De Permanent Magneet Motor: door:
Thierry Dejaegere
Thinnov Lomolenstraat 2 9880 Aalter – Lotenhulle België www.thinnov.be
I. Voorwoord De zoektocht naar alternatieve energiebronnen is reeds lange tijd aan de gang. Door de voortdurende belasting van het milieu door het gebruik van vervuilende energiebronnen zoals fosiele brandstoffen (steenkool, aardolie), kernenergie, ... is de roep naar niet vervuilende brandstoffen steeds luider gaan klinken. In het volgende boek ga ik proberen om de werking van een motor uit te leggen die enkel en alleen werkt met PERMANENTE MAGNETEN. Om dit te doen vertrekken ik van elektromagnetisme. De werking van de Permanent Magneet Motor is immers gebaseerd op de werking van een elektromotor. Na het lezen van dit boek moet de werking van deze motor voor iedereen duidelijk zijn. Alvast veel leesgenot toegewenst.
II.De gelijkstroom elektromotor In dit hoofdstuk wordt de werking van een elektromotor kort besproken. We gaan niet goochelen met formules om koppel, vermogen en verliezen te berekenen. Het gaat er immers om het werkingsprincipe. We vertrekken van het magnetisch veld bij een stroomvoerende geleider, een bekrachtigde spoel en een permanente magneet. Hierna behandelen we het effect van een magnetisch veld op een stroomvoerende geleider, een bekrachtigde spoel en een permanente magneet.
A.Het magnetisch veld bij een stroomvoerende geleider Rondom een stroomvoerende geleider krijgen we altijd een magnetisch veld. Aan de hand van de kurketrekkerregel of de rechterhandregel is het heel eenvoudig om de richting van de magnetische veldlijnen te bepalen.
In nevenstaande figuur worden de magnetische veldlijnen weergegeven bij twee stroomvoerende geleiders (de geleiders liggen hier mooi naast elkaar). Dit effect wordt bij meerdere stroomvoerende geleiders herhaald. Wat ons uiteindelijk brengt bij een spoel of solenoïde. Hier moeten we ook nog bijkomende opmerking maken: Wanneer de stroom door de geleiders in dezelfde richting vloeit trekken de geleiders elkaar aan, wanneer de stroom in tegengestelde richting vloeit stoten ze elkaar af. Dit wordt voorgesteld in de figuur. De geleiders worden voorgesteld door een cirkeltje waar ofwel een bolletje of een kruis in getekend wordt. Bij de voorstelling met het bolletje wordt de stroomrichting uit het blad komend bedoelt (de top van een pijlpunt), bij de voorstelling met het kruis is dit in het blad gaand (de achterzijde van de pijl). Kurketrekkerregel: Draai zo aan de kurketrekker dat hij in de richting van de stroom gaat, de draairichting bepaalt de richting van de veldlijnen.
Rechterhandregel: hou de duim in de richting van de stroomzin, neem de geleider vast, de vingers volgend de richting van de veldlijnen.
B.Het magnetisch veld bij een bekrachtigde spoel Eerst bekijken we een spoel gevormd door slechts één winding. Dit doen we omdat de vergelijking met een rechte stroomvoerende geleider eenvoudig te maken is. Hier zie je al dat het magnetisch veld een duidelijke richting (N-Z) krijgt.
Een spoel met meerdere windingen gaan we vergelijken met de meerdere stroomvoerende evenwijdige geleiders en de voorgaande spoel die bestond uit slechts één winding. Deze spoel heeft een zeer duidelijk magnetisch veld. Ook de veldlijnen zijn duidelijk geconcentreerder.
C.Het magnetisch veld bij een permanente magneet Een permanente magneet zoals voorgesteld in de figuur kan je het best gaan vergelijken met een spoel. Zie punt B. Beide figuren geven een gelijk magnetisch veld.
