Rdzeń w amerykance

[Waldemar Pachoł]

Postanowiłem rozpocząć temat z uwagi na lobby producentów gwoździ stalowych które ostatnimi czasy na forum próbuje wprowadzić pewne (podobno rewolucyjne) zmiany w budowie prądnic "amerykanek".
Amerykanka to prądnica nieco inna w porównaniu do klasycznej zbudowanej na bazie np. silnika.
Tą różnicą jest brak momentu zaczepowego z uwagi na różnice w budowie jakim jest sposób zamknięcia pola.

Ale do rzeczy. Proponuję dyskusję bo ja w fizyki miałem co innego. Poniższy rysunek wyjaśnia wszystko.
Jest to "fotka" z ruchu.
Wyjaśnienie dla lobby:
Cewka A jest w stanie 0 - nie produkuje prądu
Cewka B produkuje w danej chwili prąd maksymalny
Cewka C zaczyna, 1/3 prądu maksymalnego

Teraz proszę o informację z rozrysowaniem w jaki sposób rdzeń w cewce pomaga polu "zwiększyć napięcie a tym samym moc" skoro "wspomaga" tylko na jedną stronę cewki. Wspomaga w cudzysłowiu bo wcale tak nie jest!
Proszę również o screenshota z oscyloskopu jak wyglądają te "wspomagania" - jeśli przesuniemy siłę i wzrośnie pole (i moc) jednego magnesu, to "moc" drugiego się zmniejszy (ogólnie znane fizyczne prawo).
Proszę o ustosunkowanie się z najlepiej poparciem oscyloskopowym i i próbach z obciążeniem statycznym.

[bpk]

Witam Pana Waldemara.
Wielki szacunek za otwarcie dyskusji.

rdzeń zamyka pole, więc zmniejsza straty na pole uciekające na boki,
co powoduje, że w cewkach indukuje się więcej prądu.

po zamknięciu obwodów magnetycznych przez rdzenie
powstają obwody magnetyczne i każdy obwód składa się
z 4 magnesów, a każdy magnes bierze udział w dwóch obwodach.

Na oscyloskopach dostaniemy dokładnie takie same kształty
napięć i prądów - tylko zmienią się amplitudy, bo zwiększona
indukcja przy identycznej prędkości zmiany pola da zwiększone
napięcia i prądy.

pozwala to wykonać któryś z ruchów:

- zmniejszyć ilość zwojów (można zwiększyć grubość drutu)
- zmniejszyć magnesy (!)

oczywiście pojawia się moment zaczepowy, ale nikt nie mówi, że rdzenie
muszą być wielkości magnesu i nikt nie mówi, że moment zaczepowy powoduje
straty - to jest tylko pulsacja momentu o obrotowego - raz przyspiesza obrót
raz spowalnia - w zależności od położenia rotora wobec statora z rdzeniami.

wielkość rdzeni powinna być taka, żeby wiatrak startował, gdy wiatr osiąga
energię pozwalająca na rozpoczęcie produkcji energii, czyli gdzieś około 2 m/s.

nie ma nic prostszego jak umieścić w cewce kawałek drutu stalowego i zobaczyć
jak wzrasta indukowany prąd przy identycznych obrotach.

Można wstawić w cewkach jednej fazy rdzenie i zmierzyć napięcia dla
dwóch faz z tej samej prądnicy przy różnych obrotach. Wynik może
zaskoczyć wiele osób, które uznały, że konstrukcja "amerykanki" jest
już optymalna.

zaraz wezmę się za rysowanie

[bpk]

Rysunek Pana Waldemara ma błąd - co trzecia cewka należy do tej samej fazy, a więc magnesy są w identycznym położeniu nad co trzecią fazą (aby się napięcia cewek dla danej fazy dodawały!).

