Motoren und Generatoren

Axialfluss-Generator (Windrad): Spannung und Anlaufdrehzahl

Für Windrad-Selbstbauer: Magnete sitzen auf zwei Stahlscheiben, die Spulen in Harz dazwischen. Das Tool schätzt die Spannung pro Spule und Phase, die Gleichspannung am Gleichrichter und die Drehzahl, ab der ein Akku geladen wird. Mit einem eigenen Messwert lässt sich die Schätzung kalibrieren.

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Abkürzungen und Zeichen auf dieser Seite (6)
Axialfluss-Generator
Generator, bei dem der Magnetfluss parallel zur Welle durch flache Spulen läuft: Magnete auf zwei Stahlscheiben, die Spulen in Harz dazwischen (Bauart nach Hugh Piggott).
U/min
Umdrehungen pro Minute (englisch rpm).
Br
Remanenz: Flussdichte, die ein Permanentmagnet im Material behält. Außen an der Polfläche ist das Feld kleiner.
Anlaufdrehzahl (cut-in)
Drehzahl, ab der die gleichgerichtete Spannung die Akkuspannung übersteigt und Ladestrom fließt.
U, V, W; U1, U2
Anschlussbezeichnung nach IEC 60034-8: U, V, W sind die drei Stränge, 1 = Anfang, 2 = Ende.
Brückengleichrichter
Sechs Dioden machen aus drei Wechselspannungen eine Gleichspannung; je Strompfad gehen etwa 2 × 0,7 V verloren.
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Rotor (je Scheibe)
mm
mm
mm
T
mm
Stator (Spulen)
mm
mm
mm
Stern (Y)
Betrieb und Kalibrierung
V
V
Flussdichte im Spalt (Schätzung)0,343 T
Frequenz40 Hz
Spannung je Spule (Spitze)9,26 V
Leiterspannung bei 400 U/min34 V
Gleichspannung (Leerlauf)44,6 V
Ladebeginn an 12 V117 U/min
Widerstand je Strang1,626 Ω
ABCABCABC
Magnete (dunkel Nord, hell Süd) ziehen über die Spulen der Phasen A, B, C; darunter die drei Phasenspannungen.

Formel

Flussdichte in der Spaltmitte: zwei gegenüberliegende Quadermagnete (Formel supermagnete.de) B ≈ 2 · B_Quader(Spalt ÷ 2). Geschwindigkeit v = 2π r · U/min ÷ 60. Spannung je Spule (Spitze) ≈ 2 N B l v (zwei aktive Seiten). Spulen einer Phase in Reihe; Stern: U_Leiter = √3 · U_Strang. Gleichspannung ≈ 3/π · U_Leiter,Spitze − 2 × 0,7 V. Frequenz f = U/min ÷ 60 · Magnete ÷ 2.

Beispiel

12 Magnete 46 × 23 × 10 mm (Br 1,2 T) je Scheibe, 9 Spulen mit 70 Windungen, Spalt 16 mm, Radius 100 mm, Stern: bei 400 U/min etwa 34 V zwischen zwei Anschlüssen, Ladebeginn an 12 V bei etwa 117 U/min. Grobe Schätzung, mit Messung kalibrieren.

Hinweise

  • Die Schätzung vernachlässigt Streufluss und Stahlscheiben; Abweichungen von ±50 % sind möglich. Eine Messung (Leerlaufspannung bei bekannter Drehzahl) eintragen, dann rechnet das Tool mit dem Faktor weiter.
  • Üblich ist eine Auslegung, bei der die Anlaufspannung etwa der Akkuspannung entspricht; darüber hält der Akku die Spannung und begrenzt die Drehzahl (Forum solar-electric.com).
  • Spulenzahl durch 3 teilbar (drei Phasen). Hugh Piggott empfiehlt in einem Beispiel, je Phase die Spulen in Reihe zu schalten und die drei Phasen im Stern zu verbinden.
  • Starke Magnete auf Stahlscheiben ziehen sich mit großer Kraft an: Montage nur mit Gewindestangen und Abstandshaltern; drehende Rotoren und Ladestrom sind gefährlich.