D.Een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld Bij een bespreking van de werking van een elektromotor hoort ook het gedrag van een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld. Een stroomvoerende geleider ondervindt in een magnetisch veld namelijk een kracht, de lorentzkracht genoemd. Deze kracht zorgt er voor dat alle elektrische motoren kunnen werken. Aan de hand van enkele eenvoudige figuren geven we een korte uitleg van wat de lorentzkracht eigenlijk is. Deze figuur toont de invloed van het magnetisch veld op een stroomvoerende geleider. De geleider wordt hier naar links uit het magnetisch veld gedrukt. Met de linkerhands regel kan men eenvoudig de richting van de lorentzkracht bepalen. De linkerhandsregel: hou de richting de duim van de linkerhand loodrecht op de richting van de vingers, laat de veldlijnen van de palm van de hand naar de rug van de hand gaan, de vingers in de richting van de stroom, de duim duidt nu de richting aan van de lorentzkracht. In vorige figuur zagen we het effect op een stroomvoerende geleider. In deze figuur wordt het effect op een stroomvoerende winding getoond die draaibaar opgesteld staat. De winding wil onder invloed van het magnetisch veld ronddraaien. Het principe van de elektromotor.
Niet alleen elektromotoren werken op dit principe, ook de meeste analoge meetinstrumenten werken op dit principe. De naald van het meettoestel wordt verbonden met de windingen (het draaispoeltje). Het moment, de lorentzkracht op de windingen, werkt hier tegen de spankracht van een veer in waardoor de spoel en daarmee ook de naald verdraait.
E. Gelijkstroommotoren In gelijkstroommotoren wordt het effect van een magnetisch veld op stroomvoerende geleiders gebruikt om elektrische energie om te zetten in mechanische energie. In vorige paragraaf staat vermeld dat een stroomvoerende winding, die draaibaar opgesteld is, onder invloed van het magnetisch veld rond wil draaien. Het magnetisch veld dat de winding beïnvloed wordt in de praktijk gevormd door elektromagneten of bij kleinere motoren permanente magneten.
In bovenstaande figuur zie je wat gebeurt met de bekrachtigde winding. Links hebben we het maximale draaimoment. In het midden het draaimoment bij een verdraaiing van de winding onder een hoek van 30°. Rechts hebben we het moment bij een verdraaiing van 90°. Bij de verdraaiing onder een hoek van 90° staat het magnetisch veld van de winding in lijn met het veld van het beïnvloedende veld. Dit geeft ons op dit ogenblik een moment dat gelijk is aan nul. De winding draait niet verder. (Kan onder invloed van de traagheid van de winding (het anker) nog wat weg en weer wiegen.) Hieruit blijkt dat, om dit te gebruiken als elektromotor, er nog een aanpassing nodig is. Hiervoor heeft men als oplossing de commutator. In deze figuur wordt weergegeven wat de commutator nu juist doet. Wanneer de winding draait komt ze op een bepaald ogenblik op het punt dat het koppel wegvalt (in de grafiek bij 0° en 180° en wanneer een volledige omwenteling uitgevoerd is). Om nu te zorgen dat de winding verder draait wordt de commutator gebruikt. De commutator wordt gevormd door de halve manen en de koolborstels. Zoals je kan zien in de figuur wordt, op het ogenblik dat het moment van de winding gelijk is aan 0, de winding omgekeerd bekrachtigd. Omdat het moment van de winding hier enkele keren volledig wegvalt is dit voor een motor niet ideaal. Om het koppel gelijkmatiger te laten verlopen worden meerdere windingen toegepast. Zoals je ziet in de figuur is het aantal contacten van de commutator navenant gewijzigd. In de figuur zie je drie windingen met zes contactpunten (twee contactpunten per winding).
F. Gelijksstroommotor met meerdere poolparen In voorgaande figuren werd altijd vertrokken van één poolpaar. Omdat de Permanent Magneet Motor geconstrueerd wordt met twee poolparen wordt in de figuur getoond hoe dit opgebouwd wordt bij elektromotoren.
