Überlegungen zum Thema Fahrrad-Generator

[Smilingdevil]

Schöne Webseite zu dem Thema:
Fahrradlichtmaschinen

[Dieter Lutz]

Hallo Christian,

Fragen gibt es schon, aber die kann nur Thomas stellen.
Aber ich muß was richtigstellen: es ist mir bei meinem letzten Artikel einen Sch.... geschrieben, es ist kein Luftspule, sondern eine Spule die über diesen dicken Eisenkern geschoben wird. Also muß Eisenmenge und Kupfermenge in einem richtigen verhältniss zueinander stehen. Das habe ich inzwischen verstanden.

[ThomasT]

dass zu einigen Punkten Fragen auftauchten und hier nach möglichen Antworten gesucht wurde. Daran beteilige ich mich gerne, sofern die dafür notwendigen Informationen vorhanden sind.

Danke, Christian. Wir haben das nicht vergessen. Das geht grad alles etwas schleppend, u.a. weil ich nicht mehr so gern hier im Forum bin - nicht zuletzt wegen dem niedrigen Signal/Rauschverhältnis.
Ich werde mal eine lange Liste mit offenen Punkten und Unklarheiten zusammenstellen. Dauert aber noch ein bißchen.
Jetzt erstmal die Bilder, die Dieter erwähnt hatte:

[Christian]

Danke. Ich werde in der Zwischenzeit anhand der Fotos nochmal durch die Beiträge gehen. Sehe ich das richtig, dass jeweils ein "Dreizack" und eine Spule verheiratet werden? Falls die Magnetabmessungen und der Magnetabstand nicht weiter oben schon genannt wurden, wäre eine Angabe hierzu hilfreich.

Gruß,

Christian

[Dieter Lutz]

Hallo Christian,
Die Daten: Mittlerer Magnetkreis Durchmesser 80 mm später max. 120 mm. Magnete von www.supermagnete.de Quadermagnet 10 x 6 x 2,5 mm Magnetisierung 425H Beschichtung ( Ni-Cu-Ni ) bis 150°C Haftkraft 1,7 kg per Stück.
Der kleinste Magnetabstand beträgt 6 mm. Eingebaut sind 5 Stück pro Magnetfeld also 2 von Vorne und 3 von Hinten.
Bild 2 auch ein Versuch sogar mit Trafoblech am besten gleich vergessen!!! Viel zu wenig "Eisen" und die "leeren" Magnete zwischen dem U ergaben ganz schlechte Kurven ( Zitterkurven ) auf dem Oscilloscop.
Bei dem auf Bild 1 + 3 sind die Kurven - Wellen wunderschön ja so gleichmäßig harmonisch. Bedenke bitte, am liebsten wäre es mir mit 4 Spulen, denn dann ist noch genügend Platz für die Scheibenbremse.
Noch die Werte von Bild 1+3 0,63er Kupferlackdraht 300 Windungen 1,2 Ohm Wiederstand ergaben stabile 1,5 Volt.
Hoffentlich habe ich nichts vergessen, bin halt nicht mehr der jüngste und ein "Schreiberling" war noch nie.
Viele Grüße
Dieter

[Christian]

Hallo Dieter,

ich habe mal eine Abwicklung des Generators skizziert, basierend auf dem mittleren Durchmesser von 80 mm. Die Zähne sind 6 mm breit, die Nutbreite und der Abstand zwischen den Einzelmodulen betragen jeweils 10,75 mm. Damit ergibt sich eine Nutteilung (Abstand Nutmitte zu Nutmitte bzw. Zahnmitte zu Zahnmitte) von 16,75 mm und die Gesamtbreite der Abwicklung von 251,25 mm (5 Module mal 3 Zähne mal 1 Nutteilung). Soweit richtig?




Bei den Magneten (grün) blicke ich noch nicht durch. Stimmt die prinzipielle Anordnung? Polfolge und Magnetisierungsrichtung wie abgebildet?



Sind die Magnete gemäß Anordnung in der Abbildung 6 mm breit und 2,5 mm hoch?

Gruß,

Christian

[Dieter Lutz]

Hallo Christian, Danke, dass Du Dir soviel Mühe machst,
ja die Magnete sind 6 mm breit, 2,5 mm hoch und pro Magnetfeld 5 x 2,5 hoch = 12,5 hoch x 18 Magnetfelder = 90 Magnete die ich in der Scheibe verbaut habe. Betrachtung eines Magnetfeldes: da ich zwischen dem zweiten und dem dritten Magnet eine 0,3 mm Wand stehen ließ, halten sich die Magnete in der Scheibe selber ohne Kleber. Die Magnet sind so Angeordnet wie Du es so schön skizziert hast, Süd-Nord-Süd usw. Magnetabstand = 6 mm. Ja, Deine Berechnung müßte auch passen.

