Jahresbericht Auszug

Sabel GBS
Sabel GBS
„Elektrisch betriebener Sternmotor mit berührungsloser Steuerung“
von Josef Heinrizi, M4D
Was vereint Mechanik, Elektrik und elektronische
Steuerung in einer Projektarbeit? Ein elektrisch
betriebener Sternmotor mit berührungsloser
Steuerung, der im Rahmen der Projektarbeit
konstruiert und umgesetzt wurde.
Sieben kreisförmig angeordnete Spulen mit
Kolben aus Eisen bilden den mechanischen Teil
des Sternmotors. Bestromt man die Spulen,
so bewegen sich die Kolben axial, was in
eine Drehbewegung umgewandelt wird. Die
Ansteuerung der Spulen übernehmen sieben in
einer Reihe angebrachte optische Sensoren, die
mittels einer Spiegelfolie auf der Steuerwalze
geschaltet werden. Durch die Möglichkeit, die
Position der Sensoren zu verändern, kann die
Drehzahl variiert werden.
Sternmotor in CAD
Bereits vor Beginn der Projektarbeit
interessierte ich mich für Elektrik, Magnetismus
und Hubkolbenmotoren. Hieraus entstand die
Überlegung, diese Interessengebiete in einem
Projekt zu vereinen – die Idee des berührungslos
gesteuerten Sternmotors war geboren. Neben
meinem Interesse motivierte mich auch die
Chance, meine in der Berufsausbildung,
Weiterbildung gesammelten Erfahrungen hier
praktisch einbringen zu können, von der Idee
über die Berechnung und die Konstruktion bis
hin zur praktischen Umsetzung.
„Stern“ mit Spulen, Kolben und Pleuelstangen
Der Stern besteht aus sieben selbst berechneten
und gewickelten Spulen die kreisförmig an
einem Rohr angebracht sind. Die Kolben sind
über Pleuelstangen mit der Kurbelwelle und
dem berechneten Gegengewicht verbunden.
Bestromt man die Spulen, so werden die Kolben
durch das entstehende elektromagnetische
Feld in diese gezogen. Diese Kraft wird
von der Kurbelwelle in eine Drehbewegung
umgewandelt.
Die Ansteuerung der Spulen in der richtigen
Reihenfolge, zum richtigen Zeitpunkt und
mit der korrekten Dauer übernimmt die
Steuerwalze, indem sie auf der Sensorleiste
montierte optische Sensoren schaltet. Durch
eine dreieckige Form der Spiegelfolie lässt sich
die Ansteuerdauer durch axiales verschieben
der Sensorleiste während des Betriebs stufenlos
einstellen. Der Ansteuerbeginn kann ebenfalls
durch radiales Verstellen der Steuerleiste
stufenlos variiert werden.
Steuerwalze und Sensorleiste
Der Schaltstrom der optischen Sensoren ist
zu gering, um den Spulenstrom zu schalten.
Aus diesem Grund wurde eine Schaltung zur
Verstärkung des Stroms konstruiert. Hierbei
wurde bereits bei der Planung auf eine
übersichtliche und einheitliche Platzierung auf
der Platine geachtet. Zur Messung von Strom,
Spannung und Drehzahl wurden zusätzlich
Messgeräte angebracht, um während des
Betriebs die wichtigsten Parameter ständig
überprüfen zu können.
Platine mit Kühlkörper und Messeinheit
Ursprünglich war zur Ansteuerung der Spulen
die Verwendung von Magnetfolie und Reed
Kontakten angedacht. Da die Polarität dieser
Folie wechselt, stellte sich diese Form der
Ansteuerung im vorliegenden Fall als nicht
praktikabel heraus. Aus diesem Grund fiel
die Wahl schließlich auf die nun verwendete,
optische Ansteuerung mittels Spiegelfolie und
optischer Sensoren.
Um herauszufinden,
welches Material es bei
den Spulengrundkörpern
zu verwenden galt, wurde
ein Experiment durchgeführt.
Drei Rohre, eines
aus Aluminium, eines aus
Messing und eines aus
Kunststoff, wurden in einer
Halterung verbaut. Diese
ermöglichte es, Dauermagneten
gleichzeitig in
Wirbelstromexperiment
die Rohre fallen zu lassen
und die Fallgeschwindigkeit zu ermitteln. Die
Magneten im Aluminium- und im Messingrohr
wurden deutlich abgebremst. Aus dem
Experiment wurde ersichtlich, dass in leitenden
Materialien Wirbelströme entstehen, die den
Kolben abbremsen würden. Aus diesem Grund
fiel der Entschluss, ein Kunststoffrohr zu
verwenden.
Nach der Themenfindung wurde mit der
Aufstellung eines Zeitplans für das Projekt
begonnen. Hiernach folgten die groben
Überlegungen zur Funktionsweise und zur
Umsetzung sowie die ersten Handskizzen
und CAD Zeichnungen. Auch mit der
Spulenwicklung wurde begonnen. Die
Dokumentation des Projekts erfolgte stets
parallel zur Konstruktionsarbeit in CAD und der
praktischen Umsetzung. Um die Funktionalität
des Sternmotors jederzeit gewährleisten
zu können, wurden die CAD-Entwürfe
laufend auf Umsetzbarkeit, Festigkeit und
Funktionsweise hin überprüft. Dies geschah
sowohl durch Computersimulationen als auch
durch praktische Funktionstests. Nachdem die
Maße der Konstruktion in CAD definiert waren,
wurden Berechnungen zum Drehmoment, zur
Kolbengeschwindigkeit, zur Leistung und zum
Massenausgleich vorgenommen. Zum Schluss
wurde das Projekt in Form einer Präsentation
in der Schule vorgetragen und der fertige
Sternmotor zur Veranschaulichung vorgestellt.
An dem fertigen, funktionsfähigen Modell
konnten die Kommilitonen alle Einstellungen
am laufenden Motor austesten.
Fertiges Modell des Sternmotors
Mir selbst hat das Projekt gezeigt, dass ein
solches Vorhaben nur durch eine Verknüpfung
der einzelnen Fächer (Technische Mechanik,
Maschinenelemente, Steuerungstechnik,
Elektrotechnik, Konstruktion, Mechatronik), der
Technikerschule sowie meiner vorhergehenden
Berufsausbildung und -praxis möglich ist.
Gerade diese interdisziplinären Erfahrungen
werden mir in meiner beruflichen Zukunft
sicherlich bei der Erkennung und Behandlung
von Problemen zu Gute kommen.
Für das Projekt waren insgesamt 22 Wochen
veranschlagt, es zog sich jedoch tatsächlich
auf 28 Wochen. Die Spulen bestehen aus
1000 Windungen mit 0,4 mm lackisoliertem
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