Brushless-Motor für extrem starkes Servo

[ranke]

Vor allem macht es mich rasend, nicht zu überblicken, was die anderen Stator- und Rotorpole machen, die in einer bestimmten Rotorstellung nicht so gut zueinanderpassen, sondern sich irgendwie schief gegenüberstehen. Ich brauche einfach Bilder mit hübschen roten und grünen Blöcken für die Magnetpole, und eingemalten Wicklungen am Stator und wo ich mit die Statorzähne auch ein bißchen rot und grün einfärbe und dann vielleicht noch kleine schwarze Pfeile für die Anziehungs- und Abstoßkräfte einzeichen.

Visualisierung ist sicher hilfreich. Ich hatte ähnliche Probleme, gerade weil es verschiedene Gedankenmodelle für die Entstehung der Kräfte zwischen Rotor und Stator gibt, die dann im Kopf gegeneinander konkurrieren.
Bei mir haben folgende Überlegungen geholfen, Licht ins Dunkel zu bringen:
Den Rotor darf man sich als abwechselnde Folge von Magnetpolen vorstellen, die ein Vektorfeld (Feldlinien) aufspannen. Die Feldlinien sind nahe an den Polen (sonstwo interessieren sie uns nicht) senkrecht zum Luftspalt und zeigen bei den Nordpolen vom Pol weg, bei den Südpolen zum Pol hin.
Für den Stator ist eine andere Vorstellung (zumindest für mich) einleuchtender. Denke Dir das Eisen weg, wichtig ist nur das stromdurchflossene Kupfer. Mehrere Windungen in einer Nut kann man erstmal durch einen Draht ersetzen. Man hat also für die 24 Nuten 24 Drähte, die (senkrecht zur Zeichenebene) von irgendwelchen Strömen durchflossen werden, die Drähte zeichnen wir nahe an den Läufer heran (dort, wo die Feldlinien senkrecht zum Luftspalt sind). Auf jeden Draht wirkt die Lorentzkraft (das ist die Kraft, die senkrecht zu Feldlinien und senkrecht zum Stromfluss steht). Die Summe der 24 Lorentzkräfte erzeugen das Drehmoment. Wenn man jetzt Rotor und Stator gegeneinander verdreht, wird schnell deutlich, wann in welcher Nut der Strom umgekehrt werden muss, damit die Kraft in die richtige Richtung wirkt.

[Hessibaby]

@ranke Sehr gute Erklärung. Dadurch wird auch klar, warum die Anzahl der Stator- und Rotorpole ungleich sein muss.
Ich möchte aber etwas weiter philosophieren.
Wir bleiben bei den 24 Statorpolen und den 26 Rotorpolen von Tom.
Wenn man jetzt zusätzlich zu den "aktivem" Wicklungen 3 oder 6 zusätzliche "Hilfswicklungen" aus dünnerem Draht einbringt, die nur für das Halten quasi als Bremse zuständig sind, dann kommen wir doch dem idealen Servomotor ein ganzes Stück näher. Diese Wicklungen könnte man ja auch zur Istwerterfassung der Drehzahl nutzen.

[ranke]

Dadurch wird auch klar, warum die Anzahl der Stator- und Rotorpole ungleich sein muss.

@ Hessibaby: Jetzt ist bei mir, glaube ich, ein Groschen gefallen. Wir haben gestern recht intensiv aneinander vorbei geredet, was den Begriff "Pol" betrifft (Richard war dann auch noch beteiligt).
Meine Idee von Pol war eine gänzlich magnetische (also Feldlinienrichtung), während Du offenbar das Eisen zwischen zwei Nuten meinst (das hätte ich vielleicht als Zahn bezeichnet). Die Zahl der Zähne, die ja identisch ist mit der Zahl der Nuten, kann selbstverständlich ungerade sein und sollte auch nicht gleich mit der Polzahl sein, weil sonst alle Teilströme gleichzeitig umschalten müssten. Das wäre dann ein einphasiger Synchronmotor, der ohne Hilfe nicht von selbst anläuft.
Nochmals am konkreten Beispiel:
Der 24 nutige Stator mit dem von mir etwas weiter oben vorgeschlagenen Bewicklungsschema hat 24 Zähne, aber wenn man ihn bestromt und mit der Hallsonde einmal außen herumgeht, sollte man 14 Nordpole und 14 Südpole gezählt haben. Nur so kann es zu dem Feld vom Stator passen.

