Dikte koperdraad bepalen

Dikker draad gebruik je als je een lage spanning en hoge stroom wilt, dunner draad voor een hoge spanning en lage stroom. Opbrengst blijft (ongeveer) gelijk.

voor een schoolproject ben ik zelf een dynamo aan het maken.

Ik zou eerder verwachten dat u een alternator bouwt, dat lijkt me mechanisch gezien een stuk simpeler dan een dynamo.

Op basis van de beperkte informatie die u geeft kan er alleen maar algemene informatie worden gegeven.

Vuistregel: reken met een stroomdichtheid voor de koperdraad van ca. 3-4 A/mm², afhankelijk van hoe goed de spoel zijn warmte kwijt kan en de isolatieklasse van de wikkeldraad. Goed gekoeld, reken dan met 4A/mm², ingegoten in epoxy o.i.d., reken dan met 3A/mm²

Je hebt een bepaalde wikkelruimte tot je beschikking, stel 30mm² doorsnede. Stel je gebruikt draad van 1 mm², dan zou je max. 30 windingen kwijt kunnen, maar vanwege niet optimale vullingsgraad vanwege rondheid draad, vermenigvuldig je dit met ca. 0.7 dus 30x0.7= 21 wikkelingen.

En dan kijken of je genoeg spanning krijgt (#wikkelingen * V/wikkeling) voor de beoogde toepassing.

Het is jongleren met 5-6 variabelen (vermogen, spanning, stroom, wikkelruimte/grootte van de generator, indien meer fases: keuze ster/driehoek, kiezen voor vierkante i.p.v. ronde draad, etc.) om tot een acceptabel compromis te komen. Te weinig spanning? Dan meer wikkelingen leggen, dus dunnere draad gebruiken (ten koste van de haalbare stroom), of de wikkelruimte vergroten en meer windingen bij gelijkblijvende draaddiameter gebruiken.

Dat is de essentie. Optimaliseren is de werkelijke uitdaging, maar als je niet het onderste uit de kan (generator) wil halen valt het wel mee.

te dun is kunnen er veel verliezen ontstaan door warmte (en smelt de draad misschien zelfs)

Als de spoelen hun warmte onvoldoende kwijt kunnen zal de temperatuur ervan stijgen. Bij te hoge temperatuur (afhankelijk van de isolatieklasse van de draad heeft de laklaag een maximale temperatuur die ze aankan) zal de laklaag/isolatie verbranden en kortsluiting in de spoel ontstaan. Echter, de koperdraad zal niet gauw smelten (of je moet wel heel veel vermogen tot je beschikking hebben...)

[Bericht gewijzigd door nonius op donderdag 27 juni 2024 16:35:48 (14%)

Op donderdag 27 juni 2024 16:20:48 schreef nonius:
Ik zou eerder verwachten dat u een alternator bouwt, dat lijkt me mechanisch gezien een stuk simpeler dan een dynamo.

Hangt er vanaf hoe je het verschil definieert. Een dynamo kan ook een alternator zijn.

hoeveel volt per winding gaat de machine produceren, en welke spanning wil je bekomen.
Daarmee bepaal je het aantal windingen.
Hoeveel stroom moet de machine leveren? (zie nonius voor meer details )
dat zegt wat over de sectie.
IS er voldoende wikkelruimte plaats voor de gestelde eisen?
zoniet, grotere versie maken.

Niet gehinderd door enige kennis van dynamo's en motoren zou ik dit doen:

Bekijk welke klasse motor/dynamo je nodig hebt. Ga je iets met de hand aanslingeren om een klein lampje te laten branden dan zit je op de 5 Watt vergelijkbaar met een fietsdynamo of piepklein aquariumpompje.

Wat steviger is bijvoorbeeld een tafelventilator of keukengereimotor. Zo'n 50 Watt, om een mobieltje op te laden bijvoorbeeld. Dat kan nog wel met een handslinger, hou je 10 seconden vol.

