Generator für Thermoakustischen Stirling Linear/Stepper/BLDC?

[Ralf (tom-rock)]

Ich benötige für meinen Thermoakustischen Stirlingmotor einen Generator 
zum einen natürlich um die mit eigenem Biogas erzeugte Leistung zu 
nutzen, aber vor allem erstmal um einen Leistungsindikator für die noch 
sehr notwendige Weiterentwicklung und Leistungssteigerung zu bekommen.

Noch liefert der Motor nur wenige Watt, er soll aber in die 
Leistungsregionen meiner kinematischen Stirlingmotoren von ca. 300 Watt 
kommen.

Ich habe nur eine ozilierende Bewegung, diese in eine Rotation mit z.B. 
einem einfache Schubkurbelgetriebe umzuwandeln ist leider nicht so 
einfach da hier durch den festgelegten Hub zu sehr die Resonanz 
verändert wird und die Leistung sehr schnell negativ beeinflusst wird.
Wenn der Motor fertigentwickelt ist, ist dies sicher möglich aber für 
die vielen folgenden Veränderungen und Experimente ist das nicht 
sinnvoll.

Natürlich liegt der Gedanke an einen Lineargenerator sehr nahe, ich habe 
mich damit auch die letzten Monate intensiv auseinandergesetzt und 
diverse Prototypen (hauptsächlich zum lernen!) gebaut aber einen guten 
Lineargenerator zu entwerfen und zu bauen ist sehr aufwändig und dauert 
mir zu lange, da ich ja eigendlich den Stirlingmotor weiterentwickeln 
möchte.

Nun braucht ein radialer Generator (also ein normaler Motor) ja garnicht 
zwingend eine komplette Rotation, sondern kann auch nur hin- und 
herschwingen auch wenn das sicher nicht optimal ist.

Ich treibe mit dem Stirling einen Hebel an über den ich den 
Lineragenerator bewegen wollte und der für die Auswuchtung genutzt wird.

Wenn ich nun im Drehpunkt des Hebels einen radialen Generator antreibe, 
würde er um ca 75 Grad oszillieren.

Optimalerweise sollte der Generator im Motorbetrieb auch in der Lage 
sein den Motor (wenn druckaufgeladen im geschlossenen Gehäuse!) zu 
starten d.h. ein ordendliches Drehmoment bei Oszillation wäre gut.

Ich habe mich die letzten Tage in das Thema eingearbeitet und erstmal 
zwei Möglichkeiten ausgelotet:

Schrittmotor der NEMA 8-11 Klasse:

-Hohe Spannung bei niedriger Drehzahl
-Preiswert, einfach anzusteuern
-Leichte Ansteuerung mit hohem Drehmoment für den Starvorgang
-Schlechter bis unakzeptabel schlechter Wirkungsgrad

BLDC Motor:

-niedige Spannung bei niedriger Drehzahl
-teuerer, schwieriger anzusteuern
-Schwierige Ansteuerung mit niedrigem Drehmoment für den Startvorgang
-besserer bis guter? Wirkungsgrad

Was haltet ihr davon, habt ihr noch andere Ideen?

Welcher BLDC Motor würde sich am besten für eine oszillierende Bewegung 
eignen, welche Ausführung bietet das höchste Drehmoment bei niedriger 
Drehzahl?
Erstmal muss der Motor noch recht Leistungsschwach gewählt werden da die 
Leistung des Stirlings noch nicht so hoch ist.
Lohnt sich ein Qualitätsmotor wie Maxon  oder geht auch ein Motor aus 
dem RC Bereich?
Die Ansteuerung über ein Bidirectionales ESC (Electronic Speed 
Controller) mit dem Arduino ist wohl die einfachste Lösung, mit Treiber 
IC wird es wieder sehr kompliziert bietet aber volle Kontrolle.
Wird es überhaupt möglich sein oszillierend ein nennenswertes Drehmoment 
zum Starten des Stirlingmotors zu bekommen?
Sobald ich Zeit finde werde ich mal ein paar Wirkungsgradtests mit 
Schrittmotoren durchführen und mal sehen was dabei herauskommt, ich habe 
da nichts wirkilch aussagekräftiges zu im Netz gefunden.

