Metallbaukasten

 
Schwinganker-Motor

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  Nach dem aufwändigen LKW des Jahres 2006 wurde in 2007 ein einfaches Motor-Modell gebaut, welches sich mit relativ wenigen Teilen realisieren lässt.
Die Idee dafür lieferte eine Publikation aus der Reihe "Technikgeschichte" mit dem Titel Der Page-Motor (Herausgeber: Deutsches Museum). Hierin wird u. a. das Wirken des amerikanischen Arztes und Physikers Charles Grafton Page (1812-1868) aufgezeigt und dessen Bemühungen, die Dampfkraft durch den Elektromagnetismus zu ersetzen.


Im Zuge seiner Forschungen präsentierte Page Anfang 1839 Konstruktionsbeschreibung und Zeichnung eines Motors, den er aufgrund der oszillierenden Bewegung des Ankers "Reciprocating" Motor nannte, übersetzbar etwa mit "schwingender" Motor, Motor mit Schwingbewegung des Ankers, Schwinganker-Motor.

Bildnachweis:
Dingler u. a. (Hrsg), Polytechnisches Journal Stuttgart 1839, 72. Bd. Taf. IV, Fig. 31.
Reciprocating-Motor nach Page
"Reciprocating" Motor nach Page

Der Antrieb dieses Motors besteht aus zwei U-förmigen Elektromagneten, über denen sich jeweils ein Weicheisenanker befindet.
Die beiden Anker sind über eine Schwinge miteinander verbunden und werden durch wechselseitiges Ein- und Ausschalten der Elektromagnete abwechselnd angezogen.
Die hierbei entstehende Bewegung wirkt auf einen Balancier, dessen zweite Seite über eine Pleuelstange und einen Exzenter das Schwungrad antreibt.
Das wechselseitige Schalten der Elektromagnete übernimmt ein auf der Welle angebrachter Kollektor.



Das Modell des Motors
Das Modell des Motors
Die Konstruktion des Modells erfolgte weitgehend gemäß der obigen Abbildung unter Wahrung des Maßstabes, verschiedene Modifikationen ließen sich dabei jedoch nicht vermeiden.
Da es sich um ein Funktionsmodell handelt, wurde zudem kein übertriebener Wert auf Äußerlichkeiten gelegt.

Da das klassische Metallbaukastensystem keine U-förmigen Elektromagnete enthält, wurden stattdessen 4 Märklin-Spulen verwendet und an einer verwindungssteifen Halterung befestigt. Die Spulen wurden so verschaltet, dass paarweise je ein magnetischer Nord- und Südpol nach oben zeigt.
Die 4 Märklin-Spulen
Die 4 Märklin-Spulen

Die Schwinge
Die Schwinge
Die Schwinge wurde vereinfacht aufgebaut, da eine Lagerung oberhalb der Anker geometrisch betrachtet eher ungünstig erschien.
Als magnetische Pole dienen Schraubenköpfe, die exakt über die Eisenkerne der Spulen zu justieren sind.

Der Balancier ist ebenfalls in einem verwindungssteifen Fuß gelagert und überträgt die Bewegung der Schwinge im Verhältnis 1:2 auf die Pleuelstange.
Der Balancier
Der Balancier

Der Exzenter
Der Exzenter
Die Pleuelstange arbeitet auf einen Exzenter mit einstellbarem Hub, auf dessen Welle gleichermaßen das 15cm-Märklin-Rad als Schwungrad befestigt ist.
Der Hub des Exzenters wurde zuerst auf 1/2 Zoll eingestellt, was einem Schwingenhub von 1/4 Zoll (6,35mm) entspricht.

Der Kollektor besteht aus zwei isoliert montierten weichen Bronzefedern, wie sie z. B. in der EMV-Technik (Elektromagnetische Verträglichkeit) verwendet werden, und einem rotierenden Kontakt, der sich ebenfalls auf der Welle befindet.
Der Kollektor
Der Kollektor

Da eine nennenswerte Anzugskraft nur in unmittelbarer Nähe der Anker zu den Elektromagneten wirkt, ist es ausreichend, den Kontakt pro Spulenpaar für etwa 1/4 Umdrehung zu schließen.
Eine längere Schließzeit trägt praktisch nicht zur Leistung der Maschine bei und erwärmt unnötig die Spulen.