Viele Grüße
Dieter

[Christian]

Hallo Dieter,

gibt das den Aufbau richtig wieder? Als magnetischer Rückschluss dient die Bremsscheibe (blauer oberer Balken)? Wie ist das mit der Wand zwischen dem zweiten und dritten Magnet zu verstehen - liegen die Magnete auf beiden Seiten der Bremsscheibe? Ist der Magnetabstand so gleichmäßig wie auf dem Bild?



Gruß,

Christian

[ThomasT]

Hallo Christian,

der magnetische Rückschluß hatte bei Dieters Versuchen keine Verbesserung gebracht. Das lag aber wohl daran, daß das Eisen längst in der Sättigung war. Ich hatte mal übeschlägig aus der Spitzenspannung 1V bei 300 Wdg die Flußdichte berechnet und festgestellt, daß das Eisen längst in der Sättigung ist, was ja die verzerrte Kurvenform vermuten ließ. Dieter hat nun die Querschnittsfläche des Kerns erhöht, was wohl tatsächlich eine Verbesserung brachte. Jetzt müßte man mal wieder die Eisenbrücke hinter den Magneten ausprobieren.

Die W-Form ergab sich durch die verwendeten Trafos. Irgendwann sind wir übereingekommen, daß die U-Form auch ausreichend ist. Oder hast Du jetzt festgestellt, daß es mit W doch besser geht, Dieter?

vg
Thomas

[Dieter Lutz]

Hallo Thomas,
die W-Form scheint doch besser zu sein, da die angezeigten Kurfen im Oscilloscop schöner aussehen.

Hallo Christian,
ja und nein. Schau bitte die Bilder auf Seite 2 #34 und Seite 3 #42 dazu an. "Nein" Das Rückschlussblech ist nicht die Bremsscheibe sondern ein 2 mm starker Eisenring. Die Magnete sitzen in den Taschen in einer 12 mm Sperrholzplatte von vorne und hinten eingefräst mit der 0,3 mm Zwischenwand. Bei der Verwendung des Rückschlussbleches hätte ich die Magnettaschen von einer Seite durchfräsen können. Nur habe ich die Abstände des "W" auch "Dreizack" genannt auf die Magnete ausgerichtet.
Die Bremsscheibe hat einen Durchmesser von 203 mm von Schimano, hat einen Befestigungslochkreis von etwa 147 mm
6 Loch. Das bedeutet für den nächsten Versuch stünden 120 mm anstadt 80 mm Durchmesser zur Verfügung. Aber das ist Zukunftsmusik. Die Frage ist auch HOLZ-scheibe durch ALU-scheibe ersetzen = haltbarkeit?

Gruß Dieter

[Christian]

O.k., wenn ich das richtig verstehe, gibt das letzte Bilde also den Aufbau richtig wieder (abgesehen von dem kleinen Abstand zwischen zweitem und drittem Magnet und dem etwas zu starken Rückschluss)?

Anzahlen (Magnete, Spulen, Spulenkörper) stimmen, und die Proportionen passen halbwegs?

Alle Eisenteile sind momentan noch ungeblecht?

Gruß,

Christian

[Dieter Lutz]

Ja Christian, 1 O.K. 2 O.K. Bei 3, alle Eisenteile sind momentan noch ungeblecht? Da verstehe ich nicht ganz was Du damit meinst. Meinst Du ohne Trafoblech als Eisenkern, ja das ist richtig.
Denn die versuche mit Trafoblechen waren nur mit U und einfach auch zu dünn und zu lang.

Gruß,
Dieter

[Christian]

Danke, Dieter. Kannst Du noch den ungefähren Luftspalt zwischen den W's und den Magneten angeben?

Ich vermute, dass die Spulen ihren eigenen Gleichrichter haben, d.h. sie sind nicht untereinander verschaltet?

Gruß,

Christian

[Dieter Lutz]

Vielen, vielen Dank, Christian.
Der Abstand der Spulen mit den "Eisenkernen" beträgt etwa 2 mm kleiner - enger sollte es nicht werden. Gerade bei meinem im Bild 1+2 gezeigten Eisenkern mit Spule darf ich nicht näher als 1,5 mm an die Magneten gehen, sonst zieht es mir die Magnete aus der Scheibe. Sie sind für die Versuche noch nicht Eingeklebt. So kann ich immer noch mit der Anzahl variieren.

Grüße,
Dieter

[Christian]

Hallo Dieter, Hallo Thomas,

ich fasse mal kurz meine bisherigen Überlegungen zusammen (teilweise unter Wiederholung bereits diskutierter Sachverhalte).

