgegen wirkt.Das habe gehabt mit einem Eisernen Geni,Stator hatte 72 Nuten,so konnte 12 Spulen pro Fase machen und kamen 24 Magneten auf Rotor.

Bei 300 U/min habe um 16 V gehabt und war hepy aber kurze Zeit.Mit Last von 200 W kam keine Drehwiderstand an Bohrmaschiene,die drehte plözlich durch und Lampen(4 12V/50W) leuchten schwächer.Und bei Drehzahlminderung wurden wieder heller.Ich war enteuscht,dann habe Lampen in Reihe geschaltet und war überascht,konnte 7 Lampen mit ca 13 V betreiben.
Damals wusste nicht warum ist das so,heute denke das gezogene Strom hat gleiche Feldstärke erzeugt wie Magneten es geben konnten so kam nichts mehr aus Geni heraus,und in Reihenschaltung wurde diese Feld mit 7 Lampen ausgeglichen

So erklähre mir Das.

Gut,ich werde die Simulationen machen,noch heute,diese Woche und warscheinlich bis mitte nechste Woche kann bis 14 Uhr nicht an PC,RWE macht neue Masten für Leitungen so schalten sie die Strom ab. :(

Grüße

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Re: Induzierte Spanungsberechnung im Lehrlauf?

Beitragvon Ekofun » Di 12. Mär 2013, 17:28

Hallo Aloys,

Habe 3 Sim gemacht eine ist normale Dualgeni mit 10mm Luftspalt um dann in anderen Unterschied zu sehen:

Aloys 2-normal.jpg
Aloys 2-normal.jpg (560.29 KiB) 5622-mal betrachtet


Flußdichte ist 0,654 T in diese normale Geni bei 10mm Lsp.Nechste ist mit Magnet in Mitte vom 1mm höhe:

Aloys mit Mag. 1mm h.jpg
Aloys mit Mag. 1mm h.jpg (562.32 KiB) 5622-mal betrachtet


Da ist Flußdichte um0,029 mT kleiner,so habe noch eine gemacht wo Magnet 2mm höhe hat:

Aloys3 mit Mag. 2mm h.jpg
Aloys3 mit Mag. 2mm h.jpg (554.96 KiB) 5622-mal betrachtet


In diese Sim ist Flußdichte um 0,066 mT kleiner.
Stat Magneten machen Spulen diese gegengesezte Feld durch Stromstärke die entnommen wird bei Belastung.Denke wenn Belastung so groß wird das Spulenfeld gleich wie Magnetfeld wird ist dann Leistung Nul,oder?

Grüße

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Re: Induzierte Spanungsberechnung im Lehrlauf?

Beitragvon Bernd » Di 12. Mär 2013, 18:04

Für diese "Verdrängung" des "antreibenden" Feldes gibt es auch einen Fachbegriff der mir jetzt nicht einfällt.
Die Stärke der Verdrängung ist stark vom verwendeten Magnetmaterial abhängig.
Neodym zeigt sich besonders hartnäckig gegenüber dem Gegenfeld.
Das Feld von Ferritmagneten lässt sich viel leichter "platt machen" und das nicht weil sie per se ein schwächeres
Feld abgeben sondern weil dieser Wert (dessen Name mir gerade nicht einfällt) geringer ist.

Grüsse

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Re: Induzierte Spanungsberechnung im Lehrlauf?

Beitragvon vm » Di 12. Mär 2013, 18:09

Hallo Ekofun

wie rum ist der kleinere Testmagnet Polarisiert ?

Schaut jetzt der Nordpol einen Norspol und der südpol einen Südpol an oder andersrum ?

Die Feldlinien gehen durch wie durch Butter,ich hätte gedacht das das anders aussehen müsste ??

mfg.Volker
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Re: Induzierte Spanungsberechnung im Lehrlauf?

