Entwicklung eines MICRO-Brushless mit einem Laufgewicht von unter 3g
oder:
Bau des kleinsten 9N-Brushless-Aussenlaeufers der Welt....
Nach vielen positiven Erfahrungen mit den kleinsten handelsueblichen Brushless-Motoren mit Gewichten zwischen 3,3 und 7,5 Gramm (WES-Technik) und nach dem Bau einiger kleiner Brushlessmotore auf Basis von CD-Laufwerks- und Streamerantrieben entstand die Idee, etwas besonders kleines für Miniflugzeuge der Gewichtsklasse von 20-40g zu entwickeln. Mittlerweile werden eine ganze Reihe kleinster Hartschaumflieger als Gummimotorflieger auf dem Markt angeboten. Sie eignen sich hervorragend für eine Modifikation und den Einsatz von RC-Microkomponenten, so auch für den Einbau eines NANO-TORQUE Micro-Brushless.
Nach einigen Ueberlegungen wurde das Design
des Statorenbleches festgelegt: Durchmesser 10mm, Materialstaerke
0,15mm, 9 Wickelzaehne passend für 13 Windungen (0,16mm Wickeldraht)
und 19 Windungen (0,10mm Wickeldraht), optimiert für 1 - 2 Lipozellen.
Da im Handel so kleine Statorenbleche
nicht verfuegbar sind, wurde ein Spezialist fuers Drahterodieren kontaktiert
und das Projekt vorgestellt. Auf Grundlage der Abbildungen und festgelegter
Bemassungen wurde eine CAD-Zeichnung und ein CNC-Programm erstellt.
Aus einem
Stapel von 12 kleinen, 0,15mm starken, geschliffenen Folienblechen
konnten 48 Statorenbleche für den Bau von 3 Prototypen erodiert
werden:
Ein 4mm Alu-Lagerrohr wurde mit zwei 3mm Kugellagern bestueckt, in denen eine Stahlwelle mit 1mm Durchmesser laeuft.
Der Magnetrueckschlussring (0,3mm) ist auf einen Alu-Glockenkdeckel von 0,5mm Staerke aufgepresst. Die Stahlwelle ist eingepresst und -wie die N42-Neodym-Bor-Samarium-Magnete- mit duennfluessigem Sekundenkleber verklebt.
Drahterodiertes
Statorenblech
(mit besonderem Dank an Dieter V. aus Solingen, der alle
Statorenbleche der NANO-TORQUE-Reihe erodiert hat. Ohne Ihn waere die Realisierung des NANO-TORQUE
- Projektes
nicht moeglich gewesen)
Damit ist dieser Motor mit
12,2 mm Durchmesser ca. 0,7mm kleiner als der naechstgroessere
kaeufliche Aussenlaeufer - Brushlessmotor (12,9mm) und 0,8g leichter.
Er laeuft sauber und rund und wird ein kleines RC-Flugzeug in
die Luft bringen, wenn die passende Luftschraube verfuegbar
ist.
Aufgrund der Standlaufergebnisse kann angenommen werden,
dass der Motor in der vorliegenden Auslegung auch mit einer Lipozelle
betrieben werden kann.
Mit einer 2.1/2 x 2" - Luftschraube
konnte bei verschiedenen Testlaeufen ein dauerhafter Schub
von 20g bei 6,5Watt Leistungsaufnahme, kurzfristig sogar über 30g
bei 13,5 Watt, erzielt werden. Die hierbei auftretende Waermeentwicklung
deutete an, dass ein spannungsstabilerer und 'kaelterer' Motor mit
laengerer und duennerer Wicklung gebaut werden muss. In der
vorliegenden Wicklungsauslegung scheint der Motor besser fuer den
Einsatz mit nur einer Lipozelle geeignet zu sein.
So
sollte ein zweiter Prototyp mit nur
1,5 mm Statorhoehe und einer Wicklung von 20-28 Windungen zu 0,11mm
entstehen.
Mit diesem gewichtsminimierten Motor soll der Versuch unternommen werden, mit einem 9N-Stator-Brushlessmotor die 2g-Grenze zu unterschreiten.
Video vom ersten Testlauf mit
Messwerten des
kleinen 9N-2,5Gramm-Brushlessmotors
Stand: Maerz 2007
Um die Magnete, die als Standardgroesse in 3x3x0,5mm verfuegbar sind, auf das passende Mass zu bringen, wurden ein Paket von 24 Magneten (12 urden nur benoetigt) in eine Minifaltschachtel aus Konservendosenblech 'gepackt', zugefaltet und nach der Schleifseite offen gelassen.
Mit einem Handabzug des kleinen Kaestchens auf 400er Schleifpapier (wasserfest) liessen sich die gewünschten Magnetabmessungen fuer eine 100%-Ueberdeckung von 3mm auf eine Laenge von 2,7mm nass herunterschleifen. Die spaeter im Rueckschlussring der Aussenlaeuferglocke fertig verklebten Magnete wurden dann -einschliesslich des Rueckschlussringes- ebenfalls nass auf eine Hoehe von 2,0mm gebracht.
Gewickelt wurde mit einem Wickeldraht von 0,11mm und 25 Windungen je Zahn. Die Statorenblechkanten wurden mit duennfluessigem Acryl-Cyanatkleber versiegelt, um evtl. Masseschluessen/Wicklungsschluessen vorzubeugen. Gewickelt wurde mit einer Arbeitslupenlampe mit 3-facher Vergroesserung.
