Entwicklung einer Unipolarmaschine mit Spiralrotor
Das Anfangsexperiment vor einigen Jahren -
Hier ein Auszug aus der Beschreibung
Einleitung
Der Unipolargenerator oder „azyklischer Generator“ wie er vom IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) [1] bezeichnet wird, ist einer der ältesten Generatoren um direkt eine Gleichspannung zu erzeugen. Sein Erbauer, Michael Faraday (22.09.1791 - 25.08.1867), war ein hervorragender Theoretiker sowie Experimentator.
Michael Faraday entdeckte 1831 die Unipolarinduktion
Einteilige N-Maschine nach Faraday, Bruce de Palma und Inomata/Japan
Bei dieser Generatorart (entdeckt 1831) werden nur niedrige Spannungen, aber dafür sehr hohe Ströme erreicht. Diese können je nach Bauart des Generators wenige Milliampere bis zu einer Million Ampere erreichen. Allerdings erweisen sich solche Maschinen nur in Ausnahmefällen von Nutzen (militärische Anwendungen), welche aber auch einen großen Aufbau bedeuten und nur in Nischenanwendungen einen Sinn ergeben. Verblüffend ist, dass bei der einteiligen Maschine der Leiter mechanisch fest mit den beiden Magnetscheiben verbunden ist, so dass keine Magnetfeldänderung in Relation zur Leiterscheibe möglich ist, sprich keine normale lenz`sche Induktion, aber man dennoch eindeutig eine Spannung an den Schleifern feststellen kann. Ganz nach der Gleichung von M. Faraday E = v x B (elektrisches Feld = Geschwindigkeit v kreuz magnetischer Feldstärke B). Die meisten Untersuchungen in der Zeit nach Faraday wurden allerdings mit der zweiteiligen Variante durchgeführt.
Zwei- oder mehrteilige N-Maschinenbauweise
Dort sind auch Fragen bezüglich des Gegendrehmoments experimentell untersucht worden
[1]. Der Begriff „N-Maschine“ wurde maßgeblich durch die Arbeiten von Bruce De Palma
geprägt und er nannte ihn deshalb so, weil er diesem Generator n-mögliche Anwendungen zuschreibt.
Abgrenzung des normalen einteiligen Unipolargenerators zu unserem Modell
Große Nachteile ergeben sich bei Unipolargeneratoren aufgrund der extrem niedrigen Spannungen. Diese erlauben kaum eine realistisch sinnvolle technische Nutzung des Unipolargenerators, da das Hochsetzen der Spannung auf ein verwendbares Niveau und der Verschleiß der Bürsten bzw. das Büstenfeuer und damit die ständige Wartung bei hohen Strömen ein Problem in der wirtschaftlichen Nutzung des Generators darstellt. Zwar kann man Flüssigkeitsbürsten (Quecksilber, flüssiges Blei…) verwenden, doch hat man immer damit zu kämpfen, dass der interne Widerstand, maßgeblich der Übergangswiderstand vom rotierenden auf den statischen Teil, die maximale Ausgangsleistung bestimmt. Eine Stromerzeugung mittels Drehstromgeneratoren, wie sie von Tesla [4] erfunden wurden, hat weitaus bessere Voraussetzungen um von uns benutzt zu werden, da hier keine Schleifkontakte Verwendung finden. Auch muss man um eine einigermaßen annehmbare Spannungshöhe zu erreichen die mechanischen Dimensionen des Unipolargenerators sehr groß wählen, wie z.B. Paramahamsa Tewari [5] mit seinen 10 KW-Generatoren. Denn die Höhe der Spannung hängt neben der Drehzahl auch vom Radius der Leiterscheibe ab. Hier kommt unser Denkansatz mit ins Spiel, welcher diese Situation aufgrund unserer experimentellen Daten entscheidend verändern könnte. Unsere Unipolarmaschine hat im Gegensatz zu allen bisherigen Konstruktionen einen modifizierten Rotor. Sprich, einen Rotor welcher nicht durch eine Vollmetallscheibe realisiert ist, sondern sich durch einen spiralförmigen Leiter auszeichnet. Dieser bringt den entscheidenden Vorteil, dass sich die abgenommene Spannung deutlich erhöht. Die genaue Konstruktion und Funktionsweise unserer beiden Modelle soll nun im Folgenden genauer beleuchtet werden.
