Flußdichte mit verschiedenen Fe-Rückschluss-Materialien

Spannungserzeugung durch Spulen und Magnete wie funktionierts, Formeln und mehr

Re: Flußdichte mit verschiedenen Fe-Rückschluss-Materialien

Beitragvon Famzim » So 26. Okt 2014, 14:46

Hallo

Ich fange mal mit der Feldstärke an, oder Energieinhalt von Magneten.
Die Wissenschaft hat sich bei Magnetismuß, egal ob Elektro oder Permanent, auf eine gleiche Bezeichnung geeinigt.
Diese ist A/m, das bedeutet das der Wert für eine Länge von einem Meter angegeben wird.
Rechnet man das mal auf sinnvolle 1 cm runter ist das nicht mehr so gewaltig.
Viele Magnete haben etwa 550 000 A/m, runter auf 1 cm dann noch 5 500 A/m.
Als Elektromagnet wäre das eine Spule mit 5 500 Windungen die von 1 A durchströmt wird.
Der Permanentmagnet wäre dann 1 cm lang und ersetzt diese Spule.
Betrachten wir die mal genauer.
Wird der Leiter mit 3 A pro 1 mm² beaufschlagt werden dann 1833 Windungen mit 1 mm ² benötigt, und mit Füllfaktor 60 % rund um den Kern ein Querschnit von 1833:0,6 = 3055 mm² Platz für die Spule benötigt.
Ist sie 1 cm hoch wäre sie über 30 cm breit !! geht also nicht -- kein Platz.
Darum werden kleine Maschinen mit Permanentmagneten bestückt, haben dadurch aber den großen Nachteil des Montageproblems.
Baut man eine große Maschine ist dann der Platz doch vorhanden, bei 10 facher Baugrösse, Spule 10 cm hoch und 3 cm dick.

Diese Feldstärke und seine 1,45 T, hat der Magnet nur wenn er magnetisch " verlustfrei " kurz geschloßen ist.
Ist ein "längerer" Rückschluss nötig, wird für diesen von der Feldstärke 5 500 A, Energie dafür benötigt und die 1,45 T können nicht mehr erreicht werden.
In der oben gezeigten Magnetisierungskurve, die auch wieder für die Länge von einem Meter angegeben ist, ersieht man das für 0,5 T zb nur eine Amperwindung pro 1 cm Rückschlusslänge benötigt wird.
Bei 1,5 T werden dann aber schon ~ 8 A/m benötigt.
Zu beachten ist bei der Scala das jeder weitere Wert nach rechts nicht das doppelte sonder das 10 fache ist, also 1--10--100--1000 fach, das verwirt schon mal.

Das die Luft oder auch Luftspallt ein grosser Widerstand für Magneten darstellt wissen wir ja.
So wird für 1 cm Luftspallt und 1,25 Gaus (0,000125 T) eine Amperwindung benötigt.
Für 1 Gaus dann 0,8 A Windungen.
Da sieht man schon das 1 T /10 000 Gaus) schwierig zu erreichen ist bei 1cm Luftspallt, jedenfals mit E Magnet.
Um nun 1 T zu bekommen (10 000 Gaus) braucht man 8 000 A , unser Magnet hat aber selber nur 5 500 A.
Um diese Feldstäre im Luftspallt zu bekommen brauchen wir also einen längeren Magneten.
Rechnen wir mal von 1,45 T auf verbleibende 1 T runter, sind das 31 % weniger die er abgeben kann von seiner Energie.
Das sind dann 5 500 mal 0,31 = 1 705 A, benötigt werden 8 000 A, so muss der Magnet eine Länge von 4,7 cm haben.
Er benötigt für sich selber den Rest von seinen 5 500 A pro 1 cm = 3 795 A.

Für den Eisenrückschluss, von sagen wir mal 10 cm Länge, wären bei 1,5T nur 8 mal 10 Amperwindungen nötig, die in der Rechnung fast vernachlässigbar sind.
Siehe die geringen Feldstärkeverluste bei zu dünnem Rückschluss.

