Bouw een elektromotor om tot stroomgenerator

Je kunt bijna alle elektromotoren ombouwen tot stroomgenerator. Maar hoe maak je een generator die een serieus vermogen levert? Een LED laten branden, is geen kunst. Veel leuker wordt het als genoeg energie op kunt wekken om bijvoorbeeld een kopje thee op te warmen. Of als je een elektromotor kunt ombouwen tot een windmolen. 

Dat is wat ik wil doen. Maar... ik heb nog geen ervaring hiermee. Al doende leert men, dus ik begin er gewoon mee. 

Stap 1: kies een geschikte elektromotor

• gratis
• geschikt voor ombouw tot generator

Motoren die hiervoor geschikt zijn, zijn de motoren van:

• e-bikes
• e-scooters
• de motor van een plafondvenlitator
• de motor van een wasmachine, van de trommel of van een centrifuge (TOP!!!: hiermee kun je 230V opwekken!)

Stap 2: bestudeer je elektromotor:

• Hoeveel permanente magneten tel je? (28 stuks, om en om Noord-Zuid gericht)
• Hoe zijn de magneten qua polariteit (Noord-Zuid) gericht? Maak een foto van je elektromotor en geef met Rood en Blauw de polariteit van je magneten aan.
• Hoeveel spoelen tel je? (24, paarsgewijs gewikkeld)
• Noteer de aanduidingen van het type plaatje of maak een foto
  • Sparta ion
  • 24V / 250W
  • P = U x I, dus I is ±10A
  • 24 wikkelingen / 28 magneten
  • Spanning (volgens printplaat) 94-0V (???)
• Diameter draad van de wikkelingen: 0,8mm (opmeten met schuifmaat)

Of ik bovenstaande gegevens later nog nodig heb, weet ik vooraf niet. Maar als je je motor eenmaal open hebt liggen, kun je maar beter meteen zoveel mogelijk informatie vast leggen.

Een probleem waar in tegenaan loop. Ik tel is 24 spoelen. Elke spoel heeft twee uiteinden, dus ik verwacht 48 uiteinden, maar ik zie er maar 24. Hoe zijn die andere 24 uiteinden doorverbonden? Om hier achter te komen, heb ik gecontroleerd of bepaalde uiteinden met elkaar in contact staan (lampje in serie laten branden of weerstand meten). Dat bleek het geval. En zo ontdekte ik dat ik een bijzondere e-bike-elektromotor op de kop had getikt. Mijn motor beschikt over:

• 28 permanente magneten (28 poles)
• 24 spoelen / 12 spoelparen
  

Spoelparen??? Wat zijn dat?

Ik verzin het woord spoelpaar zelf om mijn spoelen te kunnen beschrijven. Mijn motor blijkt gewikkeld te zijn zoals hiernaast in bovenaanzicht aangegeven. Twee spoelen naast elkaar blijken te zijn gewikkeld met één draad, per spoel 75 wikkelingen. Deze twee spoelen samen noem ik dan maar een spoelpaar. Per spoelpaar komen twee draden naar buiten. Logisch dus dat ik 24 uiteinden telde.

Stap 3: hoe leg je de aansluitingen zo om zodat je van deze elektromotor een generator kan maken?

Het antwoord op deze vraag verschilt van motor tot motor. Een eenduidig antwoord is dus niet gemakkelijk om te geven. Vandaar dat je eerst je motor moet analyseren zoals hierboven beschreven. Het maken en laten controleren van een ombouwplan is cruciaal, want voor je het weet gaat het verkeerd en kun je overnieuw beginnen. Dat overkwam mij ook, maar gelukkig wist ik snel een tweede identieke motor gratis op de kop te tikken.

Stap 4: kies of je een STER- of DRIEHOEK-schakeling gaat bouwen

Zonder vooropgezet plan had ik besloten dat ik in de eerste instantie besloten om een ster-schakeling te maken. Achteraf gezien bleek deze keuze niet handig te zijn, want voor een ster-schakelijk heb je een nul-draad nodig. En die heb ik niet. Maar, van andermans fouten kun je leren! Daarom moet je eeen vooropgezet plan maken! Voor een STERschakeling heb je een nuldraad nodig. Heb je die niet, dan wordt het een DRIEHOEKschakeling.

Wat is het verschil tussen een STER en een DRIEHOEK schakeling?

• https://www.google.com/search?q=sterschakeling
• een andere optie zou zijn: driehoekschakeling https://www.google.com/search?q=driehoekschakeling

Ik heb maar 3 aansluitingen, geen nuldraad, en zodoende ontdekte ik dat ik had moeten kiezen voor de driehoekschakeling, want:

• Voor de sterschakeling heb je 4 aansluitingen nodig. Bovendien moet je de neutraal-aansluiting van de sterschakeling buiten je opstelling ergens op aarde aansluiten.
• Voor de driehoekschakeling heb je maar 3 aansluitingen nodig en hoef ik niks aan te sluiten op aarde.