[Richard]

Es gibt auch noch aus mehreren Magneten zusammen gesetzte
Pole, das macht man wenn breite Magnete in kleinen Rotor benötigt
werden. Die sollen ja alle möglichst gut in die Rundung passen.

Der Zusammenbau ist allerdings ein Geduldspiel, versuch mal
mehrere Magnete NNNNNSSSSSNNNN u.s.w. in den Rotor zu
setzen ohne den Irrsinn zu verfallen....

Gruß Richard

[toemchen]

Also ich hatte auch als Statorpole die Zähne angesehen.

Mein Gedankenexperiment mit den ebenfalls 24 Rotorpolen habe ich ja auch als sinnlos erkannt - ranke hat es einen einphasigen Synchronmotor genannt, der ohne Hilfe nicht anläuft.

Nein, es muß schon wenigstens ein Rotorpol mehr als Statorpole sein. Bei einem 24nutigen Stator ist es natürlich schwierig - die Unsinnigkeit einer ungeraden Anzahl von Magneten haben wir glaube ich durch - also wenigstens 26 Rotorpole.

Die Schwierigkeiten, gleichgepolte Magnete nebeneinander einzukleben, kann ich mir lebhaft vorstellen...

Was ich jetzt wieder nicht kapiere, wie bei 24 Statorzähnen bei Bestromung insgesamt 28 magnetische Pole entstehen können.

Gruß
Tom.

[Hessibaby]

@ Tom, Lass erstmal die Rotorpole gedanklich aussen vor.
Du lässt einfach auf dem Stator Nord- und Südpole kreisen.
Diese kreisenden 12 Polpaare ( Paare diesmal nur zum Verständnis (die gegenüberliegen Zähne)) nehmen ihre entgegengesetzt gepolten statischen Kollegen des Rotors mit auf die Rundfahrt.

[ranke]

Der 24 nutige Stator mit dem von mir etwas weiter oben vorgeschlagenen Bewicklungsschema hat 24 Zähne, aber wenn man ihn bestromt und mit der Hallsonde einmal außen herumgeht, sollte man 14 Nordpole und 14 Südpole gezählt haben. Nur so kann es zu dem Feld vom Stator passen.

Was ich jetzt wieder nicht kapiere, wie bei 24 Statorzähnen bei Bestromung insgesamt 28 magnetische Pole entstehen können.

Um ganz ehrlich zu sein, kapiere ich das auch nicht und ich bin auch nicht wirklich überzeugt, ob man diese 28 Pole mit der Hallsonde messen könnte. Ich finde für das Verständnis der Vorgänge ist die Vorstellung der sich anziehenden und abstoßenden Magnetpole nicht geeignet. Deshalb gebe ich mir auch keine Mühe, mir zu überlegen, ob die obige Behauptung wirklich so meßbar ist. Die (meines Erachtens) wirklich einfache und sofort anschauliche Vorstellung über die Entstehung des Drehmoments geht (wie schon oben angedeutet) über die Lorentzkraft. Dazu braucht es keine Magnetpole sondern nur Feldstärke und Richtung des magnetischen Feldes und die Stromstärke und -richtung in den wirksamen Leiterabschnitten (das ist das Kupfer, das in den Nuten liegt, der Rest ist nur irrelevante Zuleitung - also nicht in Spulen denken!). Eine einfache Skizze (Schnitt, Zeichenebene senkrecht zur Drehachse) zeigt alles was zum Verständnis nötig ist. Der Ablauf der Kommutierung ergibt sich (fast) von selbst. Für ein ersten Überblick kann man das Magnetfeld, das durch den elektrischen Stom entsteht vernachlässigen (das kann man dann in einer späteren Überlegung berücksichtigen). Auch die Ströme in den Phasen müssen nicht unbedingt als Sinus angenommen werden, vielleicht ist die Annahme eines Rechteckstroms erstmal einfacher.

Hier mit der Vorstellung von Magnetpolen zu arbeiten, ist wie mit dem Teilchenmodell von Licht Interferenzeffekte deuten zu wollen: es ist schlicht das falsche Denkmodell.