8. Durchführung der 2 Meßreihen am 10.5.1988

Anhand dieses Ersatzschaltbildes soll die vorgenommene 1. Meßreihe erläutert

werden:

Bild : Ersatz-Schaltbild meiner Newman-Maschine

a.) Bestimmung der eingespeisten elektrischen Eingangsleistung Pin:

Auf er linken Seite oben im Schaltbild sieht man die Batterie mit ihrer Spannung

Ub, die in Wirklichkeit aus vielen in Reihe geschalteten 9 Volt Zink-Kohle-

Blockbatterien vom Typ: "PEAK POWER", No. 1604P besteht, hier aber der

Übersichtlichkeit halber als eine einzige Batterie mit einer hohen Spannung

dargestellt ist.

Die Gesamtbatteriespannung wurde für die Messungen zwischen 300 und 520 Volt

variiert, indem einfach mehr oder weniger 9 Volt Batterien hintereinander in Serie

geschaltet wurden.

Direkt parallel zu der Batterie liegt ein analoges Drehspulvoltmeter mit 600 Volt

Zeigerendausschlag, Genauigkeitsklasse 2,5 % vom Endausschlag. ( Innenwiderstand :

2,5 MOhm )

Hiermit wird die Betriebsspannung ( Eingangsspannung ) der Newmanmaschine

gemessen.

Um den arithmetischen Mittelwert des Eingangsstroms Iin zu messen und daraus

mit der konstanten Eingangsspannung durch Produktbildung die Batterie-

Eingangsleistung Pin in die Newmanmaschine zu bestimmen, sind zwei in Serie

geschaltete Drehspul- Milliamperemeter hinter dem Pluspol der Batterie angebracht.

Im Prinzip hätte auch eins gereicht , allerdings besitzt das linke ein größeres

Trägheitsmoment, so daß man auf diesem besser den Mittelwert des Stroms

ablesen kann. Es hat einen Endausschlag von 5 mA. (Genauigkeit 2%)

Auf ihm wurde auch der Mittelwert des pulsierenden Eingangsstroms abgelesen.

Das rechte Milliamperemeter besitzt ein kleineres Trägheitsmoment und zeigt

dadurch auch Stromspitzen an. Es hat einen Endausschlag von 10 mA.(Klasse 2,5 %)

Es wurde verwendet, um den Mittelwert zu bestätigen.

Der Spannungsabfall an den Innenwiderständen der zwei Milliamperemeter kann

gegenüber dem Innenwiderstand von 16,9 KOhm der Spule vernachlässigt werden.

b.) Bestimmung der ohmschen Spulenverlustleistung

Am Spulenwiderstand R liegen Spannung und Strom in Phase, so daß der in der

Spule fließende Strom am Widerstand in die ohmsche Verlust-Wärme umgesetzt

wird :

POhmVerlust= I2eff * R

Wie oben schon in der theoretischen Betrachtung erwähnt, wurde der Spulenstrom

mit einem thermoelektrischen Amperemeter des Types Marek 25.210 gemessen.

Dieses Meßgerät ermittelt den Effektivwert des Stromes über einen Thermowandler.

Das Marek-Meßgerät hat einen Crestfaktor von 5.

Der Innenwiderstand von 1 Ohm kann gegenüber dem hohen Spulenwiderstand R

vernachlässigt werden.

Es wurde, anstatt wie auf dem oben stehenden Ersatzschaltbild dargestellt, auch

einmal direkt zwischen die verschiedenen Teilspulen L1-2, L3-4 und L5-6 geschaltet,

um zu sehen, ob dort der Strom eine andere Größe besitzt.

Aber das war nicht der Fall.

Durch die Kapazität C der Spule kann diese Effektivwert-Strom-Messung etwas

verfälscht werden, da beim Schalten des Kommutators Auf- und Entladeströme der

Kapazität auch durch das Marek-Meßgerät fließen.

Die Kapazität der Spule ist allerdings sehr klein und bei den niedrigen

Schaltfrequenzen des Kommutators dürften diese kurzen Strompeeks noch keine

große Rolle spielen, sie gehen allerdings auch quadratisch in die

Spulenverlustleistung mit ein.

Die Hochfrequenzstromkomponenten( im MHZ-Bereich ), die durch das Schalten

des mechanischen Kommutators beim oszillierenden Abrißfunken entstehen, werden

durch dieses Meßgerät nicht erfaßt, denn der Strom im Marek-Gerät wird an

einem Shunt erst verstärkt, bevor er zum Thermoumformer gelangt.

