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Thema: BL-Außenläufer selbst bauen - Magnetfeld zu schwach?

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist
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    BL-Außenläufer selbst bauen - Magnetfeld zu schwach?

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    Hallo zusammen, vor über einem Jahr hatte ich schon einmal einen Thread aufgemacht mit etwa so einem Thema, ich wollte einen Außenläufer-Motor ganz direkt mit einem speziellen hochübersetzten Planetengetriebe kombinieren und so einen Antrieb für ein richtig starkes Servo / einen Gelenkantrieb erhalten.

    Hier gleich mal die erste Frage: Weiß jemand ein kompetentes und aktives Forum zum Selbstbau von Brushless-Motoren? Daß das hier ein bißchen Off-Topic ist, weiß ich nämlich schon... Die Seiten zum LRK und zum Powercroco sind ja sehr informativ, aber halt starr ohne Forum. Und natürlich geht alles um 3phasige Motoren, die in Flugzeugen mit konstanter Geschwindigkeit drehn. Und nicht um Stellantriebe, die stehenbleiben, Position halten und die Drehrichtung wechseln müssen.

    Jetzt habe ich mal mit Bauteilen aus dem Modellbau-Bereich ganz blauäugig losgebastelt und stelle fest, ich kapier gar nichts. Vor allem kann ich mit dem gewickelten Stator offensichtlich kaum Magnetkräfte erzeugen!

    Ich bestrome einen Strang der zweiphasigen Wicklung einfach mit Gleichstrom aus einem Labornetzteil, jetzt müßte ja ein Magnetfeld an bestimmten Statorpolen feststellbar sein. Mit einem Schraubenzieher sieht man leichte Unterschiede, an jedem zweiten Pol klebt er ein bißchen. Aber das ist so schwach! Mit einem der starken Magneten, die später in den Läufer sollen, ist kein Unterschied feststellbar. Der Magnet klebt einfach nur an den Blechen. Egal wie herum und welcher Pol.

    Das klingt jetzt sehr blöd und hilflos, aber genau so fühle ich mich gerade.

    Die Wicklung ist natürlich relativ hochohmig, ganz anders als man das bei den Modellbau-Motoren sieht. Bisher dachte ich, für das, was man erwärmungstechnisch an einem Statorpol an Magnetfeld schafft, ist es unerheblich, ob nun wenige Windungen mit dickem Draht oder viele mit dünnen Draht herumgewickelt sind. Zumindest für Gleichstrom.

    Belehrt mich bitte eines besseren!

    Die Werte: Es ist ein Draht mit 0,32mm Durchmesser. Der Stator ist 12polig mit 34,5mm Durchmesser. Pro Pol sind 50 Windungen drauf. Das Wicklungsschema (wenn ich beim Wickeln nicht gemurkst habe) ist ABabABabABab, alles in Serie. In einen Strang laufen bei 1,5V Gleichspannung 0,8A rein. Jetzt kommts: Klar haben Modellbau-Motoren oft nur 8 bis 10 Windungen pro Pol. Aber ist es nicht so, wenn meine 0,8A 50mal um den Pol laufen, das ist doch dasselbe, als wenn 8A durch 5 Windungen laufen würden, oder?

    Für alle, die über das Wicklungsschema stolpern: Ich habe versucht, mit dem 12poligen Stator einen 2phasigen Schrittmotor aufzubauen. Mit sage und schreibe 18 Magneten im Läufer. Ich habe in Visual Basic eine (noch recht rudimentäre) Simulation aufgebaut, die mir sagte, das könnte gehen - zu dieser Simulation später mehr.

    Tja, das war viel Text, und was gleich nochmal die Frage?
    1. Was gibts für Foren, die mir weiterhelfen könnten?
    2. Mache ich bei der hochohmigen Wicklung einen Denkfehler?

    Dank für jeden kleinen Hinweis!
    Tom.
    Geändert von toemchen (19.04.2011 um 11:36 Uhr)

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist
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  3. #3
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Hallo toemchen!