Of ga je echt richting e-bike motor, stevige windmolen, 250-1000 Watt. Dan ben je wel atletisch tot bovenmenselijk als je dat een minuutje volhoudt.

Zo kan je een aardige inschatting maken over hoe zwaar en dik je spoelen worden.

Ik ga inderdaad een alternator bouwen (dus spoel in de stator en magneten in de rotor), ik schat met de middelen die ik ter beschikking heb, dat deze tussen de 1 en 5 watt zal produceren.

dit is een schets die ik al heb gemaakt. Een rotor met 8 permanente N35 magneten van 40x10x5mm en een stator met 2 spoelen en blikpakket die ik uit een oude transformator heb gehaald. (op de schets is de afstand tussen de magneten en spoelen redelijk groot, maar in werkelijkheid is deze zo klein mogelijk)

Op donderdag 27 juni 2024 17:41:26 schreef K7Jz:
Niet gehinderd door enige kennis van dynamo's en motoren zou ik dit doen:

Bekijk welke klasse motor/dynamo je nodig hebt. Ga je iets met de hand aanslingeren om een klein lampje te laten branden dan zit je op de 5 Watt vergelijkbaar met een fietsdynamo of piepklein aquariumpompje.

Wat steviger is bijvoorbeeld een tafelventilator of keukengereimotor. Zo'n 50 Watt, om een mobieltje op te laden bijvoorbeeld. Dat kan nog wel met een handslinger, hou je 10 seconden vol.

Of ga je echt richting e-bike motor, stevige windmolen, 250-1000 Watt. Dan ben je wel atletisch tot bovenmenselijk als je dat een minuutje volhoudt.

Zo kan je een aardige inschatting maken over hoe zwaar en dik je spoelen worden.

dit lijkt me vooral een conditietest

Hoi Koen,

Op donderdag 27 juni 2024 18:03:55 schreef Koen van Houtum:
Ik ga inderdaad een alternator bouwen (dus spoel in de stator en magneten in de rotor), ik schat met de middelen die ik ter beschikking heb, dat deze tussen de 1 en 5 watt zal produceren.

Ik begrijp hieruit dat niet het vermogen het doel is, maar het bouwen van 'een' (willekeurige) alternator is het doel.

Zou je iets specifieker kunnen zijn over de opdracht/het project en welke middelen je dan beschikbaar hebt (ik begrijp dat die beperkt zijn).

Als ik je vraag omdraai ben je misschien ook geholpen: Kan ik met [noem te gebruiken koperdraad] een alternator bouwen en hoe bereken ik wat de stroom/spanning/vermogen/etc wordt - verzin zelf je vraag.

Ik gooi maar een balletje op.

Het is een redelijk vrije opdracht en ik heb gekozen voor het bouwen van een eigen dynamo (alternator). Het is de bedoeling dat ik hier uiteindelijk metingen aan ga verrichten. De middelen die ik ter beschikking heb zijn beperkt (vooral vanwege de kosten). Het blikpakket heb ik al geregeld en de magneten heb ik ook ergens al goedkoop kunnen vinden. Het zou natuurlijk mooi zijn als ik uiteindelijk een lampje kan laten branden of een klein displaytje. Mijn vraag is meer hoe dik het koperdraad moet zijn van de spoelen als ik een paar watt wil opwekken. En maakt het uberhaupt uit, of is het als ik een dikkere draad pak dat mijn stroomsterkte toeneemt en mijn spanning afneemt, en als ik een dunnere draad pak de spanning toeneemt en de stroomsterkte afneemt? Is er ook een minimale dikte nodig, omdat je anders een grote kans hebt dat de lak gaat smelten en er kortsluiting ontstaat?