Auch die Generatorspule ist ein Elektromagnet, der aber dem Feld im Generator entgegen arbeitet, und dieses zurück drängen will. (Bei Motorbetrieb wirkt das verstärkent und senkt darum die Drehzahl).

Drückt man 2 gleichpolige Magneten gegeneinander fühlt man deutlich das eine Kraft entsteht, die die Magnetfelder zur Seite ableitet und in einen immer enger werdenden Spallt quetscht.
Der Magnetfluss in den Magneten wird dadurch geringer, da sie ihr Feld nicht durchsetzen können, was hinter den Magneten eigentlich messbar sein sollte.
Bei den beiden aneinander gedrückten Magneten, wird das Feld dann zum Teil nur noch seitlich verstärkt austreten können.

Mit solchen Werten kann dann passent zum Luftspallt die benötigte Feldstärke errechnet werden, und die Magnete die das leisten können.

Ich hoffe Ihr könnt mit der Erklärung etwas anfangen.
Feem rechnet sicher auch so in etwa.

Gruß Aloys.
Famzim
 
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Re: Flußdichte mit verschiedenen Fe-Rückschluss-Materialien

Beitragvon Ekofun » Mo 27. Okt 2014, 17:43

Hallo Aloys,Hallo zusammen,

wie ich rechne ist es meistens egal,es kommt immer um 35,5% Nuzdichte und 64,47 % Flußdichte sind Verluste.Größte Teil geht auf Luftspalt verloren,dann in Eisen.
Längere Magneten bringen nicht größere Flußdichte,die bleibt wie vorher,aber doppelte Energiedichte.
Habe Magnet 50x20x10 auf 100 x20x10 geendert,Flußdichte blib gleiche nur bekomme doppelte Energiedichte.

Flußdichte wird größer wenn Luftspalt kleiner wird,aber das wissen wir schon lange.Und Luftspalt soll zimlich groß sein wegen Spulen und erforderliche Kupfermenge der rein muss.

Z.B. habe Luftspalt von 14mm,Mitte ist 7 mm. Und B = 0,461882 T in Mitte.Nehme 7mm und dann geht vom Magnet
0,461882 / 1,257^-6 = 367447,9 A/m weg,bei 14mm ist doppelt.
Magneten haben umm 900KA/m wenn ich abzihe 734895 A/m für Luftspalt dann bleibt noch 165 KA/m oder 1650A/cm.
Und anscheinend diese 1650A/cm machen 0,461882 T in Spulenraum.

Flußdichte verendert sich auch nicht wenn ich Eisen noch dicker mache,habe das alles mit FEEM ausprobiert.

Grüße

Ekofun
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Re: Flußdichte mit verschiedenen Fe-Rückschluss-Materialien

Beitragvon Famzim » Mo 27. Okt 2014, 18:42

Hallo Ekofun

Entschuldige die Verwirrung bei der Angabe der Magnetlänge.
Ich dachte es ist durch die Rechnung klar das die Länge in Feldrichtung gemeint ist, also die ein Zentimeter Dicke des Magneten.
Um das Feld stärker zu machen muß der Magnet dicker sein, und es war die Länge gemeint die das Feld durch den Magneten nimmt.
Es geht dann, um beim Beispiel zu bleiben, einen 4,7 cm langen Weg durch den Magneten und dann wird das Feld im Luftspallt so stark wie berechnet.
Bei der Rechnung steht also ein 4,7 cm "DICKER" Magnet dem 1 cm Luftspallt entgegen um auf 1 T zu kommen.

