Baubericht eisenloser Ringgenerator, Großversion

[miniwindi]

Hallo Bernd,
sind die Spannungen eigentlich mit einem Widerstand / Lämpchen ... belastet - oder unbelastet ?
(von einer Belastung habe ich bisher nichts gelesen - oder es überlesen)
Viele Grüße Herbert

[Bernd]

Sie sind unbelastet. Belastung würde zu diesem Zeitpunkt noch zu keinen Erkenntnissen führen bzw.
aus meiner Sicht derzeit noch keinen Sinn machen.
Kurz geschlossen merkt man aber das der Draht mitdrehen möchte.

Der nächste Schritt ist dann eine "richtige" Spule deren Schenkel entsprechend dick und breit sind.
Dann wird wieder gemessen. Das dauert aber noch lange.
Ich habe derzeit mal wieder einiges anderes zu erledigen, unter anderen Probleme in dem von mir
gemanagten WLAN-Netz.

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo Bernd,
vielen Dank für die promten Messungen.
Schön, dass Theorie und Praxis sich wenigstens manchmal ähneln.

Ich bin mir noch nicht sicher
ob eine Spule so breit wie die Magnetdicke, oder so breit wie der Magnetabstand, das bessere
Ergebnis liefern wird.

Vieleicht hilft Dir die nachfolgende Untersuchung bei der Bestimmung der optimalen Spulengeometrie:

Da ja nur die Komponente der magnetischen Flussdichte, die in radialer Richtung verläuft im Kupferdraht eine Spannung induzieren kann, habe ich mal die FEMM-Berechnungsergebnisse detaillierter ausgewertet.

Die Ausgangssituation sieht fogendermassen aus:
Dargestellt ist die Richtung der magnetischen Flussdichte (kleine Pfeile) und deren Betrag (Zahlenwert).

Im nachfolgenden Bild ist jetzt nur noch die radiale Komponente der magnetischen Flussdichte mit ihrem Zahlenwert dargestellt.

radialflux_02.png (21 KiB) 9821-mal betrachtet

Hier noch mal das vorige Bild aber gezoomt:

radialflux_03.png (34.79 KiB) 9819-mal betrachtet

Im obigen Bild kann man nun gut erkennen, an welcher Stelle die radiale Komponente der magnetischen Flussdichte den höchsten Wert hat.
Der Kupferdraht muss dann nur noch in diesen Bereichen angeordnet werden damit man die maximal mögliche Induktion in die Spule erhält.

Im nachfolgenden Bild ist mal eine Beispielspule eingezeichnet. Davon könnten 48 Stück über den Rotorumfang angeordnet werden (1-Phasen-Wicklung).

radialflux_04.png (68.18 KiB) 9821-mal betrachtet

Wäre schön, wenn sich dieses Berechnungsergebnis ebenfalls versuchstechnisch bestätigen ließe.

Gruß CFD

[Bernd]

Hallo CFD, wie erstellt du eigentlich die Bewertung der Winkellage der Feldlinien ?
45 Grad sind dabei nur 50% so wirksam wie bei 90 Grad oder wie hast du das bewertet ?

Da wo du jetzt die Spulen eingezeichnet hast ist ja die höchste bzw. wirksamste Flussdichte vorhanden.
Allerdings verändert die Spule ja auch ihre Position im Kreisumlauf.
Die Frage die für mich aber noch offen ist ist die wie breit ein Spulenschenkel werden sollte um das
ideale Verhältnis aus möglichst hoher Induktion und möglichst geringen Innenwiderstand der Spule zu erzielen.

Ich will also möglichst viel (nutzbringende) Schenkelbreite erzeugen ohne das durch das dafür notwendige Kupfer
der Widerstandzu sehr ansteigt. Derzeit schwebt mit eine Spulenbreite entweder so breit wie die Magnetdicke
oder aber so breit wie der Magnetabstand vor.

Die im Bild zu sehenden Spulenhöhe von nur 3mm wäre viel zu wenig um mein angepeiltes Ziel zu erreichen.
In diesem kleinen Spulenraum lässt sich nur sehr wenig Kupfer unterbringen.

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo Bernd,

wie erstellt du eigentlich die Bewertung der Winkellage der Feldlinien ?
45 Grad sind dabei nur 50% so wirksam wie bei 90 Grad oder wie hast du das bewertet ?

