Während meiner Wartezeit auf die bestellte Verstellbare Reibahle für mein derzeit hängendes Projekt «Stirlingmotor Rainer» von Modellbau Bengs habe ich das Modell eines Gleichstrom Generators von gleichen Anbieter fertiggestellt.
Ich hatte den Bausatz bereits vor einiger Zeit in meinen Vorrat aufgenommen und war froh, nun auf einen Pausenfüller zurückgreifen zu können.
Der «Generator» ist ein knuffiges 🥰 kleines Modell und innerhalb weniger Stunden und somit vergleichsweise schnell gebaut. Der Anbieter stellt eine ausführlich bebilderte Bauanleitung auf seiner Webseite bereit.
Im Kern des Generators arbeitet ein Exemplar eines industriell gefertigten Massenartikels, ein Elektromotörchen der RS 385 Klasse, den Hauptabmessungen Aussendurchmesser (ca. 27.7 mm) , Zylinderlänge (ca. 38.0 mm), Polzahl des Ankers (5) etc. nach zu urteilen. Derartige Motörchen kann man in unterschiedlichen Ausführungen hinsichtlich Betriebsspannungsbereich, Länge und Ausführung der Wellenenden und weiterer Parameter u.a bei Aliexpress bereits ab niedrigen einstelligen(!) Frankenbeträgen beziehen. Ich finde es hochgradig faszinierend, wie äusserst Herstellungskosten-optimiert derartige Artikel konstruiert sind: immerhin verdienen diverse Zwischenhändler in jedem Schritt der Lieferkette zwischen Hersteller und Enduser immer noch ein paar Rappen mit. Auch wenn der Endkundenpreis erschütternd niedrig liegt, so steckt doch eine Menge Engineering darin, ein derartiges Produkt zu einem derartigen Preis profitabel anbieten zu können.
Ein solches Motörchen liegt also dem Bausatz bei, und wird in Laufe des Umbaus nach der Bauanleitung des Bausatzes fachgerecht zerlegt. Danach werden seine wesentlichen Bestandteile in eine historischen Vorbildern nachempfundene Umhüllung transplantiert. Wenn man sauber arbeitet, bleibt dabei dessen ursprüngliche Funktion vollständig erhalten – für eine Betriebsspannung von 12 Volt spezifiziert, schnurrt es aber auch nach dem Umbau bereits ab einer Spannung von 3 Volt wie ein Nähmaschinchen.
Beim Bau fühlte ich mich lebhaft an meine Kindheit und meine Experimente mit meinem KOSMOS Elektromann und einem seinerzeit noch selbst zu wickelnden dreipoligen Anker für einen ebenfalls funktionstüchtigen Gleichstrom Elektromotor erinnert 😊
Schön finde ich die offene Bauweise, die den Blick auf die Kupferwicklungen des bewegten (oder auch stillstehenden) Ankers sowie auf den Kollektor freigibt .
Typischerweise führt man einem Gleichstrommotor elektrische Energie zu, welche dann im Motor in mechanische Energie umgewandelt wird und z.B. mittels einer Riemenscheibe zum Antrieb kleinerer Verbraucher genutzt werden kann. Das zugrunde liegende physikalische Prinzip lässt sich umkehren: zum Generator wird dieser Energiewandler, wenn man mechanische Energie zuführt, den Rotor also zwangweise von aussen in eine Drehbewegung versetzt. Dann lässt sich an den Anschlussklemmen (hier: Lötfahnen) eine elektrische Leistung abgreifen.
Eigene Modifikationen
Abweichend von der Bauanleitung und dem Vorschlag von Herrn Bengs habe ich das Recycling der originalen Motorbestandteile noch einen Schritt weiter getrieben und verwende nun im Generatormodell auch die originalen Kohlehalter.
