Brushless-Motor für extrem starkes Servo

[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-technolo...lpi/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.