Baubericht eisenloser Ringgenerator, Großversion

[Bernd]

Ah schön das hier weiter diskutiert wird.
Jürgen dürfte mit dem Einwand Recht haben das steile Spannungsspitzen kurzzeitig höhere Verluste bedeuten.
Ich denke aber das wir auf die Form der entstehenden Amplitude keinen allzu grossen Einfluss haben werden,
denn durch den späteren, breiteren Aufbau der Spulenschenkel als im Test wird sich eh vermutlich ein
mehr oder minder "schöner" Sinus ergeben. Diese Extremformen ergeben sich nur bei einer sehr schmalen
Spule.

Welches wären die veränderlichen, zu optimierenden Parameter?
1.) Drahtdicke
2.) Luftspalt
3.) Abstand der beiden Spulenschenkel
3.) Breite und Höhe eines Spulenschenkels
4.) Anzahl der Windungen
habe ich noch was vergessen?

Genau diese Parameter hätte ich auch aufgezählt, wobei der Luftspalt bei mir keine grossen Optimierungen zulässt,
zumindest nicht bei der einfachen Bauweise wie ich sie verwende. Da brauche ich bestimmt 2mm und das ist schon
knapp bemessen.
Einen wichtigen Punkt, der sich aus Punkt 1 und 4 ergibt, möchte ich noch nennen, weil er überaus wichtig ist,
eigentlich der wichtigste Punkt überhaupt, der Innenwiderstand. Selbiger muss in einem vernünftigen Verhältnis
zum maximalen Strom stehen. Der Innenwiederstand bestimmt maßgeblich die Verlustleistung und damit den
Wirkungsgrad des Generators. Deshalb sollte er höchste Priorität haben.

Was ist das Optimierungsziel?
- max. höhe der induzierten Spannung (Peak)?
- max. Fläche unter der Signalkurve?
- was ganz anderes?

Ich denke das Hauptziel ist möglichst viel Spannung effektiv zu erreichen, also der Durchschnittswert und das
mit möglichst geringen Innenwiederstand.
Vielleicht wäre es gut zunächst mal festzulegen wieviel Verlustleistung man sich "gönnen" möchte.
Ich meine jetzt die Verlustleistung bei Nennleistung, dort ist sie am grössten, wieviel soll man da zulassen ?
20 %, 30 %, 40 % 50 %.....
Anhand dieses Parameters kann man dann die Kombination aus Spannung, Innenwiderstand und Strom bestimmen.
Bleibt die Frage was denn die Nennleistung eines noch nicht gebauten Generators wohl ist ?

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Es geht natürlich auch einfacher .

Wir versuchen "einfach" das höchst mögliche produktive Spulenvolumen heraus zu finden.
Noch produktiv bedeutet dabei den Punkt, ab dem eine weitere Vergrösserung des Spulenvolumens
keine Vorteile mehr bietet, weil weiteres Kupfervolumen im Verhältnis zur weiteren Spannungserhöhung
unverhältnismässig viel zusätzlichen Innenwiderstand bescheren würde.

Wenn man dieses "optimale" Spulenvolumen ermittelt hat, dann ist alles weitere sehr einfach.
Dieses Volumen wird dann entsprechend der gewünschten Spannung mit möglichst viel Kupferdraht
der passenden Dicke gefüllt und fertig. Besser geht dann eben nicht mehr. Man hat dann das
bestmögliche erreicht. (Auch falls einem das erzielte noch nicht reicht .. )

Grüsse

Bernd

[jb79]

So hab mal ne kleine Simulation gemacht.
Grundparameter:
B6 Brückengleichrichter bestehend aus 1N4002 Dioden mit 1000µF Ladekondensator und 10 Ohm Lastwiderstand
Der Generator liefert 50Hz und 10V Spitzenspannung als Grundschwingung, überlagert ist jeweils eine 150Hz 3,333V Spitzenspannung, das gibt schöne Kamelhöcker. Der Generator hat einen Wicklungswiderstand von 0,1Ohm.
Falls sich jemand wundert: die 1k Widerstände sind nur falls ich eine Phase oder 2 Phasen offen lassen will und eine Simulation einphasig brauche, sonst schreit das Programm wegen in der Luft hängenden Bauteilen.

Im Diagramm kann man schön die Höcker sehen (1 Höcker ist 1 Phase), ganz oben in grün die Spannung am Lastwiderstand, nahe der Mittelinie ist dann die fast ebene Linie der Laststrom im Widerstand und die seltsamen Höcker sind die Ladeströme in drei der 6 Dioden (die andern decken sich genau und man würde sie ohnehin nicht sehen im Diagramm).