Obwody magnetyczne właśnie składają się (każdy) z 4 magnesów nad co trzecią cewką.


trochę teorii:
Napięcie w prądnicy powstaje na skutek ruchu przewodnika elektrycznego (drutu) względem pola magnetycznego, w amerykance, wytworzonego przez magnesy. Wartość tego napięcia (ściślej mówiąc, siły elektromotorycznej) określa wzór:

E=Bvl
Gdzie:
E to siła elektromotoryczna (napięcie) mierzona na końcach drutu (cewki)
B indukcja magnetyczna w przestrzeni gdzie porusza się drut, zależna głównie od ?siły? magnesów i odległości między nimi.
v prędkość względna między polem magnetycznym (magnesami) a drutem (cewką), zależna od prędkości obrotowej prądnicy (wiatraka) i średnicy tarcz
l długość drutu znajdującego się w polu magnetycznym (ilość zwojów cewki)
Jest to podstawowa zależność, której znajomość i rozumienie jest konieczne dla każdego pasjonata MEW.

dodanie rdzeni o optymalnej wielkości - powoduje, że B (indukcja magnetyczna) wzrasta - a zatem tak jakbyśmy
zmniejszyli grubość statora do 2-3 mm.

Jedyny problem - to tak dobrać rdzenie, żeby pulsacja momentu nie przeszkadzała w starcie prądnicy
przy wiatrach, które już niosą jakąś rozsądną energię.

pozdrawiam,

Paweł Krupa

[bpk]

Teraz proszę o informację z rozrysowaniem w jaki sposób rdzeń w cewce pomaga polu "zwiększyć napięcie a tym samym moc" skoro "wspomaga" tylko na jedną stronę cewki. Wspomaga w cudzysłowiu bo wcale tak nie jest!
Proszę również o screenshota z oscyloskopu jak wyglądają te "wspomagania" - jeśli przesuniemy siłę i wzrośnie pole (i moc) jednego magnesu, to "moc" drugiego się zmniejszy (ogólnie znane fizyczne prawo).
Proszę o ustosunkowanie się z najlepiej poparciem oscyloskopowym i i próbach z obciążeniem statycznym.

najprościej to zrozumieć poprzez zamianę (równoważną!!!) cewki z rdzeniem powietrznym posiadającym 200 zwojów
na cewkę z rdzeniem stalowym z np. 70 zwojami. Pozostałe elementy prądnicy nie ulegają zmianie - zamieniasz
tylko dwie identyczne w sensie magnetycznym cewki wykonane w dwóch technikach - jedna z rdzeniem powietrznym
i dużą ilością zwojów a druga z rdzeniem stalowym i małą ilością zwojów.

jeśli jest problemem przesunięcie rdzeni względem magnesów - można zrobić prądnicę jednofazową lub dwufazową
i uzyskać idealnie pozamykane obwody magnetyczne (takie same odległości kątowe między magnesami co między cewkami).
Wtedy wzmocnienie pola będzie znaczne i ewidentne dla każdego a układ prostowniczy uprości się do jednego mostka zamiast 2 czy 3.

Celem jest uzyskanie małej, wydajnej i taniej prądnicy o znacznej mocy bez strat na grzaniu uzwojenia.
Trójfazowość nikogo chyba z nas nie podnieca, bo nie sposób wiatrakiem bezpośrednio zasilać silników indukcyjnych.
Wszyscy albo grzeją sinusami wodę albo prostują i ładują aku dla falowników.

pozdrawiam.

[Waldemar Pachoł]

Witam raz jeszcze...
Mój rysunek nie zwiera błędu - wystarczy spojrzeć - są tylko 3 cewki i tak należy go rozpatrywać.
A jeśli miałoby być więcej cewek w sekcji (dla zachowanie prawidłowości rysunku), to kolejną w sekcji nawijamy odwrotnie - dokładnie tak jak w alternatorze i po "problemie".

Generalnie wolałbym dane z eksperymentu które rozwiałyby wszelkie moje wątpliwości a pewnie i nie tylko moje.