Damit ihr euch ein Bild von meinem Thermoakustischen Stirlingmotor 
machen könnt, hier ein Link zu einem Video:

https://youtu.be/jNkprcVqVs4?si=Iqhy5Em8CGneFJ-o

(Im meinem neuesten Video über 3d Druck ist ab Sekunde 20 der 
oszillierende Hebel in Betrieb zu sehen)

Sorry für schon wieder so viel Text aber Danke für euer Interesse und 
eure Hilfe!

[Michael B. (laberkopp)]

Ralf schrieb:
> Was haltet ihr davon, habt ihr noch andere Ideen?

Lautsprecher.

Du treibst die Schwingspule eines (300W) Lautsprechers mit deiner hin 
und her Bewegung an und richtest die Spannung gleich (aktiver 
Gleicrichter).

Wenn du nun Strom entnimmst, dämpft du die Schwingung, du musst also 
eine Regelung aufbauen, die den Stirling gerade so viel Energie 
entnimmt, das er optimal arbeitet.

Du brauchst also keinen Linearmotor mit mehreren Polen, sondern nur 1 
Spule.

[J. T. (chaoskind)]

Michael B. schrieb:
> Lautsprecher....

Wow, ein neutraler, sachlicher und informativer Beitrag vom Laberkopp. 
Hat dich das sehr viel Überwindung gekostet?

[Thomas B. (thombde)]

J. T. schrieb:
> Michael B. schrieb:
>> Lautsprecher....
>
> Wow, ein neutraler, sachlicher und informativer Beitrag vom Laberkopp.
> Hat dich das sehr viel Überwindung gekostet?
Warum meckerst Du gleich los.
Lasse den Thread doch erst mal losrollen.


Über diesen Hebel verschlechtert man den Wirkungsgrad.
Andererseits kann man das Anlaufverhalten verbessern.
Ist nicht einfach, was jetzt mehr Effizientes bringt.

Interessantes Thema.
Gefällt mir sehr gut.

[Ralf (tom-rock)]

Wie könnte man die Regelung wieviel Energie dem Stirling entnommen wird 
realisieren?
Ich bin in Elektronik kein Experte, darum schreibe ich ja hier.
Der Generator liefert seinen Strom z.B.an einen Laderegler und wie 
könnte ich am besten den Stromfluss dahin am effizientesten begrenzen um 
eine Regelung zu realisieren?

Ich höre in Bezug auf Stepper als Generator viele gegensätzliche 
Meinungen, von völlig ungeeignet bis bster wirkungsgrad...

Habe schon angefangen eine Prownsche Bremse zu bauen und werde damit 
anfangen einen kleinen NEMA 17 von meinem alten Ender3 mit einem Maxon 
Motor anzutreiben und über das abgegebene Drehmoment und die 
Drehfrequenz den Wirkungsgrad zu messen.
Da der Diodengleichrichter (je nach erzeugter Spannung) recht viel 
Leistung verbrät habe ich hier auch ein paar aktive Dioden, mal sehen ob 
das funktioniert und ob es eine Verbesserung bringt...

[Silvio K. (exh)]

Der Ecopower 1.0 von Vaillant mit ca. 1 kW el. Leistung ist ein Stirling 
mit Gasheiztherme. Tolles Konzept eigentlich. Vielleicht kann man sich 
da etwas abgucken.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Michael B. schrieb:
> Lautsprecher.

Um den Hub (des Luftweges) anzupassen kann das Prinzip vom 
Exponentialhorn angewendet werden. Es ist auch möglich den Lautsprecher 
auf der Breitseite zu haben und den Stirling an der Schmalseite.

Zum Beispiel: Lautsprecher mit 1cm Hub und 20cm Durchmesser kann so zum 
Beispiel an fast 4cm Hub und 10cm Durchmesser angepaßt werden.

[Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)]

Ralf schrieb:
> Prownsche Bremse

Erstaunlich, ein Begriff, den keine mir bekannte Suchmaschine finden mag 
-- oder bezahlt der "sympathische" Protzeauto-Hersteller aus 
Zuffenhausen so viel Schmiergeld, dass nur dessen Bremsen "gefunden" 
werden?

Grüße,
Volker

[Ralf (tom-rock)]

Wird auch Prownscher Bremszaum genannt, in einem 10 Jahre altem Youtube 
Video benutze ich ihn um den Wirkungsgrad des oben benannten Maxon 
Motors zu bestimmen:

https://youtu.be/k3XNxzmMoWI?si=3bquJOXVFQID30MT

[Michael B. (laberkopp)]

Ralf schrieb:
> Wie könnte man die Regelung wieviel Energie dem Stirling entnommen wird
> realisieren

MPPT Regler zum Ladestrom in den Akku, oder Wärmemengenregler um genau 
so viel Energie in den Stirling zu stecken damit der Hub und damit die 
Ausgangsspannung der Spule ausreichend für die Last bleibt (und bei 
Belastungsverringerung nicht Energie ungenutzt bleibt).

[Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)]

Ralf schrieb:
> Wird auch Prownscher Bremszaum genannt, in einem 10 Jahre altem Youtube
> Video benutze ich ihn um den Wirkungsgrad des oben benannten Maxon
> Motors zu bestimmen:

Danke. Leider erkenne ich keine Details.

Wiki kennt einen "Pronyschen Zaum":
https://de.wikipedia.org/wiki/Pronyscher_Zaum
...den ich, naiv wie ich bin, als Backenbremse bezeichnen würde, die ihr 
Reaktionsmoment auf einer Waage abstützt. Wo kommt denn die Manie her, 
jede noch so einfache Konstruktion (oder Schaltung) nach einem 
(vermeindlichen) "Erfinder" zu bennennen? Ist das das gleiche Phänomen 
wie die Sucht nach unverständlichen Akronymen, also eine Art 
"Jägerlatein"?

Grüßle,
Volker

[Wolfgang D. (blitz_f)]

Moin Volker B.,
also, eine Manie ist das nicht, es ist als Ehrung gedacht. Schon mal den 
Nutzen eines Röntgen-Gerätes selbst erfahren (z. Bsp.) ?
Bei der Wahl des richtigen E-Technik Studiums lernt jeder den Pronyschen 
Zaum im E-Maschinen Labor kennen, ist also (gähn) ein alter Hut, auch 
wenn man heute Drehmoment-Messungen mit 
Dehnungsmessstreifen-Anordnungen o.ä. macht.
Übrigens: die Einheit Volt wurde nach Alessandro Volta benannt 
(1745-1827).
die Einheit Ampere nach André-Marie Ampère (1775-1836), Manie??
Zur Klarstellung: TESLANOL wurde nicht von Nicola Tesla entwickelt.....
Gruß, W.

[Ralf (tom-rock)]

@Wolfgang: Genau in den späteren Stirlingmotoren habe ich die Leistung 
über eine Wägezelle (mit Dehnungsmeßstreifen) und einen 
Drefrequenzsensor mit dem Arduino erfasst.

@Michael: Ich meinte wie man die entnommen Leistung aus dem 
Resonanzkreislauf am besten über die elektrische Last regeln könnte.

Bisher habe ich in Testläufen für die kinematischen Stirlingmotore 
einzelne Halogen Birnchen (10 mal 10-100W) zu- und abgeschaltet.

Vielleich kann man dies elegant regeln.
Ein (Solar)Laderegler regelt ja nach der maximalen Leistung, hier müsste 
man noch andere Parameter berücksichtigen.

Vielleicht hat jemand einen Ansatz wie man dies mit elektronischen 
Bauteilen effektiv zur Akkuladung realisieren könnte und dann mit einem 
Mikrocontroller die Regelung übernehmen.

