Går det att bygga en egen generator, helt från grunden med enkla verktyg, och få den att driva tv:n eller kanske inte ens få en lysdiod att blinka?

Inledning

Detta specialarbete kommer att handla om hur vi, Daniel Walldin och Ulf Bjurström, i ett tappert försök provat om man kan bygga en egen generator, helt från grunden. Med helt från grunden menar vi; betong, järnbitar, spikar, skruvar, poppnitar , trådar och dylikt. Verktyg och vårt egna intellekt använde vi såklart också. Dock inga hjälpmedel i form av Internet eller annan informationsbas.

Vi valde att bygga en generator för att vi båda är mycket praktiska och tycker att det är roligt att mecka, pula och att helt enkelt vara kreativa och uppfinningsrika. Anledningen till att vi valde att bygga just en generator var att vi ville kombinera praktiskt med teoriskt. Eftersom fysik faktiskt har en hel del nyttigt att tilldela människor valde vi att kombinera mekanik och fysik.

När vi valde uppgiften hade vi ingen aning om hur vi skulle göra, bara att det skulle vara fysikalisk teori blandat med praktik. Vi visste redan innan att arbetet skulle bli tufft och kräva absolut mer än 20 timmar, kanske uppåt det tredubbla.

I detta specialarbete kommer vi bla att ta upp teorin och grunden till en generator, både fysikaliskt och mekaniskt. Vi kommer även att gå in på vilka material och verktyg vi använde. Sedan kommer självklart att, mycket noggrant beskriva hur vi gick tillväga i de olika delmomenten som, tro oss, var en hel del. Vi kommer först att beskriva vår plan och målsättning med momentet och sedan jämföra och se vad som gick för, och vad som gick mot vår vilja. Vi kommer att avsluta med bla vårt egna resultat och vilka felkällor som kan ha hindrat eller skulle kunna ha hindrat oss i vårt arbete att generera ström. Vi avslutar med en sammanfattning där vi helt enkelt gör en översiktlig sammanfattning av arbetet och lägger in våra egna tankar och funderingar.

Vår frågeställning i detta arbete blir:

Går det att bygga en egen generator, helt från grunden med enkla verktyg, och få den att driva tv:n eller kanske inte ens få en lysdiod att blinka?

(Sidorna som är hänvisade till i texten, ex (BILD X), finns längre bak i arbetet)

(Längst bak i arbetet bifogas även en skiva, innehållande samtliga bilder från arbetet)

Teori

Grundprincipen för en generator är en maskin som omvandlar mekanisk energi till elektricitet. Funktionen hos en generator är baserad på grundlagarna för elektromagnetisk induktion och kraftverkan på strömförande ledare i magnetfält. I en spole som omsluter ett i tiden varierande magnetiskt flöde induceras en elektromotorisk kraft som är proportionell mot hastigheten och flödet. I ett magnetfält påverkas en ledare av en kraft proportionell mot strömmens och magnetfältets styrkor. Kraften är vinkelrät mot ledaren och de magnetiska fältlinjernas riktningar. I spolen runt ankaret träder Lenz’ lag kraft. Den innebär att: Den ems som induceras, strävar att driva en ström i sådan riktning att orsaken till induktionen motverkas.

Generator

Den första fungerande generatorn uppfanns 1857 av William Siemens. Det var den så kallade cylinderinduktorn eller även kallad Siemens' induktor. Ända sedan detta har man prövat sig fram för att finslipa generatorn men själva grundprincipen för den är densamma i dag. Konstruktionen baserar sig på grundlagar för elektromagnetisk induktion eller enklare sagt växelverkan mellan ett magnetfält och i denna rörliga elektriska ledare. Någon form av generator används nästan alltid vid de olika kraftverk som finns idag. I vindkraftverken drivs generatorn av vinden som orsakas av solens upphettning av luften och i vattenkraftverken utnyttjar man vattnets lägesenergi för att driva stora turbiner(generatorer). Energikällor som biobränslen till exempel upphettar vatten till ånga vid förbränning av trä och flis från avfall och energiskog. Ångan används sedan för att driva stora generatorer. Det är i stort sett bara solenergi från solceller som inte får ut sin energi genom en generator. I och med att nästan all vår energi fås via någon form av generator är den något man ska satsa på i utvecklingen. Om generatorn bara blir 0.1% bättre kan det resultera till enorma energibesparingar eftersom användningen är så enormt stor. Ett sätt att effektivisera generatorerna är att göra dom större. Idag finns det maskiner som genererar 1000 megawatt, det finns även de som klarar att ge mer. För dessa väldigt stora generatorer är även verkningsgraden stor, ofta över 98%. De stora generatorerna drivs ofta med ånga och radien är kortare än längden. Det finns ett stort antal olika generatorer på grund av de olika användningsområdena. Allt ifrån små dynamos på barncyklar till megastora turbiner i Kinesiska jättevattenkraftverk.

