In einem vorigen Beitrag hatte ich mich dem Aufbau des «Generator» Modells nach einem gleichnamigen Bausatz der Firma Bengs Modellbau gewidmet. In einem Folgebeitrag bin ich dann noch näher auf die Zerlegung des zugehörigen Gleichstrommotors eingegangen.
Dabei hatte ich schon durchblicken lassen, dass ich ein weiteres «Generator» Modell als Basis für ein Tuning-Projekt verwenden wollte. Dessen Ergebnis hat meine Erwartungen derart deutlich übertroffen, dass ich es nun gerne vorstelle, zunächst rein visuell, danach im Detail:
Ohne einen speziellen Anwendungsfall im Hinterkopf zu haben, war mein Ziel bei diesem Umbau, das Konzept des «offenen, gut einsehbaren Gleichstrommotors» auszureizen und die Sichtöffnungen der beiden Lagerschilde des Bausatzes bestmöglich auszufüllen. Quasi als Machbarkeitsstudie. Ich finde, die Ähnlichkeit zwischen Original «Generator» und meiner Variante ist gut gelungen – Unterschiede zwischen Original und meiner Variante sind vermutlich nur beim genauen Hinsehen und nur vom jeweiligen Konstrukteur zu erkennen.
Mehr Leistung!
Dass ein Anker aus einem grösseren Motor auch eine höhere Leistung abgeben können würde, war zwar irgendwie zu erwarten gewesen, aber nicht mein primäres Ziel bei diesem Umbau gewesen. Dass sich die Maximalleistungen beider Varianten aber um mehr als den Faktor dreissig (30!) voneinander unterscheiden würden, hat mich echt umgehauen! Beim Generator++ von einem «Wolf im Schafspelz» zu sprechen scheint mir vor diesem Hintergrund nicht übertrieben.
Dabei habe ich mir diese Zahl nicht aus den Fingern gesogen:
Herr Bengs gibt die technischen Daten des in seinem Bausatz zum Einsatz kommenden Gleichstrommotors wie folgt an:
- Betriebsspannung: 12 V-
- Stromaufnahme bei Maximalleistung: 0,56 A
- Leistung max. 2,71 W
- Drehmoment: 9,95 mNm
- Drehzahl: 2603 U/min
Zum Vergleich stellt die Firma Mabuchi auf ihrer Produktverpackung des von mir eingesetzten RS 540 die folgenden Informationen bereit:
Ähnlich detaillierte Informationen für den Johnson RS 385 der Originalausstattung liegen mir leider nicht vor. Allerdings habe ich in den unendlichen Weiten des Internets ein Leistungsdiagramm eines ähnlich starken RS 385 gefunden, wie ihn Herr Bengs seinem Bausatz beilegt:
Schliesslich noch eine tabellarische Gegenüberstellung beider Motoren, auf der Grundlage der obigen Leistungsdiagramme:
Änderungen gegenüber dem Original Bausatz
Das Modell besteht nur aus einem guten Dutzend Bauteilen, weswegen ich die von mir vorgenommenen Änderungen einzeln vorstellen kann:
Spannschienen und Motorsockel (Teile 1 und 2) habe ich unverändert aus dem Bausatz übernommen.
Als Motorgehäuse (Teil 3) habe ich ein Stück Aluminiumrohr mit AD 40 und Wandstärke 2.0 verwendet. Weil es mir nicht sinnvoll erschien, ein massives Stück ø40 Rundmaterial zu 90% zu zerspanen, um darin ein ca. ø36 Motorgehäuse eines RS 540 einzubauen. Die Länge des Rohrabschnitts habe ich entsprechend dem Baufortschritt wiederholt nach unten anpassen können, bis bei 28.0 mm Länge das Minimum erreicht war. Einen halben Millimeter länger als die nicht spanhebend bearbeitbaren Dauermagnete des RS 540 Motors, allerdings immer noch satte 7.0 mm länger als das entsprechende Bauteil des Original Bausatzes. Von diesen 7 mm Verlängerung werden allerdings nur 5 mm nach aussen sichtbar, wegen der auf beiden Seiten des Motorgehäuses um je 1 mm tieferen Ausdrehung der Lagerschilde (s.u.). Diese 5 mm Verlängerung dürfte die optisch auffälligste Änderung gegenüber dem ursprünglichen «Generator» sein.
Die Deckel (Teile 4), von mir gelegentlich auch «Lagerschilde» genannt, sind als Frästeile für mich unersetzlich und wurden nach aussen hin unverändert übernommen. Auf deren Innenseiten habe ich die ø40 Ausdrehung nicht – wie in der Bauanleitung vorgesehen – 0.6 mm tief vorgenommen, sondern jeweils 1.6 mm tief. Grund war, dass ich absehen konnte, dass eine nur 2.0 mm starke Gehäusewandung (Teil 3) auf dem Lochkreisdurchmesser der 3 Befestigungsbohrungen kein «Fleisch» bieten würde, um die Lagerschilde darin festzuschrauben. Also habe ich als alternative Fügetechnik das Kleben angepeilt und wollte die Kontaktfläche möglichst gross gestalten.
