Konstruktionshinweise

© 05122004 by DrRalphOkon
letzte Revison 11/2010

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Die folgenden Hinweise sind für diejenigen gedacht, die sich an Entwurf und Konstruktion eines eigenen Motors wagen wollen.

Sie werden immer wieder um neue Hinweise ergänzt, so dass es viel Sinn macht, gelegentlich zu prüfen, ob man auch die neueste Variante in seinem Cache hat!

Wenn Motorenbau-Anfänger noch nicht auf alle der folgenden Feinheiten achten ist dass nicht so schlimm wie manchmal angenommen.
Erst wenn man anfängt, um jedes Wirkungsgrad-% zu kämpfen und alle Systeme optimiert, macht die genaueste Beachtung aller folgenden Hinweise wirklich Sinn!
Dann reichen aber irgendwann die hier gegebenen vor allem empirisch gewonnenen Hinweise auch nicht mehr aus und das ganze wird zur echten Wissenschaft!

Alle gegebenen Hinweise beziehen sich auf Motoren mit Eisenstator.

 

• Optimale Auslegung

Alle Optimierungsüberlegungen können immer nur auf einen Parameter ausgerichtet werden.
Ein Flugmotor soll leicht (also kleine Menge an Statoreisen, Magnetdicke und Abdeckung, Rückschlußringhöhe- und Dicke und Kupfermenge möglichst niederig), mechanisch stabil (absturzfest) und stark (genau gegenteilige Forderungen zu leicht) sein und sein breites Wirkungsgradmaximum dazu bei großer Drehzahlsteifheit am besten im Bereich der optimalen Propellerdrehzahl (Wirkungsgradmaximum des Props)haben.
Zudem soll er so konstruiert sein, dass unnötige Verlustwärme garnicht erst entsteht bzw. die entstehende Wärme (Verlustleistung) möglichst gut abgeführt werden kann.

Dass dies nicht alles gleichzeitig "optimal" realisierbar sein kann, sollte jedem einleuchten.
Auf das System "Motor" nehmen sehr viele Faktoren in unterschiedlicher Weise Einfluß.

Zusammengefasst: Ein "guter Motor" für den praktischen Einsatz ist immer ein auf den jeweiligen Einsatzzweck optimierter Kompromiss.

dazu nun ein paar Hilfen:

 

• Das Nut / Polverhältnis

Das Nut/Pol -Verhältnis kann sich in einem weiten Bereich bewegen, solange die Grundreglen für die Nutzahl (teilbar durch Phasenzahl) und Magnetpole (Polpaare !) eingehalten werden.
In der Praxis hat sich gezeigt, das die Motoren sehr gut funktionieren, bei denen der Unterschied zwischen Nut und Polzahl klein ist!
Eine Range von N/P = 1:1,5 bzw P/N = 1:1,5 sollte nicht verlassen werden, sonst sinkt der Wirkungsgrad deutlich ab.
Die gebräuchlichen Kombinationen für einzelzahnbewickelte Motoren sind in der Kombinationstabelle farbig gekennzeichnet.
Es gibt jedoch auch ausserhalb dieses Bereiches funktionsfähige Kombinationen.
Ausserdem gibt es neben der Haupt- oder Optimallösung immer einige "Nebenlösungen" die zwar funktionieren, jedoch nicht optimal sind.

Bei über mehrere Zähne gewickelten Motoren sind andere Kombination üblich (12N4P; 18N6P; 24N8P). Kombinationen, bei denen die Polzahl kleiner ist als die Nutzahl haben anscheinend Vorteile.

Nicht jede Kombination, die den Grundregeln (Nuten:3 = ganzzahlig; Magnetpolzahl:2 = ganzzahlig) gerecht wird, ist auch ausgewogen.
"Lauffähig" bedeutet auch nicht, dass diverse Extremkombinationen auch einen guten Wirkungsgrad haben müssen!

Und selbst die theoretisch ausgewogenen Kombinationen werden (teilweise aus ganz trivial mechanischen Gründen nicht gut laufen:
Eine wichtige Rolle für die Laufeigenschaften des Motors scheint auch die Symmetrie des Wickelschemas zu spielen.
Besonders sinnvoll scheinen Bewicklungsvarianten mit spiegelsymmetrischem Ansatz zu sein.
Die Bewicklungsschemata mit Gruppenbildungen (AaA; AaAa; AaAaA .....) ergeben drehzahlsteifere Motoren.