Vorstellung unseres Projektes
Bei unserem normalen Generator ist eine Aluminiumscheibe (Ø=60mm; H=8mm) leitend auf einer Welle befestigt. An der Peripherie der Scheibe, sowie an der Welle sitzt je eine Schleiferkohle. Auf der oberen und auf der unteren Seite der Scheibe sind je 3 Neodymmagnete (Ø=10mm; H=2mm) so angebracht, dass die Oberen die Unteren anziehen. Sie sind sicher in Plastikgussmasse mit der Scheibe und der Welle verbunden, so dass sie nicht versehentlich zu Geschossen werden können. Die Kupplung isoliert den Generatorteil von dem Antriebsmotor. Der Motor muss nicht unbedingt viel Kraft haben, wichtiger ist eine hohe Umdrehungsgeschwindigkeit, um eine hohe Ausgangsspannung zu erzielen. Denn ganz nach Faraday´s Formel E = v x B ist die Drehzahl, neben dem magnetischen Fluss, eine wichtige Größe. Auch der elektrische Weg von Scheibenmitte zur Peripherie ist wichtig. Denn auf dieser Strecke wird ja die Leistung generiert.
Jetzt kann man als Experimentator natürlich auf die Idee kommen den Leiterweg künstlich zu verlängern, ohne den Scheibenradius mechanisch zu vergrößert. Dies schafft man dadurch, dass man eine Scheibe von einer Alufolienrolle herunter schneidet und sie mit Papier dazwischen isolierend auf der Welle aufwickelt. Der Spiralrotor ist geboren. Wir hatten zu dieser Zeit noch nicht daran gedacht, dass diese Konstruktion keine Wirbelströme ausbildet.
Natürlich muss der Anfang der Wicklung bzw. des Alubandes leitend mit der Welle verbunden werden, die Papierisolierung zwischen den einzelnen Windungen setzt dann ein paar „Windungen“ später ein. Den abschließenden Ring außen, an dem das Ende des Alubandes leitend befestigt ist (presspassungsmäßig) und auf dem der äußere Schleifer greift, kann man z.B. aus einem Stück Alurohr herstellen. Man muss nur darauf achten, dass die Kohlen nicht zu sehr auf dem Metall schmieren, da sonst nach kurzer Zeit der Übergangswiderstand darunter leidet. Durch diese Art des Rotoraufbaus ist der elektrische Leiter bei gleichem Durchmesser erheblich länger und man erhält auch eine deutlich höhere Induktionsspannung. Die Frage, die sich nun stellt, ist: Warum? Ist es nur auf die Leiterlänge zurückzuführen? Aber eine Sache, welche noch betrachtet werden muss, ist, dass sich bei diesem Aufbau die so gewickelte Spirale eine Art von Vorzugsdrehrichtung vorgibt. Das heißt, die erzeugte Spannungshöhe ist von der Drehrichtung des Antriebsmotors abhängig. Dies ist ein starkes Indiz dafür, dass nicht alleine die Länge des Leiter (Radius derScheibe) für die Höhe der Spannung verantwortlich sein kann. Aber wenden wir uns jetzt den messtechnischen Resultaten zu.
Messergebnisse
Das verwendete Digitalmultimeter war ein Fluke 77 und das Oszilloskop ein Tektronix 720. Da die Versuche schon eine Weile zurück liegen, haben wir leider keine genaueren Aufzeichnungen. Sehen wir dies nur als ein "Effekt beweisendes Experiment" an. Der normale Homopolargenerator (ohne Spiralrotor) lieferte, bei Betrieb des Antriebsmotors mit 12V, 2mV DC Ausgangsspannung. Eine Drehrichtungsumkehr des Antriebsmotors ergab eine entgegen gesetzte Polarität der Ausgangspannung. Wenn man den Antriebsmotor mit 24V versorgte, ergab sich eine Ausgangsspannung von 4,6 mV und ein Kurzschlussstrom von 0,25 mA. Dies deutet auf eine Linearität von Drehzahl der Scheibe zur Ausgangsspannung hin.
Bei der Variante mit Spiralrotor zeigt sich eine Möglichkeit, um die imensen Baukosten, Gewicht & Baugrößen zu verringern. Leider ist uns bis jetzt noch keine andere Versuchsbeschreibung eines Forschers zu dieser Art des Bauens von Homopolargeneratoren bekannt. Es wäre unserer Ansicht nach einer weiteren Untersuchung wert. Leider fehlt uns Zeit und Geld dafür. Aber vielleicht fühlt sich jemand inspiriert, der dies umsetzten kann und uns dann berichtet.
