Een axiale PMG volgens Ewald

Met een wat andere bouwvorm, methode en materialen als gebruikelijk.
Geen zware theoretische verhandelingen maar wat eenvoudige uitleg met een praktisch voorbeeld.
Zie het ook niet als strakke richtlijnen en/of aanbevelingen voor de te gebruiken materialen, draaddikte, opbrengst.
Namaken en/of gebruik van gegevens is geheel voor je eigen verantwoording!
Lees eerst de veiligheidsvoorschriften voor omgang met Super Sterke Permanent Magneten voordat je zelf aan de slag gaat; http://www.supermagnete.nl/warning.php

proefopstelling met handslinger, 1 fase (van de 3), lampje 12V 21W van achterlicht auto

Eerst wat uitleg:
PMG (axiaal) simpel voorgesteld: Een stator (vaste plaat) met spoelen tussen twee rotors (draaiende schijven) met daarop “om en om” (Noord- / Zuidpool) geplaatste permanent magneten. Door de rotor te draaien wordt er, door middel van inductie, een wisselspanning/stroom in de spoelen opgewekt. De spoelen kun je op diverse manieren schakelen; serie, parallel of een combinatie daarvan. Maar ook, met de magneten, groeperen en zo meerder fases opwekken. Gebruikelijk is drie spoel- en magneetgroepen, dus 3 fasen.
In Ster geschakeld levert het reeds spanning bij een lager toerental. Als Delta schakelen kan natuurlijk ook, het rendement is dan wat hoger, maar je hebt ook een hoger toerental nodig. Welke van de twee is dus afhankelijk van de aandrijving. En... enkel-fasig kan ook maar dat levert een nogal slordige spanning op en is dus niet aan te bevelen.

Wat kun je er mee doen? (maar stel je er niet al te veel van voor)
Door te koppelen aan een windmolen, waterrad, hometrainer,...
Accu's opladen, tuinverlichting, LED-verlichting, water (voor)verwarmen, vijverwater rondpompen......
Zonder gelijkrichten kunnen gloei- en halogeenlampjes worden aangesloten maar als de spanning te hoog wordt dan... dag lampje dus is een spanningregelaar nodig.
LED's:
Na gelijkrichten en een geschikte constante stroombron; www.conrad.nl (prijzen 2009)
LED CONSTANTSTROOMBRON 3-25VDC 20 mA, Bestnr.: 191192, € 2,99
LED superhelder 3mm wit  3400mcd 60°, 3,2 V-20 mA, Bestnr.: 176724, € 1,57
LED superbright wit 5mm 10000mcd 20°, 3,2 V-20 mA, Bestnr.: 180756, € 0,70

Opmerkingen/Info:

• mcd is een maat voor de lichtsterkte, dus zou je kunnen denken dat de tweede LED meer licht geeft, maar dat is niet zo. De eerste LED geeft een lichtbundel in een hoek van 60° (spot) en de tweede van maar 20° (punt spot).
• Elke Led moet je een eigen constante stroombron geven en bij grotere aantallen loopt de totaalprijs dan aardig op. In dat geval is een spanningregelaar met weerstanden als stroombegrenzing de betere oplossing.
• Als alternatief: onderdelen van de goedkope LED zak-, fiets- of opwindlampen of solar tuinlampen van Aldi/Lidl/Trekpleister/Kruidvat/.... gebruiken.
• Solar tuin- en buitenverlichting kun je aanvullen met windenergie zodat er in donkere tijden de lampen ook (langer) branden.
  De gelijkgerichte windenergie sluit je dan aan op + en - aansluitingen van de accu's (+ op + en - op -). Zo worden de accu's opgeladen en/of de energie direct gebruikt. Zo nodig een schakeling tussenvoegen ter beveiliging van de accu's.
• LED basics:
  http://www.linetec.nl/electronics/leds/led_1.html
  http://www.circuitsonline.net/artikelen/view/32
• Diverse interessante (LED-)schakelingen:
  http://www.circuitsonline.net/schakelingen/
  http://www.talkingelectronics.com/projects/200TrCcts/101-200TrCcts.html
  

