Reihenschaltung von Motoren

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    • Reihenschaltung von Motoren

      Hallo,

      irgendwie wurde mein Beitrag im Forum nicht so ganz verstanden. Um den betroffenen Thread nicht weiter zu stören, mach ich hier weiter. Eigenzitat:

      Wolfgang schrieb:

      Ganz besonders hat mich Deine Antriebsmotorgeschichte interessiert. Man hat Dir empfohlen, die Motoren in Reihe zu schalten? Darüber bin ich gestolpert.

      Allerdings hab ich von DC-Motoren allgemein schon keine große Ahnung und Deine speziellen Motoren kenn ich gar nicht.

      In meinen Augen sind die Kleinmotoren, mit denen wir es hier zu tun haben, lediglich mehr oder minder gute Wackelkontakte. Deren Innenwiderstand schwankt - je nach Drehwinkel - zwischen unendlich und nahezu Kurzschluss. Wenn man zwei derartige "Wackelkontakte" in Reihe schaltet, dann wirds kompliziert.

      Weiterhin besitzt jeder Motor eine erhebliche Induktivität. Wenn man mit einem Wackelkontakt eine Induktivität in Reihe schaltet, dann gibts Funken (an den Bürsten). Ähnlich wie beim Auto das Zusammenspiel von Unterbrecherkontakt und Zündspule. Die wirksame Induktivität ist von der mechanischen Belastung und Drehzahl abhängig.

      Ich halte die Inbetriebnahme einer derartigen Reihenschaltung für hochkomplex. Ich würde erstmal den Versorgungsstrom der Reihenschaltung oszillografieren und dann einen Motor so um seine Achse drehen, dass die HF-Ströme bei allen Lastbedingungen ein Minimum erreichen. Verfügst Du über ein Oszi?

      Danach müsste man eigentlich jeden Motor mit einem hochbelastbaren low-ESR-Elko shunten, damit der andere Motor hauptsächlich nur den Innenwiderstand der Batterie "sieht".

      Ein Elko verbietet sich aber wegen des bidirektionalen Betriebs der Maschinen, denn Du willst ja auch rückwärts fahren. Also muss man sich die benötigte Shunt-Kapazität aus hochwertigen Folienkondensatoren zusammenstückeln.

      Parallel zu seinem Shunt-Kondensator muss dann jeder Motor mit der üblichen LLC-Drosselkombination entstört werden.

      Das alles ist kein Selbstgänger. In jedem Fall solltest Du Deine Empfangsanlage und Antenne schon mal so weit wie möglich von Deinen Motoren entfernt anbringen. Und darauf achten, dass Du noch gut an die vier Antriebsmotoren rankommst. Zu verhindern wäre auch, dass Dein metallischer Motorhalter als Sendeantenne für Motorfunkstörungen wirkt. Der ist kapazitiv mit den Motoren gekoppelt. Eine lange Masseleitung hilft nichts, weil Dein Modell so groß ist, dass die Masseleitung nur noch als Induktivität wirkt und ggfls. alles - durch Resonanzen - noch schlimmer macht. Eventuell wäre es besser gewesen, die Motoren in hartem und temperaturstabilen Plastik zu lagern.

      Ich will Dir aber keine Panik machen. Vielleicht geht alles gut. Hängt ja auch sehr von der Störsicherheit Deiner Fernsteuerung und Deinen Ansprüchen an die Reichweite ab.

      Aber eine Reihenschaltung von DC-Motoren ist in jedem Fall elektronisch keine saubere Lösung.

      Ich messe den Betriebsstrom eines mit 12V betriebenen Motors:



      Man sieht sehr deutlich den Gleichstrom, den variablen Strom des Polwenders und, das überlagerte HF-Rauschen und sogar dieBürstenfeuer-Peaks.

      Sobald ich einen zweiten Motor dazu in Reihe schalte und die Spannung auf 24V erhöhe, wird das Bild komplex



      Der Gleichstrom ist gleichgeblieben. Aber das Pulsieren der beiden Polwender ist phasenverschoben, weil ich die Motoren nicht ausgerichtet hab. Das HF-Rauschen ist 1,4-fach gestiegen (so sagt die Theorie). Aber was wirklich stört ist das erheblich gestiegene Bürstenfeuer. Das entsteht durch die im o.a. Zitat geschilderten Vorgänge und macht eine korrekte Entstörung sehr schwierig. Zum Beispiel funktioniert das Konzept der stromkompensierten Drosseln nicht mehr, die ich an anderer Stelle beschrieb.