Der Verstärker hat aber auch nur eine begrenzte NF-Bandbreite (Tiefpaßverhalten)

so daß die Burst-Frequenzen im MHz-Bereich nicht mehr bis zum Thermoelement

gelangen.

Es ist auch fraglich , ob die HF-Bursts, die auf den Spulenzuleitungen gemessen

werden können, überhaupt eine ohmsche Wärmeleistung in dem Spulenwiderstand R

hervorrufen, da das auch Auf- und Entladeströme der Kapazität C der Spule sein

können, die gar nicht in dem Spulenwiderstand R fließen.

Es wurde aber immer von Newman und seinem "technischen Beirat" behauptet, daß

gerade die HF-Ströme eine entsprechende Wärmeleistung in der Spule hervorrufen

und dadurch eine entsprechende Überschußenergie entsteht.

Dieser strittige Punkt könnte eigentlich nur geklärt werden, wenn man die Spule

in ein Calorimeter stellt und dann die Erwärmung der Spule nach einer

bestimmten Zeit des Betriebs der Newmanmaschine im Calorimeter mißt. Man

merkt schon, daß dieses Meßverfahren nicht ganz einfach ist.

Benutzte Meßgeräte:

analoges Einbau-Drehspulvoltmeter mit 600 Volt Zeigerendausschlag,

Genauigkeitsklasse 2,5 %

BBC- Drehspul- Milliamperemeter, 5 mA Endausschlag, 2 % Genauigkeit

Einbau- Milliamperemeter mit kleinerem Trägheitsmoment, Endausschlag 10 mA, (Klasse 2,5 %)

Thermoelektrisches Amperemeter des Types Marek 25.210, Genauigkeit 1 % bis 5 KHz, 2 % bis 10 KHz.

c.)Bestimmung der mechanischen Verlustleistung des Magnetrotors bei

verschiedenen Drehzahlen w

Anhand des folgenden Bildes soll die 2. Meßreihe ( mechanische Verlust-Leistung

des Magnetrotors ) erläutert werden :


Bild : Meßaufbau zur Bestimmung der mechanischen Verlustleistung

bei bestimmten Rotationsgeschwindigkeiten des Magneten



Der in diesem Bild dargestellte Aufbau weicht zur anschaulichen Vereinfachung

etwas von dem realen Aufbau ab.

Im wirklich vorhandenen Modell ist die rotierende Magnetachse noch einmal

übersetzt durch die Newmanantriebswelle.

Diese auch noch in das Prinzipschaltbild einzuzeichnen, habe ich mir der

Übersichtlichkeit halber gespart.

Die Gesamtübersetzung, wie sie hier eingezeichnet ist (vom 12 Volt Motor zur

rotierenden Magnetwelle), beträgt 1 : 0,8666.

Die Übersetzung durch die Newmanantriebswelle ist notwendig, damit man beim

Aufbau der Meßanordnung für Meßreihe 1 die Spule von oben über den Magneten

stülpen und die Spule auch einzeln transportieren kann.

Hier ist die Spule, die ja auch nur für die erste Meßreihe gebraucht wird, nicht

mehr eingezeichnet.

Deshalb spielt es auch keine Rolle, daß in dieser Skizze die nach rechts laufende

Magnetachse ein Plazieren der Spule, so, daß der Magnet ganz im Inneren der

Spule sitzt, unmöglich gemacht hätte.

Die Umlenkrollen und die Newmanantriebswelle, die den Antrieb also nur nach

unten umlenken und dort die Ankoppelung an den 12 Volt Motor ermöglichen, um

so das richtige Plazieren der Spule zu ermöglichen, sind deshalb hier weggelassen.

Der Magnetrotor wurde mit Hilfe eines extern angekoppelten 12 Volt Gleichstrom-

Motors ( Autoscheibenwischer-Motor ) auf die gleichen Drehzahlen wie bei

Meßreihe 1, bei der das alleine durch die wirkenden magnetischen Kräfte der

Newmanspule geschah, gebracht.

Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die Newmanantriebswelle über ein Zahnradpaar,

durch Verschieben und Arretierung des kleinen Zahnrads nach rechts unter das

große Zahnrad, angekoppelt.

Die Rotationsgeschwindigkeit des Magneten wurde über die 1.Lichtschranke

kontrolliert und dabei mit der 2.Lichtschranke auch die Drehzahl des antreibenden

12 Volt Motors gemessen.

Hierbei wurde die Eingangsleistung in den 12 Volt Motor bei den verschiedenen

Drehzahlen, wie oben eingezeichnet, mit Hilfe eines digitalen Volt- und Amperemeters gemessen.