InductieSpanning/Stoom opwekken:
Door een spoel aan een variërende flux (magnetisch veld) bloot te stellen ontstaat er een inductiespanning/stroom in de spoel. Hoe meer windingen en/of sterkere flux des te hoger de inductiespanning/stroom (verlies door oplopende weerstand bij veel windingen even buiten beschouwing gelaten). Een magneet kan "binnen door" of "buiten langs" de spoel worden bewogen. Bij een PMG is dat altijd "buiten langs" dus kan er ook een kern de spoel zitten. Een ijzerkern in de spoelen verhoogt het rendement extreem maar ook het aanloopkoppel stijgt enorm daar de magneten hun trekkracht op de ijzerkernen richten en dus zeer sterke magnetische wrijving (remmen) veroorzaken. Voor een aandrijven met laag aanloopkoppel maak je gebruik van luchtspoelen, dus zonder ijzerkern (een niet ijzerhoudende kern kan natuurlijk wel).
Het volgende heb ik zelf bedacht maar... misschien heb ik ook wel "het wiel opnieuw uitgevonden". Er is ook nog een tussenweg mogelijk, namelijk een (heel) klein beetje ijzer, axiaal, in de luchtspoelkern. Bijvoorbeeld een nylonkern, of vullen met polyester, met daarin een paar gaatjes waar ijzerdraadjes, Ø 1mm, in wordt gelijmd. Of de spoelen wikkelen op een dunwandig ijzerenbuis (wat ik heb toegepast). Dat laatste leverde een verdubbeling van de spanning op en ook de luchtspleet, tussen spoelen en magneten, kan ruimer worden genomen. Door te spelen met de afmeting van de luchtspleet kun je nu ook het aanloopkoppel aanpassen.

Een dynamo dus?
Neen, het lijkt een dynamo, maar dat werkt toch weer anders. Dynamo’s bevatten geen permanent magneten maar elektromagneten, dat zijn spoelen met een kern. Stroom op de spoel, en er is een magnetisch veld (die stoom levert de dynamo zelf, dus moet je daardoor steviger op je fiets- of gaspedaal trappen).

Bijzaak - PMM (Permanent Magnet Motor):
Door, op een geregelde wijze, stroom door de PMG te sturen wordt het een elektromotor. Deze worden o.a. als naafmotor in wielen gemonteerd, als je dan remt wordt het weer een PMG welke de rem-energie als laadstroom naar de accu stuurt. Er zit dan natuurlijk wel een ijzerkern in de spoelen.

Even (UIT)lachen:
Duistere figuren zetten ook video’s van PMM’s op Internet onder het kopje “vrije energie”. Hun PMM’s draaien op de energie van “rond om ons heen” en wekken al jaren lang gratis energie met zeer hoge vermogens op. Ze zeggen dat het op het afstoten van gelijk gepoolde magneten berust. En natuurlijk zijn ze ook, door oliestaten en oliemaatschappijen, met de dood bedreigt als ze hun geheim prijs geven (dat geheim zit natuurlijk in de voet van de PMM of onder de tafel in de vorm van een draadje of accu). Het lijkt zo mooi, eerst aantrekken en dan afstoten, maar de natuur zoekt gewoon het evenwicht tussen de magnetische velden op en dan is het, als het evenwicht is bereikt, nogal statisch.

Mijn PMG:
Spoelen, magneten en dragers
Hier zo als ik het heb gemaakt, maar dat wil absoluut niet zeggen dat het zo juist of optimaal is.
Bij 3 fasen heb je aantal spoelen x 1¹/₃ aan magneten nodig.