      Grundsätzlich rate ich von der Reihenschaltung von Motoren ab.

      Viele Grüße

      Wolfgang
    • Ei guck....

      wenn man nur ein wenig aufmerksam rumspielt, dann entdeckt man manchmal Dinge, die man so noch nicht gewusst hat.

      Tatsächlich gibt es eine Anwendung, bei der in Reihe geschaltete DC-Motore sehr wohl sinnvoll sind. Nämlich bei einem Elektro-Auto. Dort ersetzt die Reihenschaltung sozusagen das Differential, wenn man jedem Reifen einen eigenen Motor spendiert.

      Die Seite, die stärker belastet wird, erzeugt eine geringere EMK. Dadurch erhält der gegenüberliegende Motor der Reihenschaltung mehr Betriebsspannung und dreht schneller.

      Praktisch eine elektrische Nachbildung eines Differentialgetriebes. Ziemlich tricky, finde ich.

      Viele Grüße

      Wolfgang
    • Hi Wolfgang,

      denke beim RC Car macht es praktisch nicht si viel Sinn einen Motor pro Reifen.

      Allerdings ist dies eine gängige Praxis bei RC Landmaschinen und teilweise bei Baumaschinen.
      Hier werden die Motroren dann einen ein Rohr geklemmt, welches die Achse bildet. Das kann dann pendelnt aufgehangen werden
      Gruß aus Ost-Westfalen

      Carsten
    • Hallo Wolfgang,

      dein Interesse in allen Ehren hier etwas "Leben" in das Forum zu bringen, ist ok.
      Was ich weniger gut finde, ist Meinungen, Unwissen und Sachverhalte in einer Mischung darzustellen wie du es im ersten Beitrag als Aufhänger getan hast.

      Punkt 1.

      Zitat: "Allerdings hab ich von DC-Motoren allgemein schon keine große Ahnung und Deine speziellen Motoren kenn ich gar nicht." Auf diese selbstattestierte Aussage hin den Beitrag mit einer Empfehlung wie Zitat: " Aber eine Reihenschaltung von DC-Motoren ist in jedem Fall elektronisch keine saubere Lösung" zu beenden, ist ein Widerspruch und führt sich selbst ad absurdum. So baut man keine fundierten Sachbeiträge auf.

      Punkt 2.
      Zitat : In meinen Augen sind die Kleinmotoren, mit denen wir es hier zu tun haben, lediglich mehr oder minder gute Wackelkontakte. Deren Innenwiderstand schwankt - je nach Drehwinkel - zwischen unendlich und nahezu Kurzschluss. Wenn man zwei derartige "Wackelkontakte" in Reihe schaltet, dann wirds kompliziert."

      Diese Meinung ist ganz allein deine und obendrein sachlich falsch.
      Elektromotoren sind Maschinen, die elektrische Leistungen (Spannung x Strom ) in mechanische Leistung (Drehmoment x Drehzahl) wandeln. Die dabei auftretenden Verluste in Form von Wärme, elektromagn. Störstrahlungen u.a. sind bauart- und betriebsbedingt sehr unterschiedlich stark ausgeprägt .
      An diesem Beispiel ist sehr gut dargestellt das ein Bürstenmotor keinesfalls einen Innenwiderstand hat, welcher zwischen Null und unendlich schwankt.

      Bei einem 3-teiligen Kollektor schwankt der Innenwiderstand zwischen dem ohmschen Anteil einer Wicklung und 2 Wicklungen, sowie den Übergangswiderständen Bürste - Kollektorlamelle.
      Die Motoren in meinem Modell haben laut Datenblatt einen 12-teiligen Kollektor. Wenn dort jede Bürste in Abhängigkeit vom Drehwinkel max 2 Lamellen galvanisch verbindet, so werden 2 oder max. 4 von 12 Wicklungen kurzgeschlossen. Somit verbleiben für den Innenwiderstand 8 oder 10 Wicklungen plus den Bürstenübergangswiderständen. Daraus ergibt sich eine sehr viel kleinere Schwankungsbreite. Der Vorteil von Trommelankern mit vielen Wicklungen ist somit eine kleinere Schwankung des inneren drehwinkelabhängigen Innenwiderstandes - eine gleichmäßigere Drehmomententwicklung und damit ein ruhigerer gleichmäßiger Lauf.