Danach wurde die Newmanantriebswelle, durch nach Linksverschieben des kleinen

Zahnrades, vom 12 Volt Motor abgekoppelt und nun bei den gleichen Drehzahlen,

was mit Lichtschranke 2 überprüft wurde, noch einmal die Eingangsleistung in den

12 Volt Motor gemessen. Dabei lief der 12 Volt Motor praktisch im Leerlauf.

Durch Differenzbildung dieser zwei elektrischen Eingangsleistungen und Berücksichtigung der internen Differenzverluste des 12 Volt Motors

(Differenz-Kupferverluste (I22-I21 ) * RAnker und Differenz-Bürstenverluste ca. 2 Volt * d I )

und Abschätzung der Verluste durch das Zahnradpaar, konnte man so die

mechanische Verlustleistung des Magnetrotors bei den gleichen Drehzahlen wie bei

Die ferner existierenden internen Eisen- und Zusatzverluste ( Wirbelstromverluste )

des 12 Volt Motors konnten durch die Differenzbildung vernachlässigt werden.

Es wurde mit Absicht dieser Autoscheibenwischer-Gleichstrommotor verwendet, da

er durch seine hohe Leistung die kleine angekoppelte Last des Antriebs des

Newmanmagnetrotors mitbewältigt, ohne daß er dadurch groß von seinem

Wirkungsgrad bei gleicher Leerlaufdrehzahl abweicht.

Der Ankerwiderstand RA wurde mit Hilfe eines digitalen Ohmmeters von außen an

den Motorklemmen bei warmem Motor gemessen.

Er betrug: RA= 0,8 Ohm.

Leider kann man bei diesem Meß-Verfahren nicht die mechanischen

Reibungsverluste des Zahnradpaars, das zur Koppelung dient, bestimmen, so daß

ich diese Verluste auf 20 % gesetzt habe.

Beim Aufbau wurde allerdings darauf geachtet, daß die Zähne leicht ineinander

gleiten, so daß eigentlich nicht sehr viel Reibung auftreten kann.

Laut "Hütte, des Ingenieurs Taschenbuch, Maschinenbau, Teil A" liegen die

Wirkungsgrade von Zahnradgetriebeübersetzungen, wie ich sie hier verwendet habe,

im Bereich von 95 bis 98 % , so daß meine angenommenen Verluste von 20 %

schon den "worst case" darstellen und die Meßungenauigkeit der Digital-Volt- und

Amperemeter mit beinhalten, so daß für Pel.in eine Fehlerrechnung überflüssig

erscheint.

Benutzte Meßgeräte:

Fluke 75 Digitalamperemeter, +/- 1,5 % Genauigkeit im Amperebereich

Philips Digitalvoltmeter PM2518 X

Philips PM 2521 Automatic Digital- Multimeter als Frequenzzähler (Zeitmesser) und

Ohmmeter

Delta Electronica Power Supply SM 6020 (Schaltnetzteil)

12 Volt Autoscheibenwischer-Motor mit angebautem Schneckengetriebe, Stator

permanentmagnetisch erregt, Ankerstromübertragung durch Kohlebürsten auf

Kupfersegmentkommutator

Elektrische Messungen und Auswertungen vom 10.5.1988

Es wurden nach längerer Zeit der Vorbereitung an diesem Tag folgende Messwerte

aufgenommen und ausgewertet:


Tabelle 1

Umdrehungs-geschw.des Magneten / Hz Batterie-Spannung

Ub / Volt

Eingangs Strom

Iin / mA

Eingangs-leistung

Pin / Watt

Ieff Marek

Ieff / mA

Ohmsche Verluste

I^2eff*R / Watt

Wirkunsgrad

Wärme

yWärme / %

Welche Messung ?
1,04 520 4,45 2,314 9,5 1,525 65,90 1.Messung
0,98 485 4,35 2,110 9,0 1,369 64,88 2.Messung
0,88 450 4,30 1,935 9,0 1,369 66,10 3.Messung
0,79 420 3,95 1,659 8,5 1,279 73,60 4.Messung
0,72 390 3,90 1,521 8,0 1,221 71,14 5.Messung
0,64 365 3,85 1,405 7,7 1,082 71,32 6.Messung
0,53 335 3,70 1,240 7,5 0,951 76,69 7.Messung
0,42 300 3,65 1,095 7,0 0,828 75,62 8.Messung



Tabelle 2

ohne Newmanwelle

mit Newmanwelle

Motorspannung

U / Volt

Motorstrom

I1 /A

Motor- Leistung

Pohne in / Watt

Motor- spannung

U / Volt

Motorstrom

I2 / A

Motor- Leistung

Pmit in / Watt

Differenz- Eingangs- Leistung

dPel. in / Watt

Welche Messung ?

