Brushless-Motor für extrem starkes Servo

[toemchen]

Hallo zusammen,

tut mir leid, ich muß ein bißchen erzählen, bis ich zu meiner Frage komme. Wer keine Zeit hat, lese bitte bei FRAGE weiter.

zur Zeit baue ich Antriebe für einen Servo-Arm, die einige Nm Drehmoment aufbringen können, dabei natürlich längst nicht mehr so schnell sind wie Modellbau-Servos. Ich benutze Motoren in der Größe eines Mabuchi 380 mit Planetengetrieben. Das ganze ist noch nicht fertig und ich hoffe, es wird leidlich funktionieren.

Aber ich lasse es mir nicht nehmen, schon von der perfekten Lösung zu träumen. Dazu gehört einerseits Mechanik - bessere, leichtere Getriebe zum Beispiel. Zum anderen aber leistungsstarke und leichte Brushless-Motoren.

Herkömmliche Modellbau-Motoren und ihre zugehörigen Regler sind leider nicht zu verwenden: Sie sind auf powermäßigen Schnellauf in EINER Richtung ausgelegt und können gerade das Stillstehen und Anlaufen gegen Last, was beim Positionieren gefordert ist, überhaupt nicht. Auch die Lösungen für RC-Cars nicht.

Nein, man muß schon ganz von vorne anfangen. Und nun zur

FRAGE:

Wenn man schon einen Brushless-Motor selbst baut und wickelt, soll man ihn dann dreiphasig in Stern- oder Dreiecksschaltung aufbauen oder vielleicht gleich zweiphasig wie einen Schrittmotor? Dann kann man ihn mit Schrittmotor-Treiberbausteinen bipolar ansteuern.

Damit wir uns recht verstehen: Ich will keinen Schrittmotor mit synchroner Ansteuerung ohne Positionsrückmeldung aufbauen. Der müßte ja wieder soviel Reserven haben, daß sein maximales Moment im Betrieb nie erreicht wird, und Reserven bedeuten wieder Energieverbrauch und Gewicht. Nein, es soll schon eine Positionsrückmeldung über Encoder geben, die fein genug auflöst, um Mikroschritte bzw. Abweichungen aus der angesteuerten Position durch die Last zu erkennen. So daß das Magnetfeld durch die Spulenansteuerung immer nur so stark ist und in bestimmter Weise gedreht ist, um die aktuell geforderte Position zu erreichen.

Jetzt nochmal zurück zur Hauptfrage: Will ich einen 3phasigen BL-Motor in einer bestimmten Stellung mit vollem Strom halten, muß ich bei Dreiecksschaltung mindestens zwei Spulen bestromen, und bei Sternschaltung sogar alle drei, wobei eine die Summe der Ströme durch die anderen beiden abbekommt.
Balanciert der Motor da nicht zwischen zwei magnetischen Raststellungen? Ist das nicht Energieverschwendung?
Es mag ja sein, daß bei einem 3phasigem Synchronmotor in vollem Lauf alle Phasen sowieso mit um 120° versetztem Sinus angesteuert werden müssen und dadurch ständig der Rotor auf Zug gehalten wird, und daß das energetisch keinen großen Unterschied zu 2 oder 4 oder 5 Phasen macht. (Außer dem Ansteueraufwand - und traditionell steht ja für große Antriebe immer schon der Netz-Drehstrom zur Verfügung.)
Aber mir geht es jetzt um den Fall des bestromten Stillstands, der bei einem Positionierantrieb die meiste Zeit vorkommt.

Also, es wäre schön, wenn da jemand in die Diskussion einsteigt, der sich mit Drehstrom-Antrieben oder grundsätzlich Elektromotoren super auskennt. Das ist jetzt keine dringende Frage, sondern mehr ein Sinnieren über ein Projekt.

Viele Grüße
Tom.

[Richard]

Lese das dort mal in Ruhe GANZ durch! Dann bist Du quasie
Profi......:-)

http://www.powercroco.de/

Gruß Richard

[toemchen]

Ich glaube GANZ habe ich es noch nicht, aber auf diesen Seiten bin ich schon oft gewesen. Es gibt ja auch noch die Seiten zum LRK, quasi der Vorgänger zum Powercroco.

Aber die Anwendung zum Positionieren kennen die Experten dort natürlich nicht oder nur ganz am Rande. Denn ihnen geht es drum, mit einem frei drehenden Propeller hohe Leistung (Drehmoment UND Drehzahl) umzusetzen.

Vielleicht bringts aber was , die dortigen Foren zu durchstöbern bzw. selbst was zu fragen.

Viele Grüße
Tom.

[Richard]

Ich glaube der Admin dort hat mal einen Langsamläufer fürn Fahrad
gewickelt. Ich habe hier auch noch aus einen Waschmaschinen
Motor geflexten Kern herumliegen bin aber schon beim Wickeln verzweifelt
und einen Dreher der mir die Glocke Dreht ?

Gruß Richard

[Hessibaby]

Brushless-Motoren sind, meiner Meinung nach, für teilstatische Positionierantriebe nicht bzw. nur bedingt geeignet, da diese, außer bei Stillstandsbestromung, keinerlei Haltemoment haben.
In industriellen Antrieben werden meist Glockenankermotore eingesetzt.

[toemchen]

Ja, den Admin von powercroco.de werd ich jetzt mal auf postalischem Wege anschreiben. Er scheint über solche Außenläufer-Brushless extrem Bescheid zu wissen, hält aber die Kommunikationswege zu ihm bedeckt. Mal sehen, ob er reagiert.

Ein Forum gibt es dort nicht mehr.

Aber noch habe ich nicht alle Links und Möglichkeiten durchprobiert. Auch auf den LRK-Seiten werden einige Personen genannt, an die ich versuche ranzukommen.

