niedertouriger Generator mit Neodymmagneten

[gwhh]

Hallo in die Runde,

da wir kleinere Windgeneratoren bauen wollen und - wie hier an anderer Stelle schon erklärt - zu den größten Problemen die Ausstattung mit passenden Generatoren gehört, besteht bei uns die Überlegung, solche Generatoren selbst zu bauen.

Hierfür scheinen sich Neodymmagnete anzubieten.
Die Idee ist, für einen langsamlaufenden Rotor ab ca. 40 U/min einen Generator mit größerem Durchmesser zu bauen, an dessen Umfang eine Anzahl von Spulen / Wicklungen bzw. Neodymmagnete auf dem Rotor für den elektrischen Output sorgen.

Als Rotor könnte dabei der konstruktiv mit einem Darrieus-H-Rotor Flügel-Träger, als Scheibe ausgeführt sein, auf dem die Neodymmagnete befestigt werden bei einem Durchmesser zwischen 20 - 60cm.
Der Generator benötigte damit keine eigenen Lager, auch keine Kohlebürsten oder Schleifringe und wäre damit wartungsfrei.
Darüberhinaus dürfte es bei den niedrigen Drehzahlen nur minimale Probleme mit der Präzision beim Selbstbau geben.

Diesen Rotor umgebend würde ein Stator, bestückt mit Spulen installiert.
Materialkosten für einen Generator mit 30cm Durchmesser schätze ich auf 30€, hauptsächlich für den Kupferanteil.

Ist hier schon einmal eine ähnliche Konstruktion gebaut / getestet worden?
Ansonsten hieße das wohl, mit einer kleinen Versuchsreihe eine geeignete Dimensionierung zu ermitteln (z.b. Windungszahl der Spulen) und zu optimieren.

Dank schon mal für Rückmeldungen!

Grüße / GW

[Bernd]

Hallo GW und herzlich willkommen hier im Forum.
Ab 40 U/min nutzbare Energie zu erzeugen ist mit einem eisenlosen Generator durchaus möglich,
den ich dir für einen Darrieus, wegen dessen geringen Anlaufmomentes, empfehlen würde.
Das Ding an dem ich gerade tüftle schafft es auch bei noch geringeren Drehzahlen Nutzleistung
bereit zu stellen.

Allerdings glaube ich hast du dich bisher noch nicht damit befasst, denn deine Preisvorstellung
ist entweder ein Tipfehler oder doch recht blauäugig. Viele gehen anfangs davon aus das man
Magnete auf eine Scheibe montiert die dann "irgendwie" an Spulen vorbeihuschen und das wars.
Ganz so einfach ist es nicht, denn neben der nötigen Spannung muss man auch eine Konstruktion
wählen die wenig Verluste in den Spulen aufweist. Ein paar Spulen mit dünnen Drähten die irgendwie
die Spannung erreichen würden, z.B. Relaisspulen, sind daher völlig ungeeignet, auch für kleine Windräder.
Tatsächlich muss der Generator auch mechanisch recht exakt und mit wenig Luftspalt zwischen
Magneten und Spulen aufgebaut sein sonst wird er unnötig gross und teuer.
Ich glaube daher das die Anbringung der Magnete direkt am Windradrotor zuviel Spiel im
Luftspalt nach sich ziehen würde.

Ganz grob kann man ohne grosse Rechnereien anzustellen auch jetzt schon abschätzen wie gross
und teuer so ein Generator werden müsste.
Im Prinzip bietet sich der Scheibengenerator Bautyp an. Der Ringgenerator den ich baue hat einen
zu hohen Bauaufwand.

Was die Abmasse eines solchen eisenlosen Scheibengenerators anbelangt, so kann ich Dir die Grösse
als Hausnummer vorher sagen. Das Ding dürfte dann so ca. 40cm (oder mehr) Durchmesser haben, etwa 30 Kg
Gewicht und ca. 300 - 400 Euro Materialpreis, wenn man alles sehr günstig bekommt.

Das wird dich jetzt sicher wundern und du wirst vielleicht denken das ich spinne und so ein Generator
total überdimensioniert wäre, aber so in etwa würde es aussehen wenn du einen direkt getriebenen Generator
für so extrem niedrige Drehzahlen bauen willst. Dabei ist die Nennleistung fast nebensächlich denn ein Generator
für so kleine Drehzahlen ist fast schon automatisch durch seine zwangsläufige Grösse sehr leistungsfähig.

Je höher die Drehzahl umso kleiner und günstiger würde der Generator werden.
Alleine die Magnete würden schon ein vielfaches deiner angesetzten 30 Euro Gesamtkosten verbrauchen.
Ich nehme mal an du hattest dich vertippt.

Grüsse

Bernd

[CAD&Co]

Hab mir gestern noch auf einer Seite angeschaut wie andere so etwas machen:

http://www.otherpower.com/turbineplans.shtml

Der Arbeitsaufwand ist aber schon beträchtlich und es schadet nicht, eine Drehbank und Fräsmaschine nutzen
zu können. Ebenso schadet ein gewisser Grad an technischen Verständnis und handwerkliches Geschick nicht.

