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Forum: HF, Funk und Felder Feldstärke innerhalb einer Spule homogen?


Autor: Tiesto (Gast)
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Hallo allerseits,

plane gerade eine art Luftspulen-Trafo, bei dem die Primärwicklung außen 
sitzt, und darunter bzw. innerhalb dieser Wicklung die Sekundärwicklung 
liegt. Aus technischen Gründen soll die Primärwicklung einen sehr großen 
Durchmesser bekommen, z.B. 300mm. Länge vielleicht 200mm.
Laut normaler Trafo-Berechnung müsste nun jede Sekundärspule innerhalb 
der Primärspule eine zur Windungszwahl proportionale Spannung abgeben 
(unveränderliche AC-Bestromung der Primär natürlich vorausgesetzt). 
Eventuell gilt dies nur für Trafos mit Kern, falls dem so ist, 
berichtigt mich bitte gleich...ich gehe aber zunächst mal davon aus, daß 
die normalen Trafogesetze auch hierbei gelten. Nun die eigentliche 
Frage: wenn ich zwei windungszahl-identische Sekundärspulen in die 
Primärspule bringe, von denen eine z.B. 290mm Durchmesser hat (also kurz 
unter der Primär sitzt), die Andere aber z.B. nur 30mm, würde dann in 
beiden Spulen die gleiche Spannung induziert? Sprich: ist in der Mitte 
der großen Spule die  gleiche Feldstärke vorhanden, wie am Rand? Falls 
die induzierte Spannung die Gleiche ist, wie sähe es mit 
Leistungsübertragung aus? Wenn man von der kleinen Sekundär ausgeht, ist 
dies evtl. nur lose an die Primär gekoppelt? Immerhin sitzt sie doch 
denau im Zentrum der Primär, also nur bedingt entfernt...

Bitte keine Kommentare wie "das weiß doch jeder" oder "warum willst du 
das bauen, das geht doch soundso viel besser"....
Bin für alles Konstruktive dankbar!

Autor: Wolfgang M. (womai)
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Das Feld in einer Spule ist nur dann homogen, wenn die Spule sehr lang 
verglichen mit dem Spulendurchmesser ist. Ein guter Kompromiss ist 
allerdings die Helmholtzspule 
(http://de.wikipedia.org/wiki/Helmholtzspule), eigentlich ein 
Spulenpaar, dort ist das Feld ueber einen recht weiten Bereich 
annaehernd homogen und das Experimentierfeld frei zugaenglich.

300mm Laenge bei 300mm Spulendurchmesser wie von Dir angegeben ist eher 
kurz, also erwarte keine sehr gute Feldhomogenitaet. Mach lieber eine 
Helmholtzspule von dieser Groesse.

Wegen der induzierten Spannung: Beim Trafo nimmt man an, dass 
idealerweise der gesamte von der Primaerspule erzeugte magnetische Fluss 
auch durch die Sekundaerspule geht. Dafuer verwendet man ja den 
Trafokern, der "zieht" die Feldlinien zu sich sodass minimale 
Streuverluste auftreten.

Bei dem von Dir beschriebenen Spulenpaar wird aber durch die kleine 
Spule nur ein Bruchteil des von der Aussenspule erzeugten Feldes gehen, 
es wird daher eine kleinere Spannung induziert als in der groesseren 
Sekundaerspule. Die inzuzierten Spannungen sind zwar fuer beide 
Sekundaerspulen proportional zur jeweiligen Windungszahl, aber die zwei 
Proportionalitaetskonstanten sind (sehr) unterschiedlich.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Kannst du dir mit FEMM berechnen lassen.

Autor: Tiesto (Gast)
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Vielen Dank für die wirklich nützlichen Hinweise! Möchte praktisch gar 
keine kleine oder große Spule als Sekundär einsetzen, eher den gesamten 
Platz innerhalb der großen Primärspule ausnutzen (bräuchte allen Platz 
aufgrund sehr hoher Spannungen - lange Spulen sind üblich, aber hierbei 
ungeeignet). Nun frage ich mich, ob der innere Teil der Sekundär 
überhaupt noch Feldstärke abbekommt, oder ob der mehr Verluste macht als 
Gewinn...denn etwas Leistung soll halt auch rüber kommen. Hatte das mit 
den zwei unterschiedlich großen Sekundärspulen nur erwähnt, um besser 
erklären zu können...
An die Helmholtzspulen hatte ich auch schon gedacht. Die sind aber auf 
den ersten Blick für die Linearität zwischen (neben) den beiden Spulen 
gedacht. Ich suche ja Linearität bzw. ordentlich Feldstärke innerhalb 
der Spule...soo linear muss es eigentlich gar nicht mal sein, aber ich 
vermute halt, daß im Zentrum einer Spule mit z.B. 300mm kaum noch 
Feldstärke gegeben ist...oder irre ich mich?
Theoretisch dürfte die Feldstärke im Zentrum ja mit verlängerter 
Primärspule wieder zunehmen, aber mit der Länge wird das Ganze dann 
einfach unhandlich...
Werde es erstmal mit gleicher Länge im Verhältnis zum Durchmesser 
probieren. Die Primär hat nicht allzuviele Windungen, die kann ich 
testweise leicht noch etwas verlängern.