Op donderdag 27 juni 2024 18:29:33 schreef Koen van Houtum:
En maakt het uberhaupt uit, of is het als ik een dikkere draad pak dat mijn stroomsterkte toeneemt en mijn spanning afneemt, en als ik een dunnere draad pak de spanning toeneemt en de stroomsterkte afneemt?

Dat schreef ik toch al in de eerste post?

Op donderdag 27 juni 2024 18:35:25 schreef Arco:
[...]
Dat schreef ik toch al in de eerste post?

En stel dat ik 5V output wil, kan ik dat aan de hand hiervan berekenen wat mijn draaddikte moet zijn?

Uw alternator zal, zonder extra maatregelen, behoorlijke 'cogging' vertonen, een 'schokkerige' mechanische belasting van de aandrijvende motor (of persoon). In hele lichte mate is dit ook te voelen bij stappenmotoren, maar in uw geval zal het effect behoorlijk groot zijn; mogelijk dat u zelfs een moersleutel nodig gaat hebben om de as überhaupt rondgedraaid te krijgen. Qua mechanische belasting in elk geval een erg ongunstige constructie.

Het wordt veroorzaakt doordat de magneten in bepaalde posities sterk worden aangetrokken door de stalen kern in de spoelen, terwijl de kern in een positie van de rotor die een paar graden verder is gedraaid, geen magneetveld meer voelt. Er zijn diverse mogelijkheden om dit op te lossen, maar dat is een oefening die ik overlaat aan de lezer en zijn zoekmachine.

Aangezien het hier vooral om een (hopelijk) leerzaam project gaat speelt het hier niet zo'n belangrijke rol en is het juist misschien leerzaam om een simpele alternator te bouwen die juist wel 'cogging' vertoont, zodat men zich realiseert waarom motor- en alternatorfabrikanten sommige van hun producten op een, op het eerste gezicht, vreemde manier bouwen. In elk geval zou ik me hier over de diameter van de wikkeldraad, en het mogelijk verbranden ervan, niet al te veel zorgen maken hier.

Mocht de alternator toch teveel 'cogging' vertonen dan kan de luchtspleet (afstand tussen stator en rotor) vergroot worden, maar dat gaat wel zeer drastisch de output verlagen.

Ook gaat u waarschijnlijk leren waarom in de praktijk 3-fase generatoren (en motoren) gebruikt worden, en niet enkel-fase.

Hoe dan ook, het gaat een op meerdere vlakken leerzaam project worden.

Edit: een beter voorbeeld van cogging kun je voelen bij de vroegere fiets'dynamo' (wat dus eigenlijk een alternator is) op het voorwiel. Als je daaraan draait zul je merken dat de rotor voorkeursposities heeft en dat het ronddraaien schokkerig aanvoelt. Maar in het geval van het ontwerp van OP zou dit effect vele malen groter zijn vanwege de grotere, krachtigere magneten en het aanwijzig zijn van veel meer ijzer in de spoelkernen.

[Bericht gewijzigd door nonius op donderdag 27 juni 2024 20:52:53 (12%)

dus stel ik zou 0.2mm draad pakken, zal dit geen problemen opleveren. En wat zijn nog meer manieren om de schokkerigheid te beperken? Ik zou zelf denken aan meer magneten en meer spoelen. Maar hiervoor heb ik helaas de materialen niet. Zijn er nog andere mogelijkheden om deze schokkerigheid te beperken? Ik heb op youtube gekeken en de meeste video's maken de dynamo ook op deze manier (nou is dit niet een hele betrouwbare bron). De stalen kern is trouwens een kern van E-plaatjes van blikpakket.

Zou een oneven aantal magneten ook niet helpen qua soepelheid? (ze zijn dan verschoven)

Op donderdag 27 juni 2024 19:04:58 schreef Arco:
Zou een oneven aantal magneten ook niet helpen qua soepelheid? (ze zijn dan verschoven)

Ik dacht juist dat je een even aantal magneten nodig had. Omdat de polen naar de buitenkant afwisselend Noord en Zuid moeten zijn. Dus kom je altijd op een even aantal uit.