• Statorzähne, Statorjoch und Rotorjoch sollten mit Trafoblech statt Baustahl ausgeführt werden. Größter Nachteil der ungeblechten Anordnung sind erhöhte Verluste infolge von Wirbelströmen. Außerdem verringern Wirbelströme den mit der Spule verketteten Fluss und somit die induzierte Spannung. Soll der prinzipielle Aufbau des Generators beibehalten werden, dann empfiehlt sich die Verwendung von EI-Kernblechen (siehe beispielsweise http://www.sauter-shop.de/downloads/blechei.pdf),
• Das Rotorjoch kann notfalls weiterhin aus einem Baustahlring bestehen (besser wäre auch hier eine geblechte Ausführung), jedoch muss es stärker dimensioniert werden (ich empfehle mindestens 3 bis 4 mm).
  
• Die gewählten Magnete sind zwar recht temperaturfest, dennoch sollte darauf geachtet werden, dass die örtliche Nähe zur Bremsscheibe keine Probleme verursacht. Die Wirksamkeit der NdFeB-Magnete nimmt ab, je wärmer sie werden.
• Die Anordnung mit den vergleichsweise hohen Magneten und den großen Lücken zwischen den Magneten sowie die Verwendung eines mehrfach unterteilten Stators (Einzelkerne) und die fünfphasige Wicklung - all das ist recht ungewöhnlich. Ich tue mich momentan noch etwas schwer in der Beurteilung der magnetischen Qualität einer solchen Anordnung. Die Streuung ist zumindest nicht gering.
  
  Gewünscht ist ein hoher Flussanteil durch den mittleren Statorzahn. Man sieht jedoch, das sich viele Feldlinien von Magnet zu Magnet schließen, statt durch den Zahn zu verlaufen. In der gezeigten Rotorposition liegt das Verhältnis von Streufluss zu Nutzfluss bei 8 : 12 (wie sich anhand der Feldlinien auszählen lässt).

Vorläufiges Fazit: Sofern die bestehende Topologie beibehalten werden soll, würde ich geblechte EI-Kerne, eine dreisträngige Wicklung und eine geänderte Magnetanordnung in Betracht ziehen.

Gruß,

Christian

[Dieter Lutz]

Hallo Christian,
zuerst herzlichen Dank für die wunderbare grafische Darstellung. Wenn ich jetzt als totaler Laie, außer den Versuchen die ich gemacht und trotzdem nicht den Durchblick gefunden habe, noch ein paar Fragen dazu stellen darf:
Hohe Magnete, große Lücken, sollten die Magnete näher zusammengerückt und andere verwendet werden?
Demnach ist meine bisherige Anordnung nicht optimal, oder???

Gerne würde ich einen von Dir gemachten Vorschlag aufgreifen um damit an meinem Hinterrad Strom zu erzeugen. Ich werde also neu beginnen. Gerne höre ich wieder von Dir.

Gruß
Dieter

[Christian]

Hallo Dieter,

schau Dir doch mal den EI-42 aus dem oben verlinkten PDF an. Sechs Kerne (nur das "E" ohne das "I") lassen sich auf dem von Dir genannten neuen Durchmesser von 120 mm problemlos unterbringen. Die Bleche sind 0,5 mm stark, so dass max. 20 Bleche für eine Höhe von 10 mm erforderlich sind. Du benötigst also 120 Bleche (Kosten: knapp 8 Euro für 250 Bleche). Die Magnete würde ich wiederverwenden, vermutlich aber eher in einer Anordnung mit zwei Magneten nebeneinander und zwei Magneten übereinander. Man könnte auch eine Halbach-Anordnung probieren, dann würde man sich das Rotorjoch (Eisenring) sparen. Wie's dabei mit der Wiederverwendung der Magnete aussieht, wird sich zeigen.

Ich kann das bei Gelegenheit mal rechnen (leider geht mein Urlaub heute zuende) und Deiner jetzigen Anordnung gegenüberstellen. Wenn's rechnerisch nicht deutlich besser wird, kann man sich den Aufwand sparen. Glaube ich aber nicht.

Übrigens: Ich möchte keinesfalls den Eindruck erwecken, als sei mit ein paar theoretischen Betrachtungen der Keks gegessen. Insbesondere sollten Dich meine Anmerkungen nicht davon abhalten, weiter zu probieren und zu messen. Auch sollte Thomas vielleicht noch ein paar kritische Anmerkungen beisteuern.

Gruß,

Christian

[ThomasT]

Am Generator hängt eine Last aus einer Reihenschaltung von 10 Ohm Lastwiderstand und einer ähnlichen Spule, wie die Generatorspule.
Dabei fällt über dem Lastwiderstand die gleiche Spannung ab wie über der "Meßspule". Die Meßspule hat einen ohmschen Widerstand von 6 Ohm.
D.h. der Blindwiderstand beträgt ca. 8 Ohm ( sqrt(10^2-6^2) ) - und das bei v<10 km/h.