    Zufällig gegoogelt: http://www.powercroco.de/Konstruktionsregeln.html .
    MfG (Mit feinem Grübeln) Wir unterstützen dich bei deinen Projekten, aber wir entwickeln sie nicht für dich. (radbruch) "Irgendwas" geht "irgendwie" immer...(Rabenauge) Machs - und berichte.(oberallgeier) Man weißt wie, aber nie warum. Gut zu wissen, was man nicht weiß. Zuerst messen, danach fragen. Was heute geht, wurde gestern gebastelt. http://www.youtube.com/watch?v=qOAnVO3y2u8 Danke!

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Hallo Tom,

    das Thema BLDC Motor scheint im Augenblick unheimlich heiß zu sein. Ich beschäftige mich auch schon eine Weile damit (das sollte den Hype aber nicht ausgelöst haben). Leider tobt da auch eine Menge Voodo durch die Foren. Da hilft manchmal ein Blick in die Realität, sprich was machen andere, das man kaufen kann, und nicht was macht die NASA. Oder ein Blick in die Vergangenheit, wie haben es die Altvorderen ohne Halbleiter gemacht (das ging nur, weil sie die Physik wirklich verstanden haben).

    Wenn man so von Grund auf herangehen will, wie du das wohl vorhast, muß man das System "Elektromotor" gut verstanden haben. Lesen kann da helfen, ich habe aus "Electric Motors and Drives" von Austin Hughes (ISBN 0-7506-4718-3) viel gelernt. Ich habe außerdem ausprobiert, was man so kaufen kann.

    Im Thread "Motor / Umbausatz für Elektrofahrrad" hab ich ein paar Bilder und Daten von einem BLDC Motor gepostet.

    Das alles ist mit den Ansätzen der Modellbauer nicht zu vergleichen. Ich vermute, wenn man diese Motore im Stand festhält und dann Gas gibt, bewegt sich nichts (außer dem Rauch).

    Ich habe einen Elektroroller (vergleichbar mit einem 50ccm Roller), zusammen bringen wir ca. 200kg auf die Waage. Da dreht man selbst bei einer Steigung am Gas, und los gehts aus dem Stand. Sowas basteln Chinesen, die ja eigentlich nur kopieren können (in diesem Fall von wem eigentlich).

    Ich bin an diesem Thema intensiv dran, ab und an drängelt sich zwar mein Job dazwischen (was macht eigentlich diese Frau in meiner Wohnung, woher kenn ich die?). Ich würde da gern was beitragen, nur heute ist es etwas zu spät. Für einen Motorfreak habe ich hier aber noch ein paar gei*** Pics:

    Klicke auf die Grafik für eine größere Ansicht

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    MfG Klebwax
    Strom fließt auch durch krumme Drähte !

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Zitat Zitat von toemchen Beitrag anzeigen
    1. Was gibts für Foren, die mir weiterhelfen könnten?
    2. Mache ich bei der hochohmigen Wicklung einen Denkfehler?

    Dank für jeden kleinen Hinweis!
    Tom.
    Die sind genial http://www.powercroco.de/

    Gruß Richard

  6. #6
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Mit einem der starken Magneten, die später in den Läufer sollen, ist kein Unterschied feststellbar. Der Magnet klebt einfach nur an den Blechen. Egal wie herum und welcher Pol.
    Ohne selbst einen entsprechenden Motor selbst gebaut zu haben: das kann ich gut nachvollziehen. Die Kräfte, die ein guter Dauermagnet ausübt, sind von einem Elektromagnet nicht annähernd zu erreichen (außer man macht in Supraleitung oder so).
    Dass der Dauermagnet das Trafoblech unabhängig von der Bestromung der Spule anzieht ist auch klar. Es geht eher darum, dass er es etwas stärker anzieht, wenn der Strom in der einen Richtung fließt und etwas schwächer, wenn der Strom in der anderen Richtung fließt. Den Unterschied wird man aber so leicht nicht feststellen (außer man macht eine reelle Kraftmessung, das wird aber schwierig, weil der Abstand vom Eisen dann sehr genau konstant gehalten werden muss).
    Beim Motor sollten sich die anziehenden und abstoßenden Kräfte der einzelnen Dauermagneten (die dann über die drehbare Lagerung des Rotors zu linksdrehenden und rechtsdrehenden Momenten werden) einigermaßen gegenseitig kompensieren, wahrscheinlich nicht in jeder Rotorstellung, aber wenigstens über eine Umdrehung integriert. Die verbleibenden Restmomente ergeben dann dann das Rastmoment des unbestromten Motors. Wenn jetzt das Moment durch Bestromung stärker ist als das Rastmoment, sollte der Motor selbstständig anlaufen.