Utförande

Ett av de första momenten var klart och tydligt. Vad skall vi ha som driver generatorn och vad skall vi sedan driva? Vi antog att för att få ut en hel del ström ur generatorn måste vi få en cykel, i form av benmuskler, att driva den. Vi hittade en gammal cykel i källaren. Det var diverse svetsjobb som vi visste skulle komma och eftersom vi inte några fenor på svetsning fick vi hjälp av en kompis med detta. Vi fick även tillgång till dennes metallverkstad där vi kunde låna och arbeta med diverse behändiga verktyg och maskiner som kunde hjälpa oss(BILD 1,2). De första vi gjorde var att svetsa på stativ på cykeln(BILD 3,4), så man kunde trampa och inte behöva åka framåt. Vi visste ju sedan att kedjan skulle driva någon typ av axel, men vi hade inte kommit så långt i planeringen än.

Nästa etapp var att skaffa magneter. Permanenta magneter, helst till formen av ett u. Jättelätt tänkte vi och börjande fundera. Vi kollade Elfa och Clas Ohlsson men bara av typen liten, i kylskåpsstorlek (de som sitter på kylskåpen). I tvättmaskiner och diskmaskiner sitter de ju motorer, vilket ju är en omvänd generator, de måste ju ha magneter. Då började vi leta på skroten, men det var tydligen någon annans egendom så fort vitvarorna hade kommit till skroten. Vi ringde då direkt till bla RagnSells, för att se om vi kunde hitta någon maskin att lägga vantarna på, men helt utan resultat. De skickade bara runt oss till en massa olika chefer som bara hänvisade och skylde på varandra. Vi beslöt oss för att söka vidare. Då kom vi på att en av oss faktiskt jobbar med vitvaror och känner personer som tar emot returer av gamla produkter. Nu kunde vi äntligen plocka isär en maskin och titta vad som dolde sig under skalet. Vi letade ju i första hand efter magneter. Visst hade de magneter, men inte permanenta utan elektromagneter (BILD 5). Luften gick ur oss, vad skall vi ta oss till nu? Vi insåg snabbt

att vi fick nöja oss med att hitta magneter i främsta ledet och sedan forma spolen efter magnetens form och storlek. Det var lättare sagt en gjort. Vi var runt på varenda litet företag i Stockholmstrakten och frågade efter magneter i t ex motorer, men överallt samma ständiga respons; ELEKTROMAGNETER! Vad gör vi nu? Vi kunde ju inte byta ämne och låta oss besegras av en sådan här liten skitgrej. Nej! Nu fick vi sätta oss ner och tänka efter…bilen…Vi begav oss till skroten och hörde med dem hur generatorn där fungerar. Man kunde ju gissa svaret och mycket riktigt, inga permanentmagneter här heller. Vi stannade till inne i Väsby, vid Väsby Bil-El, för att fråga om de visste något. Nu vände oturen och vi letade fram ett gammalt hölje till en startmotor och, jajamensan, nu hittade vi äntligen permanenta magneter. Höljet hade en diameter på ungefär 7 cm och 6 magneter var jämt utspridda över innanmätet (BILD 6). Nu hade vi äntligen hittat magneter och kunde in rikta oss på att tillverka en anpassad spole.

Vi valde att tillverka ankare (BILD 7,8), vilka fångar upp magnetfältet och för det genom spolen som man sedan får linda runt ankarets hals. Vi tillverkade tre likadana för att sedan, symetriskt, sprida ut dem kring någon typ av axel. Ankaret tillverkades av gängad stav, diameter 7mm, fastskruvade i gängade och, av oss, tillböjda plattjärn uppdelade i tre lager. Detta för att slippa de virvelströmmar som kan förekomma i fasta material. Vi satte fast dem i varandra genom att gänga upp gängor i plattjärnen och sedan var det ju bara att skruva i dem. Vi valde även en gängad stav som axel, diameter 1,2 mm. Vi skruvade på en avlång mutter som vi också gängade upp och skruvade fast ankarna i. På sådant sätt fick vi de tre ankarna helt symetriskt runt den gängade axeln(BILD 9).

Vi var ju sedan tvungna att linda någon typ av spole kring ankarna. Till det köpte vi isolerad, lackad, koppartråd. Koppartråden var 1mm i diameter och var 150 meter lång, så det var bara att sätta i gång och linda och det kan man, utan att vara blygsam, säga att det tog tid.

Man måsta vara ytterst försiktig så man inte skaver av isoleringen på någonting och att man hela tiden lindar, tätt tätt, fram och tillbaka längs axeln. Vi lyckades med att linda ungefär 300 varv runt varje axel men sedan var det smockfullt med koppar. Vi tejpade bara fast överskottstråden och fortsatte med näste steg i arbetet, axelns drivning.