=> Die Generatorinduktivität ist ein wesentlicher Grund für die geringe Ausgangsspannung unter Last. Wir brauchen einen Kompensationskondensator. (ca. 100uF)

Na, da hatte ich ja einen schönen Mist erzählt. Und keiner hat mir widersprochen. Ich zahle dem, der den Fehler als erster findet und postet auf der SPEZI eine Currywurst oder ein Bier oder ein Spezi.

[ThomasT]

Ich wollte hier eine Liste mit offenen Fragen posten, hatte ich dem Christian geschrieben. Fragen gibt es viele. Das Wesentliche hatte ich weiter oben schon geschrieben:

Wenn wir den Sättigungseffekt eliminiert oder wenigstens deutlich verkleinert haben, müssen wir den magnetischen Widerstand des Luftspalts verringern. Da wir am Abstand nichts ändern können/wollen müssen wir die Querschnittsfläche vergrößern - besonders in radialer Richtung. Eine Vergrößerung in Drehrichtung ist vielleicht doch nicht so uninteressant, wie ich bisher behauptet hatte. Da muss man nochmal nachdenken. Oder einer der Experten hier, weiß was dazu.

Ich bin nach wie vor der Meinung, daß die Sättigung des Eisens Dieters derzeitiges Hauptproblem ist. Leider habe ich keine Sättiungswerte für den Stahl gefunden. Nur eine Seite für Mu-Metalle und noch brutalerem Zeugs. Auch auf der Datenblattseite vom www.sauter-shop.de steht Nichts
Frage: Welche Flußdichten führen in den Trafoblechen und dem Baustahl zur Sättigung?

Wie Dieter richtig erkannt hat, wird es mit mehr Eisen besser. D.h. ein größerer Querschnitt verringert die Flußdichte.

Wenn also nun (oder bald) die Sättigung vernachlässigbar ist, dann geht es darum, mit den Magneten einen möglichsten hohen Fluß zu erreichen. Magnetlinien sind wie Radfahrer: sie wollen es möglichst einfach haben. Wenn ich hier in München aus dem Fenster schaue und die besch... Radwege sehe, dann vergeht mir die Lust auf's Radeln. Wenn die Magnetlinien aus dem Magnet rausschauen und einen großen Luftspalt sehen, dann haben sie auch keinen Bock. Von daher muß eine Luftspule schlechter sein, als eine Eisenspule. Mit derselben magnetischen Feldstärke erreicht man bei einer Luftspule einfach nicht so große Flüsse, als mit dem Eisenkern. Und ehrlich gesagt: Der Wirkungsgrad ist nicht soo extrem wichtig.

Wie bringe ich nun die Magnetlinien dazu, den Luftspalt zu überbrücken? Genauso, wie ich die Radfahrer auf den Radweg locke: durch möglichst breite Wege. Der Spulenkern muß einen großen Querschnitt haben, um die Flußdichte gering zu halten (wie groß er sein muß, ist noch offen- Frage!). Wir wollen den Kerndurchmesser aber nicht zu gr0ß machen, weil wir sonst viel Draht brauchen und damit der Spulenwiderstand ansteigt.
Was spricht dagegen, am Luftspalt, außerhalb der Spule den Querschnitt des Eisenschenkels zu vergrößern und damit den Widerstand des Luftspalts zu verringern?

(Ich sehe schon, da muß ich erstmal eine Zeichnung machen.)

[Christian]

Frage: Welche Flußdichten führen in den Trafoblechen und dem Baustahl zur Sättigung?

Wenn man's über einen Kamm scheren möchte: unter 1,4 T [FONT=Courier New]-->[/FONT] harmlos, zwischen 1,4 und 1,7 T [FONT=Courier New]-->[/FONT] zunehmende Sättigung, über 1,7 T [FONT=Courier New]-->[/FONT] gesättigt.

Meiner Meinung nach ist in Dieters Anordnung lediglich das Läuferjoch gesättigt (siehe Bild oben).

Was spricht dagegen, am Luftspalt, außerhalb der Spule den Querschnitt des Eisenschenkels zu vergrößern und damit den Widerstand des Luftspalts zu verringern?

Halbgeschlossene Nuten werden im Elektromaschinenbau häufig eingesetzt, um den magnetisch wirksamen Luftspalt zu verringern (siehe z.B. http://www.google.de/search?q=stator...=u&source=univ). Die Statorstreureaktanz nimmt dabei allerdings zu.

Ich werde am Wochenende mal die kleinen E-Bleche rechnen.

Gruß,

Christian