Überlagert B6 Schaltung.GIF (11.22 KiB) 12598-mal betrachtet

[CFD]

Hallo,
bevor ich mit der Programmierung eines Optimierungstools für die Spulengeometrie beginne, habe ich versuchsweise mal eine Auswertung von mehreren in Reihe geschalteten nebeneinanderliegenden Leitern gemacht (entspricht mehreren Spulenwindungen).
Untersucht wurde folgendes:
- nur ein Leiter (Leiter 1 in der Skizze)
- 5 nebeneinanderliegende Leiter (Leiter 1 bis 5 in der Skizze)
- 10 nebeneinanderliegende Leiter (Leiter 1 bis 10 in der Skizze)
- 20 nebeneinanderliegende Leiter (Leiter 1 bis 20 in der Skizze)

Die Anordnung der Leiter ist dabei folgendermaßen (die untersuchten Spulengeometrien erheben nicht den Anspruch praxistauglich zu sein):

Als Signalform für die induzierte Spannung würde sich folgendes ergeben:

radialflux_08.png (67.96 KiB) 12395-mal betrachtet

Die Signalform ist doch recht unterschiedliche. Das gibt viel Spielraum bezüglich einer Optimierung
Da es sich bei dem Problem um mehrere gleichzeitig zu optimierende Parameter handelt, werde ich es mal, wie es die Natur auch macht, mit der Evolutionsstrategie versuchen (http://de.wikipedia.org/wiki/Evolutionsstrategie).

CFD

[miniwindi]

Hallo,
sehr schöne Grafik und an dieser Stelle auch mal vielen Dank für Deine Mühen.
Interessant wäre eine Grafik (aufbauend auf der vorherigen), die das dann aufsummiert:
20 x 1 Leiter, 4 x 5 Leiter, 2 x 10 Leiter, 1 x 20 Leiter.
Wenn die abgedeckte Fläche unter einer Kurve evt. zum Verhältnis der erezeugten Energie steht,
würde auf einem aufsummierten Phasenversatz von 4x5 bzw 2x10 evt. mehr Energie entstehen,
als 1x20. Ist aber nur eine Vermutung - vielleicht liege ich auch falsch damit.
Viele Grüße und einen schönen 2. Advent wünscht Euch allen Herbert

[Bernd]

Hallo CFD, auch von mir vielen Dank für die super Arbeit !
Zum Verständnnis, ich verstehe es so das die untere Grafik die Flussdichten zeigen, die auf die unterschiedlich
breiten Testspulen (in Summe der Drähte) wirken, wenn diese um die genannten Winkelgrade bewegt werden,
also im Betrieb. Korrekt ?
Das heisst die Grafik zeigt genau den Amplitudenaufbau in Höhe und Ausformung, der entstehen
würde wenn man eine Spule mit so breiten Spulenschenkeln einsetzen würde?
Analog dazu zeigt der summierte Flussverlauf also auch den zu erwartenden Spannungsverlauf an. Korrekt ?

Wenn dem so ist, dann kann man jetzt schon sagen das die grösste Spulenbreite, die von mitte Magnet zu
mitte Magnet reicht, proportional zum Kupfereinsatz ein zu kleines Ergebnis erbringt.
Die Variante mit 10 Leitern liefert hingegen so ziemlich das doppelte "Hüllvolumen" unter der Amplitude wie
die Kurve mit 5 Leitern. Es scheint fast als ob sich die optimale Breite tatsächlich in etwa mit der des Magnetabstandes
decken könnte. Das wären dann in deinem Beispiel 12 Leiter nebeneinander.

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo,

Zum Verständnnis, ich verstehe es so das die untere Grafik die Flussdichten zeigen, die auf die unterschiedlich
breiten Testspulen (in Summe der Drähte) wirken, wenn diese um die genannten Winkelgrade bewegt werden,
also im Betrieb. Korrekt ?

Ja,
wobei ich für jeden Draht der Einfachheit halber den magnetischen Fluss, der genau in der Mitte herrscht (sozusagen als Mittelwert), verwendet habe.

Das heisst die Grafik zeigt genau den Amplitudenaufbau in Höhe und Ausformung, der entstehen
würde wenn man eine Spule mit so breiten Spulenschenkeln einsetzen würde?

Ja, genau so ist es.