En wat zijn nog meer manieren om de schokkerigheid te beperken? Ik zou zelf denken aan meer magneten en meer spoelen.

Meer magneten en spoelen an sich helpt niet, en, tenzij ze in de juiste posities geplaatst worden, zal het probleem alleen nog maar groter worden.

Zonder ijzerkern heb je ook geen last van cogging, en ook geen last van ijzerverliezen. Dus een luchtspoel heeft geen last van cogging. En dankzij de grote veldsterktes van NdFeB-magneten kun je met een luchtspoel ook wegkomen, in tegenstelling tot vroeger toen we niet zulke krachtige magneten hadden.

Persoonlijk zou ik kiezen voor luchtspoelen. Het enige waar u dan nog wel last van zult hebben is een schokkerige belasting omdat het een enkel-fasige alternator is, maar om er nu hier een 3-fase alternator van te maken is ook weer zowat voor een schoolproject als dit.

Maar zoals gezegd, het gaat leerzaam worden.

Edit: en even aantal magneten; om-en-om N-Z-N-Z-etc.

[Bericht gewijzigd door nonius op donderdag 27 juni 2024 19:43:42 (16%)

Waarom zorgt een ijzeren kern dan voor cogging? Ik wil ook blikpakket gebruiken, dit zou er ook voor minder ijzerverliezen moeten zorgen.

Waarom zorgt een ijzeren kern dan voor cogging?

Pak één van uw magneten, houd hem op ca. 2mm afstand van een stuk staal. Probeer nu de magneet zijdelings van het staal weg te bewegen (dus 'afschuiven') en voel hoe de magneet zich, tegen uw krachtinspanning in, wil terugbewegen naar het staal.

Dit gaat in uw geval, bij uw rotor met 8 magneten, 8x per omwenteling gebeuren en behoorlijk wat vibratie en schokkerigheid met zich meebrengen.

Ik wil ook blikpakket gebruiken, dit zou er ook voor minder ijzerverliezen moeten zorgen

Zonder ijzer, dus met een luchtkern, zullen er ook geen ijzerverliezen zijn.

[Bericht gewijzigd door nonius op donderdag 27 juni 2024 19:19:40 (17%)

Dus u verwacht dat het misschien nog gunstiger kan zijn om een lucht kern te hebben dan een blikpakket kern?

Als het te dik is passen er minder windingen op de spoel en als het te dun is kunnen er veel verliezen ontstaan door warmte (en smelt de draad misschien zelfs).

OF je hel dik of heel erg dun gebruikt als je houd aan de maximale stroom zal de draad nooit smelten. Pas bij langdurige overbelasting en dus teveel stroom gaan er dingen stuk.

dus stel ik zou 0.2mm draad pakken, zal dit geen problemen opleveren.

Ja geen problemen behalve dan dat je heel snel 100+ wikkelingen krijgt en een een vrij hoge spanning.

Zoals eerder gezegd al je ruimte hebt voor bv 10mm2 aan windingen dan mag daar van heel dun tot heel dik op. Dus wat je er ook aan draaddikte opdoet er zal altijd een werkende alternator zijn. Misschien een hele slechte maar als de magneten willen ronddraaien ivm clogging dan moet er ook wel iets van spanning uit komen.

En stel dat ik 5V output wil, kan ik dat aan de hand hiervan berekenen wat mijn draaddikte moet zijn?

dat zal je denk ook de sterkte van de magneten en de magnetische koppeling moeten weten en ook nog met hoeveel rpm dat moet gebeuren.

Als je ik naar je tekening kijk lijkt me het wikkelingen van de spoelen niet zo heel moeilijk. Voor 5V zou ik gokken op 0,5 - 0,8mm draad. Maar zo als ik al zei maakt voor een werkende alternator de draaddikte weinig uit. Dus als je nu 0,2 hebt liggen dan mag dat er ook op. JE zou bv ook 4x tegelijk 0,2mm erop kunnen wikkelen en dan heb je 4 spoelen die je parallel of in serie kan zetten.

