Super starkes Magnetfeld erzeugen

Für HV-Trafos, Kaskaden, Coilguns, Induktionsheizer und Ähnliches.

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andreas1984
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Super starkes Magnetfeld erzeugen

#1 Beitrag von andreas1984 »

Hallo,

will auch gleichzeitig mein anderes Projekt herzeigen.

Ziel: Ich möchte in der Lage sein sehr starke Magnetfelder herzustellen im Bereich von 3-5 Tesla.

Also in etwa die Stärke die ein "Can Crusher" hat und ganz ähnlich will ich das Setup auch aufbauen.

Der Aufbau entspricht in etwa der Ansteuerung vom Primärkreis einer herkömmlichen Tesla Spule.

Als Spannungsversorgung möchte ich das 10kW Supply verwenden, welches ich gerade für das AES Projekt baue.

Im Gegensatz zu einem Can Crusher der ja nur ein Mal zündet, soll das Ding durch die rotierende Funkenstrecke mehrmals pro Sekunde über einen längeren Zeitraum zünden.

Ich will damit keine Dosen zerkleinern, sondern Materialeigenschaften in extremen Magnetfeldern testen können.

Diesbezüglich will ich die Spule auch so aufbauen, dass diese über ein Test Tube aus Quarzglas passt.

Die Spule muss ziemlich sicher Wassergekühlt werden und muss auch mechanisch sehr stabil aufgebaut sein, da ich vermute, dass darauf eine große Kraft wirken wird, wenn sich ein 1µF Kondensator entlädt der auf 5kV aufgeladen ist.


Die meisten Dinge die ich dafür brauche sind bereits hier und ein paar Sachen sind noch von China hier her unterwegs.


Hatte auch mit dem Gedanken gespielt eine rotierende Funkenstrecke zu bauen, die eine Vollbrücke imitiert... Vielleicht wäre das aber für den Anfang ein bissl ein Overkill...


Schwierigkeiten die ich hier sehe sind folgende:

1) Durch die hohe Leistung brennen die Wolframelektroden vielleicht sehr schnell ab.

(Mögliche Lösung Funkenstrecke in Argon Atmospäre)

2) Hochspannunskondensator nimmt Schaden.

Bei dem Kondensator handelt es sich um folgendes Teil: https://de.aliexpress.com/item/40003822 ... 4c4dSLhXz5

der sieht am Bild relativ klein aus - ist aber in Wirklichkeit ein riesen Teil.

Vom Bauchgefühl her habe ich irgendwie bedenken, dass der Kondensator schaden nehmen könnte.

Die maximale Spannung auf die der Kondensator aufgeladen werden kann sind zwar nur 5 kV und solange die Funkenstrecke leitet, sollte die Energie ja im LC Glied hin und her pendeln (und langsam durch Wärmeverluste verbraten werden) - wenn die Funkenstrecke jedoch den Lichtbogen abreißt - was passiert dann...

3) Könnte der MOT Stack dadurch schaden nehmen?

Habe auch bissl Bedenken wegen dem MOT Stack - dass es den Bauelementen auch nicht gefällt was das LC Glied am HV Bus anstellt.

Hier eine Übersiucht:
MAgnetfeld.png

Lg Andreas

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Multi-kv
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#2 Beitrag von Multi-kv »

Hallo Andreas,

spannendes Projekt, was Du da wieder planst, Ansdreas! :awesome:

Für mich sieht die Schaltung recht ähnlich aus wie ein Induction Heater, nur das du die Mosfet-Steuerung durch die rotierende Funkenstrecke ersetzt.
Was die Caps und ihre Belastung angeht: pro Entladung sind das "nur" schlappe 12,5 Joule, wenn ich richtig rechne, die Caps könnten potentiell das 16-fache leisten,
da die Spannung ja quadratisch eingeht. Da sie auch impulsfest sind (kommt auf die Frequenz an) - sollte ihnen das eigentlich nichts anhaben.
Je höher die Frequenz, desto höher die Verluste, die in Wärme umgewandelt werden. Das dürfte aber im wesentlichen die Spule und Leitungen betreffen.
In den ersten ms der Zündung dürften da Ströme im höheren kA-Bereich fließen :)
Den Wolframelektroden traue ich auch einiges zu, aber die werden sich natürlich schon irgendwann etwas abnutzen.
Was den Mot-stack angeht, kann ich es schwer einschätzen, kommt auf die Isolation und das schwächste Glied an.