Gedankenexperiment: wenn ich eine Primärspule mit 10m Durchmesser habe, 
die aber 1000m lang ist...und in deren räumlichen Zentrum hänge ich eine 
1cm große Sekundärspule...ist diese dann weiterhin lose an die 
Primärspule gekoppelt??? Kann ich dieser Minispule dann übliche 
Leistungen entnehmen, trotzdem sie 5m Abstand zur Primärspule hat? Vom 
Gesamtwirkungsgrad natürlich ganz zu schweigen...nur theoretisch...

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Die Kuopplung der Felder ist eine gute Idee. Aber nicht so einafch. Dann 
kommt noch die Streuinduktivitaet hinzu fuer den Fall einer effektiven 
Belastung der spule.

Autor: Peter (Gast)
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>Gedankenexperiment: wenn ich eine Primärspule mit 10m Durchmesser habe,
>die aber 1000m lang ist...und in deren räumlichen Zentrum hänge ich eine
>1cm große Sekundärspule...ist diese dann weiterhin lose an die
>Primärspule gekoppelt??? Kann ich dieser Minispule dann übliche
>Leistungen entnehmen, trotzdem sie 5m Abstand zur Primärspule hat? Vom
>Gesamtwirkungsgrad natürlich ganz zu schweigen...nur theoretisch...

Die Kopplung ist dann verschwindend klein, Du fängst mit der kleinen 
Spule nur einen Bruchteil des Feldes der grossen Spule ein! Und sobald 
Du noch Leistung entnemen willst, erzeugt der Strom in der Primärspule 
ein Gegenfeld, das heisst die Feldlinneien werden um die Spule 
herumgeleitet und das Feld ist nicht mehr homogen...

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Tiesto (Gast)

>plane gerade eine art Luftspulen-Trafo, bei dem die Primärwicklung außen

Mit Royer Converter? ;-)

>sitzt, und darunter bzw. innerhalb dieser Wicklung die Sekundärwicklung
>liegt. Aus technischen Gründen soll die Primärwicklung einen sehr großen
>Durchmesser bekommen, z.B. 300mm. Länge vielleicht 200mm.

Ziemliches Ding. Tesla-Trafo?

>Laut normaler Trafo-Berechnung müsste nun jede Sekundärspule innerhalb
>der Primärspule eine zur Windungszwahl proportionale Spannung abgeben
>(unveränderliche AC-Bestromung der Primär natürlich vorausgesetzt).

Das ist auch so.

>Eventuell gilt dies nur für Trafos mit Kern,

Nein, Luft ist auch ein "Kern"

> falls dem so ist,
>berichtigt mich bitte gleich...ich gehe aber zunächst mal davon aus, daß
>die normalen Trafogesetze auch hierbei gelten.

Richtig.

> Nun die eigentliche
>Frage: wenn ich zwei windungszahl-identische Sekundärspulen in die
>Primärspule bringe, von denen eine z.B. 290mm Durchmesser hat (also kurz
>unter der Primär sitzt), die Andere aber z.B. nur 30mm, würde dann in
>beiden Spulen die gleiche Spannung induziert?

Nein. Es fehlt der Koppelfaktor. Und der ist bei der kleinen Spule 
logischerweise deutlich kleiner. Siehe Artikel oben.

> Sprich: ist in der Mitte
>der großen Spule die  gleiche Feldstärke vorhanden, wie am Rand?

Das ist ein anderes Problem. Nein, das Feld ist nur mässig homogen.

> Falls
>die induzierte Spannung die Gleiche ist,

Ist sie aber nicht.

> wie sähe es mit
>Leistungsübertragung aus?

Die kleinere Spule bekommt deutlich weniger Leistung, auich unter 
optimalen Randbedingungen.

> Wenn man von der kleinen Sekundär ausgeht, ist
>dies evtl. nur lose an die Primär gekoppelt?

Sicher.

MFG
Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Tiesto (Gast)
>ungeeignet). Nun frage ich mich, ob der innere Teil der Sekundär
>überhaupt noch Feldstärke abbekommt,

Sicher.

> oder ob der mehr Verluste macht als
>Gewinn...denn etwas Leistung soll halt auch rüber kommen.