Gruß Aloys.
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Re: Flußdichte mit verschiedenen Fe-Rückschluss-Materialien

Beitragvon Ekofun » Mo 27. Okt 2014, 19:30

Hallo Aloys,

danke Dir auf "Länge" erklährung,dann ist das eingentlich die Höhe des Magneten.Das endert natürlich alles,es kommt dann auf sogenannte H/D Verhältniss an.Diese Verhältnis ist für runde Magneten gültig und für Quwader muss D gerechnet werden.
Z.B. diese Mags: 50mm lang,20mm breit und Höhe(dicke) 10mm.Um Durchmesser zu errechnen gehe ich so vor:

Magnet hat volgende Fläche: 5cm x 2cm = 10cm^2 und D = 10 * 4/ 3,14 = 12,74. Jetzt noch aus 12,74 Wurzel ziehen: = 3,56 cm. Da Höhe 1cm ist ist dann Verhältniss 1/3,56 = 0,28.

Habe noch verschiedene alte Daten und darauss ist zu sehen das Flußdichte umso größer ist je diese H/D Verhältnis größer ist.

Werde heute mehrere Simu machen mit diesen Magneten,aber immer die Höhe erhöhen und so ateritiv zu gewünschte Flußdichte zu kommen.

Zu murken: Magnet 50mm x 20mm x 10mm hat in Luftspalt von 14mm 0,461882 T und sein H/D ist 0,28.Diese Luftspalt ist zwischen 2 solche Magneten- Dualausführung.
Mal sehen wie "dick" sollen Mags sein um ca 0,8 T zu bekommen. :roll:

Grüße

Ekofun
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Re: Flußdichte mit verschiedenen Fe-Rückschluss-Materialien

Beitragvon Ekofun » Mo 27. Okt 2014, 22:39

Hallo zusammen,

folgende Simulazionen habe gemacht:

Magneten:50x20x15mm N37....B = 0,565 T
.............50x20x20mm N37....B = 0,586 T
.............50x20x30mm N37....B = 0,600 T
.............50x20x45mm N37....B = 0,604 T

Nur dicke erhöhen(Höhe) bringt etwas aber hat Grenze,weitere erhöhen der Höhe bringt nichts mehr.Das ist auch nicht der Weg zu hohen Flußdichten,meiner Meinung nach,warscheinlich sollte ich auch Länge und Breite erhöhen nicht nur die Höhe,das probiere ich auch,so das H/D Verhältnis um ca 0,7 ist.Mal sehen...

Grüße

Ekofun
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Re: Flußdichte mit verschiedenen Fe-Rückschluss-Materialien

Beitragvon herbk » Di 28. Okt 2014, 09:04

Guten Morgen Ekofun,
sieh Dir doch mal Deine Ergebnise des Vergleichs 50x20x5 und 50x20x10 Magneten an:
http://www.daswindrad.de/forum/viewtopic.php?f=8&t=2151#p32326

Zur Bestimmung der Magnethröße für meinen Geni habe ich das auch schon einmal durchgespielt und habe dabei festgestellt, dass so wohl die Flußdichte als auch die Energie nicht proportional mit der Magnetmasse ansteigen, der Sprung von 5 auf 10mm Dicke zeigt das schon recht deutlich.

Wenn Du das durchsimulieren möchtest, dann fang bei 2mm Magnetstärke an und geh bis 20mm hoch. Wenn Du auch noch den Spulenraum (Luftspalt) mit der Magnetdicke mitwachsen lässt, wird das Ergebnis noch deutlicher.

Alle Simus die ich gemacht hatte, waren zwar für meinen "anders rum Geni", dürften aber auch bei der dualscheiben Ausführung nicht wesentlich anders ausfallen.
Gruß Herbert
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Re: Flußdichte mit verschiedenen Fe-Rückschluss-Materialien

Beitragvon Ekofun » Di 28. Okt 2014, 18:11

Hallo Herbert,

durch spielen mit FEEM bin zu diesen Erkentniss gekommen:

Scheiben aus ST37 machen,dicke ab 8mm bis 12mm.
Magneten: H/D Verhältnis um ca 0,5-,höhere Verhältnis kostet nur Geld und bringt nichts.
Magnetdicke zu erhöhen bringt nur Kosten und wenig Flußdichte,und Magneten geben das was sie können.