Maar, ik moet de bedrading nog omleggen, dus ik kan mijn keuze nog aanpassen... ik ga een driehoekschakeling maken!

De linkerspoelen van de spoelparen 2, 5, 8 en 11 moeten allemaal tegelijk worden aangetrokken of afgestoten door de tegenoverstaande magneet. Spoel 5 staat voor een magnetische Zuidpool (zwart). De linkerspoel van spoelpaar 8 staat voor een magnetische Noordpool (rood). Om deze twee spoelen tegelijk aangetrokken te laten worden of afgestoten door hun magneet, moet de stroomrichting in de spoelen 5 en 8 ten opzichte van elkaar omgekeerd zijn.

Controleer of ik spoelpaar 5 correct heb doorverbonden met spoelpaar 8!

Hopelijk begrijp je wat ik je hier wil laten zien, want je moet voor jezelf de lijn van uitleg doorzetten en verklaren waarom ik alle andere aansluitingen heb gemaakt zoals ik het heb gedaan.

Nu is de lastigheid: hoe leg ik alle verbindingen aan zonder dat contacten elkaar raken? Antwoord: krimpkous. Krimpkous is een kunststof pijpje dat elktriciteit isoleert. Je brengt de krimpkous aan over de gesoldeerde verbinding en dan zet je eeen hete fön er op. Geen haarfön, want die is niet heeet genoeg. Er zijn speciale fönen voor dit doel beschikbaar. Maar als je die niet hebt, kun je het proberen met een verffön. Pas op dat je geen andere delen over verhit!!!

Teleurstelling: hij doet het niet!

De volgende configuratie had ik verbonden (niet hetzelfde als de eindoplossing die ik al eerder liet zien). Ik verbond met elkaar: AE, BF en CD.

Maar helaas, hij deed het niet. Ik had vooraf nog wel een weerstandstest gedaan:

• Weerstand L1-L2 : 1 ohm
• Weerstand L2-L3 : 1 ohm
• Weerstand L3-L1 : 1 ohm

Elke fase toonde dezelfde weerstand. Zo hoort het ook. Maar bij het testen bleek dat slechts 2 van de 3 lampjes gingen branden. Bovendien liet de generator zich hokkerig aandrijven. Alsof je een kar over een hobbelig pad voort duwt. Dat is toch een teken dat er iets niet goed is.

Stromen schetsen

Hierop besloot ik om voor een aantal standen van de magneetring t.o.v. de wikkelingen de stroom te gaan schetsen in de vorm:

• een grote pijl, naar binnen of naar buiten gericht
• een korte pijl, naar binnen of naar buiten gericht of 
• of helemaal geen pijl. 

De stroom is het grootst als de spoel recht voor de magneet staat. De stroom is het zwakst als de spoel tussen twee magneten in staat. Zo kwam ik aan de volgende tekeningen, waarbij ik moet aangeven dat ik de paarse verbingen achteraf heb ingetekend.

Poging 2:

Omdat de generator hortend en stotend draait en slechts op 2 fasen een uitgaande spanning geeft, ga ik er vanuit dat ik 'iets' verkeerd heb gedaan.

De stator bestaat uit 24 spoelen, paarsgewijs gewikkeld, ik beschouw ze als 12 spoelparen.

Deze 12 spoelparen zijn in serie met elkaar verbonden. Telkens zijn 4 spoelparen in serie met elkaar verbonden. Dat geeft 3 series van elk 4 spoelparen. 3 serieschakelingen, dat geeft 6 aansluitingen.

En die 6 aansluitingen kun je op een heleboel manieren aan elkaar verbinden. Het is de kunst om nu vooraf te bepalen wat de beste aansluiting is, zodat ik mijn generator niet verzand in een oneindig aantal pogingen. de volgende poging moet liefst in één keer goed zijn.

Ik codeer de 6 aansluitingen als A, B, C, D, E en F. Dat geeft me de volgende aansluitmogelijkheden:

Een aantal aansluitingen valt bij voorbaat af: AD, BE en CF. Je gaat immers niet de uiteinden van een serie met elkaar verbinden, dat is zinloos. De aansluitcombinaties AB-CF-DE en AC-BE-DF en AD-CB-EF enzovoorts, de combinaties in het grijs, vallen daarom bij voorbaat af.

Dat is mooi, ik heb nu nog maar 7 combinaties over. Zijn al deze combinaties goed? Antwoord nee, de combinatie uit poging 1 zit hier namelijk ook bij, dat was de combinatie AE- BF-CD. Deze combinatie heb ik in de tabel aangeduid met geel. Deze combinatie was in elk geval niet goed.

