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Physik | Technik
Matthias Haas, 2001 | Kottwil, LU
Diese Arbeit zeigt die Entwicklung eines permanenterregten Synchron-Drehstrommotors, der grösstenteils mit dem 3D-Drucker gefertigt wurde. Die Dimensionierung des Elektromotors stand als Erstes an, anschliessend wurde im CAD ein Modell konstruiert. Es folgte die Fertigung der Teile mit dem eigenen 3D-Drucker. Weitere Komponenten wurden dazugekauft und die Wicklungen eingelegt, um den Motor zu komplettieren. Als Abschluss stand die Ermittlung des Wirkungsgrades an.
Um die einzelnen Arbeitsschritte zu bewältigen, musste ich zuerst das notwendige Know-how aneignen. Dafür wurde mein Ziel, Wissen im Bereich Motorentechnik, CAD-Design und 3D-Druck anzueignen, übertroffen. Die Frage der Machbarkeit eines 3D-gedruckten Elektromotors konnte bejaht werden.
Fragestellung
Ist es möglich einen kompletten Drehstrommotor, ausgenommen die Welle, die Permanentmagneten und die Wicklung, mit dem Schmelzschichtverfahren des 3D-Drucks herzustellen?
Methodik
Das Vorgehen bestand darin, zu Beginn die Theorie anzueignen und mit Fachpersonen Kontakt aufzunehmen, zur Beantwortung technischer Fragen. Mit dem CAD-Programm Creo PTC wurde ein digitales Modell erstellt. Im Hauptteil der Arbeit erfolgte die Beschaffung des Materials und die Fertigung der Teile mit dem 3D-Drucker, sowie deren Nachbearbeitung. Die Elektrowicklerei Fribat unterstützte mich bei der Bewicklung beider Motoren. Die Verschaltung, Inbetriebnahme und Leistungsmessungen wurden zuhause durchgeführt. Der zeitliche Aufwand für den Entwicklungsprozess war grösser als erwartet. Allein der 3D-Drucker war 400 Stunden im Einsatz.
Ergebnisse
Es entstand ein funktionsfähiger, optimierter Drehstrommotor. Der Luftspalt und somit der Wirkabstand von Stator und Rotor ist, bedingt durch die Druckgenauigkeit, relativ gross. Als Folge davon und wegen der Verwendung nicht herkömmlicher Stator-Materialien wird viel elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Durch die Polpaarzahl zwei der Wicklung wird bei 50 Hz eine Drehzahl von 1500 Umdrehungen/Minute erreicht. Die Betriebsspannung für Dreieckschaltung ist 230 V und für Sternschaltung 400 V. Durch den Frequenzumrichter kann die Spannung gesenkt werden, um einer Überhitzung entgegenzuwirken. Der Wirkungsgrad ist 40 %, die maximale mechanische Leistung liegt bei 1 kW, wobei über 2 kW elektrische Energie aufgenommen wird. Das Gewicht der beiden Modelle beträgt 3.7 und 4.5 kg.
Diskussion
Der aus dem 3D-Drucker gefertigte Drehstrommotor ist als Prototyp zu betrachten und hat dementsprechend hohes Optimierungspotential. Ich wurde darauf aufmerksam gemacht, dass Kunststofferzeugnisse bei erhöhten Anforderungen an Hygiene, wie beispielsweise im Lebensmittelsektor, bevorzugt werden, da Nachteile wie die Korrosion wegfallen. Meine Vision des Projektes liegt darin durch die Additive-Fertigung der Motorkomponenten Material und vor allem Gewicht zu sparen. Mögliche Einsatzgebiete sehe ich in der Luftfahrtindustrie, wo Gewichtsersparnisse sehr wichtig sind. Gelingt durch weitere Entwicklung eine kostengünstige Produktion kompakter und leichter Motoren, wäre dies bestimmt ein Meilenstein in der Motorenherstellung. Eine wesentliche Rolle für weitere Entwicklung werden die zur Verfügung stehenden Materialien spielen. In dieser Arbeit zeigte sich, dass Spezial-Filamente wie faserverstärktes PLA oder 3D-Materialien mit ferromagnetischen Eigenschaften einzigartige Vorteile bringen können. Zudem konnte die anfängliche Fragestellung, ob sich mit dem 3D-Drucker ein kompletter Drehstrommotor fertigen lässt, bejaht werden.
Schlussfolgerungen
Abschliessend möchte ich kurz meine Sicht über den Prozess und die Resultate erläutern.
Zu Beginn meiner Arbeit, die letztlich über 500 Arbeitsstunden beanspruchte, wusste ich noch sehr wenig über die Elektrotechnik. Im Bereich 3D-Druck sammelte ich zuvor bereits einige Erfahrungen. Dennoch lernte ich auch diesbezüglich viel dazu. Die Fribat ermöglichte mir einen einzigartigen Einblick in die Wicklungstechnik und die Herstellung von Industriemotoren. Während meiner ganzen Arbeit verbrachte ich zahlreiche spannende Stunden, angefangen bei den physikalischen Grundlagen elektrischer Felder, bis hin zur praktischen Umsetzung eines Drehstrommotors. Das erworbene Know-how wird mir in der Berufswelt bestimmt hilfreich sein.
Würdigung durch den Experten
Prof. Dr. Pascal Schleuniger
Herr Haas hat in einer aufwendigen Einzelarbeit einen Drehstrommotor aus 3D-Druck-Teilen gefertigt. Die Teile wurden allesamt selbst konstruiert nachdem sich Herr Haas in Praktika, selbständiger Recherche und durch Expertenbefragungen die nötigen Informationen zusammengetragen hat. Anschliessend wurden diese Teile auf dem 3D-Drucker gefertigt, der Motor gewickelt, zusammengebaut und in Betrieb genommen. Trotz begrenzter magnetischer Eigenschaften und grossen Fertigungstoleranzen der Druckteile, wurde die Funktionalität und Leistungsfähigkeit des Motors eindrücklich dokumentiert und validiert.
Prädikat:
hervorragend
Sonderpreis Gebauer Stiftung – Regeneron International Science and Engineering Fair (ISEF)
Kantonsschule Sursee
Lehrer: Dr. Stefano Chiantese