För att få så stor utväxling och därmed också så hög hastighet som möjligt ville vi införskaffa en så litet kugghjul som möjligt. Vi hittade en ytterst liten kugge på en av våra gamla cyklar(BILD 10), som vi demonterade och sedan spände fast på axeln med två muttrar med tillhörande brickor(BILD 11).

Efter det var vi ju självklart tvungna att skapa någon typ av ställning där axeln skall snurra. Vi valde att bygga ut en ställning rakt bakom baknavet. Detta gav oss självklart problemet med att förlänga kedjan, men det är inga problem för två klippor…Vi skapade ställning av ett antal plattjärn vinkeljärn, bultar, muttrar, nitar och vingmuttrar(BILD 12). Vingmuttrar satte vi dit för snabb demontering och montering. För att få axeln att snurra så friktionsfritt som möjligt, och på sådant sätt hålla energin kvar i systemet, ville vi att axelns ändar på något sätt skulle snurra i kullager. Vi tog ett par gamla hjul till en golfvagn och skar bort så praktiskt taget bara kullagret och en plastring fanns kvar (BILD 13). Vi fixerade även dessa kullager i vår stabila ställning.

För att nu driva axeln var vi tvungna att förlänga kedjan. Detta gjorde vi lätt, genom att ta en extra kedja och sedan helt enkelt slå ihop dessa kedjor. Vi använde ett hjälpmedel som

kallas kedjebrytare för att få det så snyggt och proffsigt som möjligt. Vi spände upp kedjan så hårt vi kunde, så inget svaj på axeln skulle förekomma.

Vi skulle sedan fixa sk släp. Alltså något, utanför axeln, som släpar mot en metallyta, på axeln, och som då inte behöver snurra med, utan kan sitta fast förankrad. Vi var inte riktigt säkra på ankarna, spolarna och magneter skulle uppföra sig inne i höljet, om de skulle ge en stadig växelström och om de skulle vara synkroniserade eller ta ut varandra. Då kom vi på den briljanta lösningen att skapa sex helt från varandra spärrade släp, vilka sedan skulle sitta två och två(de två som kom från samma ankare) i en likriktare som vi byggde(BILD 14). Vi skulle då få huller om buller positiva och negativa laddningar "slängda" till samma ställe och sedan koppla ihop alla dessa tre och erhålla en positiv pol och en negativ pol, likström. Vi gjorde släpfästen på axeln klara och fäste dessa. Vi använda oss av breda muttrar, isolerade med tunna urklippta plastskivar mellan sig. Längs axeln gick koppartråden, isolerad med krympslang fram till spolarna och löddes där också ihop och isolerades (BILD 15,16). Innan vi skulle ansluta de långa dyckertarna som skulle snurra mot dessa plattor tänkte vi fästa höljet så allting satt fast.

Det var lättare sagt än gjort. Vi höll på hur länge som helst med att sätta plattjärn efter plattjärn och metallband efter metallband på diagonalen, tvären, längden och bredden utan att få den att löpa helt fritt från axeln. Här ser man en grov felkälla, där mycket energi försvinner ut ur systemet och som är oerhört svårt att bortse från och motverka när man håller på och bygger som vi gör.

Detta smärre fel innebar en fatal ”katastrof” för oss, eftersom axeln studsar fram och tillbaka och vi kan inte fästa våra långa spikar, dyckertar, som skulle fungera att släpa mot kontakterna. Eftersom vi inte har modern utrustning, robotar, och andra vitala verktyg kan vi alltså inte fullgöra vår plan till fullo eftersom vi inte får höljet att sitta fast med sådan precision. För att visa att vår idé är oklanderlig tog vi två breda ståltrådar och böjde runt två släp, som självklart tillhör samma ankare. Då släpar dessa mot kontakterna och leder upp till

en träbit (inte så vackert men funktionsdugligt), där de är böjda så de sitter fast. Här kan man mäta växelströmmen som uppkommer. Dessa kontakter leder självklart upp till en likströmriktare (BILD 14), där man kan mäta upp likström.

Medan arbetet fortskred i, vissa stunder, fasanfull takt och i vissa fall en aning långsammare, målar vi självklart cykeln svart(BILD 17,18) för att absorbera så mycket energi som möjligt så cykelns energisystem blir så hög som möjligt…

Resultat

I och med denna svårighet att fästa höljet, tar vi bara ström från en spole för att se att principen var riktig. De uppmätta värdena vi fick blev dessvärre inte högre än 0,6V i såväl lik- som växelströmmen, för en spole. Det var ju absolut inte som vi trodde, utan vi trodde att vi skulle kunna göra en oklanderlig generator som gav oss uppåt 20V. Verkningsgraden är absolut under tillåtet värde, kan man uttrycka det. Det man dock ser, som bevis på god konstruktion, är att spänningen ökar med hastigheten, i någon form av linjär kurva.