Elke fase levert een sinusvormig signaal op. Op het moment dat een spoel dicht bij een Nood-of-Zuidpool staat, zal de stroom I maximaal zijn. Op het moment dat een spoel tussen twee magneten in staat, zal de stroom het laagst zijn: 0. Halverwege is de spanning 0,71x maximale stroom, want sin 0,25 x pi) = 0,71

Uitleg bij Excel-file:

• I5 = B4 + B5 = 0,7 + 0,0 = 0,7
• N7 = G6 + G7 = 0,0 - 0,7 = -0,7
• AD27 = E4 + E5 = 1,0 + 0,7 = 1,7

Het is lastig om onder woorden te brengen hoe en waarom ik mijn excel heb opgebouwd zoals ik het heb gedaan. Dus met deze aanwijzingen moet u het helaas doen. De groote van de stroom is uitgedrukt in een waarde: bijvoorbeeld -1,7, 0, 0,7 of 1,7. Dit is niet de echte grootte van de stroom, maar de waardes kloppen wel verhoudingsgewijs ten opzichte van elkaar. Een negatieve stroom wil zeggen: de stroom gaat in omgekeerde richting.

In de tabel ziet u poging 1: dat was een combinatie die niet werkte, dus dat vak bestudeerde ik nader en wat blijkt: er zitten onregelmatigheden in. De rijen cijfers zijn significant verschillend. De combinaties die wel werken, vertonen naar verwachting regelmaat. Maar eens zien welke combinaties dan overblijven. En dan blijven er nog maar twee combinaties over. En dat zijn de combinaties:

• AB-CD-EF (waar poging 2 bij staat). Elke rij bestaat uit de waardes     +0,7  +1  +1,7   -0,7  -1  -1,7
• AF-BC-DE (oftewel FA-BC-DE)

En als je even nadenkt over deze twee combinaties, dan blijkt dat ze onderling nog niet eens zoveel verschillen.

De echte elektrotechneut zal nog wel iets aan verbeterpunten weten aan te wijzen in mijn uitleg hierboven, maar ik heb toch maar mooi op eigen kracht een elektromotor omgebouwd tot stroomgenerator!

Na bovenstaand, begint de cyclus weer opniew. 

Het testen van de dynamo!

Mijn dynamo is klaar! Nu wil ik graag weten: wat kan ik doen met deze generator? Mijn doel: een significante hoeveelheid energie opwekken. Bijvoorbeeld: thee zetten! Breng 100 ml water (0,1 kg water) aan de kook!

Hoeveel energie heb je nodig om 0,1 kg water te laten koken?

• begintemperatuur: 20ºC
• eindtemperatuur: 100ºC
• ΔT = 80ºC
• Soortelijke warmte van water: Cw = 4200 J/kgK
• E = m x C_w x ΔT = 0,1 kg x 4200 J/kgK x 80K = 33600 J (33,6kJ)

Mijn dynamo is omgebouwd tot een lier. Maar oorspronkelijk vormde mijn dynamo de elektromotor van een ebike. Om te weten met welk moment ik mijn dynamo aan mag drijven, bestudeer ik eerst het moment waarmee het fietswiel van een ebike wordt aangedreven. 

Gegevens fietswiel:

• bandmaat 28", d.w.z. omtrek: 2,15 m (link) , radius = 0,684m
• benodigde aandrijfkracht bij windkracht 7 (link) c.a. 100N
• Benodigde aandrijfmoment: 68,4 Nm

Gegevens dynamo:

• diameter trommel = 16 cm = 0,16 m
• trekkracht koord: F = M : a = 68,4 Nm / 0,08 m = 855 N

10 A is de maximale stroom van de emotor. Dus, aangenomen dat 10A ook de maximale stroom is van de dynamo. Maar, als de motor ontving een gelijkspanning van 10A. De stroom van de dynamo moet worden gezien als een gemiddelde stroom, verdeeld over drie fasen, dan maak je per fase: 10/3 = 3,3 A.

Deze stroom bereik ik als ik met een snelheid van 1 m/s en met een kracht van ca 80 N aan het touw trek.

• Vermogen P = I² x R = (3,3 A)² x 5 Ω = 54,5 W
• Benodigde vermogen = 33600 J (Uitgaand van ideaal rendement van 100%)
• E = P x t ; t = E : P = 33600 J / 54,5 W = 617 sec (touwsnelheid 1 m/s, dus benodigde hoeveelheid touw: 617 m)

Oops, 617 meter... als mijn berekening klopt, heb ik wel HEEL VEEL touw nodig. Zoveel touw past nooit rondom deze trommel. Dan moet ik overstappen op visgaren of zo.

Mijn experiment houdt hier voorlopig op. Ik heb een ebike-motor omgebouwd tot een werkende dynamo. Ik zou daarmee graag een kopje water aan de kook willen brengen, maar... de hoeveelheid energie die daarvoor nodig is, en dat had ik me niet vooraf gerealiseerd, is zo groot, dat ik...

• een HEEL lang touw nodig heb waaraan ik lang en hard moet gaan trekken. of:
• een hometrainer om moet bouwen zodat ik al fietsend een kopje water kan laten koken. De hoeveelheid energie nodig is vergelijkbaar met 10 minuten fietsen met stevige tegenwind. En ik heb hier geen ruimte voor het opbergen van een hometrainer, helaas!

• Elektromotor

• Vorige
• Volgende