Bei E-Magneten kann man das ausrechnen und mit Windungen und Strom gewünschte Flußdichte bekommen aber da ist auch Grenze gegeben wegen Setigung.

So wie ich das sehe haben wir gute Flußdichte in Genis die in unserem Forum gemacht wurden.Und die müssen auch bezahlbar sein,oder? :D

Grüße

Ekofun
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Re: Flußdichte mit verschiedenen Fe-Rückschluss-Materialien

Beitragvon Famzim » Mi 29. Okt 2014, 13:52

Hallo zusammen

Die Feldstärkerechnung mit unterschiedlichen Magnetdicken hat mich sehr erstaunt und gibt mir große Rätsel auf.
Darum hab ich länger überlegen müssen, um die, oder eine, Ursache für eine derartige Steigerung heraus zu bekommen.

Die weitere nur geringe Verstärkung des Magnetfeldes im Luftspallt, sieht nach meiner Meinung, nur nach einer Verbreiterung der Magneten aus, und nicht wie angestrebt einem dickeren Magneten.
Wenn ich davon herunterrechnen würde auf dünnere Magnete, dann braucht man ja kaum noch einen Magneten.
Also mal meine Schlüsse, die ich aus den Ergebnissen von Ekofun gezogen habe.

Das FEEM Programm rechnet in diesen Rechnungen NICHT mit dickeren, sondern mit breiteren Magneten, warum auch immer ?
Jedenfals ist die geringe Steigerung nur so zu erklären.

Die Ursache könnte sein, das FEEM immer das kleine Maas als dicke einrechnet, (PCs haben ja schon mal ihren eigenen Willen), oder die Eingabe ist aus versehen in das falsche Feld geraten, unbeabsichtigt auf jeden Fall !

Eine ander Möglichkeit sehe ich da im Moment nicht .
Meine Bitte an Ekofun das mal zu überprüfen, ob da ein Fehler zu finden ist, allenfals mal beide Maße auf das große Maß zu setzen um Unterschiede zu finden .

Gruß Aloys.
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Re: Flußdichte mit verschiedenen Fe-Rückschluss-Materialien

Beitragvon vm » Mi 29. Okt 2014, 15:08

Hallo Allerseits

Vieleicht liegt es ja daran das auch jedes Magnetmaterial eine Sättigungsgrenze hat und einfach keinen höheren Magnetischen Fluss pro cm^2 zulässt :? ( möglicher weise deutlich weniger als ST 37 ???)

Nur so ein Gedanke :)

mfg.Volker
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Re: Flußdichte mit verschiedenen Fe-Rückschluss-Materialien

Beitragvon Ekofun » Mi 29. Okt 2014, 16:15

Hallo zusammen,

nun habe alle Simu gelöscht und 6 neue gemacht,keine Fehler bei Eingaben!Ergebnis sieht so aus:

Magnethöhe und Flußdichte.jpg
Magnethöhe und Flußdichte.jpg (124.96 KiB) 4556-mal betrachtet


Es ist Magnet 50x10x2mm als Anfang,bei jede Simu ist dicke(Höhe) um 2mm erhöht,alle andere Maße sind gleich geblieben.Luftspalt ist immer 8mm.
Beste Flußdichtegewinn ist bei 4mm dicke(höhe),Flußdichte steigt weiterhin aber minimal,um einige mT.Aber Kosten gehen hoh.

Werde versuchen auch Breite und dicke erhöhen um zu sehen ob sich was zum besseren endert.
Grund ist meiner Meinung nach der,diese,wie jede andere Magnet,hat seine Remanenz,z.B 1,3 T und egal wie dick er ist kann nicht mehr geben,bei E-Magnet kann man das mit Wicklungen und Amperen ausrechnen um mehr T zu bekommen.

Bei permanennt Magneten ist Stärke gegeben,da kann mann nicht mehr endern,so denke ich bei diese Problem.

Wir können nur aus Magnet mit dicke optimale Flußdichte heraus kizeln,mehr nicht,oder?? :?

Grüße

Ekofun
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