PMG (Permanent Magnet Generator)
Nov. 2009, Ewald sr
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?
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/Lidell/Trekplijster/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, Theoretisch zou dit
misschien met behulp van het aardmagnetisme kunnen, maar dat is daar,
helaas, veel te zwak voor.
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 accu’s).
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.
| spoelen | magneten/rotorschijf | spoelen/fase |
| 3 | 4 | 1 |
| 6 | 8 | 2 |
| 9 | 12 | 3 |
| 12 | 16 | 4 |
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.
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 in 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,=.
Magneten
(voor 2 PGM's)
Ik heb 50 stuks NdFeB N42 magneten besteld van Ø 20 x 10 mm met een
Tesla van 1,33(magnetische energiedichtheid). Trekkracht per stuk 11
Kg. (had er 48 nodig maar 50 is goedkoper)
http://www.supermagnete.nl
(2009: € 86,50 tot. NL-bank en IDeal, levertijd 4 dagen
uit Duitsland/Zwitserland)
Wikkeldraad (voor 2 PGM's)
550 m wikkeldraad Ø 0,85 mm
http://www.elosal.de
(2009: € 78,= tot. kostenloze EU-bankoverschrijving,
levertijd 5 dagen uit Duitsland). 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 3e laag van de buitenste rotors wordt pas later verkleeft, de koppelijzers worden verzonken tussen de 2e en 3e laag aangebracht.
HDF-foto van gelamineerd laminaat:
l.b- 2 lagen middelste rotor, voor 8 magneten,
1 stuk, 10/14mm dik
r.b- 3 lagen stator, voor 6 spoelen, 2 stuks, 21mm dik
l.o- 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
r.o- 3e 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 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, truck met een 3000 omw/min boormachine.
Nog zo'n truck 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.
De Internet truck 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.
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.