An unserem Tischmodell haben wir bei 24V Motorspannung eine Ausgangsspannung des Generators von ca. 16 mV im Leerlauf und ein Kurzschlussstrom von ca. 1mA. Bei einer Drehrichtungsumkehr des Antriebsmotors stellte sich eine Drehzahl von ca. 6770 U/min ein und eine niedere Ausgangsspannung von ca. 13mV.
Aber wenden wir uns nun dem Effekt zu, der eine höhere Ausgangsspannung produziert, wenn man einen spiralförmig gewickelten Rotor benutzt. Denn wie anfangs erwähnt, kann es nicht nur mit einem längeren Leiter zu tun haben, denn dann müssten sich die Spannungen bei einer Drehrichtungsumker genau gleich verhalten, nur mit umgekehrtem Vorzeichen. Auch ein Zusammenhang zwischen der Leiterlänge und der erzeugten Spannung müsste sich einstellen. Allerdings fehlen uns, wie erwähnt, einige Messreihen, da wir diese Versuche ganz am Anfang unserer Forschung angestellt haben. Hier können Bastler noch einiges erforschen. Hoffentlich haben die Bilder den Einen oder Anderen inspiriert, sich der Thematik einmal anzunehmen.
Zur Theorie des Unipolargenerators mit Spiralrotor
Wir müssen bei dem Effekt der Stromerzeugung die einzelnen Bezugssysteme einmal anschauen. In Untersuchungen von Thomas Valone [1] stellt sich nachweislich heraus, dass ein direkt auf die rotierende Scheibe gesetztes Voltmeter dort keine Spannung anzeigt. Die Spannung kann man erst dann feststellen, wenn man vom rotierenden System auf das Stationäre nach außen sein Bezugssystem wechselt. Deshalb sind auch alle Versuche zum scheitern verurteilt, welche versuchen mittels Spulen die Spannung ohne Verwendung von Bürsten von der Scheibe abzunehmen. Logische Konsequenz, so könnte man meinen, es handelt sich um einen relativistischen Effekt! Außerdem bedarf es der Feststellung, dass sich Einsteins allgemein formulierte Relativitätstheorie nur auf linear beschleunigte Systeme anwenden lässt und nicht auf Rotationssysteme. Widersprüche entstehen auch bei Ableitungsversuchen aus der speziellen Relativitätstheorie, bei denen zwar eine Ableitung bis zu einem gewissen Grad möglich ist, es jedoch zu großen Ungereimtheiten kommt. Ganz nach Prof. Konstantin Meyl [2]: Faraday widerlegt Einstein!
Faraday kontra Einstein: Die allgemeine Relativitätstheorie beweist nur Gültigkeit für linearbeschleunigte Systeme. Auch bei der speziellen Relativitätstheorie stößt man auf unüberwindliche Probleme bei Ableitungsversuchen!
Dennoch zeugt die Abhängigkeit der Rotation des inneren Systems zum äußeren statischen System von einer „Art“ Relativität; nur nicht nach Einstein. Hier liegt auch das eigentliche Paradoxon. Und genau deshalb fand der Unipolargenerator nicht seinen Eingang in die Lehrbücher der orthodoxen Wissenschaft. Schließlich fürchtet man sich vor Dingen die aus dem Rahmen fallen! Genau in diesem Punkt streiten sich die Experten schon seit geraumer Zeit.
Unipolargeneratoren werden im allgemeinen mit einer Stromquelle verglichen und nicht wie normale kommutatorbehaftete Gleichstromgeneratoren, welche eine Spannungsquelle darstellen. Wenn wir jetzt in das innere System durch die mechanische Spiralwicklung noch mal eine Rotation hineinbringen, die dann erst zum tragen kommt, wenn sich in dieser Elektronen bewegen und ihrerseits ein Zusatzmagnetfeld aufbauen, dann haben wir eine Addition des 90° auf dem Zusatzmagnetfeld stehenden E-Feldes und des normalen unipolar E-Feldes. Oder anders ausgedrückt, Addition der E = v x B der Scheibe mit der Elektronengeschwindigkeit im Leiter, die wiederum wegen E = v x B ein Zusatzfeld aufbauen, das in gleicher Richtung wie das Ursprungsfeld wirkt und sich deshalb ausgangspannungsmäßig dazuaddiert. Der Effekt kaskadiert sich zunehmend. Jetzt wird auch klar, warum wir unterschiedliche Spannungshöhen gemessen haben. Wenn die mechanisch vorgegeben Wickelrichtung mit der Rotationsrichtung übereinstimmt, dann können sich die „Unipolarspannung“ und die Spannung die durch das Zusatzfeld der Elektronen geschaffen wurde, addieren. Bei Drehrichtungsumker läuft die Spirale in entgegengesetzter Richtung und aus diesem Grund subtrahieren sich die Spannungen.
