Elektromagnetisch betriebener Sternmotor mit berührungsloser Steuerung

Projektarbeit von Josef Heinrizi am Sabel GBS-Technikum, Fachrichtung Maschinenbau

Ziel des Projektes ist es, einen funktionsfähigen, elektromagnetisch betriebenen Sternmotor zu konstruieren und zu bauen.

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

Ein Sternmotor hat kreisförmig angeordnete Zylinder. Bei einem Hubkolbenmotor, der mit Verbrennung von Kraftstoff (Benzin, Diesel, Gase) arbeitet (2/4 Takt Verbrennungsmotor), entsteht die Kraft in den Zylindern durch die Verbrennung von Kraftstoff. Bei einem elektrisch angetriebenen Hubkolbenmotor ist der Zylinder durch eine Spule ersetzt. Dabei entsteht die Kraft durch ein elektromagnetisches Feld, das von der Spule mittels Stromfluss erzeugt wird und auf den Kolben übertragen wird.

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.

„Stern“ mit Spulen, Kolben und Pleuelstangen
„Stern“ mit Spulen, Kolben und Pleuelstangen

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
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. Herbei 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.

Messeinheit und Platine mit Kühlkörper
Messeinheit und Platine mit Kühlkörper

Ursprunglich 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 optischen Sensoren.

Um herauszufinden welches Material es bei den Spulengrundkörpern zu verwenden galt, wurde ein Experiment durchgeführt.

Wirbelstromexperiment
Wirbelstromexperiment

Dazu wurden drei Rohre (Durchmesser 10 mm, Wandstärke 1 mm) aus Kunststoff, Messing und Aluminium in eine Vorrichtung gebaut, die es ermöglicht, drei Magnete gleichzeitig in die Rohre fallen zu lassen. Daran kann man sehr schön erkennen, dass bei den Aluminium- und Messingrohren der Fall des Magneten durch entstehende Wirbelströme abgebremst wird.
Durch eine relative Bewegung zwischen einem Magnetfeld und einem leitenden Material wird eine Spannung induziert, die in den Rohren kurzgeschlossen wird. Der Stromfluss erzeugt seinerseits ein Magnetfeld, das dem des fallenden Magneten entgegenwirkt, dadurch wird der Magnet gebremst. Die Wirbelstromwirkung ist beim Aluminiumrohr am größten, da die Leitfähigkeit von Aluminium besser ist als die von Messing. Dadurch fällt der Magnet im Aluminiumrohr am langsamsten, gefolgt vom Messingrohr. Im Kunststoffrohr ist gar keine Bremswirkung vorhanden da im Kunststoff keine Spannung induziert werden kann.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. Um die Funktionalität des Sternmotors jederzeit gewährleisten zu können, wurden die CAD-Entwürfe laufend auf Umsetzbarkeit, Festigkeit und Funktionsweise hin überprüft. Dieses 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.

Fertiges Modell des Sternmotors
Fertiges Modell des Sternmotors

Zum Schluss wurde das Projekt in Form einer Präsentation in der Schule vorgetragen und der fertige Sternmotor zur Veranschaulichung vorgestellt.