Übrigens: Glockenankermotoren haben kein magnetisches Rastmoment und eigentlich nur die Reibung der Bürsten und Lager. Auch sie brauchen Strom, um ein Haltemoment zu entwickeln. Brushless-Motoren können durchaus magnetisches Rastmoment haben.

Ich werde auch nach industriellen AC-Servoantrieben suchen. Meiner Meinung nach werden durchaus dreiphasige Motoren für Servoantriebe eingesetzt, wahrscheinlich auch permanenterregte.

Brushless-Motoren, gerade die Außenläufer, haben meines Wissens das beste Verhältnis von Volumen/Gewicht zu Leistung. Die Industrie setzt vermutlich Innenläufer ein, weil es im industriellen Umfeld ja auch immer darum geht, neue bessere Motoren in übliche Bauformen zu packen. IP-Schutzart darf auch immer gern sein, da zählt die gute Wärmeableitung der Außenläuferglocke an die Umgebungsluft dann auch nichts mehr, wenns doch gekapselt sein muß usw.

Den Fahrrad-Motor-Versuch hatte ich mir auch schon angesehen, vor allem weil es darin um einen 24poligen Stator ging - je mehr Statorpole, desto geringer die Drehzahl. Ich möchte nämlich gerne mit EINER (recht speziellen) Getriebestufe auf die Abtriebsdrehzahl kommen.

Viele Grüße
Tom.

[Richard]

Drehstrommotoren wurden ja schon "immer" mittels Regler auch bis
zum Stillstand und in beide Richtungen gefahren. Servomotoren sind
da recht ähnlich, haben halt noch Drehgeber u,s,w, Die von

http://www.alliedmotion.com/Products/Product.aspx?p=10

Wo immer die gebraucht werden?Pole sind reichlich vorhanden.

http://www.alliedmotion.com/Products/Product.aspx?p=11

Gruß Richard

[ranke]

Die Industrie setzt vermutlich Innenläufer ein, weil es im industriellen Umfeld ja auch immer darum geht, neue bessere Motoren in übliche Bauformen zu packen.


Ich vermute, dass der Innenläufer im wesentlichen wegen der besseren Dynamik (weniger Schwungmoment) gegenüber dem Außenläufer bevorzugt wird (das ist noch so eine Sache, die den Modellflieger nicht interessiert). Bei vielen Antriebsfällen wird die maximale Winkelbeschleunigung wesentlich vom Schwungmoment des Ankers bestimmt, weil dieser das am schnellsten drehende Teil darstellt.
Ein Motor gleicher Bauart, aber höherer Leistung bringt oft keine Verbesserung der Dynamik, weil mit der Leistung gleichzeitig das Schwungmoment des Ankers wächst. Einen überschlägigen Vergleich zur Dynamik zweier Motorisierungen mit einem (für mich) überraschendem Ergebnis habe ich mal hier versucht:
https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=48134&highlight=

[Hessibaby]

Zum Thema Dynamik: Meiner Meinung nach, um beim Thema brushless zu bleiben, ist es so, dass die Heliflieger und "rennwagenpiloten" schnelldrehende Motoren mit kv>3000/V mit großer Untersetzung einsetzen um eine hohe Dynamik zu erreichen, während die Truckmodellsportler ( zu denen auch ich gehöre ) eher Motoren mit kv<1000/V mit geringer Untersetzng einsetzen um Drehmoment zu haben.
Wenn man sich die Datenblätter auf

http://www.r2hobbies.com/products.php?cat=20

genau ansieht, ist auffällig das Motoren mit gleicher Leistungsaufnahme aber unterschiedlichem kv vollkommen unterschiedliche Drehmomente haben, und dies unabhängig von out- oder inrunner, wobei aber die Dynamik der inrunner, aufgrund geringerer Rotormasse, besser ist.

Für toemchen ist wahrscheinlich die Kombination Inrunner mit hohem kv, relativ großer Untersetzung und nachgeschaltetem Schneckenabtrieb die optimale, da hohe Dynamik mit mittlerem Drehmoment und, durch den Schneckenabtrieb, hohem Haltemoment.

[toemchen]

Ich bin ja nicht der große Rechner, mehr der "Bauchgefühl"-Ingenieur. Den Thread zur Antriebsberechnung eines Delta-Roboters muß und werde ich mehrmals ganz langsam lesen, damit ich das nachvollziehen kann.

Es stimmt schon, die Überlegenheit des Außenläufers ist vielleicht so eine "Hausmacher"-Meinung von mir, die ich beim Studium der LRK- und Powercroco-Seiten gebildet habe. Die Selbstbauer-Gemeinde muß ja gezwungenermaßen Außenläufer bauen, denn ein Innenläufer-Rotor läßt sich nicht so einfach aufbauen: Die Fliehkräfte zerren an der Verklebung der Magnete, die Notwendigkeit gewölbter Magnet-Außenflächen scheint dringender als bei einer Außenläufer-Glocke usw...

Tatsache ist, ich möchte gerne mit der Außenläufer-Glocke gleich ein paar Planetenräder herumtanzen lassen und ein Getriebe aufbauen, das einem Zwischenergebnis in Manfreds Kopfnuß (https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=24712&highlight=) ähnelt, allerdings mit Innenzahnkränzen. Deshalb, für kompakte Bauform inkl. Getriebe, Außenläufer.

Mfg
Tom

[Hessibaby]

Ähm Toemchen, wenn ich mich recht erinnere ist auf der Antriebsseite zunächst das Sonnenrad, welches dann die Planetenräder antreibt, die dann ihrerseits den Innenzahnkranz antreiben welcher dann den Abtrieb darstellt.