    Bei der hochohmigen Wicklung machst Du, glaube ich, keinen Denkfehler, zumindest habe ich das auch so im Hinterkopf, dass man pauschal in "Amperewindungen" (also dem Produkt von Windungszahl und Strom) rechnet. Genau habe ich es aber nicht parat, müsste erst wieder die Literatur studieren. Das Problem der hohen Windungszahlen ist wahrscheinlich deren hohe Induktivität, für schnelle Stromänderungen (= hohe Drehzahl) braucht man dann hohe Spannungen.

    Ein Vergleich mit bekannten Konstruktionen ist immer interessant, man kann aus dem Drehmoment, Spulenzahl und Statordurchmesser und Statorlänge berechnen, was für eine Tangentialkraft pro Spule und mm Statorlänge andere rauskriegen.
    Bei dem Motor von Klebwax sind es sehr viele Spulen bei einem großen Statordurchmesser - gute Voraussetzungen für ein hohes Moment.

  7. #7
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist
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    Danke, ranke. (Das mußte schon des Reimes wegen sein)
    Mit den Magnetkräften bin ich also erstmal beruhigt. Ich muß also zusehen, daß das Rastmoment gering wird. Das ist momentan höllisch groß. Und ich glaubte in meiner grenzenlosen Naivität, super, wenn der bestromte Motor dieses Haltemoment oder gar noch stärkeres bringt, dann wirds was!
    Wie ich das Rastmoment verringere, wird sich weisen - vielleicht gibt es bessere Magnetanordnungen. Oder ich bestelle nochmal Statorbleche und klebe die versetzt zusammen - das macht natürlich das Wickeln schwieriger. Auf den Powercroco-Seiten wird von versetzten Statorblechen (schiefen Statorzähnen) abgeraten, aber das muß für einen oft im Stillstand betriebenen, auf geringstes Rastmoment angewiesenen Motor ja nicht genauso zutreffen wie auf einen wirkunggradoptimierten Flugmotor.
    Das mit den Amperewindungen beruhigt auch. Klar gilt das nur für Gleichstrom oder niedrige Schrittfrequenzen, bei denen die Induktivität noch nicht zum Tragen kommt.

    Also nochmal: Die LRK- und Powercroco-Seiten kenne ich, vielleicht habe ich noch nicht ALLE gelesen und schon gar nicht ALLE kapiert. Aber bei jedem Mal lesen bleibt mehr hängen.

    Jetzt hänge ich noch einen Screenshot meiner Simulation an.
    Momentan kann ich die Bestromung des Stators als Drehfeld von 0-360° einstellen, der Stator wird dann in den entsprechenden Magnetpolfarben gezeichnet (rot oder grün, bei Teilbestromung abschattiert bis hin zu schwarz). Im Bild ist eine Phase voll bestromt und die andere gar nicht.
    Den Rotor kann ich "von Hand" 0-360° verdrehen, bis er nach Augenmaß dazupasst.
    Die Längen der bunten Bögen geben einigermaßen die realen Maße der Polbreiten und Magnetbreiten und entsprechenden -Lücken wieder.
    Als nächstes werde ich versuchen, das Moment mal qualitativ aufzuintegrieren: Z.B. am Rotor rechnerisch einmal herumgehen und für jeden Punkt die Anziehungskräfte der näheren Umgebung zusammenrechnen.
    Die darauf folgenden Schritte könnten sein, daß der Rotor vom Programm selbständig gedreht wird, bis das Moment minimiert ist. Oder daß mal ein Rastmomentverlauf aufgezeichnet wird - dann könnte man verschiedene Magnetanordnungen ausprobieren.

    Gruß
    Tom.

