Het briljante idee
Heb je wel eens aan de as van een stappenmotor gedraaid en tegelijk de opgewekte spanning gemeten? Die spanning is verrassend hoog! Met een paar omwentelingen per seconde heb je al gauw 5V. Bij een wat groter model is de spoelweerstand minder dan een ohm zodat er ook redelijk wat stroom geleverd kan worden.
Op enig moment liep ik tegen zo’n exemplaar aan met een lage spoelweerstand en dubbele spoelen (voor de keuze unipolair of bipolair) waarmee de uitgangsspanning verdubbeld kon worden. Het leek me een perfecte generator voor een windmolen. Een stappenmotor heeft permanente magneten zodat er geen veldbekrachtiging nodig is. Wel zorgen die magneten voor een relatief hoog startkoppel. Dat zou ik kunnen oplossen door bij voldoende wind de spoelen even van een paar stroompulsen te voorzien om zo de motor op gang te brengen.
Kortom: een briljant idee!
De uitvoering
Ik had nog een rotor liggen met een diameter van 1m. Een snelloper; ooit zelf gebeiteld, gevijld, geschaafd en geschuurd uit een blok vurenhout. Die leek me uitermate geschikt voor de genoemde stappenmotor. Op de as van de stappenmotor zat al een groot tandwiel en daar kon ik de rotor op bevestigen. Rond de motor heb ik een molenhuis gebouwd, voorzien van een staart en van een horizontaal lager. Dit werd op een mast geplaatst en inderdaad: bij voldoende wind kwam de rotor op gang en met reeds een matige wind was het mogelijk om zo’n 15V op te wekken. Maar… de stroom kwam echter nooit boven de 300mA uit, hoe snel de rotor ook draaide.
De problemen
Spoelinductantie
Tijdens de voorbereidingen had ik al het ongemakkelijke gevoel dat de spoelinductantie wel eens roet in het eten zou kunnen gooien. Maar ik besloot de gok te wagen. Het was echter precies zoals ik al vermoedde: hoewel de uitgangsspanning in onbelaste toestand netjes opliep met het toerental, bleef de kortsluitstroom bij alle snelheden vrijwel constant: zo’n 300mA.
Het vermogen dat deze stappenmotor kan opwekken is dus betrekkelijk laag. Ik meen dat ik maximaal 5W gemeten heb tijdens een flinke windvlaag.
Ter verduidelijking: de spoel waarmee de spanning wordt opgewekt heeft in dit type motors een relatief hoge zelfinductie. En een inductie heeft een ‘weerstand’ die evenredig is met de frequentie van de stroom die er door loopt. Naarmate de generator sneller gaat draaien, wordt er een hogere spanning opgewekt, maar die heeft ook een hogere frequentie. Door die hogere frequentie verlies je – bij gelijk blijvende uitgangsstroom – evenveel spanning aan die zelfinductie als er bij komt door de generatorwerking. Een hoger toerental zorgt dus niet voor een groter vermogen!
Geluid
Wat nauwelijks opviel als de motor op zichzelf was, werd versterkt door de houten rotor: trillingen! Nog erger werd het als de molen op zijn mast – een metalen pijp – geplaatst werd. De voorkeursposities van de rotor van de motor (zo’n 180 per omwenteling) zorgen voor trillingen en als die een klankbord krijgen – molenwiek en holle pijp – dan wordt dat geluid. Om precies te zijn: een jankend geluid. Daar werd niemand blij van…
De conclusie
Kortom: hoe veelbelovend de stappenmotor aanvankelijk leek te zijn, hij is niet praktisch bruikbaar als generator.
Een briljant idee? niet echt…
Wat zegt de literatuur?
Het fenomeen dat de impedantie van de generatorwikkelingen een inductatieve component heeft, geldt voor ELK type generator. Dit probleem moet dus bij elke generator optreden, zij het in mindere mate wanneer de frequentie lager is, bijv. 50Hz. Desondanks verwacht ik dat – vanwege de hoge stromen – dit effect ook meetbaar is in generators zoals die in elektriciteitscentrales toegepast worden. Toch is hier nauwelijks informatie over te vinden op internet. De inductiviteit is wel een bekend begrip onder de naam ‘leakage inductance’.