[Ralf (tom-rock)]

Ich habe vor, den Wirkungsgrad eines Schrittmotors über eine Prownsche 
Bremse (prony brake) zu messen.
Dazu ist es nötig die beiden Wicklungen (A/B) gleichzurichten und zu 
glätten um dann die erzeugte Leistung aus V/A mit der mechanischen 
eingebrachten aus Drehmoment und Drehfrequenz zu vergleichen.

Ich habe mal eine grobe Skizze gemacht, könnte das so funktionieren?

Ist die Glättung mit nur einem Kondensator sinnvoll oder wäre eine 
andere Schaltung mit zwei Kondensatoren o.ä. besser?

Ist die Dimensionierung der Bauteile ok (sind halt vorhanden!)

Dioden: SB540 alternativ fertiger Brückengleichrichter VR3KB60 3A/600V
aktive Dioden: XL74610L
diverse Kondensatoren, siehe Bild

Je nach produzierter Spannung (Ich glaube so ein NEMA17 erzeugt bei 
höherer Drefrequenz schon ein paar dutzend Volt?) hat der 
Spannungsabfall der Gleichrichterdioden einen großen negativen Einfluss 
und könnte man diesen durch aktive (ideale) Dioden minimieren?

Kann ich die vorhandenen aktiven Dioden XL74610 einfach gegen die 
herkömmlichen Dioden ersetzen oder funftioniert das so nicht und ich 
bekomme Kurzschlüsse o.ä.?

Vieln Dank schonmal für eure Hilfe!

[Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)]

Wolfgang D. schrieb:
> Moin Volker B.,
> also, eine Manie ist das nicht, es ist als Ehrung gedacht. Schon mal den
> Nutzen eines Röntgen-Gerätes selbst erfahren (z. Bsp.) ?

Hallo Wolfgang,

Was war denn das große Verdienst des Herrn Prony? Warum heißt das Auto 
Auto und nicht Daimlerscher Motorwagen?

> Bei der Wahl des richtigen E-Technik Studiums lernt jeder den Pronyschen
> Zaum im E-Maschinen Labor kennen, ist also (gähn) ein alter Hut

Vor 80 Jahren vielleicht! Wir hatten in den 1980ern bereits 
Pendelmaschinen (die vermutlich nicht vom Herrn Pendel "erfunden" 
wurden).
Was'n Bullshit!

> Übrigens: die Einheit Volt wurde nach Alessandro Volta benannt
> (1745-1827).

Ach! Wäre es möglich, dass die Verdienste des Hrn. Volta geringfügig 
größer sind als die des "Erfinders" einer Backenbremse?

Warum benennen wir das Rad nicht nach einem verdienten 
Steinzeitmenschen?

> die Einheit Ampere nach André-Marie Ampère (1775-1836), Manie??

Nein, die Ehrung einer echten Leistung!

> Zur Klarstellung: TESLANOL wurde nicht von Nicola Tesla entwickelt.....

OMG!

Volker

[Marcel V. (mavin)]

Ralf schrieb:
> hat der Spannungsabfall der Gleichrichterdioden einen großen negativen
> Einfluss und könnte man diesen durch aktive (ideale) Dioden minimieren?

Du könntest statt zwei Gleichrichter nur einen Gleichrichter einsetzen, 
dann hast du den Spannungsabfall schon mal um die Hälfte reduziert.

[Ralf (tom-rock)]

@Marcel: Das verstehe ich nicht richtig, verliere ich da nicht die 
Hälfte der Wechselspannung, die jeweils in die Mitte an GND geht?

[Wolfgang D. (blitz_f)]

Moin Volker,
der Pendelmaschine wurde sicherlich deshalb kein Erfindername verpasst, 
weil sie schlicht und einfach die Fortführung des Pronyschen Zaums ist, 
mit dem unwesentlichen Unterschied, dass das Lastmonent 
elektromotorisch anstelle durch Reibung erzeugt wird.
Gruß, W.