Die nur einfach rotationssymmetrischen Gruppenvarianten (9N8P) neigen dazu, die Glocke zum Schwingen anzuregen und sind für einen lauten Motorlauf verantwortlich.
Grundsätzlich gilt:
je mehr Nuten, desto mehr Polpaare sind einsetzbar.
je mehr Polpaare um so weniger Drehzahl.

 

•Magnetbreiten / Hammerkopfbreitenverhältnis

Das Magnetbreiten / Hammerkopfbreitenverhältnis stets im Zusammenhang mit der Abdeckung betrachtet werden.
Es sollte sich in einem Bereich von 1:0,8 bis 1:1,2 bewegen.
Verlässt man diesen Bereich, dann stehen dem jeweiligen Zahn oder Magnetpol fast 2 Gegenspieler (Magnete oder Zähne) gegenüber und der Motor beginnt, teilweise gegen sich selbst zu arbeiten.
Der ungünstigste Bereich liegt logischerweise um die x,5 fachen!

Magnetpolzahlverdoppelung

WOLGANG PLANER sagt dazu:
Wenn man das Magnetbreiten / Hammerkopfbreitenverhältnis einhält, dann laufen auch extreme Kombinationen mit doppelter Magnetzahl.
Allerdings ist bei der Anordung eine großer Teil der Magnete nutzlos (was ja noch nicht schlecht sein muß bis auf höheres Gewicht).
Dann kommt dazu, daß der mögliche Geamtfluß für den gegebenen Statorschnitt deutlich reduziert wird, was zwar einerseits das Eisen 'schont', andereseits dazu führt, daß mehr Windungen für einen vorgegebene Drehzahl / Spannung erforderlich sind als bei Hammerköpfen was zu höheren Cu-Verlusten führt.
Drehzahlhalbierung durch doppelte Magnetanzahl: diese Meinung schwirrt immer noch rum.
Das würde zwar bei Synchronmaschinen an einer festen Frequenz auch gelten (dann muß aber die Windungszahl auch zur Spannung passen, sonst gibts bei zu geringer Windungsanzahl irre Leerlaufströme oder bei zu viel Windungen dreht sich die Maschine nicht).
Bei BLDC jedoch wird der Steller die Frequenz immer so erhöhen, daßim Leerlauf das Integral der EMK gleich der Versorgungsspannung ist.
Bei doppelter Magnetzahl, gleicher Gesamtmagnetfläche und entsprechend geänderter Nutzahl und selber Windungsanzahl je Phase wird der Steller einfach die doppelte Frequenz liefern, sodaß die Drehzahl wieder gleich ist.

 

Rasten

Ob ein Motor rastet oder nicht hängt gleichermaßen vom gewählten N/P Verhältnis und der geometrischen Auslegung von Magnetsystem und Hammerkopf ab.
Auch ein stark rastender Motor kann einen guten Wirkungsgrad haben.
Wenn ein Motor (erhebliche) Rastmomente aufweist, dann ist dies zunächst ein Anzeichen von erheblichen Schwankungen des magnetischen Flusses. Diese haben aber auch Wirbelströme in Teilen des Magnetkreises und dessen Nachbarschaft zur Folge. Diese Wirbelstromverluste reduzieren den Wirkungsgrad.
Daher sind im allgemeinen jedoch die weniger rastenden Motoren die besseren.

Ein Motor rastet übrigens auch, wenn ein Magnet heraussteht, sodaß an dieser Stelle der Luftspalt enger ist oder wenn Magnete in ungleichmäßigem Abstand eingebaut sind.

In diesem Falle ist das Rasten die Folge von Baufehlern und kostet deshalb einiges an Wirkungsgrad!

 

•Statorhöhe

Die sinnvolle Statorhöhe sollte minimal die Breite eines Statorblechzahnes (am "Hammerstiel" gemessen) nicht unterschreiten, weil sonst der Anteil des nicht am Aufbau des Magnetfeldes beteiligten Drahtes in den Wickelköpfen länger ist, als der in den Nuten befindliche Drahtanteil.
Die Obergrenze wird vor allem durch die mechanischen Eigenschaften der Glocke (vor allem ihre Lagerung!) bestimmt.
Spätestens wenn die Statorhöhe größer wird als der Statordurchmesser, neigt die Glocke dazu sich aufzuschwingen.
Als wahrscheinliches Optimum für die übliche Glockenlagerung hat sich eine Statorhöhe herausgestellt, die der Hälfte des Statordurchmessers entspricht.
Wird die Glocke an ihrem offenen Ende durch ein zusätzliches Dünnringlager gestützt, kann der Stator wesentlich höher gebaut werden.