Frågeställningen vi hade har i alla fall fått ett svar; Med enkla verktyg, jobbandes i diverse garage, kan man inte tillverka effektiva generatorer.

Felkällor

Den stora felkällan ligger självklart i höljets vobblande kring axeln som gör att man inte kan få ut strömmen på något effektivt sätt. Självklart är alla delarna en felkälla i sig själva i och med att de är tillverkade helt individuellt och kontakten mellan de olika delarna kan det vara lite svårt att säga någonting om. Vi har åtminstone använt järn i alla delar som skall föra magnetfält, så materialet är rätt, även om man givetvis kan ha mer eller mindre ”rent” järn i metallbit…

Sammanfattning

I vårt specialarbete har vi alltså blandat fysik med mekanik. Det har helt klart varit toppenkul, som alltid att tillverka och experimentera. Vi har inte bara fått tänka på det fysikaliska och elektroniska planet utan även dokumenterat efterhand. Man märker då hur mycket tid man lagt ut på diverse etapper. Man kan lätt gå tillbaka och titta om det är steg man gjort fel eller om man glömt ett steg, vilket givetvis gör det lättare att förklara och beskriva hur man gått tillväga under arbetet. Detta blandat med mekaniken och verktygshanteringen har givetvis varit lika roligt och lärorikt, med tanke på att man använt en hel drös nya verktyg och även lärt sig behärska mindre vanliga sådana.

Detta specialarbete lämpar sig möjligtvis som ett examensarbete på högskola, där man har mer tid på sig. Visserligen visste ju att 20 timmar inte skulle räcka, men att lägga drygt 150 timmar bland kursprov och andra arbeten är ju kanske lite att ta i…

Vi fick inte ut den strömmen vi trodde och svaret på vår frågeställning; bygger man allt från grunden, med helt vanliga verktyg, får man inte en effektiv generator.

Det blir ingen revolution med hemtillverkning av ström, som vi hade hoppats utan vi får väl förlita oss på de stora kärn- och kolkraftverken och kanske även solen, de kommande generationerna…

Bilder sida 1

Bild 01

Bild 02

Bild 05

Bild 06

Bilder sida 2

Bilder sida 3

Bild 14

Bild 13

Bild 15

Bild 16

Bild 17

Här följer en beskrivning,
i 10 steg,
hur vi gick till väga!!!

Steg 1

Textruta: Först så svetsade vi stativ, så man kunde trampa utan att försvinna iväg...

Steg 2

Textruta: Det andra steget var ett de svåraste, nämligen att skaffa permanentmagneter...

Steg 3

Textruta: Efter det gjorde vi tre stycken sk ankare, vilka skulle fungera som järnkärna åt spolen som komma skulle...

Steg 4

Textruta: Efter det skulle ankarna fästas symmetriskt. Vi använde oss av en mutter, som sedan bara var skruva på axeln...

Steg 5

Textruta: Sedan var det dags att linda, tillverka, spolar kring ankaraxlarna. Det blev riktigt proffsigt, vi var helnöjda...

Steg 6

Textruta: Axeln skulle sedan drivas. Vi tog den minsta kuggen vi kunde hitta för att få maximal utväxling och fart på axeln. Här sitter Uffe och förlänger kedjan...

Steg 7

Textruta: Efter mycket slit var det dags att tillverka släpen, där strömmen går över från den roterande axeln till stillasittande spikar. Det fanns många idéer, men vi beslöt oss för denna. Muttrar omslutna med tre lager tunn plast på vardera sida. Mycket finns hantverk...

Steg 8

Textruta: För att slippa få en okontrollerad växelström, beslöt vi oss för att tillverka tre stycken likriktare. Vår optimism gjorde att vi köpte dioder som klarade 400 V och 10 A. I efterhand kan folk tycka att vi är idioter och vi är dessvärre tvungna att hålla med...

Steg 9

Textruta: Nu sitter axeln fast på cykeln och drivs av kedjan. Vilken väldig fart på axeln och stabilt bygge vi har fått...

Steg 10

Textruta: Sista etappen var att fästa höljet. Helt oestetiskt och obalanserat slängde vi ut plattjärn, blandat med järnband, för att höljet skulle sitta så stabilt som möjligt. Detta var det första stoppet vi stötte på vilket dessvärre ledde till att vi inte kunde sätta fast spikarna som skulle släpa mot kontakterna på axeln. Detta eftersom hela axeln vobblade och skakade alldeles för mycket. Vi fick åtminstone någon ström och spänning men våra drömmar om den nya uppfinningen som slår ut kärnkraften slogs emellertid i spillror...