[Torsten B. (butterbrotstern)]

> Ich habe nur eine ozilierende Bewegung, diese in eine Rotation
> mit z.B. einem einfache Schubkurbelgetriebe umzuwandeln ist
> leider nicht so einfach
Würde ich auch dringend davon abraten,
viele bewegte Teile und Lager --> viel Probleme mit der Zeit
Schau, wie es die Leute von Sunpower machen:

Der Tipp ist aus einem Kommentar zu deinem Video:
@jamesmaclean2  vor 1 Monat
Yes, I have been building these Engines & Generators for 40 years. Here 
is everything you need to know about FPSE & Linear Generators...Also you 
are correct, the Magnet Mass is too heavy, the solution is also in this 
video.
How Does a Sunpower Stirling Cryocooler Work? Sunpower Free-Piston 
Stirling Cryocooler Animation
https://www.youtube.com/watch?v=ZSJFPb8030g

TheSignalPath hat ein rel. neues Video, in dem er aus Luft flüssigen 
Sauerstoff mithilfe eines Cryocoolers gewinnt:
TCP #1 - From Electricity to Liquid Oxygen! Magic of Thermodynamics, 
Cryocoolers & Oxygen Capture
https://www.youtube.com/watch?v=kakZ_fhfUHU
Ab der 20. Minute wird es interessant für Dich.
Vielleicht gelingt es Dir, einen solchen zu bekommen, oder Du schaust 
Dir an, wie sie aufgebaut sind.

[Ralf (tom-rock)]

@Torsten: ja das habe ich mir intensiv angesehen und ist eine sehr 
interessante Option wenn der Motor schon etwas weiterentwickelt ist.
Jetzt brauche ich aber erstmal schnellere Ergebnisse und möchte einen 
"normalen" Motor als Generator verwenden um schnellere Ergebnisse zu 
bekommen.

Heute abend wede ich erstmal Wirkungsgradversuche mit einem NEMA17 
Stepper aus meinem alten Ender 3 machen.
Ich habe noch ein fertiges Brückengleichrichter-Board bestellt da ich 
nicht recht weiss ob das mit den einzelnen aktiven Dioden so 
funktioniert.
Gibt es leider nur in China und dauert etwas...

[Thomas B. (thombde)]

Weis jetzt nicht welche Spannung der Generator (Stepper) macht.
Aber warum nimmst Du für den Anfang nicht Beipassdioden aus dem 
Solarbereich,
wie die SBX2040 oder ähnlich?
Die SB540  macht bei 1A (25Grad Celsius) 0,43V Vf.
Die SBX2040 macht bei 1A weniger als 0,3V Vf.
Siehe Datenblatt.
Um den Aktiven Gleichrichter kann man sich später kümmern.
Wenn man noch läppische 1-2W rausholen will.
Spare nicht an 2-3 Euro.
Kümmere dich erst mal um die wichtigen Sachen.
Wie so eine Art MPPT.
Oder bist Du BWLér?  :-)

Den besten Wirkunsgrad  bringt der Linearmotor, und möglichst wenig 
Masse bewegen.
Deswegen ja auch die Schwingspule im Lautsprecher.

https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A400/SBX2040-3G_1.pdf
https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A400/SB5XX_ENG_TDS.pdf

PS:
Welchen Hub mach das Gerät eigentlich?

[Udo S. (urschmitt)]

Wolfgang D. schrieb:
> Pronyschen Zaums

Kannst du jetzt eigentlich irgendwo eine Quelle nennen wo diese 
"geniale" Idee erklärt wird, oder kannst du nur den Besserwisser geben 
der damit angibt es zu wissen aber in Wahrheit keine Ahnung hat.