      Punkt 3.
      Zitat: "Die wirksame Induktivität ist von der mechanischen Belastung und Drehzahl abhängig." Dies ist unrichtig. Korrekt wäre: Die magnetische Indukktion oder elektrische Spannung ist abhängig von der Höhe des Stromes und seiner zeitlichen Änderung.
      Die induzierte zeitlich abhängige Spannung u(t) = L x di(t) / dt. Darin ist L eine Bauteilkonstante (auch Selbstinduktion o. Induktivität ) mit der Maßeinheinheit H = Henry. Diese Bauteilkonstante ist konstruktiv festgelegt und damit betriebsunabhängig.

      Punkt 4.
      Zitat: "Zu verhindern wäre auch, dass Dein metallischer Motorhalter als Sendeantenne für Motorfunkstörungen wirkt. Der ist kapazitiv mit den Motoren gekoppelt."

      Richtig ist: Der Motorhalter aus Aluminium ist galvanisch mit den Motoren verbunden. Dies dient zur besseren Wärmableitung. Eine Beeinträchtigung der Empfangsqualität des RC-Empfängers habe ich bisher in keinem meiner Modelle feststellen können. Und dies seit über 25 Jahren. Weder beim 40-MHz-Band noch im 2,4 GHz-Bereich.

      Punkt 5.
      Reihenschaltung von Induktivitäten (Spulen)

      Für die Reihenschaltung von Spulen gilt Lges = L1 + L2. Analog zur Reihenschaltung von Widerständen mit Rges = R1 + R2.

      Für einen Drehzahlsteller erscheint damit meine 4-Motoren-Antriebslösung so, als wären 2 große Motoren (mit Doppelanker) parallel auf die 2-Wellenanlage geschaltet. Das ist nicht kompliziert oder schwierig und funktioniert seit Jahren in anderen Modellen einwandfrei.
      Alternativ könnte man zwecks Erhöhung der Manövrierbarkeit auch einen Steller je Antriebsstrang verwenden.

      Punkt 6. Darstellung von Meßergebnissen.

      Grundsätzlich sind Bilder zur Veranschaulichung sehr hilfreich. Wenn aber aus Oszillogrammen quantitative Aussagen abgeleitet werden sollen, müssen unbedingt sämtliche Einstellungsparameter aller Meßgeräte sowie eine Skizze des Versuchsaufbaus angegeben werden, damit die Ergebnisse nachvollzogen werden können.
      Sehr unglücklich ist dann auch eine Aussage wie: " Das HF-Rauschen ist 1,4-fach gestiegen (so sagt die Theorie)." und ändert gleichzeitig mal die Spannung im Versuch auf das Doppelte.


      Zitat : "Aber was wirklich stört ist das erheblich gestiegene Bürstenfeuer .." Wo ? Welche Spannungswerte werden dafür genau herangezogen ?


      Ebenso unklar ist welcher Motortyp(en) getestet wurden, neu oder eingelaufen, bei welchem Strom ( Nennstrom oder bei Überlast ?) und welche Spannungsquelle wurde verwendet ? Trenntravo, Akku, oder getaktetes Netzgerät ? Die Wahl der Spannungsquelle hat einen erheblichen Einfluss auf die Störstrahlung des gesamten Versuchsaufbaus. Ebenso der Anschluss der Messleitungen, Wo wurden diese angeschlossen ? wurden neben den Motoren alle anderen Störquellen eliminiert bzw. abgeschirmt ?

      Die wirklichen Probleme werden aber hier auch in diesem Beitrag überhaupt nicht angesprochen. Nämlich eine leistungsfähige Endstufe einer hochfrequenten Pulsbreitensteuerung und deren Entstöreigenschaften u. -maßnahmen.
      Denn hier lohnt es sich definitiv mehr Geld auszugeben für qualitativ hochwertige Drehzahlsteller mit integrierten Entstör- und sicherheitsfeatures wie z.B Strom- und Temperaturüberwachungen .

