BL-Außenläufer selbst bauen - Magnetfeld zu schwach?

[ranke]

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.

[toemchen]

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.

[ranke]

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).

[Klebwax]

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

[toemchen]

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

[ranke]

... das liegt aber nicht daran, daß ich das Interesse verloren habe ...

Das wäre auch kaum zu erwarten gewesen, einen Mangel an Ausdauer kann ich bei Dir nicht erkennen.

Die aus dem Bereich der Liste verschobenen Ergebnisse müssen dann wieder um 360° verschoben werden, damit das zusammengestückelt wieder alles passt.

Normalerweise würde man das Problem des geschlossenen Kreises etwa so zu lösen versuchen (Pseudocode):
If Winkel < 0 then Winkel = (Winkel + 360°);
If Winkel >= 360 then Winkel = (Winkel - 360°)

Ich weiss ja nicht wie Deine Simulationsmethode aussieht. Was ich so gelesen habe, macht man solche Berechnungen normalerweise mit der Finite Elemente Methode. Es spielt ja die gesamte Zahngeometrie eine Rolle, wie die Feldlinien dann aus dem Zahn in den Luftspalt auf den Magnetpol übertreten. Und natürlich die genauen magnetischen Daten des Blechs, inklusive Anisotropie (Walzrichtung). Vermutlich kann man das mit dem Berechnen beliebig kompliziert machen. Einfacher wäre vielleicht der Versuch, für das Rastmoment muss man ja noch keine Wicklung aufbringen.
Ich habe aber den Eindruck, Du suchst eine Visualisierung, um Dir die Verhältnisse besser vorstellen zu können. Dann ist Deine Programmierarbeit wahrscheinlich sinnvoll. Du solltest aber keine zu genauen Ergebnisse erwarten (eher Vorschläge, welche Varianten man dann praktisch probieren könnte oder welche Ideen eher nicht verfolgt werden müssen).

[toemchen]

Ich habe aber den Eindruck, Du suchst eine Visualisierung, um Dir die Verhältnisse besser vorstellen zu können

Genauso isses. Mittlerweile habe ich die brachiale Methode gewählt, die Berechnungen werden in einem Bereich von 0-1080° (3 Umdrehungen) durchgeführt, Rechengeschwindigkeit ist offenbar heutzutage kein Thema mehr. Die 360°-Verschiebung nehme ich nur für die Bestromungs- und Magnetpolbelegung. Für die Aufsummierung der Anziehungskräfte (also eine bescheidene Annäherung an die finite Elemente) wird dann der Bereich 360-720° verwendet. Schön und gut, jetzt kann ich qualitativ (für die geistige Vorstellung) das alles plotten. Ein Problem gibt es noch: Wenn man den Rotor so dreht, daß das aufsummierte Drehmoment Null wird, dann stimmt das im visualisierten Motor nicht. Ich hab' jetzt extra einen besonders reduzierten Fall mit stromlosen Stator und nur zwei Magneten eingestellt. Aber ich glaube, der Fehler liegt in der Darstellung des Motors. Unten im Diagramm siehts eigentlich ganz stimmig aus.

Gruß
Tom.

[toemchen]

So, nach langer Zeit wollte ich mal wieder über meine Erkenntnisse berichten.

Die lange Zeit ist nicht nur der Schwierigkeit der Materie geschuldet, sondern auch diversen "Sommereinbrüchen" (analog zu Wintereinbrüchen), die Baden gehen und Bergsteigen zur Folge hatten statt Programmieren. Ich finde Bildschirmbräune ungesund.

Jetzt aber:
Mein Visualisierungsprogramm geht jetzt leidlich. Ich habe meine "finite Elemente" Berechnung jetzt klarer und mit mehr FloatingPoint-Variablen aufgebaut. Im Prinzip ist es jetzt so, daß über den Rotor im 0,5°-Drehraster Berechnungspunkte verteilt werden, an denen die Summe aller Anziehungskräfte zu in einem bestimmten Bereich verteilten Punkten auf dem Stator gebildet wird. Diese werden zu Drehmomenten umgesetzt und summiert, am Schluß kommt ein Drehmoment für den Gesamtrotor raus.

Geometrisch hat das soweit vielleicht schon Hand und Fuß.

Natürlich habe ich von Feldlinien usw. nach wie vor keine Ahnung, und die Annäherung, daß nur Punkte an der Oberfläche von Rotor und Stator sich anziehen, ist naiv. Aber ganz falsch sind die Ergebnisse glaube ich doch nicht. Zumindest qualitativ konnte ich jetzt die Rastmomente verschiedener Magnetanordnungen prüfen.

Folgendes Ergebnis, 12 Statorpole sind vorgegeben, zunächst mal das Rastmoment stromlos betrachtet:
18 Magnete (die real gebaute Konfiguration) haben Rastmomentspitzen von 130, 16 Magnete 190, 14 Magnete 11 (!!), 12 Magnete 8000 und 10 Magnete 40.
Da sieht man also, die übliche Magnetzahl bei einem 3phasigen - nämlich 14 - ist schon bei weitem das beste.
12 Magnete habe ich nur aus Gründen der Plausibilität in die Liste aufgenommen. Dieser Motor könnte natürlich nichts außer knalligem Rastmoment.

Ein paar Bilder hänge ich auch noch an.
Zur Erklärung: Der Graph unten in der Anwendung ist der Motor "auseinandergerollt". Geplottet werden hier die Summen der lokalen Momente für die einzelnen Punkte am Rotor.
Der Graph rechts zeigt den Verlauf des Gesamtmoments bei simulierter Drehung des Rotors. Der Winkelbereich ist hier eingeschränkt, denn mittlerweile dauert ein Berechnungsdurchlauf doch ganz schön lange.

Ehrlich gesagt gibt es noch einiges, was ich am Verhalten meiner Simulation nicht verstehe.
Z.B. die wackligen, diffusen Rastmomentverläufe. Nur bei den 12 Magneten gibts ehrliche, plausible Verhältnisse.
Dann auch die Tatsache, daß die Bestromung doch sehr viel ausmacht (dazu gibts hier jetzt keine Bilder). Obwohl doch die Realität gezeigt hat, daß die Bestromung nichts bewegen kann.

Und eine ganz konkrete Frage habe ich noch:
Kennt sich jemand mit Visual Basic und allgemein Microsoft Hochsprachen-Compilern aus? Ich habe hier VB6. Es würde mich interessieren, wie ich die Berechnungen jetzt doch wieder schneller machen kann. Was lohnt sich am meisten? Von Single- auf Integervariablen umsteigen? Mehr Zwischenergebnisse in großen Arrays ablegen, statt sie an verschiedenen Stellen in Schleifen wiederholt neu zu berechnen?

Viele Grüße an alle Interessierten
Tom.

[toemchen]

So und überhaupt: Morgen wird eine Glocke mit 14 Magneten beklebt, ein 3phasiger Stator gewickelt und ein Modellbau-BL-Regler drangehängt.