En dan ga je eraan meten en at experimenteren en eventueel later leg je ander draad op en ga je weer meten.

Dus u verwacht dat het misschien nog gunstiger kan zijn om een lucht kern te hebben dan een blikpakket kern?

Inderdaad. Zoek op internet eens naar 'axial flux generators', allemaal op basis van luchtspoelen.

U zou ook de spoelen zodanig kunnen proberen te maken dat u ze zowel als luchtspoel kunt gebruiken maar daarnaast ook in de ijzerkern kunt schuiven en zo gebruiken zoals in uw tekening. Met dezelfde hoeveelheid werk heeft u op die manier feitelijk twee verschillende soorten generators en kunt u de verschillen persoonlijk ervaren.

Met een ijzerkern zullen de ijzerverliezen er wel zijn maar u zult ze niet gauw voelen (het voelt, plastisch uitgedrukt, aan als 'stroperig draaien' van de aandrijfas), omdat het effect volledig gedomineerd gaat worden door 'cogging'.

Ok, genoeg verteld, de rest is huiswerk!

Op donderdag 27 juni 2024 18:38:04 schreef Koen van Houtum:
[...]
En stel dat ik 5V output wil, kan ik dat aan de hand hiervan berekenen wat mijn draaddikte moet zijn?

Je draad moet dan voor 5W ongeveer 1A aankunnen.

Volgens mij is 0.2mm draad dan "aan de dunne kant". Zeker als je 0.2mm diameter bedoelt en niet vierkante mm aan oppervlak.

De hoeveelheid spanning die je "per wikkelronde" krijgt is nogal beperkt. Dus denk niet dat je met 100 wikkelignen al 5V gaat krijgen.

Wat voor een motor/dynamo belangrijk is, dat is het RPM/V getal. De motorconstante. Die wil je zo laag mogelijk hebben, tenzij je een vliegtuig aan het bouwen bent waarbij de prop 33000 RPM moet draaien terwijl je maar 11V tot je beschikking hebt. Als jij DIE motor zou weten na te maken.... dan moet je dus 5500 RPM draaien om die 5V te maken.

Je hebt al een heel toffe dynamo/motor gemaakt als je RPM/V onder de 700 krijgt.

Zoals eerder werd gezegd is de stroomdichtheid ongeveer 3 A/mm2. dus dan zou ik voor 1A uitkomen op een oppervlak van 0,33 mm2. dus een diameter van ongeveer 0,65mm, zou dit kunnen kloppen?

Het lijkt me veel praktischer om eerst de alternator mechanisch op te bouwen en als laatste een proefwikkeling van, zeg 100 windingen, te maken en te monteren, en dan te meten welke spanning er uit het apparaat komt bij het door OP gewenst toerental. En op basis van dat resultaat dan het uiteindelijke aantal windingen te bepalen, en evt. de draaddiameter.

Overigens, ik verwacht niet dat hij zo heel veel windingen gaat nodig hebben, als het tenminste om een 6V of 12V lampje gaat. 100 windingen per spoel zou best wel eens dicht in de buurt van het eindresultaat kunnen liggen. En 0.4mm draad wikkelt redelijk prettig, in tegenstelling tot dunnere draad als 0.2mm. Maar nogmaals, het bepalen van het aantal wikkelingen is eigenlijk pas de laatste fase in het bouwproces van OP. En in het geval van de OP zou ik gerust met 4-5 A/mm², of zelfs 6A/mm² durven rekenen als hij de generator niet uren aan een stuk gaat laten draaien. Die 3-4 A/mm² is een vuistregel waar ik altijd mee rekende voor continu gebruik bij matige koeling, in dit project zou ik rustig met een hogere waarde durven rekenenen.