Man sollte aber auch die zunehmend schlechtere Kühlbarkeit des Motors bei besonders langen Statorpaketen in seine Überlegungen einbeziehen!

Über die Beziehung zwischen Statorhöhe und aktiven und passiven Drahtanteilen finden sich hier einige interessante Daten. Für die relative Statorhöhe gelten die folgende Beziehungen.

für gleiche Zieldrehzahl: höherer Stator = weniger Windungen.
höherer stator = mehr umsetzbare Leistung
höherer Stator = gleiche Zieldrehzahl mit weniger Windungen aus dickerem Draht-> höhere Effiziens.
höherer Stator = geringerer relativer Anteil der Wickelköpfe = höhere Effiziens

 

•Statordurchmesser

Je größer der Statordurchmesser, um so größer ist - wegen des längeren Hebeln der erzeugten Kräfte - das erzeugte Drehmoment und um so niedriger ist die Drehzahl bei sonst gleichen Bedingungen.

Der Statordurchmesser und die sinnvolle Nutzahl sind miteinander verknüpft.
Bei kleinem Statordurchmesser und hoher Nutzahl ergeben sich sehr enge Wickelräume, die Drahtdicke und Windungszahl stark begrenzen.
Bei großem Statordurchmesser und kleiner Nutzahl ist ein vernünftiger Füllgrad nur mit sehr vielen Wicklungslagen zu erreichen, was wiederum gewaltige Wicklköpfe erzeugt.

Beim Aussenläufer muss das Innenloch genug Platz für die Unterbirnng mindestens der Welle bzw. von Welle und Lagerung bieten.

 

Verluste

Die auftretenden Verluste klein zu halten und bezogen auf den geplanten Einsatzzweck möglichst geschickt zu verteilen ist ein wesentlicher Bestnadteil jeglicher Auslegungsüberlegungen.

•Bleche

Die Bleche arbeiten um so besser, je dünner sie sind.
Für den Kontakt der Bleche untereinander gilt: je isolierter, desto besser.
In der Praxis müssen die Bleche gegeneinander wenigstens soweit isoliert sein, daß kein für die Leitung von Wirbelströmen geeigneter flächenhafter Kontakt zwischen 2 Blechen besteht.
Eine vollständige Isolation der einzelnen Bleche untereinander ist keinesfalls notwendig, stellt jedoch den Idealzustand dar.
Auf die Blechqualität näher einzugehen, lohnt nicht, da wir keine Möglichkeit haben, diese zu messen.

•Blechschnitt

Es ist besonders wichtig, eine gute Balanz zwischen dem das Magnetfeld leitenden Eisen und dem das magnetfeld generierenden Kupfer zu finden.
Die Lösung ist auch hier von den erwünschte Motoreigenschaften abhängig.
Die Breite des Innenringes braucht am einzelzahnbewickelten Stator aus Sicht des zu leitenden Magnetfeldes durchgehend lediglich die halbe Breite eines Hammerstieles zu haben.
Bei wellengewickelten Schnitten ist die volle Hammerstielbtreite auch am Innenring nötig.
Alles mehr ist eigentlich nutzloser Ballast und kann entfernt werden, solange die mechanische Stabilität gewahrt bleibt.

Die Hammerköpfe für Neodymmagnete könnten deutlich kleiner ausfallen, als es bei den Umbaustatoren der Fall ist. Deren Hammerköpfe sind nämlich so überhängend ausgelegt, weil sie möglichst viele Feldlinien aus den schwachen Ferritmagneten sammeln sollten.
Ein Maß vom maximal 2-3fachen der Hammerstielbreite wurde als sinnvoll empfohlen. Die Überhänge der Hammerköpfe sollten nicht so lang sein, dass sie in der lage sind, 2 Magnetpole direkt miteinander "kurzzuschliessen".
Es gibt sogar diverse Beispiele, wo sehr breite Hammerstiele ganz ohne Kopf auskommen und sehr gute Wirkungsgrade erzielen.