Der rotierende Kontakt besteht aus einem Zahnrad, auf welchem ein Drahtbügel mit der Form eines 1/4 Kreises aufgeschraubt ist. Bei Drehung überstreicht der Drahtbügel abwechselnd die Bronzefedern und schließt somit den Stromkreis zur Struktur der Maschine für ca. 90.

Nach dem problemlosen Aufbau und der Einstellung erfolgte die Inbetriebnahme der Maschine, die sich jedoch als äußerst diffizil erwies. Auch nach stundenlanger Justage war es nicht möglich, den Motor mit vertretbarer Leistung dauerhaft in Betrieb zu halten; zeitweise wurde sogar angezweifelt, dass überhaupt ein funktionstüchtiges Exemplar dieser Maschine existiert haben soll. Angesichts dieser Situation wurde die Konstruktion untersucht, um evtl. Optimierungen durchführen zu können.


Da die elektromagnetische Kraft nur über eine sehr kurze Strecke wirkt, scheint ein möglichst kleiner Schwingenhub sinnvoll. Er wurde daher von 6,35mm auf 4mm verringert, wonach der Hub des Exzenters nun 8mm beträgt.
Mit abnehmendem Schwingenhub macht sich aber das in jeder mechanischen Kopplung und Lagerung vorhandene Spiel zunehmend störend bemerkbar. Durch Verwendung übereinander liegender und gegeneinander verschobener Flachbänder bzw. Flachstücke wurde das Spiel jeder Kopplung und Lagerung sorgfältig minimiert.

Zeichnerisch kann man ermitteln, dass die Geometrie des Motors nicht so symmetrisch ist, wie es auf den ersten Blick aussieht.


Die Geometrie des 
Schwinganker-Motors
Die Geometrie des Schwinganker-Motors
Obwohl z. B. zwischen den Punkten R und O.T. sowie L und U.T. jeweils ein Winkel von 90 liegt, sind die zugehörigen Hübe der Schwinge unterschiedlich. Die beiden Seiten der Schwinge "ziehen" daher auch unterschiedlich, was sich durch einen leicht unsymmetrischen Lauf der Maschine bemerkbar macht.

Dieser Effekt verschwindet jedoch mit zunehmender Länge der Hebel und ist im vorliegenden Fall vernachlässigbar.

Unerlässlich ist es dagegen, die Schaltzeitpunkte am Kollektor so genau wie nur möglich einzustellen und alle mechanischen Lagerungen mit einem Tropfen Feinöl zu schmieren.

Eine Ursache für die begrenzte Drehzahl des Motors liegt in der Induktivität der Spulen, welche den für das exakte Schalten erforderlichen steilen Stromanstieg verzögern. Spulen mit dickerem Draht und weniger Windungen wären hier vorteilhafter, benötigen bei kleinerer Spannung aber einen erheblich höheren Strom.

Als wesentlicher Grund für den extrem niedrigen Wirkungsgrad wurde erkannt, dass sich beim Wirken der größten elektromagnetischen Kraft zwischen Ankern und Elektromagneten der Exzenter nahezu in den Totpunkten befindet und die Kraft nur unzureichend in Drehmoment umgewandelt werden kann.
Einer Berechnung in der genannten Publikation zufolge wurde an einem Exemplar dieses Motors ein Wirkungsgrad von nur ca. 3% ermittelt.

Nach entsprechender Überarbeitung funktioniert der Motor bei einer Versorgungsspannung von 10V nun einigermaßen zufriedenstellend.
Die mittlere Leistungsaufnahme beträgt hierbei etwa 10W und reicht gerade aus, das Modell in Betrieb zu halten.



Und abschließend noch ein Video des Schwinganker-Motors (60s / 9,9MB).


Daten des Schwinganker-Motors:

Länge:41cm
Breite:15cm
Höhe:23,5cm
Gewicht:1,5kg
Anzahl der Bauteile:noch nicht ermittelt

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