12,58

2,10

26,418

12,78

2,24

28,627

2,209

1.Messung

11,98

2,16

25,877

12,29

2,30

28,267

2,390

2.Messung

10,74

2,04

21,910

10,98

2,20

24,156

2,246

3.Messung

9,78

1,93

18,875

9,91

2,04

20,216

1,341

4.Messung

9,10

1,89

17,199

9,18

1,99

18,268

1,069

5.Messung

8,20

1,87

15,334

8,26

1,96

16,190

0,856

6.Messung

7,05

1,86

13,113

7,12

1,90

13,528

0,415

7.Messung

5,78

1,69

9,768

5,80

1,74

10,092

0,324

8.Messung



Tabelle 3

Eingangs-

Motorstrom

dIin / A

Differenz- Anker- verluste (I22-I21 ) * RAnker / Watt Differenz Bürsten- verluste

2 Volt * dI / Watt

Batterie-Eingangs leistung

Pin / Watt

Pmech =

dPel.in - (I22-I21 ) * Ranker - 2V *dI / Watt

Zahnrad bewertet Pmech

*0,8 /

Watt

Wirkungs grad mech. Ymech /

%

Welche Messung ?
0,14 0,4861 0,28 2,314 1,4429 1,1543 49,88 1.Messung
0,14 0,4995 0,28 2,110 1,6105 1,2884 61,06 2.Messung
0,16 0,5427 0,32 1,935 1,3833 1,1066 57,19 3.Messung
0,11 0,3494 0,22 1,659 0,7716 0,6173 37,21 4,Messung
0,10 0,3104 0,20 1,521 0,5586 0,4469 29,38 5.Messung
0,09 0,2758 0,18 1,405 0,4002 0,3202 22,79 6.Messung
0,04 0,1203 0,08 1,240 0,2147 0,1717 13,85 7.Messung
0,05 0,1372 0,10 1,095 0,0868 0,0694 6,34 8.Messung




Tabelle 4

Gesamtwirkungsgrad

yges= ymech+ yWärme

Welche Messung ?
115,78 % 1.Messung
125,94 % 2.Messung
123,29 % 3.Messung
110,81 % 4.Messung
100,52 % 5.Messung
94,11 % 6.Messung
90,54 % 7.Messung
81,96 % 8.Messung


Es wurden 8 Messungen durchgeführt.

Dabei enthält Tabelle 1 die oben dargestellte erste Meßreihe, Tabelle 2 und 3

gehören zur zweiten Meßreihe und Tabelle 4 faßt das Endergebnis zusammen.

Aus Tabelle 1 kann man den Wirkungsgrad der in der Spule entstehenden Wärme-

Verlustleistung im Verhältnis zur eingespeisten elektrischen Eingangsleistung

entnehmen:

yWärme= ohmsche Verluste (I2eff * R) / elektrischeEingangsleistung Pin

Tabelle 2 ergibt die elektrische Differenzeingangsleistung in den 12 Volt Motor:

d Pel.in= Pmit in - Pohne in

In Tabelle 3 wird dPel.in mit den Differenzverlusten des 12 Volt Motors und den

Zahnradverlusten bewertet, so daß wir schließlich Pmech* 0,8 erhalten. Dieser Wert

ins Verhältnis zur eingespeisten elektrischen Energie in die Spule aus Tabelle 1

gesetzt, ergibt den mechanischen Wirkungsgrad :

ymech= (Pmech * 0.8) / el. Eingangsleistung Pin

Aus Tabelle 4 kann man den Gesamtwirkungsgrad yges entnehmen, der sich aus

der Summe von ymech und yWärme ergibt :

yges= ymech+ yWärme

Da bei den Messungen vom 10.5.88 der 12 Volt Motor teilweise etwas "unrund"

lief und deshalb auch die Stromaufnahme schwankte, wechselte ich für die

folgenden Messungen den 12 Volt DC-Motor gegen einen, von der äußeren Form

baugleichen, 24 Volt DC-Autoscheibenwischer-Motor aus, der einen sehr "ruhigen

Lauf" hatte und im Leerlauf bei allen benutzen Meßdrehzahlen eine konstante

elektrische Eingangsleistung aufnahm.

Ferner war ich auch mit der Bestimmung der elektrischen Eingangsleistung in die

Newmanspule laut Meßreihe 1 nicht zufrieden, da bei dem zwar trägen

Milliamperemeter doch immer noch der Zeiger weges des gepulsten Inputs

schwankte und nur durch eine "optische Mittelung" die Meßwerte zustande kamen.

Deshalb wurde der Meßaufbau noch einmal umgestellt und folgende Messungen

vorgenommen.