[ranke]

Gut, also zurück zur ursprünglichen Fragestellung:



Wenn man schon einen Brushless-Motor selbst baut und wickelt, soll man ihn dann dreiphasig in Stern- oder Dreiecksschaltung aufbauen oder vielleicht gleich zweiphasig wie einen Schrittmotor? Dann kann man ihn mit Schrittmotor-Treiberbausteinen bipolar ansteuern.
...
Jetzt nochmal zurück zur Hauptfrage: Will ich einen 3phasigen BL-Motor in einer bestimmten Stellung mit vollem Strom halten, muß ich bei Dreiecksschaltung mindestens zwei Spulen bestromen, und bei Sternschaltung sogar alle drei, wobei eine die Summe der Ströme durch die anderen beiden abbekommt.
Balanciert der Motor da nicht zwischen zwei magnetischen Raststellungen? Ist das nicht Energieverschwendung?


Ob es zweiphasig auch geht? Ich wüsste nicht, warum es nicht gehen sollte. Wer hat es schon probiert? Das hängt ja auch von der Nutzahl der Bleche ab, was überhaupt geht. Eine Bewicklung ABab wäre denkbar, mit einer Polpaarzahl von einem viertel der Zahl der Nuten. Das wird aber ein ziemlich hohes Rastmoment haben. Vielleicht ist es da sinnvoll, das Blechpaket etwas zu Verdrehen, damit die Nuten leicht schräg werden.

Stern oder Dreieck? Powercroco empfiehlt Stern, (Sternpunkt nicht zusätzlich an Masse legen). Bei Dreieck können unkontrolliert Ausgleichsströme (um das Dreieck herum) fließen, die erstens bremsen und zweitens die Wicklung thermisch belasten. Bei Stern muss jeder Teilstrom auch durch die Ansteuerung fließen.

Zur Energieverschwendung: Ein Motor der nicht dreht, aber für ein Haltemoment bestromt wird hat in diesem Zustand einen Wirkungsgrad von Null. Das ist ein bißchen wie beim Koffertragen, da verrichtet man (physikalisch) auch keine Arbeit (wohl aber physisch), man ist aber trotzdem froh, wenn der Koffer nachher an einem anderen Ort ist.

[toemchen]

Zunächst zum Getriebe: In Manfreds Kopfnuß gibt es als vierten Beitrag (oder ungefähr 4.) ein wunderschön animiertes Getriebe mit Innenzahnkränzen zu sehen. So eins schwebt mir vor. Da braucht man kein Sonnenrad. Die hohe Übersetzung kommt vom möglichst geringen Zähnezahlunterschied der umlaufenden Planeten. Klingt komisch, ist aber so. Aber übers Getriebe wollte ich hier gar nicht reden, da mach ich vielleicht fürs Gesamtprojekt einen Thread in "geplante Projekte" auf. Am liebsten würde ich natürlich in aller Heimlichkeit was ganz tolles entwickeln und dann bauen und verkaufen.

Und jetzt zurück zur ursprünglichen Fragestellung:
Für den Aufbau eines Prototypen steht mir ein 24nutiges Blechpaket zur Verfügung. Da muß ich jetzt Gehirnschmalz reinstecken, wieviele Magnetpole bei 2 Phasen sinnvoll sind (das kann nämlich anders sein als bei 3 Phasen). Ob ich hohes Rastmoment hinderlich oder gut finde, habe ich mir noch gar nicht überlegt.
Sowohl Selbstbau- als auch käufliche Brushless kenne ich nur mit drei Anschlußleitungen ohne Masseanschluß für den Sternpunkt. Und die Regler haben soviel ich weiß immer 3 Halbbrücken - bei auf Masse gelegtem Sternpunkt würden ja einfache Transistoren genügen.

Gruß
Tom.

[Hessibaby]

Bei einem Festplattenmotor ist der Sternpunkt immer rausgeführt. Da wird in der Tat auch mit Halbbrücken gearbeitet, da der ja auch nur in eine Richtung drehen soll.
Bei den dreiphasigen hast Du, unabhängig von den Polzahl, drei Wicklungen die dann intern entweder in Stern oder Dreick verschaltet sind. Da der Sternpunkt nicht benötigt wird, wird der auch nicht rausgelegt.
Jetzt zum Knackpunkt.
Bei einem dreiphasigem mit 24 Nuten kannst Du, je nach Wicklungstechnik mit 12 oder 24 Polen arbeiten. Der Rotor hat bei dreiphasigen eine durch 3 teilbare Anzahl Magnetpole.
Bei einem zweiphasigem mit 24 Nuten kannst Du auch mit 12 oder 24 Polen arbeiten, aber der Rotor muß n-1 Magnetpole haben damit er anlaufen kann.
Ich habe vorhin mal einen, defekten, zweiphasigen PC-Lüfter zerlegt. Der hat 12 Nuten und ist überlappend, also 12polig, gewickelt. Der Außenläufer hat 23 Pole.

In einem Truckmodell habe ich einen BLDC von R2hobbies verbaut. Der Drehzahlsteller hat aber drei Vollbrücken.

[ranke]

Bei einem Festplattenmotor ist der Sternpunkt immer rausgeführt. Da wird in der Tat auch mit Halbbrücken gearbeitet, da der ja auch nur in eine Richtung drehen soll.


Die Drehrichtung sollte dabei eigentlich keine Rolle spielen, das ist ja nur eine Frage des "timing" unter den 3 Phasen. Beim dreiphasigen Motor mit 3 herausgeführten Anschlüssen (egal ob Stern oder Dreieck geschaltet) sollten immer drei Halbbrücken genügen.