Die Ausformung des Blechschnittes sollte so erfolgen, dass möglichst weder Engstellen für den magnetischen Fluss entstehen und rechte oder engere Winkel möglichst vermieden werden.
Mehr oder weniger ausgeprägte Verrundungen den der Hammerköpfe dienen einem weichen Übergang der Felder, der Verringerung lokaler Übersättigungen und der Verringerung des Rastens.

 

•Magnethöhe

Die Magnete sollten über gesamte Statorlänge reichen.
Ein Überstand der Magnete von beidseits bis zu 2 mm ist in der Praxis nicht schädlich, sondern scheint zu einer geringfügigen Leistungssteigerung zu führen.
Bei sehr starken Magneten, die das Statormaterial über ihre Sättigungsgrenze treiben, kann es auch sinnvoll sein, wenn der Stator höher ist, als das Magnetsystem.

 

•Magnetdicke/Luftspalt

Während eine Weiterverwendung der weichen Originlmagnete bei Laufwerksumbauten nie zu brauchbaren Ergebnissen führt, sind die harten Originalmagneten bei niedrigen Leistungsanforderungen verwendbar.
Es ist dennoch sehr zu empfehlen, sie immer durch Neodymmagnete zu ersetzen! Die Magnete sollten so dick sein, daß sich bei der vorgegebenen Glocke ein Luftspalt von 0,2-0,5mm entsteht.
Eine Magnetdicke über 2,5mm hinaus einzubauen, ist nur bei thermisch hochbelasteten Motoren von gewissem Wert, bei unseren Motoren jedoch meist nicht nötig und nicht sinnvoll. Der Luftspalt sollte bei Motoren, die hohes Drehmoment bringen sollen, möglichst klein sein - 0,2-0,3mm sind realisierbar.
Bei thermisch hochbelasteten Motoren ist der Luftspalt etwas größer zu wählen, da der Stator sich wegen der schlechteren Kühlung mehr ausdehnt, als die aussenliegende Glocke.
Bei hochdrehenden Motoren sollte der Luftspalt etwas größer sein. 0,5mm sind hier ein guter Wert.

Ein dickeres (stärkeres) Magnetsystem mit kleiner Abdeckung (auch unter 66%) wirkt im Prinzip genauso wie ein dünneres System höherer Abdeckung.
Entscheidend ist hier die wirksame Magnetkraft (Magnetvolumen und -Stärke)

es gilt:
kleiner Luftspalt = viel Drehmoment
großer Luftspalt = viel Drehzahl
dünne Magnete= wenig Gewicht und wenig Kraft
stärkere Magnete = mehr Kraft und (meist)mehr Gewicht
stärkere Magnete = geringere spezifische Drehzahl stärkere Magnete = geringerer maximaler Wirkungsgrad
stärkere Magnete = stärkeres Rasten

 

•Rückschluß

Als erstes sollte man sich darüber klar werden, dass unsere Motoren eigentlich mit 2 Rückschlüssen laufen:
der eine ist der, der unter diesem Namen auch bekannt ist und beim Aussenläufer aussen um die Magnete herum sitzt.
der andere, der den magnetischen Kreis zwischen den als Elektromagnete arbeitenden Spulen schließt, ist im Statorblech bereits fest eingebaut - der sogenannte "Innenring" des Blechschnittes.
Logischerweise gelten für beide daher auch die gleichen Regeln, was ihre Dimensionierung angeht - schließlich haben sie ja beide die Gleiche Menge an magnetischem Fluss zu tragen!

Der Rückschlußring sollte aus möglichst niedrig legiertem Eisen (Stahl) bestehen. Die an dieser Stelle unerläßlichen magnetischen Eigenschaften schließen die Verwendung anderer (nichtmagnetischer) Materialien wie Aluminium oder hochlegierter (Edel-) Stähle aus.

Eine "Verdickung" des Rückschlusses (bei Streamerglocken z.B. durch Aufziehen eines Drehteiles) bis ca. 2mm Gesamtdicke bei 2,5mm dicken Magneten führt zu einer Drehmomenterhöhung und Drehzahlerniedrigung.
Wenn eine Büroklammer nicht mehr außen an der mit Magneten bestückten Glocke haften bleibt, bringt eine weitere Erhöhung der Dicke keinen großen Vorteil mehr.
Ein aus vielen dünnen Blechen zusammengesetzter Rückschlussring hätte weniger Wirbelstromverluste, wäre aber sehr schwer aufzubauen.