Analog dazu zeigt der summierte Flussverlauf also auch den zu erwartenden Spannungsverlauf an. Korrekt ?

Ja, da die induzierte Spannung direkt proportional zur magnetischen Flussdichte ist. Würde man die aufsummierte Flussdichte noch mit einer drehzahlabhängigen Konstanten multiplizieren, würde man den Spannungsverlauf des unbelasteten Generators erhalten. Qualitativ ändert sich am Kurvenverlauf aber nichts.

Die Formel für die Konstante ist:
Konstante = 2 * Pi * f_n * r * l
f_n = Drehzahl des Rotors (1/s)
r = Radius des Rotors (m)
l = Länge des Leiters der vom Magnetfeld durchsetzt wird (m), bei mehreren Windungen nur die Länge einer Windung!

Das Maximum (Peak) der induzierten Spannung berechnet sich dann wie folgt:
U_ind = Konstante * B_rad_summe
B_rad_summe = Summe der auf die einzelnen Leiter wirkende radiale Kompopnente der magnetischen Flussdichte (Tesla)
U_ind = Induzierte Spannung (V)

Da in meinem obigen Beispiel nur ein Spulenschenkel betrachtet wurde, müsste man für eine Spule, bestehend aus zwei Schenkeln, den erhaltenen Spannungswert noch mit zwei multiplizieren.

Bezüglich der endgültigen Bewertung der Kurvenverläufe würde ich noch etwas warten, da in der bisherigen Auswertung ja noch die 2-te, 3-te usw. Spulenlage fehlt.
Wie gesagt, da die Auswertung ziemlich Zeitintensiv ist, würde ich hierzu ein kleines Programm schreiben.
Was sich aber schon sagen lässt ist, dass der im mechanischen Aufbau sehr einfache Ringgenerator im Vergleich zum Scheibengenerator durch sein inhomogenes nicht paralleles Magnetfeld im Spulenbereich Auslegungstechnisch viel anspruchsvoller ist und deshalb nur was für richtige Experten ist?
Ansonsten finde ich die Mitwirkung am "Entwicklungsprojekt Ringgenerator" sehr spannend und bin mir jetzt schon ziemlich Sicher, dass der Ringgenerator auch außerhalb des Anwendungsgebietes des C-Rotors eine vielversprechende Zukunft haben wird.
Gruß CFD

[Bernd]

hallo CFD, deine Worte freuen mich sehr. Das mit dem einfachen mechanischen Aufbau möchte ich aber
noch mal dahingestellt lassen.

Ok, dann machen wir doch gleich mal ein konkretes Rechenbeispiel bei 20 U/min mit all den letzten Daten die uns
nun zur Verfügung stehen.

Die Formel für die drehzahlabhängige Konstante ist:
Konstante = 2 * Pi * f_n * r * l
f_n = Drehzahl des Rotors (1/s)
r = Radius des Rotors (m)
l = Länge des Leiters der vom Magnetfeld durchsetzt wird (m), bei mehreren Windungen nur die Länge einer Windung!

Die Konstante ist also = 2 mal 3,14 mal 0,33 (Drehzahl/sek) mal 0,3 (Radius in m) mal 0,25 (wirksame Leiterlänge
beider Spulenschenkel in m)

Das ergibt bei mir eine Konstante von : 0,155

Jetzt die Formel zur Berechnung der Spannung in der Spule :

Das Maximum (Peak) der induzierten Spannung berechnet sich dann wie folgt:
U_ind = Konstante * B_rad_summe
B_rad_summe = Summe der auf die einzelnen Leiter wirkende radiale Kompopnente der magnetischen Flussdichte (Tesla)
U_ind = Induzierte Spannung (V)

Die Peak Spannung der Spule ist dann = 0,155 mal 3 Tesla (maximale aufsummierte Flussdichte) = 0,465 Volt.

Das ergibt dann eine Peakspannung bei 20 U/min für die eingezeichnete Testspule mit 12 Windungen von 0,465 Volt
Nicht gerade viel...