Beitragvon Bernd » Di 12. Mär 2013, 18:36

Vergleichbar wird das ganze aber erst wenn die Flussdichte immer an der gleichen Stelle gemessen wird und
nicht einmal mittig zwischen den Magneten und einmal aussermittig.

Grüsse

Bernd
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Re: Induzierte Spanungsberechnung im Lehrlauf?

Beitragvon Famzim » Di 12. Mär 2013, 20:12

Hallo

Ich habe mal ein paar Daten von meinem 65/15 Motor oder Generator ausgesucht.
Und zwar die , wo das Magnetfeld kippt.
Der Generator hat auf jedem Steg nur 15 Windungen, und hat 2 parallele Stromkreise, also nur der halbe Strom geht durch eine Spule.
Die Magnete sind Neodym und 2 mm dick, der Luftspallt 0,5 mm.
Nun die Daten:

Drehzahl--- Moment--- Motor V--- Motor A--- Gen.V (Y)- Gen.Strom- Mess Spule
2880 -------160--------31,7-----17,7----------8,5-----------21,0-----------1,41
3070 --------97--------32,5-----11,2----------2,9-----------24,0-----------0,75
U/min-------Ncm---------V--------A------------V-------------A-----------------V

Genau zwischen diesen beiden Meßreien bricht das Magnetfelt ein.
Das Drehmoment vom Motor geht ungefähr gleichmässig mit dem Motorstrom zurück.
Der Generator aber verliert die hälfte des wirksamen Magnetfeldes, keine Ahnung wo es bleibt?
Jedenfals steigt der Strom noch etwas, aber die Spannung ist nur noch 1/3 von vorher ??
Das war für mich auch erst mal sehr überraschend, und das rechnet die Feem wohl nicht.
Da ist das E Feld mit 15 Windungen und 24: 2 }= 12 A, und macht eigendlich nur 180 Amperwindungen und das Magnetfeld gibt auf ??
Das Neodym hat ? 980 ka Windungen auf einen meter Magnetlänge, auf 2 mm sind das dann 1960 Amperwindungen die vor 180 kapitulieren ????
Das hatte ich nicht erwartet .
Ich habe ja noch mehr Experimente gemacht :)
Zum Beispiel schlappe Magnete reparieren.
Die waren mit etwas zu viel Wärme aus einem Motor ausgebaut etwas unmagnetisiert.
Ist ja kein Problem (dachte ich), hab eine Spule mit 220 Windungen gewickelt für einen Trafokern als Rückschluß, und mal 20 A durch geschickt !
Das sind ja 220 mal 20 } } 4400 Amperwindungen, die Magnete haben normal nur 1960 ?? das hatte aber überhaubt keine Änderung gebracht ??
Dann den Strom erhöht, bis die Spannung für die Spule nicht mehr reichte , ohne Einfluß auf das Feld der Neodyms ?
Um die Spannung nicht zu sehr in den Gefahrenbereich zu bekommen, wurde eine zweite Spule darüber gewickelt für einen doppelten CU Querschnitt.
Selbst bei 150 A ( 150A mal 220 N }= 33 000 AW war das Ergebnis nicht zufriedenstellend.
Erst mit der Erwärmung auf 80° C, war das Magnetfeld wieder in Ordnung, ( Versuche mit Herzkloppfen).
Das waren dann ~ 7 Kw auf eine kleine Spule :mrgreen: für eine halbe Sekunde.

Ich schreibe das nur, da ich denke das das Feld entweder wirklich nicht DA ist, oder im Luftspallt ausweicht, was auch meine Meßungen aussagen.
Die Feem Sim ist da , glaube ich, nicht berechenbar.
Ein paar Messwindungen, auf einer überlassteten Spule, sagen eher die Wahrheit.
Man muß erst die richtigen Messmittel finden.
Da Wir nicht alles wissen, muß halt gesucht werden, und Glauben heist ja Nicht wissen !
Also mal anders messen !!

Gruß Aloys.
Famzim
 
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