III.De Permanent Magneet Motor Nu de werking van een gelijkstroom elektromotor zijn geheimen prijsgegeven heeft is de stap naar de Permanent Magneet Motor niet groot. In dit hoofdstuk wordt deze motor verder besproken. Deze figuur toont ons een magneetpool (stator) en een rotormagneet. Zoals de magneten nu ten opzichte van elkaar geplaatst zijn wil de rotormagneet linksom (tegen uurwijzerzin) draaien. Net zoals een spoel bij een elektromotor. In deze tekening zien we een tandwielcombinatie. Deze wordt gebruikt om het verdraaien van de rotormagneet ten opzichte van de magneetpool (stator) te regelen en aldus onder controle te houden. De rotormagneet is vast bevestigd met het zonnewiel (het tandwiel gelegen op de buitenste cirkel). Het statortandwiel (het centrale tandwiel) is vast met de magneetpool verbonden. Opmerking: Dit tandwiel wordt wel verdraaid om de stand van de rotormagneten te beïnvloeden wat we later nog zullen behandelen. Het tussentandwiel vormt een verbinding tussen het zonnewiel en het statortandwiel. Het tussentandwiel en het zonnewiel zijn bevestigd op de rotor van de motor. Het tussentandwiel is bevestigd op een as op de rotor. Het zonnewiel is op de as bevestigd van de rotormagneet. In de rotor draait de rotormagneet. Uit het voorgaande kunnen we het volgende besluiten. De rotormagneet wil ronddraaien. Doordat hij vast aan het zonnewiel hangt gaat de rotormagneet ook verplaatst worden. Dit gaat als volgt: Het zonnewiel wil linksom draaien. Door de koppeling, door middel van het tussenwiel, aan het statortandwiel (staat vast) gaat de rotor draaien. De rotor neemt nu op zijn beurt het tussenwiel, het zonnewiel en de rotormagneet mee waardoor de positie van de rotormagneet wijzigt.
In de figuren op de volgende bladzijde worden verschillende standen weergegeven (blauw = noord ; rood = zuid). Opmerking: het magnetisch veld is omgekeerd aan het magnetisch veld dat weergegeven werd in de eerste figuur van deze paragraaf ; hieruit volgt dat de rotatierichting van de rotormagneten rechtsom (wijzerzin) is in plaats van linksom. Links zien we de startstand. In het midden zien we een stand wanneer de rotor 15° verdraaid is (linksom). Rechts zien we een stand waarbij de rotor 30° verdraaid is (linksom). In de volgende figuren kan je zien hoe de magnetische velden van de statormagneten en de rotormagneten elkaar beïnvloeden. De simulaties werden bekomen met behulp van het simulatieprogramma FEMM versie 4.2. De figuren zijn zo geplaatst dat ze het volgende weergeven: De tweede rij heeft het statorveld weer. Hiervoor werd de kern als lucht beschouwd. De derde rij heeft het rotorveld weer. Hierbij werden de statormagneten als lucht beschouwd. De vierde rij heeft de twee magnetische velden over elkaar zonder onderlinge beïnvloeding. Dit werd bekomen door middel van photoshop elements 6.0 waarbij beide figuren over elkaar werden geplaatst en één ervan voor de helft doorzichtig gemaakt werd. De vijfde rij heeft de twee magnetische velden weer met onderlinge beïnvloeding. Het is duidelijk zichtbaar dat de magnetische velden zo goed als loodrecht op elkaar staan. Dit is absoluut noodzakelijk willen we bekomen dat de rotormagneten gaan ronddraaien. Om de motor te starten en te stoppen verdraaien we het statortandwiel. Hierdoor kunnen we het magnetisch veld van de rotormagneten in dezelfde richting brengen als het magnetisch veld van de statormagneten. Hierdoor krijgen we een maximale aantrekkingskracht en willen de rotormagneten niet meer verder draaien. De motor staat stil en kan eventueel zelfs gebruikt worden als rem. Door het statortandwiel vanuit stilstand in de één of de andere richting te verdraaien kan men ook de draairichting van de motor bepalen. De hoekverdraaiing bepaalt ook nog het geleverde koppel, vermogen van de motor. Nu alles besproken is kan er overgegaan worden naar de effectieve constructie van de Permanent Magneet Motor. Op de volgende bladzijden worden de verschillende constructietekeningen weergegeven. Met deze plannen kan de Permanent Magneet Motor volledig nagebouwd worden.
Rotor 0° verdraaid
Rotor 15° verdraaid
Rotor 30° verdraaid
IV.Stuktekeningen: Bij deze stuktekeningen vind je de verschillende specificaties en opmerkingen zoals: Materiaal Opmerkingen omtrent toleranties Opmerkingen omtrent afmetingen Het toestel waarvan deze tekeningen een onderdeel zijn is een prototype. De bedoeling is dit prototype te bouwen en controleren of het ontwerp beantwoord aan de verwachtingen. Het belangrijkste dat voor ogen gehouden wordt is dat het mechanisch zo gemaakt is dat de onderdelen, zoals voorzien, zonder problemen kunnen bewegen.
