Bau eines eisenlosen Generators

[Winnie-]

Da passt aber jemand auf,
vielen Dank für die herzliche Begrüßung! Wurde langsam an der Zeit auch mitzureden und nicht nur zu lesen. Interessiere mich zur Zeit allerdings ausschließlich für den Generatorbau. Habe auch vor einen eisenlosen Generator zu bauen. Soll ein leichter Generator werden und somit wär ein eisenloser schonmal ideal. Weiß allerdings noch nicht genau ob ich alles richtig verstanden habe also hier mal meine Gedanken bzw. Fakten die ich mir so vorstell:

Leistungsbereich: 150W - 200W

Drehzahlbereich: 70 1/min - 90 1/min

Dachte an Dreiphasen mit jeweils 8 Spulen ergo 24 Spulen und 32 Magnete?

30x30x10ner Magnete (N40 wenns reicht) und Durchmesser der Magnetscheibe von ca. 270mm (Abstand der Magnete am äußeren Rand wäre dann etwa 16,5mm)

Ausgangsspannung wäre super wenn es zum Laden eines 48V-Akkus reicht. Somit müsste die Effektivwertspannung einer einzelnen Phase etwa 48V/1,35=37V betragen.

Rest ist erstmal nur fiktiv (dem Verständnis halber):

Hab irgendwie ne excel-Tabelle erstellt die mir für die mittlere magn. Flussdichte B ca. 0,863T ausrechnet für 20Windungen (pro Spule) und 90mm wirksame Wicklungslänge (pro Spule). Kann jetzt gerad aber irgendwie nicht mehr nachvollziehen wie ich das gerechnet habe... außerdem eh nur ein theoretischer Wert für den B und A (also Wicklung) senkrecht zueinander steht.

Die mittlere induzierte Spannung einer einzelnen Wicklung müsste sein: U_ind = U_eff/(Spulenanzahl * Wicklungsanzahl) = ca. 0,075V was im mittel wahrscheinlich nicht erreicht wird also noch mehr Windungen!

Wäre euch dankbar wenn jemand meine Werte bestätigen könnte (außer Flussdichte B der rein theoretische Wert ist meiner Meinung nach ziemlich unaussagekräftig).
Habt ihr bedenken mit den 48V Ausgangsspannung bei einer so geringen Drehzahl?
Vielen Dank schonmal und schönen Abend noch.
Grüße Winnie-
PS: Kennt zufällig jemand ein 3D-Simulationsprogram für magnetische/elektrische Flüsse? Weiß jemand ob Catia das beherrscht, FEM ist jedenfalls mit möglich aber auch für den ETechnik Bereich?

[Bernd]

Bei der anvisierten Baugrösseund halte ich diese gewünschte Leistung von ca. 200 Watt
bei ca. 80 U/min für zu hoch und so früh nicht erreichbar.
Was für ein Typ von eisenloser soll es denn werden ?
Nach der Einschätzung der Flussdichte müsste es ein Scheibengenerator werden, denn
beim Ringgenerator würde diese weit tiefer liegen, bei ca. 0,2 Tesla.

Ohne heute abend noch zu rechnen würde ich sagen das du bei 80 U/min bei der Grösse
mit 20 Watt schon gut bedient wärst.

Grüsse

Bernd

[Winnie-]

Dachte eigentlich schon an einen Ringgenerator und auch dran, dass es erstmal utopische Werte sind. Ohne Eisen kommt man da aber wohl doch nicht weit in der Größenordnung. Hab leider noch keine praktischen Erfahrungen im Generatorbau sammeln können. Was wär denn so ein Anhaltspunkt für die Flussdichte beim Scheibengenerator?
Danke für die schnelle Antwort.
Grüße Winnie-

[klingei]

Ich hab heute mit einem meiner Lehrer über den Generator diskutiert. Er meinte, dass ein Eisenrückschluss auf der hinteren, inaktiven Seite eine Leistungssteigerung bringen könnte (Also da wo keine Spule sich befindet). Was haltet ihr von diesem Vorschlag?

Gruß Klingei

[Bernd]

Für die Flussdichte würde ich jetzt so geschätzte 0,8 Tesla annehmen, allerdings nur
zwischen den Magneten !! Es gibt ja immer noch Bereiche wo keine Magneten sind.
Im Durchschnitt "enthält" der Luftspalt dann vielleicht 0,5 - 0,6 Tesla.

Beim Ringgenerator liegt der Fluss bei ca. 0,2 bis 0,25 Tesla, auch im Durchschnitt.
Wer jetzt denkt, klarer Nachteil, der irrt denn der Ringgenerator nutzt ja weit mehr
Fläche. Bei einem quadratischen Magneten sind die nutzbaren Schenkellängen gleich
3 x so lang wie beim Scheibengenerator mit den selben Magneten.