Eine neuere Faustregel besagt: die halbe Hammerstielbreite ist die optimale Rückschlussdicke.(innen wie aussen!)
Durch den Rückschluss muß der gleiche Fluß transportiert werden, wie im Hammerstiel generiert wird. Dabei verteilt er sich halb und halb nach 2 Seiten.
Die Mindestdicke wird dabei nicht nur durch die magnetischen, sondern auch durch die mechanischen Erfordnisse bestimmt.
Hier kommt einer der Vorteile hoher Polzahlen zum tragen: der Rückschluss hat relativ weniger Fluss zu tragen und kann hier dünner ausgelegt werden.

WOLFGANG PLANER arbeitet nach folgender Überschlagsformel:
Der Fluß des Magneten geht wie beschrieben zur Hälfte nach links und zur Hälfte nach rechts.
Fluß = Induktion x Fläche, also am Luftspalt Induktion x Magnetfläche.
(Induktion etwa 0,5 - 1,0 T im Luftspalt. Grenzinduktion in normalen Eisen maximal 1,8 T (Sättigung)
Fläche = Breite x Länge Magnet. Im Eisen: Fläche = Dicke x Länge Magnet
FlußRing = Breite x Länge x InduktionLuftspalt / 2
Induktion Ring = FlußRing / FlächeRing = Breite x Länge x InduktionLuftspalt / 2 / Dicke / Länge = Breite / Dicke / 2 x InduktionLuftspalt
Rückschlußdicke sollte also = InduktionLS / InduktionRing x Breite / 2 sein.

Faktor bei 0,5 T im Luftspalt (gilt für Motoren mit dünnen Magneten und / oder großem Luftspalt)= 1 / 8 Magnetbreite
Faktor bei 0,9 T im Luftspalt (gilt für Motoren mit dicken Magneten und / oder kleinem Luftspalt) = 1 / 4 Magnetbreite

 

•Abdeckung

Die "Abdeckung" gibt den mit Magneten belegten Anteil der Glockeninnenwand als Prozentwert an.
Es hat sich gezeigt, daß sie -wenn ein vernünftiger Wirkungsgrad erreicht werden soll, minimal 66% betragen sollte.
Es gibt jedoch auch Beispiele hochdrehender Motoren, die mit einer Abdeckung von unter 50% einwandfrei laufen.
Eine Erhöhung der Abdeckung bis zu etwa 80% führt zu einer Verbesserung der Motorleistung.
Eine weitere Steigerung bis zu 100% bringt keine wesentliche Verbesserung mehr, führt aber zu mechanischen Vorteilen:

Hohe Abdeckungen führen, abgesehen vom Mehrgewicht, auch gelegentlich zu Wirkungsgradnachteilen.
So drängt sich der magnetische Fluss in einem sehr engen Bereich, was entweder dort eine sehr hohe Dicke des Rückschlusses erfordert oder zu hohen Verlusten führt, die sich in einer fühlbaren Erwärmung des Rückschlussringes deutlich zeigen.

Im Bereich der Laufwerksumbauten sind 75-85% ein sehr guter Richtwert.
Grob zusammengefasst kann man sagen: Für eine hohe Zieldrehzahl sollte man mit niedrigerer, für eine niedrige Zieldrehzahl mit höherer Abdeckung arbeiten. Die genauen Daten und Beziehungen stehen hier.

Bei sehr hochdrehenden Motoren werden mit deutlich kleineren Abdeckungen (bis unter 50%) die besten Ergebnisse erreicht.

Eine weniger untersuchte Beziehung besteht auch zwischen Hammerkopf- und Magnetpolbreite, die in einem gesunden Verhältnis zueinander (annähernd gleichbreit, also ca. 0,9 bis 1,1)stehen sollten.

Um bei einer vorgegebenen Glocke und den festen Magnetbreiten die Abdeckung zu errechnen, kann man den Magnetrechner zu Hilfe nehmen.