Ich will auch gleich mal den Innenwiderstand dieser einzelnen Spule mit 10 Windungen, so wie in der Abbildung mit
Draht von 2mm Durchmesser, ausrechnen. Das ganze damit man mal ein Gefühl dafür bekommt mit welchen Grössen
wir hier hantieren. Also:
Eine Windung hat ca. folgende Drahtlänge: 2 mal 4,4cm plus 4 mal 5,3cm und plus die in Kreisrichtung verlaufenden
Kupferdrähte die die beiden Spulenschenkel quasi verbinden, das sind nochmal 2 x 3,5cm, das macht zusammen
ca. 37cm. Mehr als ich zuvor vermutete...
Wir haben 10 solcher Windungen das macht 10 mal 37cm = 3,70m
Unser Draht hat bei 2mm Durchmesser einen Querschnitt von 3,14mm².
Sein Innenwiderstand beträgt dann 0,0178 durch 3,14 = 0,00567 Ohm pro Meter
0,00567 mal 3,7 = 0,021 Ohm

0,021 Ohm wäre der Wert für unsere Testspule aus 2mm Draht mit 10 Windungen, die bei 20U/min 0,465 Volt erzeugt.

Wenn mir die Korrektheit der Rechnungen bestätigt wird, gehts weiter.

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo Bernd,

Wenn mir die Korrektheit der Rechnungen bestätigt wird, gehts weiter.

Nach allem was wir bis jetzt über das Verhalten des Generators wissen, ist deine Rechnung korrekt.
Wie gehts weiter?
Gruß CFD

[Bernd]

Als nächstes würde ich gerne den Innenwiderstand einer Drehstrombeschaltung der Spulen errechnen.
Ebenso möchte ich die nach aussen hin wirksamen Spannungen berechnen.
Denkbar sind bei den 24 Polpaaren meines Generators entweder 18 Spulen für 3 Phasen Drehstrom oder
20 Spulen bei 5 Phasen Drehstrom.

Gehen wir zunächst mal von der gängigen Variante mit 3 Phasen Drehstrom aus.
Dabei hätte dann jede Phase 6 Spulen, also insgesamt 18 Spulen.

Um zu beurteilen wie sich die Spannungen und Ströme sowie Innenwiderstände der Phasen ergänzen
muss man die Beschaltungsart bedenken, da gibt es die "Sternschaltung" und die "Dreieckschaltung".



Schauen wir aber zunächst mal wie es bei den 6 Spulen innerhalb einer Phase ausschaut.
Eine Phase besteht wie gesagt aus 6 Einzelspulen die in Reihe verschaltet werden.
Das bedeutet das die aufsummierte Spannung der 6 Einzelspulen einer Phase bei unseren 20 U/min
6 mal 0,465 Volt beträgt = 2,79 Volt.
Der Innenwiderstand beträgt dann 6 mal 0,021 Ohm = 0,126 Ohm.

Wir haben jetzt drei Phasen, bestehend aus jeweils 6 Einzelspulen von denen eine " 6er Kette" jeweils
2,79 Volt bei unseren beispielhaften 20 U/min liefert.

Wieviel Spannung sich zwischen zwei Phasenanschlüssen des Generators ergibt, ist von der Verschaltung unserer
3 Phasen abhängig.
Bei der "Sternschaltung" ergänzen sich die Spannungen um den Faktor Wurzel 3, das heisst die Spannung
zwischen zwei Phasenanschlüssen steigt um das 1,73 fache der Spannung einer einzelnen "6er Kette" an.
In unserem Beispiel hätten wir bei Sternschaltung 2,79 Volt mal 1,73 = 4,83 Volt zwischen zwei Phasen bei 20 U/min.
Der Nachteil der Sternschaltung ist das sich der nach aussen wirksame Innenwiderstand der Phase durch die
Sternschaltung erhöht. Ich bin mir noch etwas unsicher um welchen Faktor der Innenwiderstand dabei ansteigt,
aber ich vermute um den Faktor der Reihenschaltung, also um das Doppelte.
Wir hätten dann bei Sternschaltung einen Innenwiderstand pro Phase von ca. 0,126 mal 2 = 0,25 Ohm

Schauen wir uns jetzt mal die Dreieckschaltung an.
Bei dieser ergänzen sich die Einzelspannungen nach meinem Wissen nicht, dafür die Ströme.
Wir hätten bei Dreieckschaltung also nur 2,79 Volt pro Phase
Durch den Umstand das bei der Dreieckschaltung parallel zur Phase die beiden anderen Phasen in Reihe liegen,
ergibt sich eine Reduktion des Innenwiderstandes um den Faktor 1,5.
Der Innenwiderstand sollte bei Dreieckschaltung den Wert 0,126 Ohm durch 1,5 = 0,084 Ohm annehmen.
Anders ausgedrückt 1/3 des Innenwiderstandes der Sternschaltung.

Ich bitte um Nachrechnung und Kontrolle meiner Ausführungen.

Grüsse

Bernd