Grüsse

Bernd

[CFD]

Hallo Klingei,

Was haltet ihr von diesem Vorschlag, dass ein Eisenrückschluss auf der hinteren, inaktiven Seite eine Leistungssteigerung bringen könnte (Also da wo keine Spule sich befindet) ?

Ich halte davon nichts.
Ein Eisenrückschluss auf der hinteren inaktiven Seite bewirkt das gegenteil. Wie der name Rückschluss schon sagt, er "zieht" das Magnetfeld aufgrund der besseren Leitfähigkeit gegenüber Luft an und leitet es über das Eisen zum anderen Pol. Über den Luftweg wird dann natürlich nicht mehr so viel des Magnetfeldes übertragen. Dort sind aber beim eisenlosen Ringgenerator die Spulen angeordnet.

Du müsstest also, um eine Leistungssteigerung zu erzielen, das Magnetfeld daran "hindern" über die "inaktive Seite" zum anderen Pol zu wandern, so dass dann mehr über den Luftweg geht, wo die Spulen angeordnet sind.
Das Material auf der hinteren "inaktiven Seite" müsste das Magnetfeld sozusagen abschirmen. Google mal nach "magnetic shielding".

Gruß CFD

[Winnie-]

Eine fokusiereung des magnetischen Flusses erreicht man auch durch die sogenannte Halbach-Anordnung. Vielleicht kannst du ja damit ein bisschen rumexperementieren. Allerdings benötigt der Spaß halt viele Magnete = hohe Kosten = hohes Gewicht.
Grüße Winnie-

[Bernd]

Winnie meintest du jetzt Eisen aussen hinter den Spulen, oder innen zur Rotormitte hin, wo keine Spule
sitzt, das wäre ja die Inaktive Seite. ?

@ CFD
Magnetic shielding funktioniert aber nur indem die Feldlinien in dem Shielding-Material "kurzgeschlossen" werden.
Das bekannte Mu-Metall wirkt also als Kurzschluss für die Feldlinien und erleichert den Feldlinien den
Fluss vom einen zum anderen Pol. Auf der anderen Seite des Shields kommt also nichts durch.

Eine Schirmung im Sinne von " zurück strahlen " gibt es bei Magneten meines Wissens nach leider nicht.
Einzig das von Winnie angesprochene Halbach Array kann den Fluss ohne Verluste in eine Richtung steuern.
Wobei "ohne Verluste" auch noch fraglich ist, denn bislang konnte ich nie lesen wie effektiv so ein Array arbeitet.

Grüsse

Bernd

[Winnie-]

Ich meinte gar nix mit Eisen das war klingei.
Hab gerad bisschen in FEMM rumgespielt hier mal ein Beispiel für Halbach-Anordnung.

Große Magneten: 10x30
Kleine Magneten: 10x10
Material jeweils: NdFeB 40 MGOe
Äußerster Radius: 140
Grüße Winnie-

[CFD]

Hallo Winnie-
interessanter Vorschlag von Dir mit der Halbach-Array-Anordnung.
Zu deiner FEMM-Simulation hätte ich aber zuvor ein paar Anmerkungen zu machen.
- Der Feldlinienverlauf der Simulation in Luft ist unrealistisch, weil wahrscheinlich die äußere Randbedingung des Modells (Kreisbogen - Unendlicher Raum) nicht korrekt gewählt wurde (Wahrscheinlich hast du gar keine Randbedingung auf den Bogen aufgegeben). Suche mal in der FEMM-Hilfe nach "boundary condition".
- Das Berechnungsnetz scheint etwas grob zu sein. Daher der zackige, sprunghafte Feldlinienverlauf vor allem im Zentrum. (Meine Modelle haben z.B. so ca. 50000 Knoten)

Anmerkung.png (60.39 KiB) 10491-mal betrachtet

Das Problem mit der Wahl der richtigen Randbedingung am Außenrand (unendlicher Raum) kannst du ganz einfach umgehen, in dem du einfach in radialer Richtung mehr Luft mitsimulierst. Und zwar genau so viel, bis das Magnetfeld fast auf Null abgeklungen ist.

Kannst du Deine Berechnung dahingegen korrigieren und das neue Ergebnis dann hier einstellen?

@Bernd: ok, magnetic shielding scheint nichts zu bringen. Aber wie sieht es mit einem stark diamagnetischen Material wie Bismut (auch Wismut genannt) aus?
Wikipedia: "Von selbst strebt ein diamagnetisches Material in Richtung niedrigerer Feldstärke". Folgerung: Material Festgehalten -> Magnetfeld geblockt?
Es wäre mal den Versuch einer FEMM-Simulation wert.

Gruß CFD