[bpk]

rysunek ma błędy. wystarczy spojrzeć na wzajemne położenia magnesów i cewek
na rysunku poniżej proszę wstawić rdzenie i zobaczyć jak tworzą się obwody magnetyczne.

rys4a.gif (11.71 KiB) Przeglądane 25948 razy

[Waldemar Pachoł]

Paweł! Przesunięcia fazowe są tu nieistotne, bo nie na ten temat rozmawiamy.
Chcesz, wezme animke z mojej strony, jeśli faktycznie te przesunięcie Tobie przeszkadza i porozmawiamy.
Tylko nic to nie zmieni odnośnie głównego wątku.

[bpk]

masz rację, że trzeba to zweryfikować, ale ja nie mam teraz możliwości wstawić rdzeni w
mojego małego wiatraczka.
Namawiam, żeby, ktoś kto ma jakiś stary stator zrobił próbę i wstawił po gwożdziu w środki cewek
i zmierzył empirycznie czy napiecie i moc wzrosły.
Są przesłanki, żeby twierdzić, że rdzenie o rozsądnej wielkości zwiększą moc prądnicy.
Pytanie tylko jaka wielkość będzie optymalna z punktu widzenia zaskoków.

[Raf]

Witam wszystkich
Jestem tu nowy i trafiłm na to forum szukając takiego właśnie zagadnienia - rdzeń w amerykance. Noszę się z zamiarem odlania statora i też wpadłem na pomysł użycia rdzeni. Obiecuje to, jak mi się wydaje, znaczną poprawę parametrów prądnicy jeśli chodzi o moc max., przy małej masie i cenie /magnesy/.
A więc, czy ktoś z Was już próbował to uskutecznić? Na elektrodzie pewien pan pokazuje wykres położenia magnesu względem cewki w funkcji napięcia wyjściowego, ale wydaje mi się to błędne; http://maciejrz.republika.pl/amerykanka.html
Chodzi mi o rys. 1. Co o tym sądzicie?
Pozdrawiam, Rafał.

[Raf]

W porządku. Testy wykonane przez forumowicza kubusiapucharka udowodniły, że rysunek jest OK dla cewek bez rdzeni, albo z rdzeniami, ale nie zamkniętymi przez obwód magnetyczny rotoru.

[kubuspucharek]

W ostatnim czasie próbuję przygotować doświadczenie z wprowadzeniem rdzenia do cewki w zamkniętym polu magnetycznym. Okazuje się że istnieje jedna poważna przeszkoda. Jest nią ogromna siła jaka działa na stalowy rdzeń umieszczony pomiędzy magnesami neodymowymi. Nie jest łatwo tak zamocować rdzeń pomiędzy magnesami by nie gięła się któraś część prądnicy. Jedyne rozwiązanie to użycie grubych stalowych tarcz wirnika i zwiększenie odległości między statorem i magnesami. Tylko czy korzyści wynikające z zastosowania rdzeni będą większe od strat związanych w większymi oporami prądnicy?

[kubuspucharek]

Przeprowadziłem doświadczenie z rdzeniami w cewce w zamkniętym polu magnetycznym.

Stanowisko pomiarowe

Wirnik prądnicy to dwie kwadratowe blachy stalowe z naklejonymi magnesami. Użyłem cztery magnesy neodymowe 40x10x4 n38. Cewka ma 30 zw drutu DNE ? 0,7 mm. Pomiary wykonywane przy obrotach około 1000 obr/min.

[kubuspucharek]

Pierwszy pomiar bez rdzenia

nastawy oscyloskopu 0,5 V/DZ 10ms/DZ

Zmierzone napięcie międzyszczytowe 1,5V

[kubuspucharek]

Drugi pomiar z rdzeniami-dwoma dużymi wkrętami

Wynik pomiaru 1,75V

[kubuspucharek]

Trzeci pomiar. Do wkrętów zostały dołożone dwie śruby ? 6mm.

Wynik pomiaru 2V czyli wzrost o 33% jeśli się nie mylę.