Bei einem dreiphasigem mit 24 Nuten kannst Du, je nach Wicklungstechnik mit 12 oder 24 Polen arbeiten. Der Rotor hat bei dreiphasigen eine durch 3 teilbare Anzahl Magnetpole.
Bei einem zweiphasigem mit 24 Nuten kannst Du auch mit 12 oder 24 Polen arbeiten, aber der Rotor muß n-1 Magnetpole haben damit er anlaufen kann.
Ich habe vorhin mal einen, defekten, zweiphasigen PC-Lüfter zerlegt. Der hat 12 Nuten und ist überlappend, also 12polig, gewickelt. Der Außenläufer hat 23 Pole.


Da habe ich jetzt ein paar Verständnisprobleme. Wenn Du "Pole" schreibst, meinst Du "Polpaare"? Eine ungerade Polzahl dürfte ja physikalisch unmöglich sein. Die Nutzahl (im Stator) kann natürlich schon ungerade sein. Für welche Zahl steht "n" bei "...n-1 Magnetpole"?
Der schematische (einfachste) Schrittmotor hier in http://www.rn-wissen.de/index.php/Schrittmotoren (1. Bild) ist 2-phasig, hat 4 Nuten im Stator und 2 Pole (1 Polpaar) im Rotor. Der sollte doch auch sicher anlaufen.

[toemchen]

Das mit den Halbbrücken, da kommen wir glaube ich so auf einen Nenner: Für mich ist eine Vollbrücke (H-Brücke) eine Einrichtung aus vier Transistoren, die eine Spule mit zwei Anschlüssen in beide Richtungen bestromen kann. Eine Halbbrücke ist ein Zweig des "H"s, der einen Spulenanschluß auf Plus oder Minus legen kann. Und ein einfacher Transistor kann einen Spulenanschluß z.B. auf Masse legen, wenn der Sternpunkt auf Plus liegt. Und so wie im letzten Satz wirds beim Festplattenmotor sein. Die Drehrichtung hängt in der Tat nur vom Timing des erzeugten Drehfeldes ab.

Bei den Polen, Polpaaren usw. steige ich selbst noch nicht genug durch...

Ich werde jetzt mal versuchen, bei 24 Statornuten und 28 Magnetpolen (so wird es auf den Powercroco-Seiten für einen Langsamläufer mit 24 Nuten propagiert) die Spulenbelegung und Bestromungen durchzuspielen.

Bei Powercroco werden immer zwei nebeneinanderliegende Statorzähne gegensinnig mit einer Phase bewickelt. Wenn man nun eine Phase bestromt und den Magnetrotor darauf "hinschnackeln" läßt, hat man vier um 90° verdrehte "kleine" Magnetkreise. Und man sieht, da bleibt noch Platz für 2 weitere Phasen.

Aber ach... wenn nun durch die Sternschaltung ohne Massepunkt die beiden anderen Phasen auch irgendwie bestromt sind... in welche Richtung ziehen die dann? Und überhaupt, wahrscheinlich sollte man das ganze gar nicht mit "Einrasten" auf bestimmte magnetische Kreise sehen. Denn genaugenommen kann der "eingerastete" Kreis eigentlich nichts zum Drehmoment beitragen, sondern nur die, die aus der Idealstellung verschoben sind, sozusagen einen Lastwinkel haben.

Und was, wenn ich nun nur 26 Magneten nehmen würde? Dann wären da wohl nur 2 um 180° versetzte kleine magnetische Kreise. Heißt das schlechte Ausnutzung der Wicklung? Oder können alle anderen, verschobenen Kreise prima zum Drehmoment beitragen?

Ich glaube ich muß mir eine Simulation mit Visualisierung im Rechner bauen. Wie genau, weiß ich noch nicht. Aber mein Gehirn erfaßt es einfach nicht, ich kann es mir nicht bildlich vorstellen.

Oder ich bewickle meinen Stator einfach mal mit ein paar schwachen Drähten und klebe die Magneten mit Kaugummi in eine Glocke, damit ich was zum Ansehen und Rumprobieren habe.

Viele Grüße
Tom.

[Hessibaby]

@ Ranke . Um die volle Leistung aus einem BLDC heraus zu holen machen Vollbrücken durchaus Sinn. Zum besseren Verständnis solltest Du mal einen Drehstromkurzschlußläufermotor heranziehen, da dieser letztendlich das Vorbild für BLDC ist.

Ich meine Pole, wobei jeder Pol je nach Stromrichtung N oder S, mit unterschiedlich starken Feldlinien, sein kann.

Bei der Dreipolversion bestromst Du ja DREI Wicklungen mit 120° Phasenversatz, also keine Paare wie beim Stepper.

Bei einem realen Stepper ist die Anzahl der Polpaare und die Anzahl der Polmagnete immer unterschiedlich.

Die ersten BLDC ( die z.B. in Plattenspielern als directdrive angeboten wurden) hatten eine identische Anzahl Stator- und Rotorpole, verbunden mit dem Nachteil das die Kommutierung über Hallswitches erfolgen musste. Wenn der Rotor die Rastpostion verlassen hatte wurde die Polarität gewechselt um ihn in eine Drehbewegung zu zwingen.
Diesen Nachteil kann man durch unterschiedliche Polzahl aufheben. Siehe dazu auch Tom´s letzten Beitrag.
Der Trick besteht eben darin eine gewisse magnetische "Vorspannung" zu haben, ohne eine Vorzugsrichtung vorzugeben.
Diese "Vorspannung" hilft dem Motor aus der Raste loszubrechen.

Und bei einem zweiphasigem BLDC muss dementsprechend der Rotor einen Magnetpol mehr haben.

[Richard]

Ich bin kein Fachmann, aber läuft der Motor nicht dem Drehfeld
immer hinterher? So habe ich das jedenfalls verstanden, das bedeutet
dann auch das der Motor nie 100% der Drehfrequenz erreichen kann.