Hast Du dir mal die Schaltung für einen Induction Heater angesehen? Die ist ja selbstschwingend, die Frequenz wird über das LC-Glied festgelegt. Da kommt es auf eine gute Ansteuerung der Mosfets an und möglichst sauberes Schalten (Problem Gatekapazität und Induktion in der Ansteuerung = Schaltverluste in den Mosfets). Mit den richtigen impulsfesten Caps ist der Rest dann kein Problem. Die Spule muß ab einer gewissen Leistung dann gekühlt werden, da fließen oft weit über 100A in hoher Frequenz (10...200 kHz).

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Bastl_r
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#3 Beitrag von Bastl_r »

Hi
In det Tat ein interessantes Projekt mit spannenden technischen Daten.

Wolframkupfer wäre auch mein Vorschlag für den "Schalter" gewesen. Nur ob der Stab 20cm lang sein muss?
Das Zeugs ist ziemlich schwer und bringt eine große Masse zu Rotation. Für 5kV sollten meinem Gefühl zufolge 5cm locker ausreichen.
Ich habe gerade auch mal die Leistung für 2000U/min nachgerechntet. Theoretisch reicht das , wenn manfür das Netzteil 36000Ws annimmt. Nur stehen die 10kW ja erst bei voller Spannung an und davor befindet sich das Netzteil in der Strombegrenzung bei wesentlich weniger Spannung... Dann muss dieses auch noch mit den Kurzschüssen sowie unter Umständen gegenpoligen Ladungen klarkommen...


Edit:
Ich habe mir gerade dein Netzteil im anderen Thread angeschaut. Dazu fiel mir auf, dass die Mots im Kurzschlußbetrieb ja ganz schön Strom liefern werden und ein möglicher Lichtbogen ziemlich lang würde. Möglicherweise länger als deine Trennstrecke...
Wie wäre es die Rotationsfunkenstrecke auch gleich zum Laden des einzelnen Kondensators zu benutzen indem Du um ca 90°versetzt weitere Elektroden anbringst, an diesem Punkt den 1uF Kondensator lädst und, so wie jetzt gezeichnet, über die Spule entlädst. Dann hast Du jeweils beim Trennvorgang nur noch wenig Strom und wenig Spannungsdifferenz.

Gruß bastl_r

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andreas1984
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#4 Beitrag von andreas1984 »

Hallo,

war gerade in der Werkstatt und hab Bilder von dem Kondensaror und dem Motor für die Funkenstrecke gemacht.

Wird vermutlich noch ein bissl dauern bis ich bei dem Projekt effektiv anfangen kann.

Aber im Kopf baue ich ja schon fleißig.
processed14.jpeg
processed15.jpeg
processed16.jpeg

Erstmal danke fürs Feedback.

@Multi-kv:

Das wegen der Wärmeverluste ist sicher ein Thema...

Hast du ein Bauchgefühl wie viel µH eine Luftspule mit 10-15 Windungen hat (mehr Windungen werden sich um das Reagänzglas nicht ausgehen).

Wenn ich mal PI * Dauemen 1µH annehme wären es mit 1µF etwa 160 kHz f0...

Die Spule muss ziemlich sicher Wassergekühlt werden.

Den Kondensator habe ich extra überdimensioniert gewählt (in Bezug auf die Spannungsfestigkeit), damit ich Raum für andere HV Netzteile habe - wenn ich das Teil mit einem meiner Fettitkern HV Trafos betreibe sind die 20kV ja kein Problem.

Allerdings liefern die nicht so viel Strom.

@Bastl_r:
Wolframkupfer wäre auch mein Vorschlag für den "Schalter" gewesen. Nur ob der Stab 20cm lang sein muss?
Also die 20cm habe ich deswegen gewählt, weil ich vom Gefühl her sehr lange Lichtbögen bekommen kann bei der Leistung...

Ich hoffe eben, dass durch die schnelle Rotation der Lichtbogen abreißt. Habe aber mittlerweile meine Bedenken.

Hatte auch daran gedacht den Lichtbogen mit Druckluft auszublasen - wobei da müsste der Kompressor auch die ganze Zeit laufen ... weis auch nicht sicher ob das so gut geht.
Dann muss dieses auch noch mit den Kurzschüssen sowie unter Umständen gegenpoligen Ladungen klarkommen...
Die gegenpoligen Ladungen sind eben auch mein Bedenken...

Ich hätte ja die LC Schwingung am Bus drauf der vom Netzteil kommt.