Ik ben niet eigenwijs, maar doe alles op eigenwijze !
Dus ook deze PMG wordt anders als gebruikelijk is. 2 x 6 = 12 spoelen op 2 stators en 3 x 8 = 24 magneten op 3 rotorschijven per PMG, zo doe ik het hier. Gebruikelijk is 1 polyester stator (de spoelen, in een mal, ingieten) tussen 2 stalen rotorschijven. Dit geeft axiaal een dunne bouwwijze maar ook een veel grote diameter, en ook een sterkere middelpuntvliedende kracht. Dus vergt dit een zwaardere constructie en geeft mogelijk meer last met onbalans. Ik gebruik geen polyester stators en ook geen stalen rotorschijven, maar HDF (de sterke broer van MDF). In plaats van 2 rotorschijven van Ø 202 mm met elk 16 magneten maak ik 3 rotorschijven van Ø 116 mm met elk 8 magneten. Stalen rotorschijven worden gebruikt om fluxverlies door strooivelden in de vrije ruimte te voorkomen. In de HDF-rotorschijven los ik dit op door de magneten met koppelijzers, in een achthoek, magnetisch met elkaar te verbinden (zie verderop). Bij de middelste rotorschijf is dit niet van toepassing, deze heeft tegenover beide polen een spoel.

Machines, gereedschappen:
Een metaal- of houtdraaibank is natuurlijk erg makkelijk, maar met een boormachine en wat improvisatie kom je er ook vast wel. In plaats van een draaibank kun je ook een bovenfrase, met cirkelpasser, gebruiken om zuiver ronde schijven te verkrijgen. Een kolomboormachine of boorstatief is nodig om zuiver haaks te boren en te gatenzagen. Een gatenzaag van 20mm en een van 41mm, van goede kwaliteit, b.v. van Metabo (dus niet van die blikken 7-gaten sets). Verder zijn er geen bijzondere gereedschappen nodig.

Boor- en gatenzaag TIP:
Alle gaten met 3mm voorboren, boor en gatenzaag vanaf beide zijden (niet voor 3mm). De gatenzaag steeds ophalen en een staalborstel aan de zijkant langs de tanden halen (laten draaien) anders wordt het verbranden.

(af)Teken TIP:
Een vooraf, op papier, getekend boor- en gatenzaag-plan kun je gebruiken als (boor)center- en zaag-sjabloon. Ik heb dit met een probeerversie van TurboCad gedaan (alleen 2D geïnstalleerd, tekenen doe je dan op een Tabblad-Papier). Maar met potlood, passer en maatlat op mm-papier kan natuurlijk ook. In plaats van de gebruikelijke hart/snijlijnen heb ik rode 0,1mm lijnen genomen.

HDF in plaats van staal en polyester gieten:
HDF, daar is niet, of heel moeilijk, aan te komen, maar... er is overal HDF-laminaat te koop. HDF is zwaarder geperst dan MDF, is daardoor stijver en zwaarder en veel minder vochtgevoelig. Een voordeel van laminaat is de harde en gladde afwerking. Het is er in verschillende diktes verkrijgbaar, 7 mm is een goede keuze, maar natuurlijk niet dik genoeg.

Een laminaat van laminaat:
Door meerdere lagen laminaat met epoxyhars (2 comp.lijm) aan elkaar te verkleven verkrijg je een uitstekende basis voor de rotors en stators. De verwerking is bijna als bij aluminium, maar dan stoffiger. Bouwmarkt restant € 12,=.
Zaag de schijven iets te ruim uit en werk ze pas na het verlijmen zuiver rond af.

Magneten:
Ik heb NdFeB N42 magneten besteld van Ø 20 x 10 mm met een Tesla van 1,33(magnetische energiedichtheid). Trekkracht per stuk 11 Kg, http://www.supermagnete.nl

Wikkeldraad:
Wikkeldraad Ø 0,85* mm http://www.elosal.de. Alle industriële diameters "aan één stuk" op klos. Goedkoop bij dikker draad.
Dun wikkeldraad kun je ook hier voor ongeveer dezelfde prijs kopen, maar dan wel op een kleine klos met een lengte welke afhankelijk is van de draaddikte (volle klos).
*) De dikte van het wikkeldraad is afhankelijk van de te benodigde spanning (Volt) en stroomsterkte (mp). Met een dikke wikkeldraad is er minder plaats voor de wikkelingen, met als resultaat een hogere stroomsterkte en lagere spanning per spoel. Het aantal windingen is bepalend voor de spanning (Volt). Met een dunnere wikkeldraad is er plaats voor meer wikkelingen met als resultaat een hogere spanning en lagere stroomsterkte per spoel. Het vermogen, in Watt, is het product van Spanning x Stroom en kan bij dun en dik draad gelijk zijn (aantal wikkelingen). Wikkeldraadtabel : http://www.circuitsonline.net/artikelen/view.php?id=27&page=2

Montage:
Dat doe ik met roestvrijstalen draadeinden, ringen en moeren. Rotoras: 1 x Ø 10mm, fixeer: 4 x Ø 4mm, stator: 4 x Ø 8mm.