Um dem ganzen noch die Krone aufzusetzten hatte ich noch die Überlegung, einen mehrfach Scheibengenerator
zu bauen. Das heißt, mehrere Scheibengeneratoren übereinander auf der gleichen Antriebsachse. Dabei ist jeder
der Generatoren auf ein unterschiedliches Drehzahlfeld ausgelegt. Der Vorteil ist dann, ohne ein Getriebe, bei
verschiedenen Windgeschwindigkeiten, den passenden Generator anzuzapfen. Eine Drehzahlabfrage mit
ein wenig Steuerungselektronik entscheidet automatisch über die richtige Generatorstufe.
Ist halt nur nicht die billig Lösung.

Gruß

Norbert

[Bernd]

Das heißt, mehrere Scheibengeneratoren übereinander auf der gleichen Antriebsachse

Die Idee ist nicht neu und hat einen entscheidenden Vorteil und einen ebensolchen Nachteil (neben dem Preis)
Der Vorteil wäre der relativ kleine Durchmesser. Das käme insbesondere Horizontalläufern zu gute.
Der Nachteil ist der, das man mit zwei Scheiben "nur" die doppelte Spannung erzeugt bekommt wie mit einer.
Würde man die gleiche Anzahl von Magneten und Spulen des Doppelscheibengenerators auf einem
Einscheibengenerator mit dann doppelten Durchmesser verbauen, erzielt man die vierfache Spannung,
Das liegt daran das die Umfangsgeschwindigkeit eine wichtiges Kriterium beim Generatorbau ist.

Das was du zusätzlich vorgeschlagen hast, also mehrere Generatoren bauen von denen die meisten tot
mitlaufen bis sie mal ihr Drehzahlniveau erreichen für das sie gewickelt wurden, halte ich für Verschwendung.
Auch mit nur einem Generator kann man alle Nutzanwendungen abdecken. Besser einen grossen als viele
kleine die man irgendwie ständig umschalten muss und die ein Vielfaches kosten.

Im Auto hat man auch nur einen Motor und nicht viele für verschiedene Drehzahlbereiche.
Man hat allerdings ein Getriebe das diesen Motor an die verschiedenen Geschwindigkeiten anpasst.
Den gleichen Zweck erfüllt beim Windradgenerator im einfachsten Fall die Physik. Sie sorgt dafür das
bei einer einfachen Akkuladung mit höherer Drehzahl dem Generator mehr Leistung entnommen wird
und damit eine "einfache Anpassung" an die jeweils erforderliche Leistungsbereitstellung erfolgt.
Im Idealfall regelt das dann ein spezieller Wechselrichter wesentlich effektiver.

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Zum Thema Scheibengenerator findet man ja eine Menge im Netz.
Ganz praktisch, wenn auch mit einigen Bugs versehen, ist das Tool auf dieser Seite die man sich bei Bedarf
mit Google auf deutsch übersetzen lassen kann:

http://24volt.eu/generatorkonstruktion.php

Unten auf der Seite ist ein Tool zum berechnen von Scheibengeneratoren.
Leider hat das Tool so seine Tücken. Ihr müsst daher z.B. immer die richtige, passende Anzahl von Magneten
vorgeben weil es bei unpassenden Anzahlen nicht meckert.
Es sind immer weniger Spulen als Magnete, dadurch erhält man den Phasenversatz, denn es wird ja ein
Drehstromgenerator. Die richtige Anzahl bzw. Kombination aus Spulen ergibt sich folgendermassen:

Bei einem 3 Phasen Scheibengenerator hat man 1/4 weniger Spulen als Magnete.
Bei einem 4 Phasen Generator 1/5 weniger Spulen als Magnete
Bei einem 5 Phasen Generator sind es 1/6 weniger Spulen als Magnete.... und so weiter

Hat man z.B. 12 Magnete und will den üblichen 3 Phasen Generator bauen, so sind dann 9 Spulen notwendig.
Die ermittelte Anzahl an Spulen muss sich auch noch durch die Anzahl der Phasen teilen lassen.
Das heisst unsere 9 Spulen müssen sich durch 3 teilen lassen, was wir gerade noch so ohne Taschenrechner
ausrechnen können, es sind dann also 3 Spulen pro Phasenstrang.

Grüsse

Bernd

[CAD&Co]

Sie sorgt dafür das bei einer einfachen Akkuladung mit höherer Drehzahl dem Generator mehr Leistung entnommen wird
und damit eine "einfache Anpassung" an die jeweils erforderliche Leistungsbereitstellung erfolgt.

Leistung errechnet sich meiner Kenntnis nach aus I*U, da U [V] aber in Abhängigkeit zur Drehtahl steht, müßte der Ladestrom so
geregelt werden, das die Spannung (also auch Drehzal) immer gleich bleibt. Ist das so einfach zu lösen?