Zu diesem Zweck habe ich das hintere Kunststoff-Lagerschild rechts und links der Kohlehalter bzw. Kontaktfedern mit einer Laubsäge eingeschnitten, den dann nur noch unten verbundenen Steg herausgebrochen und konnte danach die unbeschädigten Kohlehalter leicht entnehmen:
Den Messingblech Grundkörper mitsamt Lötfahne des Kohlehalters habe ich platt gebogen, mit einem feinen Lötbrenner ausgeglüht und dann mitttels Dremel und ø2.2 mm Kugelfräser mit einem ø3.0 mm Loch versehen, so dass ich ihn auf den isolierenden POM Pfosten des Bausatzes aufstecken konnte:
So sieht das in montiertem Zustand aus:
Motiviert wurde ich zu dieser Modifikation durch mehrfache, vielsagende Warnungen des Anbieters vor dem empfindlich spröden Material «Kohle», welches man eigentlich vorsichtig aus der originalen Kontaktfahne hätte herausziehen sollen, vorsichtig in einen Schraubstock einspannen und dann – man ahnt es schon – ebenfalls vorsichtig mit ø 1.0mm hätte durchbohren sollen. Da fand ich, dass das Belassen der Kohlen in ihren originalen Halterungen der wohl beste Schutz für die Kohlen sei.
Zusätzlich finde ich das sehr elastische Federn der aus 0.05 mm dünnem, federhart gewalzten Kupfer bestehenden Kontaktfähnchen technisch sehr viel ansprechender als die eigentlich lt. Bausatz vorgesehene Aufnahme der durchbohrten Kohlen mittels eines vergleichsweise unelastischen, aus ø 1.0 mm gebogenen Messingdrahts. Nicht zuletzt konserviere ich mit meinem Umbau das vollständige Verschleissvolumen der Kohlen.
Und dann habe ich noch eine eigene Methode angewandt, welche zwar nicht das geplante Ergebnis verändert, jedoch bei der Bearbeitung sowohl eine Erleichterung bei der aufzuwendenden Kraft, als auch eine gleichzeitig verbesserte Genauigkeit/Symmetrie beim Biegen des Motorsockels (Teil 2) bewirkt:
Bauteil 2 liegt dem Bausatz vorgefräst bei. Insbesondere sind die vier Entlastungsschlitze entlang der vorgesehenen Biegelinien bereits gefräst. Herr Bengs empfiehlt, vor dem Biegen das Bauteil auszuglühen, um es weicher und weniger störrisch zu machen. Danach heisst es lapidar, dieses mit Hilfe eines Schraubstocks entlang der vorgesehen Biegelienien gemäss Zeichnung zu biegen.
Aber obwohl ich Teil 2 meines Bausatzes bis zur Rotglut (bei abgedunkeltem Werkraum) geglüht und danach hatte auskühlen lassen, war die benötigte Kraft schon bei den Biegungen entlang der beiden äusseren Biegelinien erheblich. Mir war klar, dass ich die nur jeweils 8 mm entfernten inneren Biegungen wegen des extrem kurzen Hebelarmes nicht mit der Kraft meines Daumens würde biegen können.
Also habe ich nochmals genau auf die Zeichnung geschaut: wenn man einen 8 mm langen Schenkel um 30° nach oben biegt, hebt sich dessen äussere Unterkante um exakt 4.0 mm ( 8 * sin(30°) ). Die senkrecht nach unten weisende Projektion ( 8 * cos(30°) ) ist dann nur noch knapp 7 mm lang, was bei beidseitiger Anwendung auch die in Klammern in der o.a. rechten Zeichnung angegebenen Verkürzung auf (48) mm nach der Biegung gegenüber der gestreckten Länge von 50 mm in der linken Zeichnung erklärt.
Also habe ich eine Art Gesenkbiegen angewandt: auf der Unterseite innen entlang der vorgefästen Biegelinien jeweils ein Stück 4 mm Messingvierkant angebracht, und an den beiden äusseren «Füssen» von Teil zwei jeweils auf der Oberseite ebenfalls Stücke 4 mm Messingvierkant angebracht. Da ich nicht gleichzeitig vier kurze Stücke Messing Vierkant plus das eigentliche Bauteil positionsgenau in einen Schraubstock einspannen kann, habe ich alle Messing Vierkante mittels Tesafilm auf dem Bauteil fixiert, und dann das ganze in einen grossen Präzisionsschraubstock eingespannt, dabei dessen Spindel mit einer durchgesteckten Verlängerung richtig angeknallt.
