Spulen berechnen

[mega-hz]

Hallo und ein frohes neues Jahr!

Mein Anliegen hat ausnahmsweise nichts mit Windrädern zu tun aber ich weiss, daß es hier gute Leute gibt, die mir evt. weiterhelfen können.
Es geht um die Berechnung zweier Spulen.
Ich habe nach Inspiration von https://www.instructables.com/DIY-IRONLESS-LINEAR-SERVO-MOTOR/ einen Linear-Motor gebaut.

Dieser soll irgendwann mal in den 3D Drucker.
Er besteht aus 2x44 Neodyn-Magneten auf 4mm Flacheisen geklebt und hat eine Linearführung mit einem Spulenhalter der zwischen den beiden Magnetbahnen hängt.
Die Spulen sind im Gegensatz zum Link nur 2 Stück, damit man sie mit standart Schrittmotor-Steuerungen ansteuern kann.
Als Vorbild hatte ich

genommen.
Soweit "läuft" der Motor nun auch, jedoch hat er zuwenig Kraft und geht nur bis ca. 12V/500mA am Schrittmotor-Treiber.
Mehr Spannung = weniger Magnetismus, mehr Strom = Abschaltung der Motor-Endstufe wegen Hitze.

Die Spulen haben folgende Daten:
Abmessungen:
12 x 25 x 6mm
110 Windungen 0.4mm Kupferlackdraht.
ca. 0.7 Ohm pro Spule
kein Eisenkern (Luftspule)

Nun die Frage: kann mir jemand berechnen mit welchen Drahtdurchmesser ich ein maximales Magnetfeld aufbauen kann?
Und sollte im Gegensatz zu Windgeneratoren hie doch ein Eisenkern verwendet werden?

Für Tips währe ich sehr dankbar!


Übrigens, mein noch immer in Bau befindliches Windrad macht Fortschritte!
Der Mast bestehend aus 4x3m langen Traversen (so wie auf Bühnen verbaut sind) aus Alu = 12m steht seit November!
Z.z. nur durch 3 5mm dm Nylonseil in 9m Höhe abgespannt, hat den Sturm aber gut ausgehalten.
Es geht weiter...

Wolfram

[CFD]

Hallo mega-hz,
interessantes Projekt.
Es fällt auf, dass die Spulen im verlinkten Beispiel einen Widerstand von 15 Ohm (bei einem Drahtdurchmesser von 0,2mm) haben. Deine haben dagegen nur 0,7 Ohm (bei einem Drahtdurchmesser von 0,4mm).

Eine Recherche bei Google ergibt, dass handelsübliche Nema 17 Schrittmotoren auch einen Phasenwiderstand zwischen 1,8 Ohm und 35 Ohm haben. Und das sind Spulen mit Eisenkern.

Was meinst du mit "Mehr Spannung = weniger Magnetismus". Das habe ich nicht verstanden.
Es ist doch vielmehr so, je höher die Spannung (bei gleichem Strom) desto höher die Kraft.

Fazit für mehr Kraft:
- mehr Wicklungen
- Spannung rauf
- stärkere Magnete (eventuell die bestehenden aufdoppeln)
- Luftspalt verringern
- Eisen-Rückschluss überprüfen, ob ausreichend dick

Wieso betreibst du nicht mehrere Schrittmotortreiber mit jeweils eigener Spule im Parallelbetrieb. Bei zwei im Parallelbetrieb verdoppelt das die Kraft.

Gruß CFD

[CFD]

Die Kraft auf die Spule kannst du mittels der Formel für die Lorentzkraft berechnen.
https://www.leifiphysik.de/elektrizitae ... magnetfeld

F_Lorentz = I * l * B

I = Strom [A]
l = Länge des Leiters [m]
B = Magnetfeldstärke [T]

Anhand deiner Angaben:
I = 0,5A
l = 0,025m * 2 Spulenschenkel * 110 Windungen = 5,5m (Annahme: die 25mm ist die Schenkellänge der Spule senkrecht zur Bewegungsrichtung)
B = 0,5T (Schätzung für die Magnetanordnung wie hier verwendet)

Ergebnis:
F_Lorentz = I x l x B = 0,5A * 5,5m * 0,5T = 1,375N das entspricht 138g

Wie viel Kraft brauchst du?


