Ansätze zur Leistungssteigerung beim kleinen 9N12P 22,7mm CDR

(bekannt als "Power-Schnurzz")

© Dr. Ralph Okon 24012006

Motorenseite

 

Die folgenden Aussagen beziehen sich direkt auf den bekannten und allgemein verfügbaren 22,7mm - Stator.
Sie haben aber höchstwahrscheinlich grundlegenden Charakter und gelten - in unterschiedlichem Maße - für alle kleinen und mittleren Motoren.
Im folgenden wird zunächst von den einfach zu realisierenden Maßnahmen ausgegangen.
Optimierungsmöglichkeiten, die die Grundkonzeption verändern, wie z.B.Einbau wesentlich dickerer Magnete mit entsprechend dickerem Rückschluss und Motoraussendurchmesser werden im folgenden nicht betrachtet.

 

Diese Tabelle zeigt, welche der 2-lagigen Bewicklungsmöglichkeiten besonders aussichtsreich hinsichtlich eines guten Kupferfüllgrades sind.

Es sind nur die etwas dickeren Drahstärken betrachtet, da ich diese Variante persönlich aus verschiedenen Gründen absolut bevorzuge.

Mehr zu den Auswirkungen eines guten Füllgrades gibt es hier und des damit eng zusammenhängenden Innenwiderstandes.
Wie sich beim Messen gezeigt hat, erzeugen die beiden füllgradmäßig am besten abschneidenden Varianten eine Drehzahl deutlich ausserhalb des sinnvoll nutzbaren Bereiches.

Die Auswirkungen des reduzierten Innenwiderstandes auf den Wirkungsgrad beim 22,7er Motor kann man hier gut sehen.

 

 

Diese Bewicklungsvarianten können besonders erfolgversprechend für 2fach oder 3fach gestapelte Statorpakete genutzt werden.

Wie diese Tabelle zeigt, steigt die Wicklungslänge und damit der Ohmsche Widerstand der Wicklung wegen der bei gleichem Wickelmodus konstant langen Übergangsdrähte in den Zahnsprüngen langsamer an, als die relative Statorhöhe.
Bei diesem Stator gilt bei gleichbleibender Drahtdicke etwa: 3-fache Statorhöhe = nur doppelter Innenwiderstand.

Auch das Verhältnis der aktiven (im Slot liegenden) Drahtanteile zu den passiven (inden Wicklungsköpfen) hat sich von 41 auf 64% - also das 1,5-fache des Ausgangswertes - erhöht.
Gleichzeitig ist eine weniger als halb so hohe Drehzahl des Motors zu erwarten.
Will ich die Ausgangsdrehzahl jedoch bebehalten, kann ich die Windungszahl mehr als halbieren, was wiederum die Verwendung dickerer Wickeldrähte zulässt.
Eine weitere Möglichkeit unnütze Drahtlängen einzusparen, ist die Verwendung des "1-2-3-kurz (cw oder ccw)" Wickelmodus.

Die Verwendung der ebenfalls erhältlichen gebogenen Magnete 5x5x1,2 N52bietet sich an. Durch das teilweise Aufbrauchen der mit 0,26mm relativ hohen Freilage könnte über die zu erwartende Erhöhung der Magnetkraft um 20% und die Verkleinerung des hinteren Luftspaltes auf nahe "0" eine sichtbare Absenkung der Drehzahl und eine Erhöhung des Drehmomentes zur Folge haben.
Auch die Verwendung eines Halbach- bzw. halbachähnlichen Magnetsystems ist denkbar.
Die Isolation der Hammerstielflanken mit einem 0,2 mm dicken Plastüberzug erscheint übertrieben.
Ein Versuch, die Statorisolation auf die Deckscheiben zu reduzieren und die Flankenisolation durch 0,05mm dickes Kaptonband zu erzeugen, vergrößert den Wickelraum um fast 0,3 mm und sollte in den einzelnen Wickelvarianten die Verwendung mindestens der nächstgrößeren Drahtstärke und damit eine weitere Absenkung des Innenwiderstandes zulassen.