 

•Magnete kaskadieren

Wenn es die als optimal errechnete Magnetgröße nicht zu kaufen gibt, kann man den Magnetpol aus kleineren Magneten zusammensetzen.
Dabei muß immer die gleiche Seite der Einzelmagneten zum Stator zeigen. Wenn sich die Teilmagnete abstossen, ist es richtig.
Nur beim Aufeinanderstapeln um eine größere Magnetdicke zu erreichen, dürfen die Einzelteile sich gegenseitig anziehen.
Siehe dazu auch hier und hier.
Eine spezielle Variante des Magneteinbaus ist das Halbacharray. Es scheint jedoch, dass die Bündelung der Magnetkräfte durch die Anordnung in Breite und Dicke quadratisch ausgelegter Magnete im Array bei unseren Motorgrößen und Eisenmengen im Statorschnitt praktisch keinen nutzbaren Vorteile bringt. vgl. hier
Bereits dünnere normale Magnete reichen in der Regel aus, das Statoreisen zu sättigen.
Die möglicherweise vorteilhaften dünneren mehrteiligen Arrays mit zusätzlichen schräg orientierten Zwischenmagneten wie beim (Csiro-Radnabenmotor) können wir als Bastler nicht aufbauen, da derartige Magnete für uns nicht verfügbar sind.
In der Praxis erhöht der Einsatz eines Arrays den Leerlaufstrom, senkt die Drehzahl deutlich und lässt den maximalen Wirkungsgrad nahezu unbeeinflusst.

 

Bewicklung

zur Windungszahl:

Mit der Windungszahl passt man einen Motor vor allem an die gewünschte Betriebsspannung an.

Wenn man die Windungszahl erhöht, dann wächst die Drehmomentkonstante proportional dazu.
Wenn der Füllgrad (Menge an Kupfer im Slot) dabei gleich bleibt; muß bei der Änderung der Draht logischerweise dünner werden.
Damit wächst der Wicklungswiderstand quadratisch zur Windungszahl an. Das heisst: doppelte Windungszahl = vierfacher Widerstand.
Das führt zu einem einen Motor, der bei gleichbleibender Spannung viel weniger leistet als der ursprügliche mir kleinerer Windungszahl.
Wenn man bei gleichbleibender Spannung die Windungszahl kleiner macht, dann wachsen Blockiermoment und Leerlaufdrehzahl und der Motor wird leistungsfähiger. Das gesamte "Drehzahlniveau" verschiebt sich dabei gleichzeitig zu höheren Drehzahlen.
Hohe Arbeitsdrehzahlen des Motors führen wiederum dazu, dass nur kleine Propeller eingesetzt werden können, die grundsätzlich weniger effizient als Große arbeiten und den Gesamtwirkungsgrad des Antriebes senken.

zur Bewicklung selber:

Dafür, dass der Motor arbeitet, spielt es keine Rolle, wie und an welcher Stelle im slot die Drähte liegen.
Eine saubere Wicklung führt aber dazu, dass der platz im Slot besser ausgenutzt wird und hat so über den realisierbaren Innenwiderstand doch einen Einfluss auf den Innenwiderstand der Wicklung und so schlussendlich auf den Wirkungsgrad.
Es hat sich gezeigt, dass man mit einer Eindrahtwicklung mit möglichst dickem Draht zumeist die besten Ergebnisse erreicht.
Man sollte versuchen, die geplante Windungszahl - sie ist im Prinzip mit der gewünschten Drehzahl vorgegeben - mit einem möglichst dickem Draht zu realisieren.
Das verbessert den Füllgrad, senkt den Innenwiderstand der Wicklung und erhöht so den Wirkungsgrad des Motors.
Ein sehr hoher Füllgrad kann unter hoher Last thermische Probleme wegen der schlechteren Luftdurchströmung der Wicklung nach sich ziehen.

Eine Mehrdrahtwicklung ist sinnvoll bei sehr engen Wickelradien am Stator oder wenn man den passenden optimalen Drahtquerschnitt nicht anders erreichen kann.
Das Wickeln mit 2 oder mehreren parallelen Drähten (bifilar, trifilar etc... ) ist in der Praxis aber auch eine schwierige Angelegenheit,
die parallel verschalteten Drähte müssen dabei genau gleichlang sein und sollten sich innerhalb der Spule möglichst nirgends überkreuzen.
In der bei unseren Motoren üblichen 1-2-lagigen Bewicklung bringt dieses Verfahren meist keinen Füllgradvorteil.

Eine "Spezialform der Mehrdrahtwicklung" ist die Parallelschaltung einzelner Spulen, auf die im Abschnitt "Verschaltung" näher eingegangen wird.