Bei Powerrocco hat jemand einen Motor mit 9 Wicklungen gebaut
und nachdem er nur die ersten 3 gewickelt hat, den Motor laufen
lassen...der dreht sich. :-)

Gruß Richard

[Hessibaby]

@ Richard, Richtig, alle Motoren haben mehr oder weniger Schlupf, aber keine (eigentlich auch) BLDC-Motoren, da die Rotorstellung entweder über Hallgeber oder das BackEMF ermittelt wird und somit das Wechselfeld des Stators in die eine oder andere Richtung nachgeregelt wird.
Bei Steppern eilt der Rotor auch nach, bleibt aber solange synchron zum Wechselfeld wie der Motor nicht überlastet wird. Thema Schrittverluste.

Ein normaler Drehstrommotor läuft auch mit einer Phase wenn man ihn "anwirft"

[toemchen]

Schlupf:

Der Drehzahl"schlupf" bezieht sich glaube ich nur auf Drehstrommotoren mit Kurzschlußkäfigläufer, oder wie man das nennt. Da hat der Rotor keine Permanentmagneten, sondern das Drehfeld des Stators erzeugt im Rotor Wirbelströme, so daß dieser dann auch ein Magnetfeld hat. Und die werden eben nur erzeugt, wenn noch eine Drehzahldifferenz zwischen Drehfeld und Rotordrehung übrig ist. Würden sie absolut synchron laufen, gäbe es keine Relativbewegung und keine Wirbelströme.
Bei Motoren mit Permanentmagneten hängt der Rotor zwar um einen gewissen Drehwinkel nach, läuft aber sonst synchron mit. Der Nachhängewinkel wird nicht mit der Zeit immer größer, sonst Schrittverlust, wie Hessibaby schon schreibt.

3 Wicklungen statt 9:
Ich hatte ja schon geschrieben, daß sich bei 24 Nuten und 3 Phasen der Fall ergibt, daß vier über 90° versetzte kleine Magnetkreise "einrasten". Laufen täte der Motor aber schon, wenn man nur einen der Magnetkreise aktivieren würde, also von den 24 Satorzähnen nur 6 bewickeln würde. Sogar wenn diese 6 nebeneinander auf einem Viertelkreis liegen würden. Allerdings wäre die Rotorglocke mit den Magneten immer ganz unwuchtig auf einer Seite belastet.

Übrigens möchte ich auf jeden Fall die Rotorposition mit (optischen) Drehgebern ermitteln. Es soll ja schon genau werden, quasi Mikroschrittbetrieb, ich will einen möglichen oder drohenden Schrittverlust erkennen und durch mehr Strom entgegenwirken. Back-EMF scheidet bei Stillstand sowieso aus, soviel ich weiß. Hallsensoren wären noch eine Möglichkeit, aber mir ist mit den ganzen wechselnden Magnetfeldern nicht wohl. Optisch ist da ein gänzlich unbeeinflußtes Prinzip, und kleine Bausteine zum Abtasten einer Codescheibe sind nicht mehr so teuer: http://de.farnell.com/avago-technologies/aedr-8300-1w2/reflektiv-opt-encoder-2kanal-212lpi/dp/1735258

Ich habe mir nochmal die Simulationen auf den LRK-Seiten angeschaut. Bin schon versucht, ein Pappmodell für meinen 24nutigen Stator aufzubauen und dazu Klarsichtfolien mit aufgemalten Magnetrotoren, damit ichs endlich kapiere. Lieber wäre mir aber eine 2D-Simulation am Rechner. Könnte ich schon irgendwie schaffen, aber dann herrscht hier im Thread monatelang Ruhe meinerseits, weil ich auf dem Hosenboden sitze und irgendwas in Visual Basic zusammenstöpsle (das einzige was ich habe und kann).

Viele Grüße
Tom.

[ranke]

Um die volle Leistung aus einem BLDC heraus zu holen machen Vollbrücken durchaus Sinn. Zum besseren Verständnis solltest Du mal einen Drehstromkurzschlußläufermotor heranziehen, da dieser letztendlich das Vorbild für BLDC ist.


Sicherlich kann man die drei Stränge auch über drei Vollbrücken bestromen (auch wenn sich mir der Sinn nicht unmittelbar erschließt). Drehstromasynchronmotoren werden typischerweise in Stern oder Dreieck geschaltet, haben also nur drei Leitungen aus dem Klemmenkasten. Im Frequenzumrichter sitzen dann drei Halbbrücken.



Bei einem dreiphasigem mit 24 Nuten kannst Du, je nach Wicklungstechnik mit 12 oder 24 Polen arbeiten. Der Rotor hat bei dreiphasigen eine durch 3 teilbare Anzahl Magnetpole.
Bei einem zweiphasigem mit 24 Nuten kannst Du auch mit 12 oder 24 Polen arbeiten, aber der Rotor muß n-1 Magnetpole haben damit er anlaufen kann.


Hier immer noch große Verwirrung: Wie kann ein runder Magnet eine ungerade Polzahl haben? Es wechselt doch immer zwischen N und S, dadurch ergibt sich automatisch immer eine gerade Polzahl (speziell wenn es auch noch symetrisch sein soll)! Auch der Bewicklungsrechner bei powercroco ( http://www.powercroco.de/Kombinationstabelle.html ) meckert sofort, wenn man versucht eine ungerade Polzahl einzustellen. Und der Begriff "Polpaarzahl" wäre ja auch wenig sinnreich, wenn Pole nicht paarweise auftreten würden.

[Richard]

toemchen:

soviel ich weiß. Hallsensoren wären noch eine Möglichkeit, aber mir ist mit den ganzen wechselnden Magnetfeldern nicht wohl.