Bei manchem Statoren (24mm) sind auch die Aussenseiten mit Plaste überzogen.
Belässt man ihn hat man einen gewaltigen Luftspalt: 0,26mm Freilage+ 0,2-0,3 mm Überzug + 0,2mm konstruktiver Luftspalt = 0,7mm Es lohnt sich also , den Überzug von den Statorflanken abzuschälen.
Allein der Wegfall dieses Überzuges bringt die Möglichkeit der Verringerung des Luftspaltes von von dessen Dicke (0,3mm), die man unter z.B. in stärkere (ebensoviel dickere) Magnete investieren könnte!

Der Volker Schwarz (VS-Modelltechnik) hat das gleiche Statorpaket mit dünner Lackiso im Angebot.
Die sind, mit zusätzlichen Deckscheiben versehen, die Optimalvariante!
Das zielgerichtete Bearbeiten der GFK-Deckscheiben umso mehr Sinn, je dicker der Draht ist.
Mit der Drahtdicke steigt der minimale Biegeradius desselben.
Wenn die Isoscheibe wie oben im Bild bearbeitet wird, wird die Wickeldrahtlänge durch bessere Anpassung an den Biegeradius deutlich sinken!
Irrsinnerweise ergab diese Testwicklung, dass die Drahtlänge je Zahn trotz der auf 5mm vergrößerten Statorhöhe bei 14 Windungen um ca. 2cm gesunken ist!
Das ist auf die nun viel schmaleren Hammerstiele und die gebrochenen Kanten an den GFK-Deckscheiben zurückzuführen.
Wenn man noch mit einer Feile umgehen kann, kann man den zu dicken Innenring zur Wickelraumgewinnung ausfeilen.
Insgesamt lässt sich der Wickelraum so fast verdoppeln ohne dabei an flussrelevanten Bereichen Statoreisen zu verlieren!
Statt wie hier gezeigt 11Wd mit 0,63mm im unbearbeiteten Stator lassen sich nun 11wd mit 0,75mm Drahtdurchmesser in 2 layern im Wickelraum unterbringen.
Das entspricht einer Steigerung des Kupferquerschnittes auf 142%!
Nicht vergessen sollte man an dieser Stelle jedoch, das auch das Gewicht der Wicklung in gleichem Maße ansteigt.
Wenn man meint, auf eine Isolation innerhalb der slots nicht verzichten zu können, dann ist 0,1mm dicke Kaptonfolie (oder Klebeband)eine sichere und platzsparende Lösung.
Die Aussage dieser Tabelle kann man prägnant zusammenfassen:
"Je dünner der Draht, desto interessanter wird die Lackdicke"

Bei diesen kleinen Motoren erscheint meiner Meinung nach unter Umständen auch die Verwendung einfach gelackter Drähte vertretbar.
Diese "Einsparung" in zusätzlichen Kupferquerschnitt umgesetzt, bringt eine weitere Absenkung des Innnenwiderstandes.
Dieses Ergebnis ist auch hinsichtlich der Bewertung von Litzen- und Mehrdrahtwicklungen an kleinen Motoren sehr aufschlußreich!
Siehe dazu auch hier!

Fazit:

Es scheint alles darauf hinauszulaufen, daß ein Verhältnis von 1:0,5 bis 1:0,75 zwischen Statordurchmesser und Höhe den besten Kompromiss darstellt, wenn man mechanische und elektrische Notwendigkeiten in seine Überlegungen einbezieht.

Minimale Isolationsdicken und Verwendung des nicht ganz einfachen "1-2-3 kurz" Wickelmodus bergen weitere Möglichkeiten zur Leistungssteigerung.

Wirkungsgrad- und Leistungsoptimierung erfordern verschiedene Auslegungen und Überlegungen dazu müssen bereits in der Entwurfsphase angestellt werden!

Will man einem dieser Optima möglichst nahe kommen, muß man wahrscheinlich von diesen Parametern ausgehen und den neuen Motor da "drumrum" konstruieren.

Was man bei Umsetzung des hier dargestellten schaffen kann, zeigt sich an diesem Beispiel besonders eindrucksvoll!

 

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