[Bernd]

Wenn du die Spannung, analog zur Drehzahl, konstant halten könntest, dann würde
immer der gleiche Strom anstehen. (einen konstanten Verbraucher voraus gesetzt)
Vielleicht habe ich dich aber auch falsch verstanden.

Ein Generator erzeugt bei doppelter Drehzahl die doppelte Spannung bzw. die vierfache Leistung.
Der Wind hingegen führt bei doppelter Windgeschwindigkeit die 8 fache Leisung mit sich.
Aus diesem Ungleichgewicht ergeben sich ungleiche Leistungkurvenverläufe.
Aber das is schon mehr ins Detail gedacht.
Erstmal braucht man einen Generator der in etwa das kann was man benötigt.

Grüsse

Bernd

[CAD&Co]

Hier eine Seite von Leuten, die sich für den Modellbau mit selbstgebauten Motoren beschäftigen:

http://www.powercroco.de/

Da die sehr viel Erfahrung haben, könnte man die mal ansprechen, ob deren Erkenntnisse sich auf Langsamläufer
anwenden lassen.

[Bernd]

Die Antwort kannst du sogar hier im Forum finden.
Modellbaumotoren sind auf hohe Abgabeleistung und geringes Gewicht, nicht auf hohen
Wirkungsgrad oder lange Lebensdauer optimiert.
Es sind im Grunde normale eisenbehaftete Motoren, also nichts aussergewöhnliches.
Das besondere ist das sie starke Magneten und enorme Ströme einsetzen um ihrem Ziel
von hoher Leistung bei geringen Gewicht nahe zu kommen. Allerdings treten dann an den
dünnen Drähtchen starke Verlustleistungen auf die ohne die meist vorhandene perfekte Kühlung,
durch den Fahrtwind, oft zum Durchbrennen einer Spule führen würde.
Das Drehzahlniveau liegt bei den Dingern aber weit über dem was man für Windräder ohne
starkes Getriebe gebrauchen könnte.
Natürlich könnte man noch weitaus vielpoliger bauen um in tiefere Regionen zu gelangen.
Cogging ist ein weiterer negativer Faktor bei dieser Motorenbauart.
Ähnlich aufgebaut sind Nabenmotoren und von Haus aus schon für sehr geringe Drehzahlen geeignet.

Hier hatten wir auch schon mal drüber diskutiert. : viewtopic.php?f=8&t=101

Grüsse

Bernd

[gwhh]

Hallo noch einmal,

ich denke durchaus, dass man mit geringen Kosten hinkommen kann: Neodymmagnete sind heute billig: wir haben damit zb. Pulsmotoren gebaut, d.h. mit Magneten 15x15mm, die /Stück auf ca. 1,70 kamen.
Ich glaube nicht, dass man viel stärkere braucht.
Ansonsten geht es um den Kupferpreis, der m.W. bei ca. 14,-/ Kilo liegt.
Ich schätze den Bedarf grob zwischen 1 - 3 Kilo.
Man könnte auch einen Trafo vom Schrott für vlt. 6,-/ Kilo bekommen und abwickeln (vorausgesetzt, der Drahtdurchmesser passt).

Auch mit der Präzision sehe ich keine größeren Probleme: reicht nicht ein Spalt von ca. 0,5mm?
Das wäre hinzubekommen, mit einfachen Mitteln und ohne Drehbank.
Ein wenig schleifen, feilen, justieren, und die Dinge sollten rund laufen.
Der große Vorteil der niedrigen Drehzahlen ist ja, dass sich Unwuchten nicht so leicht zum Problem auswachsen.
Natürlich müssen Kugellager und Achsführung ordentlich ausgeführt werden.

Bei den Spulen hatte ich überlegt, diese auf U-Anker zu wickeln: die Schenkel zum Rotor / zu den Magneten gerichtet, Abstand vlt. 5cm.
Ein Durchgang eines Magneten würde damit einen kompletten Polwechsel bewirken.
Trafobleche für solche U-Anker dürfte es reichlich zum Eisenschrottpreis geben.
Rotorseitig könnte man auch die Magneten entsprechend aufbauen, zb. mit wechselnder Polung sternförmig auf einen Eisenring (Rohrabschnitt).

Ich würde die besagte Scheibe anfangs mit 1 - 2 Magneten und Spulen bestücken, testen und dann auf Basis der günstigsten Parameter den Prototyp voll bestücken.
Spannung und Ertrag eines Spulen / Magnetpaars dürften - zu einer gegebenen Drehgeschwindigkeit - leicht zu ermitteln sein. Zum Testen kann man einen Akkuschrauber / langsamdrehende Bohrmaschine einsetzen.

Solange es keine klar widersprechenden Tests hierzu gibt, bin ich optimistisch, einen solchen Generator mit einem Materialeinsatz für einen 2-stelligen Betrag bauen zu können.
Ich setze dabei vor allem auf die große Kraft der Neodymmagnete.

soweit meine Überlegungen

Grüße / GW