      Mein Fazit:
      Hier wurde mehr Stimmungsmache verursacht " Grundsätzlich rate ich von der Reihenschaltung von Motoren ab", als tatsächlich Fakten geliefert, sachlich und wertfrei diskutiert und Messwerte protokolliert, aus denen sich der Leser dann seine eigene Meinung hätte bilden können. Es fehlen wichtige Angaben zum Versuchsaufbau, ein Messprotokoll, sowie Angaben zu den Prüflingen. Ebenso fehlt der Nachweis über die Höhe der Beeinträchtigung auf eine RC-Steuerung, wie z. B. ein Reichweitentest bzw. -verringerung. Zusammengefasst: Ein kläglich mißlungener Versuch Die Reihenschaltung von E-Motoren zu diskreditieren.


      M.f.G. Jörg
      Das Bessere ist des Guten Tod

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    • Nachtrag,

      die Antwort auf die Frage, ob eine Reihenschaltung die Lösung eines Antriebsproblems sein kann, hängt von mehreren Faktoren ab.
      Ich gehe solche Fragen zunächst abstrakt und losgelöst von jeglichen Einschränkungen an. Anschließend ergeben sich durch schrittweise Definition von Rahmenbedingungen automatisch eine begrenzte Anzahl von technischen Lösungen.

      Am Beispiel meiner Megayacht standen zunächst die geometrischen Rahmenbedingungen des Originals mit dem gewählten Maßstab. Als nächstes folgte über die Zielsetzung einer maßstäblichen max. Geschwindigkeit die Ermittlung der notwendigen Wellenleistung je Antriebsstrang, soweit diese sich nicht aus den Angaben des Originals rechnerisch herleiten ließ. Weiterhin wollte ich Motoren und Propeller nicht neu erfinden / konstruieren, sondern auf am Markt erhältliche zurückgreifen. (Siehe auch Beitrag #39).
      Schlussendlich ergab sich ein E-Motor, der an 12 V eine Dauernennabgabeleistung von 36 Watt bei ca. 1966 U/min liefern sollte.
      Diese Nennleistung, auch Konstruktionsleistung genannt, definiert einen Arbeitspunkt (AP), der im Wirkungsgradmaximum liegt und für den keine zusätzliche Zwangskühlung erforderlich ist.
      Kennzeichen dieses AP's ist die Angabe von Nennspannung, Nennstrom, Nennleistung und Nenndrehzahl.

      Diese vier Daten sind ein zusammenhängender Datensatz aus dem Kennliniendiagramm und konstruktiv für einen Motor festgelegt. Für internationale Vergleichszwecke ist dieser AP genormt auf eine Umgebungstemperatur von 20°C.

      Hierbei ergibt sich aus dem Produkt von Nennspannung x Nennstrom die elektrische Eingangsleistung. Die Ausgangsleistung (Wellenleistung) gilt allerdings nur für die Nenndrehzahl. Der Nennwirkungsgrad ergibt sich durch das Verhältnis von Nennleistung durch Eingangsleistung.

      Da ich nach Möglichkeit auch kein Getriebe verwenden wollte, um den Wartungsaufwand zu minimieren, und den Gesamtwirkungsrad möglichst hoch zu halten, begann ich im WWW nach einem geeigneten Motortyp zu suchen.
      Dabei stieß ich dann auch auf einen Vergleichstyp von Graupners 900 BB Turbo 12 V.
      Vorteil :
      Die elektr. Reihenschaltung zwei gleicher Motoren halbiert die Drehzahl bei gleichem Strom und Drehmoment.
      Die ebenfalls halbierte Wellenleistung entspricht damit hier genau dem Zielwert.

      Sollte es zwischenzeitlich einen besser geeigneten Motor geben, welcher allein die o.g. Anforderungen erfüllt, wäre ich für einen kurzen Hinweis mit Bezugsquelle sehr dankbar.

      Bis dahin bleibt für mich die elektr. Reihenschaltung mit mechanischer Kopplung zweier Vergleichstypen direkt auf eine Propellerwelle samt Testergebnis incl. RC-Reichweitentest, zunächst die erste Wahl.
      Funkstörungen oder eine verringerte Reichweite konnte ich bisher nicht feststellen.

      M.f.G.
      Jörg
      Das Bessere ist des Guten Tod

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