Wieviel?

>vermute halt, daß im Zentrum einer Spule mit z.B. 300mm kaum noch
>Feldstärke gegeben ist...oder irre ich mich?

Du irrst. Im Zentrum ist das Feldstärkemaximum ;-)

>Theoretisch dürfte die Feldstärke im Zentrum ja mit verlängerter
>Primärspule wieder zunehmen,

Du verwechselst Homogenität mit Feldstärke.

>Gedankenexperiment: wenn ich eine Primärspule mit 10m Durchmesser habe,
>die aber 1000m lang ist...und in deren räumlichen Zentrum hänge ich eine
>1cm große Sekundärspule...ist diese dann weiterhin lose an die
>Primärspule gekoppelt???

Ja.

> Kann ich dieser Minispule dann übliche
>Leistungen entnehmen, trotzdem sie 5m Abstand zur Primärspule hat?

Was ist üblich? 1W? 1kW? Mann, Mann, Mann!
Das ist ja schlimmer als ein Häckelkurs an der VHS!

>Vom Gesamtwirkungsgrad natürlich ganz zu schweigen...nur theoretisch...

Schau dir mal ein paar Grundlagen an und hör auf hier so nebulös 
rumzueiern.

Siehe auch Netiquette

MfG
Falk

Autor: Tiesto (Gast)
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Hallo,

danke für die fachlichen Beiträge! Vielleicht nochmal soviel gesagt, die 
kleine Spule im Zentrum soll ja nicht die gleiche Leistung erbringen, 
wie die Große knapp unterhalb der Primär. Sie nimmt ja auch viel weniger 
Raum ein, und in der Praxis bedeutet dies viel weniger Kupfer. Geht halt 
nur darum, ob sich das Wickeln bis zur Mitte hin überhaupt lohnt, oder 
ob man besser nur zwei Ringspulen wickeln sollte...

Die Antworten reichen übrigens von Feldstärkemaximum bis hin zu extrem 
loser Kopplung im Zentrum...meiner Meinung nach beißt sich das. Ich 
denke eher, daß da kaum noch Feldstärke ist...wenn doch, dann hab ich 
keine weiteren Fragen!

Die Ansteuerung soll übrigens tatsächlich mit ner ZVS erfolgen. 
Ausgangsspannung nicht Tesla-typisch, aber doch im -zig 
KV-Bereich...eine Wicklungslage reicht nicht, sonst hätte man eine 
längliche Spule nehmen können. Aber ich kann halt nicht nach erst 500 
Wicklungen wieder zurück zum Anfang, es wären Überschläge 
vorprogrammiert. Irgendwelche Zwischenlagen sind nicht mein Ding, daher 
wollte ich das Spannungsproblem durch mehr Spulendurchmesser 
entschärfen...das ist schon alles!

Ich verspreche euch, den Häkelkurs nach dieser Frage zu beenden:

Lohnt es sich technisch, bei den genannten Maßen der Primärspule (ca. 
300mm Durchmesser, ca. 300mm Länge) eine Sekundär vom Zentrum her bis 
knapp unter die Primär zu wickeln? Ist der innere Teil der Sekundär 
dabei noch sinnvoll oder nicht?

Vielen Dank!

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Tiesto (Gast)

>nur darum, ob sich das Wickeln bis zur Mitte hin überhaupt lohnt, oder
>ob man besser nur zwei Ringspulen wickeln sollte...

Wen der gnädige Herr sich herablassen würde, sein Vorhaben mal konkret 
zu beschreiben, bestünde die Möglichkeit, deutlich bessere Hinweise zu 
geben.

>Die Antworten reichen übrigens von Feldstärkemaximum bis hin zu extrem
>loser Kopplung im Zentrum...meiner Meinung nach beißt sich das.

Nöö. Keineswegs. Es sind zwei vollkommen unabhängige Parameter.

Lose Kopplung -> viel Streuinduktivität, nur ein kleiner Teil des 
primären Magnetfeldes durchdringt die Sekundärspule, Integral über die 
Flussdichte.

Feldstärkemaximum -> Feldstärkemaximum

>Die Ansteuerung soll übrigens tatsächlich mit ner ZVS erfolgen.

Zentralstelle zur Vergabe von Studienplätzen? ;-)

>Lohnt es sich technisch, bei den genannten Maßen der Primärspule (ca.
>300mm Durchmesser, ca. 300mm Länge) eine Sekundär vom Zentrum her bis
>knapp unter die Primär zu wickeln? Ist der innere Teil der Sekundär
>dabei noch sinnvoll oder nicht?

Also ein Schneckenwicklung?! Spontan würde ich sagen das bringt nicht 
viel, weil die äusseren Windungen ja die Fläche schon umschliessen. Dann 
eher mehr Windungen mit grossem Durchmesser (konzentrische Wicklungen).