Und dann weisen beide Lagerschilde (Teile 4) noch die oben erwähnten je drei ø3.2 mm Befestigungsbohrungen zum Anschrauben an das Original Vollaluminium Motorgehäuse auf. Diese Bohrungen nutzen bei meinem Umbau zwar nichts, weil ich die Lagerschilde nun mit dem Lagergehäuse verklebe. Aber die Bohrungen sind «ab Werk» nun einmal in den Lagerschilden drin und können nicht leicht spurlos beseitigt werden. Ausserdem finde ich, dass die drei Sechskant Schraubenköpfe ein schönes Stilelement und ein wichtiges Wiedererkennungsmerkmal sind. Also habe ich aus einem SW4 Sechskantmaterial ein paar kurze Blindstopfen angefertigt und diese mit Schraubenkleber in die entsprechenden Bohrungen eingeklebt.
Die Lagerbögen und deren Verstärkungsbögen (Teile 5 – 8) habe ich zunächst unverändert gelassen und wie vorgesehen gebohrt und mit Gewinden versehen. Allerdings habe ich bei den riemenseitigen Bauteilen die ø1.6 mm Kernbohrung für die M2 Gewinde komplett durch gebohrt und auch die Gewinde komplett durch geschnitten. Einerseits aus Bequemlichkeit, aber auch, weil Sacklöcher zu wenig tief gewesen wären um über den schrägen Anschnitt eines M2 Gewindebohrers hinaus ein verwertbares Gewinde einbringen zu können. Ausserdem füllt ein M2 Schräubchen ein M2 Gewinde ohnehin nahezu vollständig aus. Die dadurch nach aussen überstehenden Schraubenenden habe ich schliesslich spanhebend verputzt. Sieht man kaum.
Beim obligatorischen Verlöten der Lagerbögen und Verstärkungsbögen mit den Lagerdeckeln war besondere Sorgfalt angezeigt, da ich hier anschliessend auf der Drehbank mit einem ø8 mm HSS-Fräser in das Bohrfutter des Reitstocks eingespannt eine zylindrische Senkung eingebracht habe um jeweils eine kleine Lagerschale zur Aufnahme von R144-ZEN Miniaturlagern (3.175 x 6.35 x 2.35) einlöten zu können. Bei derartigem Materialabtrag ist es dann speziell beruhigend, wenn jeder einzelne Lötspalt auf voller Länge und bis zum Grund mit Lot gefüllt ist, um immer noch ausreichende Restfestigkeit des derart geschwächten Verbunds zu gewährleisten.
Die neu von mir kreierten Lagerbecher habe ich aus einem ø8 mm Rundmaterial gefertigt, in das ich mit einem ø6 mm HSS-Fräser eine zylindrische Senkung in der Tiefe der Miniaturlagerdicke (2.35 mm) eingebracht habe, sowie als Freistellung für den Lagerinnenring eine ø5 mm Bohrung durch den Becherboden vorgenommen habe. Für die letzten Zehntel der Aufweitung des Innendurchmessers des Bechers auf Lageraussendurchmesser 6.35 mm hat mir dann eine Mini-Bohrstange gute Dienste geleistet.
Wegen der sehr ordentlichen Passform des Lagerbechers in der zylindrischen Senkung war das anschliessende Löten kein Herzschlagfinale mehr. Das vorbereitete Lagerschild hatte ich vorab auf ø3.6 mm durchbohrt, um garantierten Freigang für den Wellenstumpf von ø3.175 (=1/8″) zu bekommen, sowie eindeutige Tragverhältnisse im Rillenkugellager.
Die gleiche Übung habe ich dann auch noch für das kohlenseitige Lagerschild vorgenommen. Allerdings muss irgendetwas an der Einspannung schlechter gewesen sein: ausgeprägte Rattermarken dank meiner zu wenig steifen, kleinen Hobbyausrüstung ergaben derart grosse Spiele, dass ich von einer Lötung absehen musste und statt dessen eine Verklebung des kohlenseitigen Lagerbechers mit dem Lagerschild mittels UHU PLus Endfest wählte. Für die unumgängliche Zentrierung des Lagerbechers in seinem zu grossen Sitz habe ich mich eines gut eingeölten 😉 kleinen Zentrierdorns in der initialen ø3.2 mm Durchgangsbohrung des Lagerschilds bedient.
Funktional sind beide Umbauten von Gleitlager auf Wälzlager gleich gut gelungen: der Anker läuft hinreichend zentrisch zwischen den Magneten und schleift nirgends. Es handelt sich ja schliesslich nur um eine Machbarkeitsstudie, bzw. um einen auf Neu-Deutsch «proof of concept».
Durch die Umrüstung von Gleitlager auf Rillenkugellager wurden die beiden Öler (Teile 9) überflüssig.
Die Augenschraube (Teil 10) habe ich unverändert übernommen. Deren Befestigung im 2.0 mm starken Aluminiumgehäusemantel (Teil 3), bis noch knapp in den Blechmantel des RS 540 hinein, ist ausreichend stabil um das Eigengewicht des Generator++ von 262 Gramm zu tragen.