Schau mal bei Amtel in die Applikationen, Dort sind einige gute
Beispiele für BLCD Steuerungen auch mit Zeichnungen wie das
schritt für schritt abläuft. Einen genauen Link habe ich leidernicht
mehr, einfach mal nach BLCD suchen. Beispiele und Fertige Assembler
Programme gibt es dort auch.

Natürlich auch fertige Amtel Steuerchips....

Ich habe auch schon Animationen von BLCD Motor gesehen, keine
Ahnung wo. :-( Wicki?

Gruß Richard

[Richard]

@ranke

Es sind damit nicht die Magnetischen 2 Pole der einzelnen Magnete
gemeint sondern die Anzahl der Magnete selber. 2,4,8,12,16,24
oder halt 3,5,7,9,11,13,15... zählt dann (in Bezug zur Nutzahl)
als gerade oder ungerade Polzahl.

Gruß Richard

[ranke]

Es sind damit nicht die Magnetischen 2 Pole der einzelnen Magnete
gemeint sondern die Anzahl der Magnete selber. 2,4,8,12,16,24
oder halt 3,5,7,9,11,13,15... zählt dann (in Bezug zur Nutzahl)
als gerade oder ungerade Polzahl.


Wenn ich in einen Läufer Magnete einklebe, dann sollten diese ja in der Polarität abwechseln, d.h. auf einen Magneten mit Nordpol nach innen sollte ein Magnet mit Südpol nach innen folgen, dann wieder einer mit Nordpol nach innen und so fort. Außerdem sollten wohl die Abstände der Magnete alle gleich sein.
Wenn ich aber eine ungerade Zahl von Magneten einklebe, dann wird der letzte eingeklebte Magnet die selbe Polarität haben wie der zuerst eingeklebte Magnet. Das Prinzip der abwechselnden Pole geht also nur mit einer geradzahligen Zahl von Magneten (was natürlich auch eine geradzahlige Polzahl zur Folge hat).
Das war mein Einwand, warum eine ungerade Polzahl nicht geht. Man kann das zwar so einkleben, es gibt aber kein symetrisches Feld mehr. Das kann ja wohl nicht so gemeint sein (oder doch?).

[Richard]

Stimmt, habe mich falsch ausgedrückt soll eher bedeuten
das die Anzahl der Pole und die Anzahl der Nuten ungerade
sind. Dadurch überlappen die Anker etwas gegenüber den Polen.
Ist aber auch bescheuert zu Formulieren.

Gruß Richard

[ranke]

soll eher bedeuten
das die Anzahl der Pole und die Anzahl der Nuten ungerade
sind


Das kann man auf zweierlei Art verstehen:
1. Sowohl die Polzahl als auch die Nutzahl sind ungerade. Kann nicht sein, weil Polzahl (wie oben dargelegt) gerade sein muss.
2. Die Summe aus Polzahl und Nutzahl ist ungerade. Könnte sein, setzt aber eine ungerade Nutzahl voraus. 24 Nuten sind gegeben. Kann also auch nicht sein.

Ist offenbar wirklich ziemlich schwer zu formulieren. Habe es leider immer noch nicht kapiert.

[ranke]

Ich habe inzwischen einige Überlegungen zum Thema Bewicklungsschema angestellt und möchte diese hier zur Diskussion stellen.
Wenn man einen 24-nutigen Stator mit einem 28-poligen Läufer nutzen will, ist es offensichtlich, dass der Stator bei entsprechender Bestromung auch ein 28-poliges Feld erzeugen sollte. Um das zu erreichen, stehen die drei um 120° versetzten Phasen A, B, C, sowie die (durch Umkehrung der Wicklungsrichtung erzeugten) Phasen a, b, c. Die Kleinbuchstaben sind zum jeweiligen Großbuchstaben um 180° versetzt. Diese Nomenklatur wird auch auf http://www.powercroco.de/Kombinationstabelle.html verwendet.
Der Versatz der Phasen (willkürlich gegen A= 0° gesetzt) sind:
A = 0°
c = 60°
B = 120°
a = 180°
C = 240°
b = 300°
(zur Veranschaulichung kann man hier nachsehen: http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Dreiphasenwechselstrom.svg&filetimestamp=20090604064939 )
Der Phasenversatz der Wicklung von Nut zu Nut sollte also 14/24 * 360° = 210° betragen.
Wenn man es vermeiden will, mehrere Phasen in eine Nut zu wickeln stehen aber nur 60° Schritte zur Verfügung, aber 210° / 60° = 3,5.
Man kann sich behelfen, indem man von Nut zu Nut abwechselnd einen Sprung von 180° bzw. 240° macht. Ein mögliches Wicklungsschema wäre dann also:
AacCBbaACcbBAacCBbaACcbB

[toemchen]

@Richard:
Hm, kurz nach Amtel gegoogelt, einigen wir uns auf Atmel?

Hab jetzt kurz eine Applikation für eine sensorlose Ansteuerung angelesen. Klar, das Problem niedriger Geschwindigkeiten und des Anlaufs gibt es natürlich. Eine Applikation mit Hallsensoren finde ich sicher auch noch. Über die mechanische Anordnung der Hallsensoren im Motor wird sich diese Applikation sicher nicht auslassen. Ich hab meine Zweifel, wo man diese Sensoren gerade bei dichtgepackten Torque-Motoren unterbringen soll.