Polyester, epoxy (wat ik gebruik):
Polyester en glasvezeldoek; reparatie set van Alabastine, om rotors en stators tegen weersinvloeden te beschermen. Bison Kombi Professional, vullende, ijzersterke 2-componenten epoxy (2 comp.lijm), voor het verlijmen van HDF en de spoelen, magneten en koppelijzers

Koppelijzers:
Platstaal 20 x 4mm (bouwmarkt, geen roestvrij staal) voor de hier boven genoemde magneten. Info: De breedte gelijk aan de diameter van de magneten. De gewenste dikte is afhankelijk van de Flux van de gebruikte magneten, er mag geen paperclips achter aan het ijzer blijven hangen.

De HDF onderdelen maken:
Eerst de benodigde stukken ruim afzagen en dan de 2- en 3-laags stukken met epoxyhars verlijmen. Alles op één stapel, velletje plastic keukenfolie er tussen, en met 4 lijmklemmen samen persen. Pas op: het kan wat gaan verschuiven! Na 5 min. nog een keer vaster klemmen daar er lijm naar buiten wordt geperst. O ja; wel eerst ontvetten, opschuren en stofvrij maken voor je gaat lijmen. En na het klemmen op een stuk papier zetten tijdens het uitharden (gaat lekken). Bij mijn PGM's bestaan de twee buitenste rotorschijven en de twee stators uit 3 lagen laminaat. De middelste rotorschijf uit 2 lagen laminaat. De 3^e laag van de buitenste rotors wordt pas later verkleeft, de koppelijzers worden verzonken tussen de 2^e en 3^e laag aangebracht.

HDF-foto van gelamineerd laminaat:
    LB- 2 lagen middelste rotor, voor 8 magneten, 1 stuk, 10/14mm dik
    RB- 3 lagen stator, voor 6 spoelen, 2 stuks, 21mm dik
    LO- 2 lagen eindrotor, voor 8 magneten, 2 stuks, 14 + 7 = 21mm dik
            kamer voor koppelijzers 3,5 mm diep
            er blijft 10,5 mm staan voor lijm en magneten
    RO- 3^e buitenste laag eindrotor met koppelijzers, 2 stuks, 7mm dik
            kamer voor de 8 koppelijzers 1 mm diep
De grote gaten zijn met een gatenzaag van 20 en 41 mm gezaagd. De afstandstukken zijn het afval van het gatenzagen. De grote tussen de rotors en de kleintjes op de hoeken tussen de stators (dat laatste kan ook met moeren). Als alle onderdelen klaar zijn, inclusief spoelen en magneten, worden ze, met een dun laagje polyesterhars en glasvezeldoek, waterdicht en glad afgewerkt. De 4 gaten, van 4 mm, rond het asgat zijn bedoeld om de rotorschijven met elkaar te fixeren. Boor alle bevestigingsgaten iets te ruim, er komt nog polyesterhars in.