Nochmals zur Spannung.
Nachdem die Spannung in die Berechnungsgleichung für die Lorentzkraft nicht mit eingeht, habe ich Chat-GPT folgende Frage gestellt:

Frage:
Welchen Einfluss hat die Spannung auf die Lorentzkraft?

Chat-GPT:
"Die Spannung selbst hat keinen direkten Einfluss auf die Lorentzkraft. Allerdings kann eine erhöhte Spannung zu einer Erhöhung des Stroms führen, wenn der Widerstand konstant bleibt (gemäß dem Ohmschen Gesetz: Strom = Spannung / Widerstand). Da der Strom das Fließen von Ladungen darstellt, kann eine Erhöhung des Stroms zu einer Erhöhung der Anzahl der bewegten Ladungsträger führen, was wiederum die Lorentzkraft erhöht."

[herbk]

Wenn ich das richtig verstehe sind die Spulen um einen Kunststoffkern gewickelt ?
Dreh' sie mal um 90°, - so:

spulen.png (30.63 KiB) 7225-mal betrachtet

[mega-hz]

Hallo mega-hz,
interessantes Projekt.
Es fällt auf, dass die Spulen im verlinkten Beispiel einen Widerstand von 15 Ohm (bei einem Drahtdurchmesser von 0,2mm) haben. Deine haben dagegen nur 0,7 Ohm (bei einem Drahtdurchmesser von 0,4mm).

Eine Recherche bei Google ergibt, dass handelsübliche Nema 17 Schrittmotoren auch einen Phasenwiderstand zwischen 1,8 Ohm und 35 Ohm haben. Und das sind Spulen mit Eisenkern.

Was meinst du mit "Mehr Spannung = weniger Magnetismus". Das habe ich nicht verstanden.
Es ist doch vielmehr so, je höher die Spannung (bei gleichem Strom) desto höher die Kraft.

Fazit für mehr Kraft:
- mehr Wicklungen
- Spannung rauf
- stärkere Magnete (eventuell die bestehenden aufdoppeln)
- Luftspalt verringern
- Eisen-Rückschluss überprüfen, ob ausreichend dick

Wieso betreibst du nicht mehrere Schrittmotortreiber mit jeweils eigener Spule im Parallelbetrieb. Bei zwei im Parallelbetrieb verdoppelt das die Kraft.

Gruß CFD

Meine Spulen sind z.Z. Luftspulen, wie im Video.
Dachte mir schon, daß in diesem Falle Spulen mit Eisenkern besser sind.
Dünneren Draht muss ich erstmal besorgen. 0.4mm war das dünnste, was ich hatte.
Stärkere Magnet.. sind schon N42 Neodyn
Eisen-Rückschluss besteht aus einem 4mm starken und 600mm langen Flacheisen, das sollte dicke reichen.
Mit mehr Spannung desto weniger Magnetismus meine ich die Spannung am Motortreiber-IC !
Anscheinend ist die maximale Magnetfelderzeugung bei den jetzigen Spulen i.V. mit dem DRV8825 bei ca. 12V/500mA.
Treiber verdoppeln? ich habe nur 2 Spulen.

Ich habe aber herausgefunden, daß es mit richtiger Ansteuerung viel besser klappt als nur per Arduino Step/Dir Impulse zu erzeugen.
Dazu habe ich die CNC Steuerung von Estlcam benutzt. Diese erzeugt auch die Beschleunigungs-/Abbremsrampen.
So funktioniert der Motor weitaus besser und superschnell.

Aber erstmal jetzt neue Spulen wickeln mit Eisenkern...

[mega-hz]

heute ist endlich die bestellte rolle mit 100m 0.2mm Kupferlackdraht angekommen!
Unglaublich aber war: Die erste Bestellung war auch 100m, allerdings hatte der Händler einfach 10x 10m (Rest-)Stücke aufgerollt.
Kaum zu glauben wie manche so verkaufen...
Nun etwas Eisen abschneiden und Wickelmaschine anschmeissen...