9N12P Halbach-Magnetarray-Ditto

© Dr. Ralph Okon 01062004

 

Experimentalmotoren

 

Alle hier gezeigten Magnetfeldsimulationen wurden von Helmut Schenk erstellt, dem dafür mein herzlicher Dank gilt!

Das hier gezeigte ist das Magnetfeld in einer konventionellen 12 poligen Außenläuferglocke.
Man sieht, daß der verwendete dünne Rückschlußring nicht in der Lage ist, alle nach außen laufenden Feldlinien in sich zu bündeln.

In dieser Variante kommt das sogenannte HALBACH - array zur Anwendung.
Man sieht sofort den Unterschied - keine Feldlinien außerhald der Glocke, dafür deutlich mehr innen.
Das ist auf die zwischen den "Hauptmagneten" liegenden quer ausgerichteten Magneten zurückzuführen.
Man kann davon ausgehen, dass diese Auslegung zu einer Erhöhung der nach innen gerichteten Magnetkräfte um etwa 20% führt.

Gleichzeitig wächst aber auch das Gewicht des Magnetsystems.
Diesem Gewichtszuwachs muß man gegenrechnen, daß der Rückschlußring wesentlich dünner ausfallen kann bzw. sogar vollständig verzichtbar ist.

Das ist eine konventionell aufgebaute 12polige Dittoglocke.
Die Zwischenräume zwischen den Magneten sind mit Balsaholz verfüllt.
Das ist eine FEMM -Simulation dieser Glocke kombiniert mit dem 9 nutigen Stator des Ditto- Laufwerkes.
Das wäre der Effekt, wenn man das Magnetmehrgewicht in Kauf nimmt und eine Glocke mit 100% Magnetabdeckung bauen würde.
Offenbar werden schon hier die Flüsse besser verteilt- die Sättigungszonen im Statoreisen sind deutlich weniger ausgeprägt.
Wenn man das Füllmaterial der Normalglocke mit diesen quermagnetisierten Magneten ersetzt, erzielt man eine (asymmetrische) Halbachkonfiguration.
Und so sähe die Simulation für die Halbach-Variante aus.
Der vorhandene dünne Rückschlußring ist jetzt in der Lage, nahezu alle sonst nach aussen laufenden Feldlinien in sich zu halten.
Die praktische Umsetzung:

eine Dittoglocke, aufgebaut als 12-poler, gefüllt mit 12 Magneten 5x6x2,5 und 12 Magneten 5x 4,1 x 2,7 hat jetzt eine halbach -ähnliche Konfiguration.
Nur ähnlich deshalb, weil sie asymmetrisch aufgebaut ist.
Die kleinen 5x 4,1 x 2,7 Zwischenmagnete sind durch die 4,1 magnetisiert.
So habe ich jetzt 12 Stück ca. 6mm lange normal eingebaute und 12 Stück 4,1 lange quereingebaute in der Glocke.
Schöns ist, daß sie saugend in eine Dittoglocke passen ( in die dritte, die ich probiert habe).
So saugend übrigens, daß sie sich gegenseitig durch den Gewölbeeffekt halten, obwohl sie noch nicht verklebt sind - es kann rein mechanisch keiner weg.

Die genannten Magnetlängen 6mm + ,41mm sind mit der Micrometerschraube nachgeprüft. Fakt ist leider, daß nur die kleinen magneten scharfe kanten haben. die größeren von haben herstellungsbedingt leicht runde Kanten.
Das macht vor allem an der kreisinneren Kante einiges aus.
Auch an den Kreisaußenkanten führt dieser meßtechnisch kaum erfassende Effekt dazu, daß sie sich etwas tiefer in die Glocke schmiegen können.
Dazu kommen noch die Toleranzen der gepressten Blechglocken.
In jede hat das System nicht reingepasst- mal haben 1-2mm gefehlt, mal war das gleiche an Lücke übrig.
Soviel dazu als Warnung für Nachbauwillige!
Der Stator ist eingeschliffen.
Durch die etwas dickeren Zwischenmagnete war es mehr Arbeit als sonst, aber der Luftspalt ist trotzdem nicht größer als 0,25mm geworden.
Um möglichst viele Vergleichsdaten zu haben, habe ich auf die mehrfach getestete "Superditto"-Bewicklung mit 15Wd 0,71mm Draht zurückgegriffen.
Inzwischen ist der Motor getestet und das Ergebnis ist überraschend ausgefallen:

Das Diagramm zeigt, daß sich der Wirkungsgradverlauf gegenüber der "Normalglocke" mit 12 7,5 x 5 x 2,5mm großen Magneten absolut nichts verändert hat.
Lediglich die einem bestimmten Wirkungsgrad zuzuordnende umgesetzte Leistung hat sich um ca. 10% erhöht.
Das die Halbachglocke etwas langsamer dreht bedeutet in der Praxis daß man mit einer praktisch tauglichen Propellergröße auch mit diesem Motor direkt im Wirkungsgradoptimum (hier 72% )betreiben kann!


Das sind die Meßdaten für 2s LiPoly.
Der Lichtblick: Die 8" x 4,3" GWS dreht der Motor jetzt im Wirkungsgradoptimum mit 72% bei etwa 60W Eingangsleistung.
Mit der ebenfalls getesteten GWS 11" x 3,8" wurden 4850rpm bei 6,04 und 15,6A erreicht.
Dieser Arbeitspunkt liegt jedoch schon weitab vom Wirkungsgradoptimum.

Fazit:

Ist die Halbachkonfiguration ein Weg zur Leistungssteigerung an Laufwerksumbauten?

Nur bei sorgfältigster Auslegung- (die wir bei den Dittostatoren ohnehin nicht haben)- sei eine Leistungssteigerung um maximal 10% gegenüber einer Standardauslegung möglich, - das war das Fazit eines Mannes, der sich mehr als 1 Jahr intensiv mit dieser Frage beschäftigt. Der Halbachanordnung wird unterstellt, daß sie durch ihre unbestreitbare Richtwirkung auf das generierte Magnetfeld eine Steigerung der Magnetkraft um 20% im Wirkbereich erzeugt.
Dazu ist aber eine 100%ige Abdeckung der Glockeninnenfläche mit Magneten nötig.
Die von Helmut Schenk in diesem Zusammenhang durchgeführten Magnetfeldsimulationen zeigen, daß bei konventioneller Magnetanordnung die Magnetkraftwirkung bis zu einer Abdeckung von 80% der Glockeninnenfläche ansteigt , danach steigt nur noch das Gewicht der zusätzlichen Magnetmasse.
Das auch die Halbachkonfiguration nicht in der Lage ist, die Magnetfeldstreuuung nach aussen so zu reduzieren, daß ein zusätzlicher Rückschluß ohne Verluste völlig überflüssig wird, zeigen die Simulationen ebenfalls.
Also stehen 20% Gewichtsvorteil der konventionellen Anordnung ca. 20% zusätzlich generierter Magnetkraft auf Seiten der Halbachkonfiguration gegenüber.

Damit reduziert sich das Problem zumindest bei unseren Außenläufern auf die Frage :

Kann ich mit 20% mehr Magnetmasse , also 20% mehr Magnetvolumen in der Normalkonfiguration 20% mehr Magnetkraft generieren?
Ich denke, das ist möglich.

Allerdings wird schon mit der Standardanordung wegen des geringen Eisenquerschnittes des 9N Dittos die Sättigung des Eisens erreicht, sodaß hier jede Steigerung der Magnetkraft im Prinzip fast wirkungslos verpufft.

Es bleibt jedoch ein bei allen Versuchen gleichermaßen gesehener positiver Effekt übrig:

die Arraykonfiguration generiert eine deutlich niedriges Drehzahlniveau als beim gleichen Motor in Normalkonfiguration.
Das wird schon bei der Umsetzung an der Flugzeugluftschraube deutlich, besonders aber wird es bei jeder Form des Direktantriebes eines Hubschrauberrotors positiv wirksam.

Das einfache Halbacharray bietet also bei unseren Motorgrößen insgesamt wenig Vorteile gegenüber einer Standardanordnung der Magnete.

Ein Test mit einem Blechschnitt mit größerem Eisenquerschnitt ist für eine endgültige Beuteilung nötig.

Zu diesem Zweck ist inziwschen ein "Halbachcroco" mit einem 16-poligen Magnetsystem aus 4x4x15mm großen Magneten im Entstehen begriffen.

 

Navigation