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Bau eines magnetgelagerten Mendocino Motor

Über das Projekt:

Das Projekt wurde im Rahmen der Projektwoche an der HRW begonnen. Angeregt durch Prof. Michael Schäfer wurde ein Entwurf eines Mendocino Motors angefertigt und dieser gebaut.

Über den Motor:

Ein Mendocino Motor ist ein durch Magnete gelagerter Motor, welcher mit Solarzellen angetrieben wird und so eine nahezu reibungslose Rotation des Läufers erlaubt.
Wenn Sonnenlicht auf die Solarzellen fällt fängt der Rotor an sich  zu drehen, und dass mit mehreren Umdrehungen pro Sekunde!

Das verwendete Werkzeug des FabLabs in den Gebäuden der Hochschule Ruhr West, besteht hauptsächlich aus dem Lasercutter und den Lötutensilien.

An weiterem Material wurden 6 Solarzellen, 4 große Ringmagnete für den Stator, 4 kleine Ringmagnete für den Rotor, Kupferlackdraht für die Wicklung sowie Acrylglas, welches mit dem Lasercutter bearbeitet wurde, benötigt.

Das Funktionsprinzip

Der Medocino Motor wandelt die Energie des Lichts über Solarzellen in elektrische Energie um, die wiederum durch Spulen in mechanische Rotationenergie umgewandelt wird.

Da über die kleinen Solarzellen nur eine kleine Leistung entnommen werden kann, muss der Motor möglichst reibungsfrei gelagert sein. Dies wird durch eine Magnetlagerung erreicht. Hierbei wird die Welle an zwei Stützstellen durch Magneten gehalten. Diese Magnete stoßen sich von den Magneten des Stators ab. Der Stator wird also in einer Potenzial-Kuhle gehalten.

Dies ist aber nur möglich, da die Welle an einem Ende abgestützt wird:

Darstellung der Magnetlagerung

Darstellung der Magnetlagerung (Eigene Darstellung)

Nachdem die Welle nun schwebt, muss sie noch in Rotation versetzt werden. Dafür wurden auf der Welle 6 Solarzellen mit einer Haltevorrichtung befestigt, sowie drei Spulen um den Rotor gewickelt.

Durch die Verbindung der Spulen mit den Solarzellen werden die Spulen bei Lichteinfall mit Strom durchflossen, wodurch gemäß dem Physikalischen Gesetz der Lorenzkraft eine Kraft auf den Leiter ausgeübt wird, da sich dieser im Magnetfeld des Magneten im Boden des Stators befindet:

Lorenzkraft auf Leiterstück ( Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lorentzkraft_auf_Leiterstueck.svg)

Damit aus der Kraft auf einen Leiter zu eine Drehbewegung wird, darf der Stromfluss in den Wicklungen aber nicht konstant sein, sondern er ist abhängig vom momentanen Drehwinkel des Läufers. Der Strom für die einzelnen Spulen muss also Kommutiert (umgeschaltet) werden.

Hierzu bietet sich an, die Kommutierung über die Position der Solarzellen im Bezug zur Sonne, somit also ihre Bestrahlungsstärke zu verwenden. Dies lässt sich durch eine geschickte Verschaltung der Spulen mit den Solarzellen leicht bewerkstelligen.

Wenn nun alles angeschlossen worden ist, kann der Läufer auf den Stator gelegt werden und in die Sonne gestellt werden, worauf der Rotor anfängt sich zu drehen

Vom Entwurf zum fertigen Design

Zu Beginn wurde mit Hilfe von Fischertechnik die magnetische Lagerung des Läufers erprobt. Hierzu wurde ein Stator aus Fischertechnik und den zur Verfügung stehenden Magneten gebaut, sowie ein Läufer, ebenfalls mit Magneten versehen, zusammengesteckt und in die Schwebe gebracht. Die so experimentell ermittelten Geometrien und Abstände wurden dann in ein Zeichenprogramm zum Erstellen von Vektorgrafiken (Inkscape) übernommen, und so der Stator aus Holzplatten mit dem Lasercutter angefertigt.

Links zu sehen: Prinzipmodell aus Fischertechnik. Rechts: Model aus Holz hergestellt mit dem Lasercutter

Vom Modell aus Fischertechnik zum Holzmodell aus dem Lasercuter (Eigene Darstellung)

Somit war der erste Teil getan, nun konnte es an den Läufer gehen. Hierzu wurde zuerst in Inkscape eine Halterung für die Solarzellen sowie die Spulen konstruiert.

Unser erstes Konzept sah die Kommutierung mit Reedkontakten vor, wovon wir uns versprachen die Kommutierung punktgenau  realisieren zu können, sowie mehr Leistung durch die Parallelschaltung der Solarzellen zu erhalten. Unser erster Versuch ist auch geglückt und der Läufer drehte sich im Licht, allerdings war dafür ein leistungsstarker Strahler nötig. Unser Motor sollte sich jedoch im Sonnenlicht drehen können.
Als größtes Problem haben wir hierbei die Kommutierung mit Reedkontakten identifiziert, da diese nicht an der Stelle öffnen und schlossen wie wir es uns erhofft hatten.

Aus diesem Grund sind wir dann zum Konzept der Kommutierung über den Lichteinfall auf die Solarzellen ausgewichen. Hierbei muss man wissen, dass eine Solarzelle, welche nicht beschienen wird, sich wie eine offene Klemme (sehr hoher Widerstand) verhält. Dies ermöglicht es, die beiden gegenüberliegenden Solarzellen so zu verschalten, das der Strom durch eine an beide Zellen angeschlossene Spule mal in die eine, mal in die andere Richtung fließt, je nachdem welche Solarzelle beleuchtet ist.

Wicklungsschema

Bei dem Wickeln der Spulen ist es wichtig, dass die Spulen denselben Wicklungssinn besitzen, da diese sonst gegeneinander arbeiten und der Rotor somit nicht dreht. Jede Spule besteht aus 60 Wicklungen Kupferlackdraht.

Zwei Solarzellen mit antiparalleler Verschaltung und verbindung mit einer Spule

Verschaltung zweier auf dem Stator gegenüberliegender Solarzellen (Eigene Darstellung)

Anordung der Spulen und Solarzellen auf dem Stator (Eigene Kreation)

Endergebnis

Das Endergebnis ist ein echter Erfolg! Der Motor dreht sich sehr schnell und läuft von alleine an schon an einem sonnigen Wintertag!

Das Foto vermittelt einen Eindruck davon wie schnell der Rotor sich dreht. Da die Kamera die Bewegung nicht schnellgenug abtasten kann erscheint der Rotor optische einer Torsion ausgesetzt.

Bei der Aufnahme mit der Videokamera konnte aufgrund des mehrmals auftretenden Stroboskopeffekts die Drehzahl auf über 10 Umdrehungen pro Sekunde abgeschätzt werden. Das sind über 600 Umderhungen pro Minute!

Der Rotor mit einer scheinbaren Torsion

Scheinbare Torsion des Rotors (Eigene Darstellung)

Stator.svg
Rotor.svg