Magneten plaatsen/lijmen:
De magneten en koppelijzers worden met epoxyhars gelijmd. Let op dat de koppelijzers (foto rechts) in de juiste positie komen te zitten.
De magneten in de gaten gelijmd, let op de N/Z polen. Links: 2 rotorschijven met koppelijzers, 21mm dik. Rechts: middelste rotorschijf 10/14mm dik. De linker rotorschijf wordt bij montage natuurlijk omgekeerd, dus zitten de magneten daar andersom in! Zo komen alle magneten "kop aan kont" te staan (nz-nz-nz/zn-zn-zn/...) en trekken elkaar aan. Bij afstoten zit het goed fout, dan kun je opnieuw beginnen. De lijm in de gaten niet vergeten! Het maakt natuurlijk niets uit of de N en Z op de foto ook echt de Noord- en Zuidpool van de magneten zijn, als het maar "om en om" is. N mag je ook als aantrekkend of afstotend zien (zie bij Tips hier onder), maar het schema moet wel kloppen. Magnetische TIPs: De magneten zijn ongelofelijk slim en onberekenbaar. Als ze per ongeluk aan elkaar komen te zitten kun je ze slechts schuivend en met veel moeite van elkaar los krijgen. Maak je werkvlak vrij van metalen delen en gereedschap, je hebt zo een bloedblaar, of erger, te pakken. Maak je werkvlak schoon, ijzervijlsel of -boorsel krijg je nooit meer helemaal van de magneten af. Verwijder het verpakkingpapier om de magneten niet en neem steeds maar één magneet uit het papier, doe dit schuivend en laat de kunststof afstandsring niet wegschieten ander kun je de magneet "niet meer in de hand houden". Test Noord/Zuid met behulp van een plankje met een gat waar één magneet in past en klem daar een paar plaatjes laminaat op (een soort doosje dus). Door een magneet boven het laminaat te houden voel je het aantrekken of afstoten. Lijm eerst alle aantrekkende-polen, dus de gaten om en om vullen, en dan de afstotende-polen. Lijmresten laten zich makkelijk met thinner verwijderen (buiten doen). Bewaar de rotors ruim uit elkaar, als ze "elkaar bespringen" krijg je ze nooit meer van elkaar af (16x11 kg=176 kg trekkracht).

Spoelen wikkelen:


De spoelen voor mijn PGM's met wikkeldraad Ø 0,909 mm (Ø 0.85 mm plus isolatie):
        Ø 41 x Ø 20 x 20 mm met Ø 0,909 mm = 12 lagen x 22 windingen = 264 wikkelingen = 21,5 m/spoel + aansluiteinden
Alle spoelen moeten in de zelfde richting worden gewikkeld. Normaal moet je (handmatig/mechanisch) de wikkelingen tellen maar met een goede wikkelhulp en techniek hoeft dit bij deze draaddikte niet. De spoelkern, het ijzeren buisje van Ø 20 x 21 mm, is gelijk aan de diameter van de magneten. Flans een wikkelhulp in elkaar, moet een beetje zwaar draaien ander loopt ze bij loslaten terug, en dus ook de wikkelingen. Let op: De spoelen moeten een draaddikte dunner worden dan de stator dik is, anders steekt de draad, die vanuit de kern, buiten de stator uit. Het ijzeren buisje wordt net zo lang als de stator dik is en valt bij de draaddoorvoer (foto rechts) een draaddikte in de kloswand.

(links) Schuin opgesteld kun je goed op de windingen kijken. Met een eenvoudig hulpstukje (rechts) kun je de wikkeldraad strekken en sturen (strekken: recht maken door onder enige spanning te vervormen). Met linkerhand de draad strekken en de rechterhand slingeren (ik ben rechts). Met een kunststof spateltje kunnen de windingen, zo nodig, tegen elkaar worden geduwd.

Door over elke wikkellaag een stukje tape te plakken kun je het wegzakken van het wikkeldraad, langs de zijkanten, in de hand houden. De spoel is klaar en past in de stator. In de stator zijn zaagsneden, met vloeiende uiteinden, aangebracht om de aansluiteinden in te verzinken. Later komt daar een laagje polyesterhars met glasvezeldoek overheen. Het kernbuisje zit voor en achter gelijk met de stator.

Spoelen monteren:
In tegenstelling tot wat gebruikelijk is worden de spoelen niet door solderen met elkaar verbonden maar krijgt elke spoel een eigen kroonsteentje (steentje van plastic; toen ik jong was, van porselein). Het voordeel hiervan is dat je serie/parallel-schakelingen kunt wijzigen en ook niet per ongeluk een verkeerde verbinding maakt welke je later moeilijk kan herstellen.


De verbindingsdraden zijn in zaagsneden verzonken en de uiteinden met een gasvlam en schuurpapiertje van isolatie ontdaan.