Voilà! Die Biegewinkel sind so an allen vier Biegelinien garantiert gleich, und die untere und obere Plattform der gebogenen Motorkonsole garantiert parallel. Das extrem geringfügige elastische Rückfedern nach Entspannen des Schraubstocks führt zu einer kaum messbaren Abweichung von ≈0.01 mm vom Sollmass der 4.00 mm Kröpfung. Zudem ist dieses Mass (bzw. eine derart minimale Abweichung davon) funktional unkritisch.
Was ich beim nächsten Mal anders machen würde
- Das oben erwähnte «Ausglühen» der Messing-Grundkörpers der originalen Kohlehalter würde ich in einem ersten Versuch unterlassen. Da das Bauteil sehr klein ist, hat das Ausglühen des Messing Grundkörpers unvermeidlich auch dazu geführt, dass auch das sehr dünne Kupferfähnchen glühend wurde. Dadurch hat es leider einen guten Teil der von mir so geschätzten elastischen Spannkraft verloren.
2. Und dann würde ich die beiden zentralen Bohrungen der zu biegenden Motorkonsole (s.o.) erst nach dem Biegen einbringen. Denn während der manuellen Vorbiegung der beiden äusseren Biegelinien «per Daumendruck» hatte ich die gesamte aus dem Schraubstock herausragende Länge der Motorkonsole als Hebelarm benutzt. Die bereits eingebrachten zentralen Bohrungen haben allerdings den Materialquerschnitt bereits so geschwächt, dass dort eine zusätzliche, ungewollte Biegelinie eingeführt wurde und die eigentlich plane Auflagefläche für das Motorgehäuse leicht konvex gewölbt war. Ich habe dies dann durch ein paar wenige Hundertstel mm Planfäsen egalisieren können.
3. Wie in der Bauanleitung angegeben, habe ich zuerst die Lagerschilde für die Gleitlagerung der Motorachse mit ø2.3 mm durchbohrt, danach erst die Gewinde für die Ölbecher eingeschnitten und zum Schluss durch nochmaliges Durchbohren der Gleitlagerung mit ø2.3 mm die nach innen ragenden Überstände der Ölbecher ausgebohrt. Dadurch hat sich anscheinend die Lagerbohrung etwas aufgeweitet, so dass nun die Motorwelle bei höheren Spannungen als 6 Volt, entsprechend höheren Drehzahlen, auf der Innenseite der Lagerbohrung abrollt (anstatt auf einem dünnen Ölfilm abzugleiten), unter Geräuschentwicklung und starker Vibration 😳.
Hier würde ich beim nächsten Mal die Reihenfolge der Bearbeitungsschritte unkehren: zuerst Bohrung und Gewinde für Ölbecher einbringen, den Ölbecher einschrauben, verlöten oder verkleben, und dann erst einmalig die ø2.3 mm Gleitlagerbohrung vornehmen.
Nachgedanken
Ich bin wirklich froh, dass Herr Bengs mit seiner Idee, einen historischen Motor bzw. Generator unter Verwendung aktueller Vorfabrikate als Bausatz aufzusetzen, hier Pionierarbeit geleistet hat. Das wird sicher nicht der letzte Generator sein, den ich gebaut habe.
Nachdem nun meine Scheu vor entsprechenden Umbauten gefallen ist, ist in mir der Gedanke gereift, dass man aus dieser Idee «mehr» machen könnte. Ich finde es nämlich schade, dass die ø25 kreisrunden Durchlässe der dem Bausatz beiliegenden Messing Lagerschilde quasi als Schaufenster ins Innenleben eines Motors bzw. Generators nur auf ca. 40% ihrer Fläche echte Action zeigen, also einen umwickelten Anker in Bewegung.
Die verbleibenden ca. 23 Millimeter vom Aussendurchmesser des ø40 mm Aluminium Gehäuses des eigentlichen Motors werden der sehr üppig dimensionierten Wandstärke von rund 6 Millimetern und den eingeklemmten Dauermagneten gewidmet – alles stillstehende Bauteile.
Da liesse sich zweifellos etwas abspecken. Ich hab auch schon Ideen, wie ich unter Beibehaltung der wesentlichen Abmessungen des Motorgehäuses einen grösseren und leistungsfähigeren Generator bauen könnte. Ein weiterer Bausatz «Generator» sowie Bauteile für die geplante Modifikation sind bereits bestellt … 😊