Auch dieser Motor laeuft mit 2 Mikrokugellagern 1x3x1mm, in denen sich eine 0,98mmCFK-Welle dreht. Das Laufverhalten des zweiten Prototypen ist insgesamt ausgewogener, er laeuft stabil und ist dauerbelastbar mit ca. 20g Schub bei ca. 12Watt Leistungsaufnahme. (Mit einem 11,5V Lipo-3-Zeller hat der Motor kurzfristig 31g Schub gebracht, wurde dabei aber sehr warm)
Video vom Testlauf
des derzeit kleinsten 9N-Brushless-Aussenlaeufers der Welt mit 1,4Gramm
Gewicht
Ein weiterer Versuch: NANO-TORQUE 0.9
Beide NANO-TORQUE Prototypen basieren auf dem gleichen Statorenblechlayout, welches in seiner 'grosszuegigen' Auslegung hinsichtlich des Innen- und Aussendurchmessers weitere Einsparpotentieale beinhaltet. Um die vorhandenen Einsparpotenziale auszuschoepfen, wurde fuer den Bau eines 3. Prototyps ein neues Statorenblech entworfen:
Der Innenradius betraegt nur noch
1,7mm, die Stärke des inneren Rueckschlussringes 0,5mm, die Wickelzahnlänge
1,6mm, die Hammerkopfhoehe 0,4mm, der aeussere Durchmesser 8,4mm.
Die
Statorblechstaerke wird bei 0,10mm liegen, der Stator wird aus 10
Blechen bestehen. Gewickelt wird mit einem Draht von 0,08mm, ca.
25 Windungen je Zahn.
Die CFK-Welle wird in 2 Kugellagern 1x3x1mm
gelagert, die Magnete werden 2,5x1,2x0,4mm gross sein. Der Rueckschlussring
soll eine Staerke von 0,25mm bei einer Breite von 2mm aufweisen.
Die Glockenfrontplatte wird aus Alu gedreht und grossflaechig ausgefraest.
Es wird ein Gewicht von unter einem Gramm erwartet...
Aufbau des NANO-TORQUE 0.9
Das nebenstehende Bild zeigt die Winzigkeit der 9N-Statorenbleche im Vergleich zu NT 1.4-9N-, KissKatz 9N- und PowerSchnurzz 9N-Blechen. Das Bild gibt die realen Groessen wieder, d. h. alle abgebildeten Gegenstände zeigen ihre tatsaechliche Groesse.
NANO-TORQUE
0.9 im Größenvergleich mit einem 1Cent-Stück. Die
hier gezeigten Rohbauteile bringen zusammen 1,1Gramm auf die Waage.
Da der Rückschlussring einschließlich der noch zu verklebenden Magnete
von insgesamt 3mm Hoehe auf 1,2mm nass heruntergeschliffen wird,
ergibt sich hierdurch eine Gewichtseinsparung von ca. 0,3g.
Das
Ausfraesen der Glocke (Duennspeichendesign) verringert das Gewicht
ebenfalls nochmals um ca. 0,1g. Hinzu kommt nur ca. 1,20m Wickeldraht in
ca. 0,09mm Staerke, dessen Gewicht zwischen
0,1 und 0,2g liegt.
Rechnerisch wuerde dies ein Gewicht
von 0,8 bis 0,9g ergeben.
Damit waere das Ziel, den ersten
9N Brushless-Aussenlaeufer der Welt mit einem Gewicht von unter
einem Gramm zu bauen, verwirklicht.
Der Stator muss nur noch bewickelt, der Glockendeckel gefraest werden, dann wird der Motor auf dem Pruefstand zeigen, mit welchen Schubwerten gerechnet werden kann....
1. Glätten und Auspolieren der Statorzwischenraume mit 0,25mm Diamantlitze (ohne Diamantstaub)
2. Wickeln des Stators mit 0,10mm Wickeldraht
3. Zuschleifen der Magnete auf 3x2x0,5mm
4. Einkleben der Magnete und des Glockendeckels mit duennfluessigem Sekundenkleber, Magnetabstand 1/10mm
5. Ausfraesen der 8 Mikrospeichen aus dem Alu-Glockendeckel
6. Nass-Herunterschleifen der Glockendicke von 4,65 auf 2,4mm (Rueckschlussring und eingeklebte Magnete)
7. Polieren der Glocke mit Messingdraht
8. Ausrichten der Glocke auf dem Stator mit 4/100mm Spaltabstand (1 Lage Tesafilm)
9. Ausrichten und einkleben der CFK-Welle mit duenfluessigm Sekundenkleber
Video vom Testlauf
des derzeit kleinsten 9N-Brushless-Aussenlaeufers der Welt mit 0,8
Gramm
Gewicht
Kleinster
9N-Brushless-Aussenlaeufer der Welt - geht
da noch was?
Ganz bestimmt! Bei Verzicht auf Kugellager und Verkleinerung des
Statorenblechdurchmessers auf ca. 6,5mm koennte eine 0,5mm
Stahlwelle in kleinen Gleitlagern mit 1mm Durchmesser gelagert
werden. Wickeln liesse sich der Stator mit 0,08mm Draht, ca. 15-20
Windungen...wenn die Staerke
der Arbeitslupe ausreicht.