@Ranke und Hessibaby:
Vollbrücken, Halbbrücken:
Drei Phasen mit drei Vollbrücken anzusteuern, wäre wieder eine saubere Lösung. "Sauber" in dem Sinne, daß ich mir das wieder vorstellen kann und diese "Unsauberkeit" weg ist, daß man nicht jede einzelne Phase unter Kontrolle hat, sondern immer mindestens zwei über den Sternpunkt zusammenhängend betreibt. Es kann aber sehr gut sein, daß diese Unsauberkeit technisch überhaupt nichts ausmacht.
Die Sache ist aber die, der Aufwand ist wieder unnötig hoch. Zwei über Vollbrücken betrieben Phasen reichen aus und dies kann ich durch eine Vielzahl von Schrittmotor-Treiberbausteinen erreichen.

Polzahl:
Ich hab weiter oben schon etwas schwadroniert, wie ich die Magnetpolzahl und die entstehenden Magnetkreise sehe. Der "Magnetring" entsteht ja durch Einkleben von Einzelmagneten in einen Rückschlußring, mit wechselnder Polung. Somit gibts selbstverständlich nur 26 oder 28 Magnetpole und keine 27. Sonst würden ja zwei gleicher Polung nebeneinanderliegen, da wirst wahnsinnig beim Einkleben und der Magnetring wäre vollkommen unsinnig unsymmetrisch.

Aber über Magnetanordnungen und BLDC-Animationen weiter in Worten zu reden, halte ich langsam für müßig. Ich muß jetzt Bilder sehen (notfalls erzeugen), und das dauert.

Gruß
Tom.

[toemchen]

Ahhh, mal wieder den Fehler gemacht, am Ende der ersten Seite draufloszuschreiben und die Beiträge der zweiten Seite zu übersehen. Ordnet meinen Beitrag von eben geistig weiter oben ein und ich les jetzt erst mal weiter.

[toemchen]

Hm, ich kann der Nomenklatur einfach geistig nicht folgen. Vor allem macht es mich rasend, nicht zu überblicken, was die anderen Stator- und Rotorpole machen, die in einer bestimmten Rotorstellung nicht so gut zueinanderpassen, sondern sich irgendwie schief gegenüberstehen. Ich brauche einfach Bilder mit hübschen roten und grünen Blöcken für die Magnetpole, und eingemalten Wicklungen am Stator und wo ich mit die Statorzähne auch ein bißchen rot und grün einfärbe und dann vielleicht noch kleine schwarze Pfeile für die Anziehungs- und Abstoßkräfte einzeichen.

Jetzt doch noch eine kleine Gedankenübung: 24 Statorpole abwechselnd mit den zwei Phasen bewickelt. 24 Magnetpole. Hohes Rastmoment natürlich. Wenn ich jetzt beide Phasen gegensinnig bestrome, rastet der Motor ein und hat höchste Haltekraft (wenn wir mal nötige Lastwinkel außer acht lassen). ABER: Da bekomme ich ja keine Drehrichtung rein. Wenn ich jetzt anfange, die Polarität einer Phase zu wechseln, dreht sich noch nichts und wenn ich beide Polaritäten wechsle, kann sich der Rotor für keine Drtehrichtung entscheiden. Das ist noch nicht einmal ein ordentlicher Schrittmotor. Ach ja...

[ranke]

Vor allem macht es mich rasend, nicht zu überblicken, was die anderen Stator- und Rotorpole machen, die in einer bestimmten Rotorstellung nicht so gut zueinanderpassen, sondern sich irgendwie schief gegenüberstehen. Ich brauche einfach Bilder mit hübschen roten und grünen Blöcken für die Magnetpole, und eingemalten Wicklungen am Stator und wo ich mit die Statorzähne auch ein bißchen rot und grün einfärbe und dann vielleicht noch kleine schwarze Pfeile für die Anziehungs- und Abstoßkräfte einzeichen.


Visualisierung ist sicher hilfreich. Ich hatte ähnliche Probleme, gerade weil es verschiedene Gedankenmodelle für die Entstehung der Kräfte zwischen Rotor und Stator gibt, die dann im Kopf gegeneinander konkurrieren.
Bei mir haben folgende Überlegungen geholfen, Licht ins Dunkel zu bringen:
Den Rotor darf man sich als abwechselnde Folge von Magnetpolen vorstellen, die ein Vektorfeld (Feldlinien) aufspannen. Die Feldlinien sind nahe an den Polen (sonstwo interessieren sie uns nicht) senkrecht zum Luftspalt und zeigen bei den Nordpolen vom Pol weg, bei den Südpolen zum Pol hin.
Für den Stator ist eine andere Vorstellung (zumindest für mich) einleuchtender. Denke Dir das Eisen weg, wichtig ist nur das stromdurchflossene Kupfer. Mehrere Windungen in einer Nut kann man erstmal durch einen Draht ersetzen. Man hat also für die 24 Nuten 24 Drähte, die (senkrecht zur Zeichenebene) von irgendwelchen Strömen durchflossen werden, die Drähte zeichnen wir nahe an den Läufer heran (dort, wo die Feldlinien senkrecht zum Luftspalt sind). Auf jeden Draht wirkt die Lorentzkraft (das ist die Kraft, die senkrecht zu Feldlinien und senkrecht zum Stromfluss steht). Die Summe der 24 Lorentzkräfte erzeugen das Drehmoment. Wenn man jetzt Rotor und Stator gegeneinander verdreht, wird schnell deutlich, wann in welcher Nut der Strom umgekehrt werden muss, damit die Kraft in die richtige Richtung wirkt.

[Hessibaby]

@ranke Sehr gute Erklärung. Dadurch wird auch klar, warum die Anzahl der Stator- und Rotorpole ungleich sein muss.
Ich möchte aber etwas weiter philosophieren.
Wir bleiben bei den 24 Statorpolen und den 26 Rotorpolen von Tom.
Wenn man jetzt zusätzlich zu den "aktivem" Wicklungen 3 oder 6 zusätzliche "Hilfswicklungen" aus dünnerem Draht einbringt, die nur für das Halten quasi als Bremse zuständig sind, dann kommen wir doch dem idealen Servomotor ein ganzes Stück näher. Diese Wicklungen könnte man ja auch zur Istwerterfassung der Drehzahl nutzen.