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  8. #8
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Als nächstes werde ich versuchen, das Moment mal qualitativ aufzuintegrieren: Z.B. am Rotor rechnerisch einmal herumgehen und für jeden Punkt die Anziehungskräfte der näheren Umgebung zusammenrechnen
    Das letzte Mal, als ich mich etwas eingehender mit elektrischen Maschinen befasst habe war in meiner Facharbeit, das ist jetzt bald 30 Jahre her. Aber soweit ich mich erinnere, wird das elektromagnetisch erzeugte Moment etwa so hergeleitet:
    In jeder Nut befinden sich mehrere stromdurchflossene Leiter. Wenn Du auf jeden Zahn eine Spule gewickelt hast, ist in jeder Nut eine halbe Spule der jeweilig benachbarten Zähne (es gibt aber auch andere Wickelschemen). Die Spulenströme in Betrag und Richtung sind bekannt, somit kann man die Wicklung in der Nut auf einen Nutstrom reduzieren (das ist der Strom, den ein Einzelleiter in der Nut hätte, der errechnete Nutstrom ist dann relativ groß, es ist die vorzeichenrichtige Summe der Einzelströme der einzelnen Windungen).
    Auf den in der Nut liegenden hypothetischen Einzelleiter mit dem entsprechenden Nutstrom wirkt in dem vom Läufer generierten Magnetfeld eine Kraft (Lorentzkraft), die Summe dieser Einzelkräfte sind das Motormoment. Für die Rechnung des Moments darf der rechnerische Einzelleiter auf Höhe des Statordurchmessers angenommen werden, das ist nämlich die wahre Bedeutung der Zähne: sie leiten das Läufermagnetfeld so weit in den Ständer hinein, dass die Wicklung, die ja einigen Platz beansprucht, nahezu völlig vom Läufermagnetfeld umschlossen wird, magnetisch ist das äquivalent zu einem beliebig dünnen Leiter auf der Ständeroberfläche.

    Bei Anwendung dieser Methode erkennt man schnell die simple Regel: Wenn ein Südpol über der Nut liegt, soll der Strom in eine Richtung fließen, beim Nordpol in die andere Richtung.
    Wicklungsanteile quer zur Motorachse geben kein Moment (sind nur lästig wegen Ohmschen Widerstand).

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie
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    Zitat Zitat von ranke Beitrag anzeigen
    Bei der hochohmigen Wicklung machst Du, glaube ich, keinen Denkfehler, zumindest habe ich das auch so im Hinterkopf, dass man pauschal in "Amperewindungen" (also dem Produkt von Windungszahl und Strom) rechnet. Genau habe ich es aber nicht parat, müsste erst wieder die Literatur studieren. Das Problem der hohen Windungszahlen ist wahrscheinlich deren hohe Induktivität, für schnelle Stromänderungen (= hohe Drehzahl) braucht man dann hohe Spannungen. Ein Vergleich mit bekannten Konstruktionen ist immer interessant, man kann aus dem Drehmoment, Spulenzahl und Statordurchmesser und Statorlänge berechnen, was für eine Tangentialkraft pro Spule und mm Statorlänge andere rauskriegen. Bei dem Motor von Klebwax sind es sehr viele Spulen bei einem großen Statordurchmesser - gute Voraussetzungen für ein hohes Moment.
    Hallo, zu meinen Bildern noch einige Erläuterungen. Dieser Motor hat nominell 250W bei 24V. Der Außendurchmesser ist ca. 20cm. Der Draht der Windungen sieht relativ dünn aus, ich glaube aber daß 6 bis 8 Drähte parallel geschaltet sind. Professionel werden Motore anders bewickelt, als bei den Hobbyleuten üblich. Die Spulen werden außerhalb des Motors auf einem Wickelkörper hergestellt, und dann in die Nuten eingefädelt, und nicht auf den Nuten selbst gewickelt. Wie man im Bild gut sehen kann, ist der Abstand zwischen den Polen sehr gering, der Draht ist so dick, daß er da gerade noch durch passt.

    Für die Leistung eines Motors ist die Drahtdicke (im wesentlichen) unerheblich, solange die Nut vollständig gefüllt ist. Bei dünnerem Draht brauche ich mehr Spannung. die sollte man aber nicht unterschätzen. Eine Abschätzung kann man bekommen, wenn man den Motor als Generator betreibt. Man kann den Motor mal mit dem Akkuschrauber drehen und die Spannung am Feld messen. Wenn der bei 1000 U/min 10V liefert, muß man schon mal 10V dagegen setzen, ohne daß ein Strom fließt. Da man bei Motoren im Bereich 10 bis 20V häufig wesentlich dickeren Draht findet, vermute ich mal daß dein Draht zu dünn ist. Du kannst natürlich mehr Spannung nehmen, hast es dann aber mit der Steuerung nicht so einfach. FETs, Treiber und Elyte sind schwerer zu beschaffen.

