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
|
mit Newmanwelle |
||||||
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.