[Ralf (tom-rock)]

Danke für den Tipp mit den Solar Bypass Dioden, die werde ich mir 
besorgen.
Es geht mir erstmal gar nicht um den besten Wirkungsgrad für die 
Energierzeugung ich will ja eh erstmal nur einen Leistungsindikator 
haben.
Aber ich habe jetzt den Teststand für Wirkungsgradtests für verschiedene 
Motoren im Generatorbetrieb gebaut und dort möchte ich natürlich 
möglichst unverfälschte Ergebnisse haben.
Ich habe jetzt die Gleichrichterschaltung mit Kondensator gelötet 
(erstmal mit fertigen Brückengleichrichtern) und den Teststand 
fertiggebaut.
Jetzt habe ich aber erstmal genug und mache morgen mit Messungen 
weiter...
Der NEMA17 gibt beim Drehen mit der Hand und drei halogenbirnchen als 
Last schon ein paar Volt DC, ich bin auf die Ergebnisse morgen 
gespannt....

Der Hub beträgt im Moment maximal 50 mm und wird durch den Hebel- und 
Kolbenweg begrenzt, ich brauche (spätestens wenn die Leistung steigt) 
einen größeren Kolben- oder Membrandurchmesser.

Ein Lineargenerator ist das Langzeitziel ist aber im moment nicht die 
Priorität da meine Zeit leider begrenzt ist, schade...

[Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)]

Udo S. schrieb:
> Wolfgang D. schrieb:
>> Pronyschen Zaums
>
> Kannst du jetzt eigentlich irgendwo eine Quelle nennen wo diese
> "geniale" Idee erklärt wird

Den Wiki-Artikel habe ich oben bereits verlinkt:
Beitrag "Re: Generator für Thermoakustischen Stirling Linear/Stepper/BLDC?"

Wenn man den Namen korrekt schreibt, finden sich auch Erklärungen dazu.
Nur mit dem dem verballhornten Namen "Prownsche Bremse", den der TO 
nutze, war die Suche unmöglich...

Merke: Man sollte den Namen des Erfinders auch korrekt schreiben, wenn 
man ihn ehren will! :-)

Grüßle,
Volker

[Ralf (tom-rock)]

Ja, entschuldigung ich habe den Pronyschen Zaum aus dem Gedächtnis 
benannt, sollte ich vorher nochmal nachsehen, letzte Messung damit ist 
lange her....

Naja jedenfalls habe ich gerade die ersten Wirkungsgradmessungen mit 
einem NEMA 17 Schrittmotor aus meinem alten Ender 3 gemacht und ich bin 
positiv überrasch wie gut der Wirkungsgad ist.

Mit 3 Halogenbirnchen als Last ( sicherlich nicht der optimale Punkt) 
und Drehfrequenzen von 488 und 790 1/min bekam ich einen Wirkungsgrad 
von 0,56 und 0,63.

Und das mit zwei einfachen überdimensionierten Brückengleichrichtern die 
bei 7,2V/0,206A und 11,5V/0,26A auch noch einen kleinen Einfluss haben.

Das ist fast so gut wie der antreibende Maxon Motor den ich mal vor 
Jahren vermessen habe, es sei denn ich habe zufällig gerade mit den zwei 
Messungen den optimalern Arbeitspunkt getroffen.

Das müssen jetzt weitere Messungen in den nächsten Tagen zeigen.

Aber mir scheint die schnelle Schrittmotorlösung durchaus einen Versuch 
wert.

[Ralf (tom-rock)]

Sind natürlich nur erste, grobe Messungen und das muß ich noch mit dem 
Oszilloskop nachprüfen ob die elektrischen Werte in etwa stimmen.
Aber als ersten Anhaltspunkt finde ich das sehr ermutigend...

[Ralf (tom-rock)]

​Ich habe jetzt mal die Spannung mit dem Oszilloskop kontrolliert und 
das sieht glaube ich recht stabil aus.

Den Strom mit dem Oszilloskop messen muss ich doch jetzt nicht mehr 
unbedingt, oder könnte es dort noch Überraschungen geben?


Die Brückengleichrichter werden ganz schön warm, hier wird also auch 
noch einiges an Energie verbraten.

Ich finde den Wirkungsgrad des billigen Schrittmotors wirklich 
beachtlich und werde am Wochenend systematische Tests machen.