Die Kohlenhalter, Teile 12-14 des Bausatzes, habe ich komplett verworfen und durch vom Original inspirierte Eigenbauten ersetzt. Hatte ich ursprünglich noch die Teile 13 und 14, «Abnehmer Halter» und «Abnehmer Buchse» wie im Original verwendet, wenn auch mit den Bürstenhaltern und Kohlen des Originalmotors, so musste ich bald erkennen, dass die 1-Punkt Befestigung eine zu leichte Schwenkbewegung der Kupferfähnchen mit den Kohlen ermöglichte. Beim Versuch, dem durch Anziehen der M3 Mutter entgegenzuwirken, brach unvermeidlicherweise der POM-Gewindestift von Teil 13 ab. Also habe ich die Konstruktion umgerüstet:
Um für die POM Manschette eine ausreichende Wandstärke zu erreichen, habe ich die ursprüglichen ø4.0 mm Durchbohrungen des kohlenseitigen Lagerbogens auf jeweils ø4.4 mm erweitert. Im Sinne des Konzepts vom «Körper gleicher Festigkeit» erschien mir diese Schwächung des Lagerbogens vertretbar 😊
Funktioniert das Ganze denn auch?!
Und wie!!! 🤩
Für die folgenden Versuche habe ich eine spannungs- und stromstabilisierte Gleichstromversorgung verwendet, welche bis zu 30 Volt bei gleichzeitig bis zu 10 Ampere bereitstellen kann. Mit einem kleinen Tröpfchen frischen Öls an die nur staubgeschützten Miniaturlager läuft der Generator++ bereits ab der unglaublich niedrigen stabilisierten Spannung von 0.3 (Null-Punkt-drei!) Volt stabil an(!!), fängt ab rund 1.0 Volt bereits leicht an zu knurren und steigert seinen Geräusch-Output bis 7.0 Volt zu einem beeindruckenden Fauchen! Das alles bisher nur im Leerlauf – mir fehlt noch eine konkrete Anwendung.
Vielleicht noch eine kurze Erläuterung zum obigen Clip:
Der Clip startet mit der Anzeige der aktuell eingestellten Grenzwerte für die Spannungs- bzw-Stromversorgung, hier: 00.30 Volt und 9.000 Ampere. Der Prüfling ist dabei spannungsfrei. Die abgegebene elektrische Leistung (unterste Zeile der Anzeige) ist zu dem Zeitpunkt gleich Null.
Durch Klick auf die «Output»-Taste (ganz links, unterhalb der Anzeige) werden die Werte auf den Prüfling aufgeschaltet. Je nach Ohm’schem Widerstand [Ω] des Prüflings bedient sich dieser aus der Spannungs- bzw. Stromversorgung. Der dabei zuerst erreichte Grenzwert (Spannung oder Strom) wird stabil eingehalten, der jeweils andere Wert wird dazu lt. Ohm’schem Gesetz passend bereitgestellt. Die jeweils entnommene elektrische Leistung (Produkt aus Spannung [V] mal Stromstärke [A]) wird in der untersten Zeile in [W] angezeigt.
Der stillstehende Motor läuft ab 0.3 Volt an, kann aber im Lauf noch auf bis zu 0.21 Volt heruntergeregelt werden ohne stehen zu bleiben. Bei 0.20 Volt ist dann aber endgültig Schluss. 😊
Auch als Generator?
Aus meiner Sicht spricht nichts dagegen, diesen Generator++ anstatt als Motor tatsächlich auch als Generator zur Stromerzeugung zu verwenden. Durch den grösseren Ankerdurchmesser mitsamt grösseren und stärkeren Dauermagneten und den im Vergleich zum originalen RS 385 nur drei -anstatt fünfpoligen Anker wie beim Original weist der Generator++ zwar ein spürbar grösseres Rastmoment auf. Klar muss auch sein, dass für den Abgriff von zweistelligen Wattzahlen an elektrischer Leistung ein entsprechend potenter 💪 mechanischer Antrieb erfolgen muss. Schwache Maschinchen wie Flammenfresser oder Stirlingmotoren scheiden daher als Antriebsquellen leider aus. Ebenso die Kraftübertragung per Schnurrolle (Teil 11) und Rundriemen. Bei dieser Grössenordnung sind eher flache Zahnriemen und Riemenscheiben fällig.
Ein Wort der Warnung: wenn man das Leistungspotenzial des Generator++ tatsächlich ausschöpfen möchte, sollte man unbedingt der mechanischen Verbindung zwischen Motorsockel und Motorgehäuse zusätzliche Aufmerksamkeit widmen! Die erfolgt nämlich derzeit alleine über jeweils weniger als zwei Gewindegänge der beiden M3x0.5 Schräubchen im knapp 1.0 mm starken Original RS 540 Blechgehäuse 😳
Vielleicht konnte ich ja jemanden motivieren, dieses Projekt nachzubauen für einen spannenden, gerne auch spektakulären Anwendungsfall? Dann würde ich mich freuen, davon zu hören 👍