Ich plane zwar am Ausgang von dem Netzteil einen 100nF Kondensator zur Filterung wobei der würde ja vermutlich mit dem Hauptkondensator einfach mitschwingen. (Wären ja in Wirklichkeit einfach nur parallel geschalten...)
Dazu fiel mir auf, dass die Mots im Kurzschlußbetrieb ja ganz schön Strom liefern werden und ein möglicher Lichtbogen ziemlich lang würde. Möglicherweise länger als deine Trennstrecke...
Korrekt dieses Bedenken habe ich auch - deswegen die 20cm von dem Rotor, damit der auch einen schönen Weg zurücklegen muss.... Ob es ausreicht weis ich nicht.
Wie wäre es die Rotationsfunkenstrecke auch gleich zum Laden des einzelnen Kondensators zu benutzen indem Du um ca 90°versetzt weitere Elektroden anbringst, an diesem Punkt den 1uF Kondensator lädst und, so wie jetzt gezeichnet, über die Spule entlädst. Dann hast Du jeweils beim Trennvorgang nur noch wenig Strom und wenig Spannungsdifferenz.
Das ist an sich eine spitzen Idee!

Allerdings kann es da wieder dazu kommen, dass der Kondensator nicht komplett aufgeladen wird - weil sich die Elektrode durch die lange Wegstrecke doch nur relativ kurz dort befindet.

Ich könnte mir das aber sehr gut als Lösung vorstellen, wenn der Lichtbogen nicht löscht...

Lg Andreas

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Thunderbolt
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#5 Beitrag von Thunderbolt »

andreas1984 hat geschrieben:
Di 22. Jun 2021, 23:26
Allerdings kann es da wieder dazu kommen, dass der Kondensator nicht komplett aufgeladen wird - weil sich die Elektrode durch die lange Wegstrecke doch nur relativ kurz dort befindet.

Ich könnte mir das aber sehr gut als Lösung vorstellen, wenn der Lichtbogen nicht löscht...
Dem könntest du entgegenwirken, in dem du die ladeelektroden als kreissegmente ausführst, anfang und ende könnte man aus woflramkupfer machen, weil da am ehesten lichtbögen auftreten

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Bastl_r
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#6 Beitrag von Bastl_r »

Die Größe des Kondensators geht doch.
Ich hab drei Maxwell Folienkondensatoren für 40KV hier. Die haben jeweils "nur" 195nF und sind einzeln größer als dein Kondensator.
andreas1984 hat geschrieben:
Di 22. Jun 2021, 23:26
Allerdings kann es da wieder dazu kommen, dass der Kondensator nicht komplett aufgeladen wird - weil sich die Elektrode durch die lange Wegstrecke doch nur relativ kurz dort befindet.
Das hatte ich zwischenzeitlich auch überlegt. Evtl wäre dann eine verlängerte Kontaktstrecke für die Ladung möglich. Zusätzlich könnte ja an die Mots noch einer oder mehrere weitere Kondensatoren zum Zwischenspeichern sinnvoll werden.
andreas1984 hat geschrieben:
Di 22. Jun 2021, 23:26
Die Spule muss ziemlich sicher Wassergekühlt werden.
Wenn Du Pech hast wird das nicht dein einziges Problem werden!
Bei meinen Cap-Bank Experimenten hat sich ein Handgewickelter 5x12mm Kupferflachdraht zu einer perfekt konzentrischen Spule nachgeformt und hält auch nur weil ich die Enden mit Schellen festgeklammert habe.

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axonf
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#7 Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen guten morgen, hallo Andreas 1984 deine Basteleien sind ja very extremly very exciting project s. Eine gute Alternative zu PTFE wäre auch der iglidur SFRX 3000 von igus in der Chemie nimmt man gerne auch mal PVDF und bei Kontakt mit Chlorgas ist PFA das beste, habe jetzt endlich meinen PFA Flare Schein, ne prima wassergekühlte Spule kann man auch gut aus Kupfer Vierkantrohr dickwandig machen, da haste ein Viertel mehr Umfangsfläche, vorher aber bitte weichglühen. Falls du doch mal mit Vakuum dichtheits Probleme bekommt, einfach einen Zentrierring auf beiden Seiten flach schleifen. Ich bin ja nicht der Fachmann, aber ist es auch möglich mit ner Gegentakt ZVS auf einem wirklich großen Ferritkern 150 x 120 x 100, starke HV Kiloherz Pulse zu erzeugen, eben nur etwas größer als ein Zeilentrafo. Noch einen schönen Tag wünscht euch der axonf.

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andreas1984
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#8 Beitrag von andreas1984 »

Hallo alle und danke für eure Kommentare!

@Thunderbolt:
Dem könntest du entgegenwirken, in dem du die ladeelektroden als kreissegmente ausführst, anfang und ende könnte man aus woflramkupfer machen, weil da am ehesten lichtbögen auftreten
An ein Kreissegment hatte ich auch schon gedacht. Anfang und Ende aus W/Cu ist eine gute Idee.

Es erhöht hald die Komplexität der Funkenstrecke was die mechanische Fertigung betrifft enorm.

kann aber durchaus sein, dass dieser Schritt notwendig ist.