Da es sich bei der magnetischen Flussdichte um einen Vektor handelt, kann man diesen mittels Vektorrechnung in seine Richtungsanteile zerlegen.
Da beim Ringgenerator nur der radiale Anteil eine Spannung induziert, ist es bei der Spulendimensionierung zwingend erforderlich, auch nur diesen Anteil zu betrachten.
Zur veranschaulichung eine Skizze:

vektor.png (9.66 KiB) 9789-mal betrachtet

Da wo du jetzt die Spulen eingezeichnet hast ist ja die höchste bzw. wirksamste Flussdichte vorhanden.
Allerdings verändert die Spule ja auch ihre Position im Kreisumlauf.

Ja, so wie ich die Spule eingezeichnet habe ist das die Spannungsmaximum-Position (was ja auch anzustreben ist, oder? Was soll erreicht werden? Hohe induzierte Spannung oder viel Leistung? Ich denke hohe induzierte Spannung heißt das Ziel).
Davor und danach (bei drehendem Rotor) sind die induzierten Spannungen in der Spule geringer (ganz normal wie bei jeder Spule).

Die Frage die für mich aber noch offen ist ist die wie breit ein Spulenschenkel werden sollte um das
ideale Verhältnis aus möglichst hoher Induktion und möglichst geringen Innenwiderstand der Spule zu erzielen.

Ganz einfach: Das Kupfer muss da positioniert werden, wo die radiale Komponente der magnetichen Flussdichte am höchsten ist.
Gibt es keine Bereiche mehr mit hoher radialer Magnetischer Flussdichte, kann ich mein Konstruktionsziel halt nicht erreichen. So einfach ist das.
- Oder ich nehme den höheren Innenwiderstand in kauf.
- Oder ich erhöhe die Drehzahl.
- Oder ich muss mehr Magnete einsetzen
-Oder...

Gruß CFD

[Bernd]

Was soll erreicht werden? Hohe induzierte Spannung oder viel Leistung?

Hohe Spannung bedeutet automatisch viel Leistung. Für die nutzbare Leistung ist neben der zugeführten
mechanischen Leistung wichtig eine hohe Spannung bei möglichst geringen Innenwiderstand zu erzeugen.
Die Frage muss daher lauten wieviel Spulenvolumen ist unter den gegebenen Fakten optimal um zeitlich
gesehen im Kreisumlauf möglichst häufig und möglichst viel Kupfer im wirksamen Bereich zu haben. ?
Welche seitliche Vergrösserung der Spule ist da noch sinnvoll und wann überwiegt der Nachteil des
steigenden Innenwiderstandes bzw. der Spannungen die gegeneinander arbeiten ?
Welche Schenkelbreite ist optimal und das wieder differenziert nach:
a, bei überlappenden Spulen und
b, bei einzeln stehenden Spulen.

Das Ziel ist es das beste Verhältnis aus Kupfermenge, erzielbarer Spannungshöhe sowie Innenwiderstand zu finden.
Diese Variablen heisst es in Einklang zu bringen.

Davor und danach (bei drehendem Rotor) sind die induzierten Spannungen in der Spule geringer (ganz normal wie bei jeder Spule

Sicher ist die induzierte Spannung weiter weg vom Magneten geringer, fraglich ist halt bis zu welcher Grenze man da
nutzbringend vorgehen kann.
Hier gilt es das richtige Mittelmaß aus "nutzbringend" und "nicht mehr sinnvoll nutzbringend" zu finden, wie bei jeder Spule.
Zumindest die 3mm eingezeichnete Spulenhöhe scheinen mir da doch noch deutlich unter dieser zu findenden Grenze
zu liegen. Das gleiche vermute ich für die eingezeichnete Schenkelbreite von 8mm. Genau solche kleinen Schenkeldimensionen
hatte ich ja schon am kleinen Testgenerator.

Welchen Innenwiderstand man sich erlauben kann, ist widerum von der Spannungshöhe und der abgenommenen Leistung
abhängig. Geil viele Variablen...

Am wichtigsten scheint mir derzeit die Überlegung wie weit der Spulenschenkel nutzbringend verbreitert werden kann.
So breit wie der Magnetabstand ?
So breit wie eine Magnetdicke ?
Oder nur 9mm ?