    Wie ich das Rastmoment verringere, wird sich weisen - vielleicht gibt es bessere Magnetanordnungen.
    Auf der powercroco Seite gibt's einen Text zu Rastmoment, wenn man danach geht hat es eine untergeordnete Bedeutung, solange man keine grundsätzlichen Baufehler hat.

    Ich bestrome einen Strang der zweiphasigen Wicklung einfach mit Gleichstrom aus einem Labornetzteil, jetzt müßte ja ein Magnetfeld an bestimmten Statorpolen feststellbar sein. Mit einem Schraubenzieher sieht man leichte Unterschiede, an jedem zweiten Pol klebt er ein bißchen. Aber das ist so schwach! Mit einem der starken Magneten, die später in den Läufer sollen, ist kein Unterschied feststellbar. Der Magnet klebt einfach nur an den Blechen. Egal wie herum und welcher Pol.
    Das ist klar, und mit dem Betrieb als Motor nicht zu vergleichen. Nimm mal einen starken Magneten und setze ihn auf ein Stück Eisen. Nun schätz mal die Kraft, die du brauchst um ihn abzuziehen. Jetzt sorge mal dafür, daß zwischen Eisen und Magnet ein Spalt bleibt, z.B. ein Stück Klebeband aufs Eisen, und schätz jetzt mal die Kraft ab. Der Unterschied sollte deutlich sein.

    MfG Klebwax
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  10. #10
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    Nun melde ich mich hier gar nicht mehr... das liegt aber nicht daran, daß ich das Interesse verloren habe (ok, es war Ostern und gutes Wetter), sondern daß ich immer noch am Programmieren bin.

    Es fuchst mich ziemlich, da das Berechnen, aufsummieren usw. ja immer so passiert, daß ich in einer 0-360° Liste einmal im Kreis herumgehe, und immer alle Fälle auffangen muß, wo ein Offset (z.B. die Drehung des Rotors) alles verschiebt. Die aus dem Bereich der Liste verschobenen Ergebnisse müssen dann wieder um 360° verschoben werden, damit das zusammengestückelt wieder alles passt. Mir raucht das Gehirn und ich kann es auch glaube ich nicht richtig erklären. Ich versuchs mit nem Beispiel: Ich will die Kräfte berechnen, die auf den letzten Magneten wirken, der Rotor ist aber in der Simulation um 45° weitergedreht und schon ist der Magnet auf der Position 385°, also aus dem Bereich der Liste. Bin schon versucht, brachial alles mit einem Winkelbereich von plusminus 720° zu rechnen und erst am Schluß meinen 0-360° Bereich "rauszustanzen", um diesen zu plotten...

    Langer Rede kurzer Sinn: Irgendwann werde ich durch diesen Wust durch sein, und dann kann ich verschiedene Magnetbreiten und -zahlen ausprobieren, um das Rastmoment in der Simulation zu minimieren, und dann kann ich dieses Ergebnis wieder in eine reale Rotorglocke umsetzen.

    Bis dahin meine Bauchgefühl-Einschätzung, die ranke auch untermauert hat: Rastmoment kann wesentlich stärker als das elektrisch erzeugte Magnetfeld sein. Ein schnellaufender Motor rattert einfach mit Schwung über dieses Rastmoment hinweg und bleibt auch am Laufen, wenn nur mit dem richtigen Timing bestromt wird. Um so einen Motor anlaufen zu lassen, muß die Elektronik ihn "kitzeln" und mit ein paar zufälligen Impulsen aus seinem Rastmoment aufschaukeln. ABER: Einen langsamlaufenden Motor, der am besten sogar im Stillstand Positionen zwischen seinen Rastungen hält, bekomme ich so nicht hin. Dazu muß ich das Rastmoment weit unter das elektrisch erzeugte Magnetfeld bringen.

    Gruß Tom

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