MfG
Falk

Autor: Tiesto (Gast)
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Hi Falk,

ja genau, die Zentralstelle...wer hat davon noch nicht gelesen, wenn er 
nach zvs gegoogelt hat ;-)
Hatte doch nun schon recht genau gesagt, was ich machen will...hohe 
Spannung erzeugen. Cul-Draht ohne Zwischenlagen. Möchte der Isolierung 
nicht viel mehr als die Spannung von vielleicht 100 Windungen 
"anvertrauen", daher schien mir die Lösung mit weniger Windungen 
nebeneinander, aber mehr übereinander besser.
Denke nach wie vor, daß die Feldstärke DEN Einfluss auf die Kopplung 
hat.
Wenn im Zentrum tatsächlich die höchste Feldstärke ist, wäre ja hier der 
optimale Übertragungsfaktor! Natürlich im Verhältnis zum aufgewendeten 
Kupfer (und auch dessen Widerstand) gerechnet! Natürlich wäre die Primär 
als große Ringspule spannungsmäßig ideal, aber es geht ja darum, daß ich 
einfach relativ viel Platz für die Wicklungen, speziell für den 
Iso-Abstand brauche. Sonst könnte ich ja beide Spulen gleich viel 
kleiner machen. Da es keinen Kern geben soll, wollte ich halt in 
Erfahrung bringen, ob es einen praktischen Wert für den Durchmesser des 
inneren Wicklungsanfangs gibt, oder ob man direkt vom Zentrum heraus mit 
der Wicklung starten sollte. Nach dem, was man bisher so liest, wäre das 
so.


Zwei (seitlich) weit entfernte Spulen sind lose gekoppelt, natürlich, 
weil sie kaum noch Feldlinien durchdringen. Aber wenn im Zentrum einer 
(großen)Spule eine kleine Spule ist, und hier das Feldstärkemaximum der 
Primär ist...na ja, wie gesagt, wenn! Dann wären alle Fragen eigentlich 
geklärt. Dann würde mir hier z.b. 1m Draht mehr Spannung bringen, als 1m 
Draht knapp unter der Primär!

Autor: Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne)
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ich meine zu er innern das die feldstärke von magnetflus und querschnitt 
abhängt

http://upload.wikimedia.org/math/e/6/e/e6ec64d83e5...

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Tiesto schrieb:
> Denke nach wie vor, daß die Feldstärke DEN Einfluss auf die Kopplung
> hat.

Kopplung beschreibt nur das Verhältnis zweier Spulen in Bezug zur 
Streuuung, aka Streuinduktivität.
Es gibt Schaltungen, die diese Streuinduktivität gezielt ausnutzen zum 
Ausgleichen von Fehlanpassung oder als Leistungsbegrenzungs-'Sicherung'.


> Wenn im Zentrum tatsächlich die höchste Feldstärke ist, wäre ja hier der
> optimale Übertragungsfaktor! Natürlich im Verhältnis zum aufgewendeten

> Zwei (seitlich) weit entfernte Spulen sind lose gekoppelt, natürlich,
> weil sie kaum noch Feldlinien durchdringen. Aber wenn im Zentrum einer
> (großen)Spule eine kleine Spule ist, und hier das Feldstärkemaximum der
> Primär ist...na ja, wie gesagt, wenn! Dann wären alle Fragen eigentlich
> geklärt. Dann würde mir hier z.b. 1m Draht mehr Spannung bringen, als 1m
> Draht knapp unter der Primär!

Zumindest bei ferromagnetisch aktiven Kernen ist die Feldstärke direkt 
unter der Spule im beginnenden Kern am höchsten. Ein Rohrkern kann also 
sinnvoll sein.
Ich bin mir nicht sicher was passiert, wenn man zwei Spuelen 
übereinander hat. Eine einzelne Spule allein hat die Feldlinien in sich 
gleichverteilt. Aber bei zwei Spulen (Die Lastspule natürlich mit echter 
Last) wird die zweite das Feld der ersten entscheidend stören.

Wie auch immer, die Kopplung muß für eine gute Energieübertragung hoch 
sein und das ist immer nur der Fall bei kompakten Aufbau. Also werden es 
wohl 2 Spulen auf einem Kern sein.

Weitere Entscheidungshilfe wäre die Frequenz. Ab bestimmten Frequenzen 
vs. Leistung vs. Baugröße vs. Preis gibt es keine Kerne mehr, da ist die 
Entscheidung leicht ;-)

Und dann mit Google nix bei den Blitzlern gefunden? Kann ich mir nicht 
vorstellen. Empfehle dir das 4hv.org Forum.

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