[jaco16]

a czy ktoś już testował ułożenie cewek które nachodzą bokami na siebie czy to sie spisuje byłby to dość ciekawy sposób na większa moc więcej cewek na mniejsza średnice i mniej magnesów i uzyskanie większej mocy można by wtedy zastosować dłuższe ale węższe magnesy który miały by długość boku cewki a szerokość jej grubości co o tym sadzicie warto tego spróbować chce stożyć właśnie prądnice jakaś wolno obrotowa do ładowania akumulatorów

[bpk]

czyli wstawienie rozsądnej wielkości rdzenia z rozsądnego materiału
pozwala na zwiększenie mocy prądnicy bez zwiększania magnesów
i bez zwiększania ilości miedzi.

Tym razem lobby producentów gwoździ zwyciężyło z lobby producentów magnesów
i drutu nawojowego

dziękuję serdecznie Panu Kubusiowi Pucharkowi za weryfikację empiryczną moich
tez.

bpk

[kubuspucharek]

Uważam że wstawianie rdzeni nie jest potrzebne. Co nam z większej mocy prądnicy jeśli moment zaczepowy nie pozwoli na rozpędzenie wiatraka. Popularny magnes o wymiarach 45x25x10 może udźwignąć kilkanaście-kilkadziesiąt kg stali. Oczywiście z odległości kilku mm siła magnesu działająca na rdzeń w stojanie jest mniejsza ale wciąż znaczna. Dodatkowym problemem są drgania rdzeni w stojanie w czasie pracy takiej prądnicy. W krótkim czasie mogłyby doprowadzić do zniszczenia stojana i magnesów jeśli by doszło do wyrwania rdzeni ze stojana. Nie zgadzam się tez z tym że zastosowanie rdzeni pozwala na zastosowanie słabszych a tym samym tańszych magnesów. Czy ktoś policzył o ile tańsze będzie wykonanie takiej prądnicy? Czy może o tyle właśnie będzie droższe bo i tak skończy się na kupnie mocniejszych magnesów. Myślę że obecnie najciekawszymi magnesami są MPŁ 50 x 25 x 12,5 N 38 oferowane przez firmę Biegun w cenie 13,66zł. Przy budowie kolejnej prądnicy raczej nie dałbym się namówić na jakieś mniejsze i tańsze magnesy i rdzenie w cewkach.

[bpk]

klasyczne rdzenie mogą powodować zaskoki, ale wydaje mi się, że warto żeby ktoś wykonał stator
dodając do żywicy opiłków miękkiego żelaza. Zwiększy to znacznie natężenie strumienia magnetycznego
omiatającego cewki bez występowania pasożytniczych prądów wirowych (drobne opiłki izolowane od siebie
żywicą).

Wprowadzenie opiłków do żywicy (starannie wymieszanej!) powinno zwiększyć napięcie/moc prądnicy
i jednocześnie poprawić chłodzenie uzwojenia.

Jeśli ktoś się zdecyduje na eksperyment to czekamy na efekty.

ps. rdzenie transformatorów toroidalnych wykonuje się właśnie w technologii prasowania pyłu
metalowego wymieszanego z żywicą. Dlatego mają taką wysoką sprawność, bo poszczególne
cząstki pyłu są wzajemnie izolowane żywicą i przez to nie ma prądów wirowych, jakie
powodują straty w klasycznych transformatorach z blaszanymi rdzeniami.

[maciek_słupsk]

Witam od razu widać że z cewką jest coś nie tak, a mianowicie na 1V przypada 10 zwoi, więc jeżeli cewka ma 30 zwoi, powinna wzbudzać napięcie około 3V, drugą sprawą śruby pomogły dlatego że pomagają w przejściu pola magnetycznego przez uzwojenie, spełniają rolę przewodnika. W konstrukcji zamieszczonej na zdjęciach należało by zmniejszyć odległość magnesów od cewki, być może są nawet zbyt słabe.