@Bastl_r:
Das hatte ich zwischenzeitlich auch überlegt. Evtl wäre dann eine verlängerte Kontaktstrecke für die Ladung möglich. Zusätzlich könnte ja an die Mots noch einer oder mehrere weitere Kondensatoren zum Zwischenspeichern sinnvoll werden.
Ja das mit dem Zwischenspeichern wäre hier schon sinnvoll...

Das hier sehr große mechanische Kräfte im Spiel sind weis ich.

Plane die ganzen Verbindungen von dieser Baugruppe aus 30*30mm Aluminum Vierkantmaterial zu machen, das sollte dann stabil genug sein.

Am ehesten macht mir da noch die Kupferspule selbst Sorge...

@anxof: Das mit dem Vierkantrohr ist eine gute Idee!

Lg Andreas

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Kohlenstoffkarbid
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#9 Beitrag von Kohlenstoffkarbid »

Ein Wechselmagnetfeld mit hoher Stärke ist sehr anspruchsvoll und zudem nur für wenige Sachen nützlich. Ich empfehle lieber gleich ein ordentliches Gleichstromfeld aufzubauen oder aber ein ordentliches Einzelpulsfeld. Von beiden Lösungen hättest Du ordentlich mehr.

Wenn Du allerdings so eine Konstruktion mit Wechselfeld haben möchtest, empfehle ich als Spule ein Kupferrohr zu kaufen. Dies ist praktischerweise auch ideal für die Wasserkühlung.

Die Kondensatoren sehen aber nicht so aus, als würden die das lange mitmachen. Da drin wird die meiste Wärme anfallen! Wärme führt zu schnellen Durchschlag. Wenn es ein Impuls-Wechselfeld mit besonderer Stärke und nennenswertem Feldvolumen (Filmdose) sein soll, brauchst Du mindestens ein Kondensatorvolumen in der Göße einer Mikrowelle. Hochwertige Materialien vorrausgesetzt. Alle kleineren Kondensatoren werden an irgendwas scheitern. Bei Einzelpulsfelder genügen schon wesentlich kleinere Kondensatoren, sofern deren Innenwiderstand und parasitäre Induktivität gering genug sind!

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Bastl_r
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#10 Beitrag von Bastl_r »

andreas1984 hat geschrieben:
Sa 26. Jun 2021, 01:04
An ein Kreissegment hatte ich auch schon gedacht. Anfang und Ende aus W/Cu ist eine gute Idee
Moin

Im Grunde genommen sollte W/Cu am Anfang reichen, da am Ende der "Ladestrom" im Idealfall auf Null runter ist und ein brennender Lichtbogen evtl schon erloschen ist.
Das ist jetzt aber auch nur eine Vermutung.

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axonf
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#11 Beitrag von axonf »

Hallo und einen schönen noch Sonntag Abend, um ein sehr starkes Magnetfeld zu erzeugen macht es doch Sinn dieses auf einen möglichst kleinen Raum zu begrenzen. Da fällt mir als erstes der Flux Concentrator ein, aber auch ein zweites Abschirmendes Magnetfeld alla Halbach Arry könnte doch auch ein Nützliches Instrument sein. Ich habe mir auch schon mal ein Desin für eine extrem kleine Spule aus CU 10 x 3 hochkant gewickelt mit außenliegender MS Kühlspule ausgedacht. Ich wünsche euch noch ne gute Nacht axonf.


Zero
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#12 Beitrag von Zero »

Wow....der blaue Cap hat 20kV bei 1uF???? Damit würd ich mal gern eine induktive Coilgun bauen!!! Wo hast du den her und was kostet so ein Trumm???

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VDX
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#13 Beitrag von VDX »

... hmmm ... ich habe noch den Magnet-Aufbau aus einem alten Drehspul-Meßgerät - das ist ein U-förmiger Magnet mit etwa 15-20cm "Schenkellänge" und dann ein "Feldkonzentrator" für die etwa 15mm durchmessende Drehspule ... grob abgechätzt dürfte das Feld deutlich über 1 Tesla haben ... muß das Teil nochmal raussuchen ...

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Bastl_r
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#14 Beitrag von Bastl_r »

Zero hat geschrieben:
Mo 19. Jul 2021, 01:14
Wo hast du den her und was kostet so ein Trumm???
Guck mal am Anfang des Threads...
andreas1984 hat geschrieben:
Di 22. Jun 2021, 12:42
Bei dem Kondensator handelt es sich um folgendes Teil: https://de.aliexpress.com/item/40003822 ... 4c4dSLhXz5
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Re: Super starkes Magnetfeld erzeugen

#15 Beitrag von Zero »

Begeisterung ließ mich wohl erblinden. Dankö!

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