[ranke]

Dadurch wird auch klar, warum die Anzahl der Stator- und Rotorpole ungleich sein muss.


@ Hessibaby: Jetzt ist bei mir, glaube ich, ein Groschen gefallen. Wir haben gestern recht intensiv aneinander vorbei geredet, was den Begriff "Pol" betrifft (Richard war dann auch noch beteiligt).
Meine Idee von Pol war eine gänzlich magnetische (also Feldlinienrichtung), während Du offenbar das Eisen zwischen zwei Nuten meinst (das hätte ich vielleicht als Zahn bezeichnet). Die Zahl der Zähne, die ja identisch ist mit der Zahl der Nuten, kann selbstverständlich ungerade sein und sollte auch nicht gleich mit der Polzahl sein, weil sonst alle Teilströme gleichzeitig umschalten müssten. Das wäre dann ein einphasiger Synchronmotor, der ohne Hilfe nicht von selbst anläuft.
Nochmals am konkreten Beispiel:
Der 24 nutige Stator mit dem von mir etwas weiter oben vorgeschlagenen Bewicklungsschema hat 24 Zähne, aber wenn man ihn bestromt und mit der Hallsonde einmal außen herumgeht, sollte man 14 Nordpole und 14 Südpole gezählt haben. Nur so kann es zu dem Feld vom Stator passen.

[Richard]

Es gibt auch noch aus mehreren Magneten zusammen gesetzte
Pole, das macht man wenn breite Magnete in kleinen Rotor benötigt
werden. Die sollen ja alle möglichst gut in die Rundung passen.

Der Zusammenbau ist allerdings ein Geduldspiel, versuch mal
mehrere Magnete NNNNNSSSSSNNNN u.s.w. in den Rotor zu
setzen ohne den Irrsinn zu verfallen....:-)

Gruß Richard

[toemchen]

Also ich hatte auch als Statorpole die Zähne angesehen.

Mein Gedankenexperiment mit den ebenfalls 24 Rotorpolen habe ich ja auch als sinnlos erkannt - ranke hat es einen einphasigen Synchronmotor genannt, der ohne Hilfe nicht anläuft.

Nein, es muß schon wenigstens ein Rotorpol mehr als Statorpole sein. Bei einem 24nutigen Stator ist es natürlich schwierig - die Unsinnigkeit einer ungeraden Anzahl von Magneten haben wir glaube ich durch - also wenigstens 26 Rotorpole.

Die Schwierigkeiten, gleichgepolte Magnete nebeneinander einzukleben, kann ich mir lebhaft vorstellen...

Was ich jetzt wieder nicht kapiere, wie bei 24 Statorzähnen bei Bestromung insgesamt 28 magnetische Pole entstehen können.

Gruß
Tom.

[Hessibaby]

@ Tom, Lass erstmal die Rotorpole gedanklich aussen vor.
Du lässt einfach auf dem Stator Nord- und Südpole kreisen.
Diese kreisenden 12 Polpaare ( Paare diesmal nur zum Verständnis (die gegenüberliegen Zähne)) nehmen ihre entgegengesetzt gepolten statischen Kollegen des Rotors mit auf die Rundfahrt.

[ranke]

Der 24 nutige Stator mit dem von mir etwas weiter oben vorgeschlagenen Bewicklungsschema hat 24 Zähne, aber wenn man ihn bestromt und mit der Hallsonde einmal außen herumgeht, sollte man 14 Nordpole und 14 Südpole gezählt haben. Nur so kann es zu dem Feld vom Stator passen.




Was ich jetzt wieder nicht kapiere, wie bei 24 Statorzähnen bei Bestromung insgesamt 28 magnetische Pole entstehen können.


Um ganz ehrlich zu sein, kapiere ich das auch nicht und ich bin auch nicht wirklich überzeugt, ob man diese 28 Pole mit der Hallsonde messen könnte. Ich finde für das Verständnis der Vorgänge ist die Vorstellung der sich anziehenden und abstoßenden Magnetpole nicht geeignet. Deshalb gebe ich mir auch keine Mühe, mir zu überlegen, ob die obige Behauptung wirklich so meßbar ist. Die (meines Erachtens) wirklich einfache und sofort anschauliche Vorstellung über die Entstehung des Drehmoments geht (wie schon oben angedeutet) über die Lorentzkraft. Dazu braucht es keine Magnetpole sondern nur Feldstärke und Richtung des magnetischen Feldes und die Stromstärke und -richtung in den wirksamen Leiterabschnitten (das ist das Kupfer, das in den Nuten liegt, der Rest ist nur irrelevante Zuleitung - also nicht in Spulen denken!). Eine einfache Skizze (Schnitt, Zeichenebene senkrecht zur Drehachse) zeigt alles was zum Verständnis nötig ist. Der Ablauf der Kommutierung ergibt sich (fast) von selbst. Für ein ersten Überblick kann man das Magnetfeld, das durch den elektrischen Stom entsteht vernachlässigen (das kann man dann in einer späteren Überlegung berücksichtigen). Auch die Ströme in den Phasen müssen nicht unbedingt als Sinus angenommen werden, vielleicht ist die Annahme eines Rechteckstroms erstmal einfacher.

Hier mit der Vorstellung von Magnetpolen zu arbeiten, ist wie mit dem Teilchenmodell von Licht Interferenzeffekte deuten zu wollen: es ist schlicht das falsche Denkmodell.