Tesla in älteren Lebensjahren
Tesla’s US Patent zur normal- und Bifilarflachspule
Interessant wird es, wenn man hohe Ströme impulsweise aus der Maschine zieht. Denn die normale Unipolarspannung kann man nur mit einem größerem Durchmesser (somit der Radius) der Scheibe oder stärkeren Magneten (größeres B-Feld) beeinflussen. Aber die Spannung, welche von dem Spiralrotor zusätzlich generiert wird, lässt sich mit der eigenen Elektronengeschwindigkeit beeinflussen. D.h. wir haben eine eindeutige Methode gefunden um den Generator effizienter zu machen.
Schematische Darstellung des herkömmlichen Homopolargenerators. Zu erkennen sind eindeutig die Abhängigkeiten nach denen sich die generierte Spannung ergibt.
Wobei:
Ui, Ausganggsspannung
Ri, Ra als dem Außen- und Innenradius der Scheibe ω der Kreisfrequenz der Scheibe B der magnetischen Flussdichte
Aus diesen Erkenntnissen und Vormodellen ist nun eine gute und pratikable Experimentierplattform (siehe oben am Anfang der Seite) entstanden. Diese ist leider bisher nur bis zum Vorserienprototyp entwickelt. Wir hoffen bald auf genügend Zeit diese in eine Kleinserie gießen zu können.
Durch die Verwendung einer Platine als Rotor können
verschiedene Konfigurationen ausprobiert werden.
Angedachte Leistungspunkte:
dem Antriebsmotor mit dementsprechenden Lagerungen im Experimentiergehäuse
den beiden Neodym-Ringmagneten R90x35x03Ni-N35
Schleiferkohlen
Drehzahlsteuerung (PulsWeitenModulation) mit Drehrichtungsumkehr
Drehzahlmesser integriert
4mm Messbuchsen für Antriebsmotor. An diesen durch Kurzschlussbrücken verbundenen Laborbuchsen kann man die von der PWM erzeugte und dem Motor zugeführte Spannung und den Strom messen.
4mm Anschlussbuchsen für Generatorausgang. Hier kann der Anwender die erzeugte Spannung einem Verbraucher und / oder Multimeter zuführen.
Angedachter Lieferumfang:
zweites paar Neodym Ringmagneten Ø 180mm
Ersatzkohlen
Vollaluminiumrotor
Vollkupferrotor
Speichen-Kupferrotor
spiralförmigen Kupferrotor (engspiralig, beide Seiten gleich)
spiralförmigen Kupferrotor (engspiralig, beide Seiten unterschiedlich[kompensiert])
spiralförmigen Kupferrotor (weitspiralig, beide Seiten gleich)
spiralförmigen Kupferrotor (weitspiralig, beide Seiten unterschiedlich[kompensiert])
-> sämtliche Rotoren und Magnete in dem halben Durchmesser
1. Das Unipolarhandbuch, Thomas Valone, Edition Neue Energien ISBN 3-89539-295-2
2. Prof. Konstantin Meyl EMUV Band 1-3, Indel-Verlag
3. Nikola Tesla US Patent 512,340 Coil for electro magnets
4. The Inventions, Researches and Writings of Nikola Tesla, 1995 Barnes & Noble Books New York ISBN 0-88029-812-X casebound
5. Paramahamsa Tewari „Beyond matter“ Dr. Nieper-Archiv
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Schematische Darstellung des herkömmlichen Homopolargenerators. Zu erkennen sind eindeutig die Abhängigkeiten nach denen sich die generierte Spannung ergibt.
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Handout mit zusammengefasster Erklärung des Effekts