A.Rotor- en statormagneet
Materiaal:
Samarium Cobalt
Toleranties: Afmetingen: Aantal:
Statormagneet 4 Rotormagneet 8
B.As rotormagneet
Materiaal:
St37
Toleranties: 6 h6 = niet direct van belang zoals besproken (er worden wel kogellagers op gemonteerd) Afmetingen: Schroefdraad M4 minimum 10mm diep Aantal:
8
C.Centrale as
Materiaal:
St37
Toleranties:
Ø20 h7 = zoveel mogelijk benaderen Ø19 g6 = zoveel mogelijk benaderen (montage van lager)
Afmetingen: Schroefdraad M12 minimum 25mm diep Aantal:
1
D.Steunas centrale as
Materiaal:
St37
Toleranties:
Ø20 h6 = zoveel mogelijk benaderen Ø15h6 = zoveel mogelijk benaderen
Afmetingen:
Schroefdraad M4 minimum 10mm diep
Aantal:
1
E. Lagerklem
Materiaal:
St37
Toleranties: Afmetingen: Aantal:
1
F. Afstandsringen
Stuk 1 Materiaal:
Stuk 2
Stuk 3
St37
Toleranties: Afmetingen: Aantal:
Stuk 1: Stuk 2: Stuk 3:
8 16 1
G.Motorhuis
Materiaal:
St37
Toleranties: Afmetingen: Aantal:
1
H.Rotormagneethouder Rechts
Materiaal:
Aluminium
Toleranties:
Ø20 h7 = zoveel mogelijk benaderen Ø19 P7 = zoveel mogelijk benaderen 6 JS9 = zoveel mogelijk benaderen
Afmetingen: Vooral de aangeduide afwijkingstolerantie is belangrijk Aantal:
1
I. Rotormagneethouder links
Materiaal:
Aluminium
Toleranties:
Ø20 h7 = zoveel mogelijk benaderen Ø19 P7 = zoveel mogelijk benaderen 6 JS9 = zoveel mogelijk benaderen
Afmetingen: Vooral de aangeduide afwijkingstolerantie is belangrijk Aantal:
1
J. Rotormagneethouder kern
Materiaal:
dynamoblik
Toleranties:
Ø20 H7 = zoveel mogelijk benaderen 6 JS9 = zoveel mogelijk benaderen
Afmetingen: Aantal:
86
(Wordt voorlopig niet gemaakt)
K.Lagerbus tussentandwiel
Materiaal:
koper
Toleranties:
Ø6 h6 = zoveel mogelijk benaderen (er wordt een tandwiel op gemonteerd dat moet kunnen draaien)
Afmetingen: Aantal:
5
L. Statormagneet klem
Materiaal:
koper
Toleranties: Afmetingen: Afmetingen 3, 6, 8 en 16 kunnen met vrij grote tolerantie de hoek is wel belangrijk Aantal:
4
M.Motorhouder links
Materiaal:
aluminium
Toleranties: Afmetingen: Diameters 140 en 20 moeten zoveel mogelijk concentrisch Afmeting 21,5 minimum Aantal:
1
N.Motorhouder rechts
Materiaal:
aluminium
Toleranties:
Zoveel mogelijk benaderen
Afmetingen: Diameters 130 en 32 moeten zoveel mogelijk concentrisch Aantal:
1
O.Motordeksel
Materiaal:
aluminium
Toleranties: Afmetingen: Aantal:
1
P.Worm (te bewerken)
Materiaal: Toleranties: Afmetingen: Aantal:
1
Dit stuk wordt aangekocht enkel de groef dient nog gedraaid te worden.
Q.Positiehendel
Materiaal:
aluminium, St 37 (naar keuze)
Toleranties: Afmetingen: Aantal:
1
R.Afstandsring eind
Materiaal:
St37
Toleranties: Afmetingen: Aantal:
1
S.Lange afstandsring
Materiaal:
St37
Toleranties:
vooral de ondergrens behouden
Afmetingen: Aantal:
1
T. Andere onderdelen De onderdelen die hiervoor beschreven werden zijn de onderdelen die gemaakt of bewerkt moeten worden. De standaardonderdelen die gebruikt worden, zoals tandwielen, lagers enz. worden aangekocht.
U.Montage Een montagehandleiding en eventuele lijst met de aan te kopen onderdelen kunnen altijd aangevraagd worden via e-mail:
[email protected].
Indien u dit ontwerp wil bouwen en uittesten wens ik u alvast veel succes toe.
