De Permanent Magneet Motor

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:
Ø20 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:
Ø20 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:
Ø6 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.