Beschermen tegen weersinvloeden:
Glasvezeldoek, voor over de spoelen en magneten, op maat knippen. Polyesterhars per onderdeel aanmaken (hard snel uit) en met kwastje rondom op alle HDF-onderdelen, spoelen en magneten aanbrengen. Ook in alle gaten en onder de kroonsteentjes.

Op de natte vlakken glasvezeldoek leggen en doordrenken met polyesterhars, het glasvezeldoek wordt dan doorzichtig.
Bij de stators, na het omkeren, ook de spoelkernen met polyesterhars volgieten, anders ontstaat daar condens in bij lage temperaturen.

Tussen keukenfolie en een paar vlakke plaatjes kan het polyester uitharden (polyester hecht niet aan statisch keukenfolie).

Na het uitharden kan de huishoudfolie worden verwijdert en het polyester worden afgewerkt. Daarna de zijkanten en randen nog een keer met polyesterhars insmeren.

Aansluitingen:
Ik ga voor hogere spanning en laag toerental, dus de spoelen in serie en de fases als Ster geschakeld. De spoelen van een faseset liggen allen tegenover elkaar, dit zowel op een stator als ten opzichte van de twee stators. Bij onderstaande afbeelding (linker deel) is rood dus het einde van de laatste winding en groen het beging van de eerste winding van de spoelen. Verkeerde aansluitingen geven proplemen!
De spoelensets parallel schakelen voor hogere stoom kan natuurlijk ook, maar heeft hier weinig zin daar de spanning toch al niet zo hoog zal zijn en het gaat natuurlijk om het Wattage en dat is in beide gevallen ongeveer gelijk.
Uitleg:     n spoelen in serie geven n x de spanning en 1 x de stroom van 1 spoel
              n spoelen als parallel geven 1 x de spanning en n x de stroom van 1 spoel


De aansluitingen A kun je als aparte fases gelijkrichten waarbij de aansluitingen B gemeenschappelijk zijn. Je kunt ook elke fase apart gebruiken, dus zonder Ster- of Delta-schakeling. In principe kan dit ook per spoel, dus in dit geval 16 aparte energie bronnetjes, maar dan moet je wel meer toeren maken om aan de gewenste spanningen te komen.


De twee stators moeten zoals ze op de foto staan voor elkaar worden gemonteerd, dus niet niet één stator omdraaien want dan gaat het fout.

Testopstelling:
Één fase aangesloten, dus spanning/stroom van 4 spoelen, 2 per stator. Met handslinger! Dus niet de, op Internet vaak voorkomende, truc met een 3000 omw/min boormachine. Nog zo'n truc welke je op Internet kunt tegenkomen is die met een digitale spanningmeter (zie onder laatste foto voor uitleg).

De samengebouwde PMG met bescheiden afmetingen. De 3 rotors zijn hier nog niet met polyesterhars afgewerkt.
Het lampje zat in een rommelbak en is dus een toevallige keuze.



Zonder gelijkrichten kunnen gloei- en halogeenlampjes, zelfs per losse fase, worden aangesloten. Maar als de spanning te hoog wordt dan... dag lampje, dus is er een spanningregelaar nodig.
Ik heb ook een setje van 3 felle LED's geprobeerd (kop van fietslamp met stuurklem), bij 10 omw/min volop licht. Voor LED-verlichting kun je dus met een mini windmolen en een mini PMG volstaan. Natuurlijk met een gelijkrichter(diodes of brug), condensator en schakeling voor een constante stroombron.

De Internet truc met een digitale meter:
Die 16,88 Volt op de meter zou een fantastisch resultaat zijn, maar.... dat klopt natuurlijk niet. Dit is een foto met een sluitertijd van 1/2 sec en, ik schat, ongeveer 3/4 omwenteling (met de hand +/- 90 omw/min geslingerd). Dan zijn er 6 van de 8 magneetsets langs de 4 spoelen geweest met tientallen op- en aflopende spanningwaarden op de meter. Die waarden staan allemaal, over elkaar heen, op de foto. Je kunt uit die 16,88 wel opmaken dat de spanning, één fase en 4 spoelen, in ieder geval 10 V of hoger is geweest.