Eine Litzendrahtwicklung ist nur für Spezialanwendungen wie z.B. Eisenlose oder Slottless Bewicklungen von Vorteil.
Die gelegentlich diskutierten Auswirkungen von Wirbelströmen im Kupferdraht spielen nur bei sehr hochdrehenden Motoren mit dicken Drähten (d > 1,2mm) oder bei eisenlosen Motoren eine beachtenswerte Rolle.

Der sogenannte "skin-effekt" entfaltet seine negativen Wirkungen erst bei Frequenzen, die weit oberhalb der von uns verwendeten liegen!
Bei unseren Anwendungen überwiegen bei Litzenwicklung die durch den Füllgradverlust von ca. 30% hervorgerufenen negativen Effekte.
Interessante Daten dazu finden sich hier

es gelten bei der Auslegung der Bewicklung folgende Regeln:
höhere Betriebsspannung = Höhere Windungszahl für gleiche Drehzahl
mehr Windungen = weniger Drehzahl
mehr Windungen = höherer Innenwiderstand = große Lastabhängigkeit der Drehzahl und schmales Wirkungsgradoptimum sowie weniger umsetzbare Leistung
dickerer Draht bei gleicher Windungszahl = höherer Füllgrad, kleinerer Innenwiderstand und höhere Drehzahlsteifheit sowie mehr umsetzbare Leistung

 

• Verschaltung der Bewicklung (Stern/Dreieck)

Vorweg: Man kann mit beiden Verschaltungsarten (Stern/Dreieck) eine geeignete Auslegung eines Motor finden.
Es ist eben alles eine Sache der Anpassung und dazu muß man im Klaren sein, welche Leistungsparameter der fertige Motor haben soll.

Im allgemeinen kann man mit Stern- und mit Dreickschaltung gleich gute Wirkungsgrade erzielen.

Bei gleicher Ziel(Leistungs-)Auslegung kann man bei Dreieck dünneren Draht(Querschnitt) benutzen und muß dafür entsprechend mehr Windungen (Faktor 1,73) draufwickeln.
Meinen vorhandenen Drahtvorrat kann ich in die Überlegung einbeziehen, ob ich mit Stern und dickerem Draht oder Dreieck und dünnerem Draht besser an die Wunschparameter herankommen kann.
Ob dabei das Wickeln mit der Dreieckschaltung mit dünnem oder der Sternschaltung mit dicken Draht im Füllgrad Vor -oder Nachteile (Wickelkopfhöhe, Isolationsschichtdicken, Händelbarkeit) bringt, hängt von den jeweiligen Statormaßen ab.

Weiterhin kann man die Spulen anstatt in Reihe auch parallel verschalten, wenn das Wickelschema es zulässt.

Bei nicht absolut symmetrischem Aufbau des Motors sowohl hinsichtlich Wicklung als auch im Magnetkreis (Magnetbefestigung, Abstand, Rundlauf, Luftspalte) besteht das Risiko von Kreisströmen in den Windungen. Diese Ströme verursachen ungewünschte Verlustleistung, die den Wirkungsgrad des Motors reduzieren und die Wicklung unnötig aufheizen.

Auch die Abdeckung spielt hier hinein:
Bei z.B. 9N6P mit 100% Abdeckung kann durch Streufluß nennenswert Spannung induziert werden, mit dem selben Effekt: die Summe der Spannungen ist nicht mehr null. Alle diese Kreisströme tragen nicht zum Antrieb bei und sind nicht nur völlig nutzlos sondern arbeiten "gegen den Motor".
Diese Verluste sind bei Höchstdrehzahl (Leerlauf) am höchsten.
Gerade bei unseren selbstgebauten Motörchen ist die Präzision (und Symmetrie) nicht immer berauschend im Vergleich zu maschinell produzierten Teilen.

Zum Schaltungsschema (Dreieck/Stern) siehe auch hier. Zur Umrechnung von Windungszahl und Drahtdicke bei der Auslegung siehe auch hier

 

• Betriebsspannung

Je höher die Betriebsspannung gewählt werden kann, um so dünner kann der für die gleiche Leistung eingesetzte Wickeldraht sein.
Bei höherere Spannung steigt aber auch die Drehzahl, sodaß der Drehzahlbereich für den Direktantrieb eines effizienten Propellers unter Umständen verlassen wird.

 

• Regler / Steller

Man sollte nicht den Fehler machen und den Einfluss des verwendeten Reglers auf die Motorcharakteristik zu unterschätzen - ein paar Daten dazu aus der Praxis finden sich hier.

 

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