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo Bernd,
ich habe die Berechnungsergebnisse von oben mal in Diagrammform dargestellt.
Zu sehen ist die radiale Komponente der magnetischen Flußdichte über einen Winkelbereich von 15° in abhängigkeit des Luftspaltes.
Zur Veranschaulichung nachfolgende Skizze:

radialflux_05.png (47.9 KiB) 9605-mal betrachtet

Da die induzierte Spannung in einen elektrischen Leiter proportional zur radialen Komponente der magnetischen Flußdichte ist, entsprechen die Kurven qualitativ auch der induzierten Spannung in einen elektrischen Leiter mit dem selben radialen Abstand (Luftspalt).
In der Skizze ist ein elektrischer Leiter bei 7,5° und ca. 1mm Luftspalt eingezeichnet. Nach dem Diagramm würde in den Leiter bei dieser Position gerade 0 Volt Spannung induziert.

Gruß CFD

[Bernd]

Hallo CFD, danke für die super geilen Grafiken. Es ist schon erstaunlich das nahezu überall
eine Spannung, natürlich unterschiedlicher Höhe, induziert wird. Nur genau mittig über dem Magneten
entsteht nichts.
Würde man eine Spule aus einem einzelnen Draht erstellen, dann würde sie praktisch genau diesen
Spannungsverlauf erzeugen.

Wenn die Spule jedoch breiter wird, dann gibt es Bereiche im Umlauf bei denen ein Teil des Spulenschenkels
links von einer Magnetmitte steht und der andere Teil rechts.
Wenn die Spulenmitte dann genau über der Mitte des Magneten steht, dürften sich die resultierenden Spannungen
genau aufheben.
Sobald aber der Spulenschenkel mehr links oder mehr rechts einer Magnetmitte steht, überwiegt jeweils eine
Spannung und die "Gegenspannung" ist kleiner, es entsteht eine resultierende Spannung.

Wäre es also das beste die Spulenschenkel in der Breite jeweils von Mitte Magnet bis Mitte Magnet auszuführen ?
Im Augenblick erscheint es mir so, gleichzeitig kommt es mir komisch vor.

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo Bernd,
über den optimalen Abstand der beiden Spulenschenkel bin ich mir auch noch nicht im Klaren.

Wäre es also das beste die Spulenschenkel in der Breite jeweils von Mitte Magnet bis Mitte Magnet auszuführen ?

Ich hätte jetzt, aus dem Bauch heraus, den Abstand der beiden Spulenschenkel so breit wie die beiden roten Felder (siehe Bilder weiter oben) gemacht. Da ich so zum selben Zeitpunkt in beiden Spulenschenkeln den maximalen magnetischen Fluss hätte, was auch zur maximal möglichen induzierten Spannung führen würde. Der Signalverlauf wäre aber ziemlich Kamelbuckelartig, d.h. der Peak würde nur sehr kurz anstehen.

Mal eine grundsätzliche Frage: Was ist anzustreben?
1.) Einen möglichst hohen Spannungspeak, der dann aber nur für kurze Zeit ansteht (blaue Kurve in nachfolgendem Bild)
2.) Ein Signalverlauf mit möglichst viel Fläche unter der Kurve, was für viel erzeugte Energie stehen würde (rote Kurve in nachfolgendem Bild)

kurven.png (4.32 KiB) 9537-mal betrachtet

Da ja jetzt alle Parameter zur Berechnung einer Spule zur Verfügung stehen, sollten wir mal versuchen, wie Du weiter oben schon vorgeschlagen hast, die effizienteste Spulengeometrie mittels Optimierungsstrategie zu ermitteln.

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?

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

Gruß CFD

[jb79]

Für den Ladestrom ist eine Dreieckspannung ideal, der Ladestrom ist dann fast eine Rechteckspannung. Ein langsamer Anstieg und Abfall ist also hier von Vorteil, je steiler die Spannung ansteigt, desto größer werden die Spitzenströme durch Dioden und Kondensatoren, was mehr Verluste bedeutet.
Leider bedeutet jeder rechteckförmige Verlauf einen hohen Oberwellenanteil (erzeugt auch hochfrequente Abstrahlungen), aber das lassen wir mal jetzt, das führt zuweit.
Könnte mal versuchen das mit einem Programm zu simulieren (Bernd weiß was ich meine, er hat schon so ne Simulation für eine Gleichrichterschaltung von mir gesehen).
Die momentane Spannung die ausschaut wie zwei Kamelhöcker könnte ich durch Überlagerung von 2 Sinusspannungen machen, wobei eine die dreifache Frequenz und eine geringere Amplitude (glaube 1/3 müßte es sein) hat, dann kommt eine Kurve raus die der roten Kurve ähnlich ist.
Für einen B6 Brückengleichrichter kommen dann doppelt so viel Ladeimpulse raus wie für eine Sinusspannung,