Kurbelgenerator

Motivation / Grundidee Was ist der Auslöser (Problem, Wunsch), was ist der Zweck des Projektes. Was genau wird gemacht / hergestellt?	Ich habe alte Modellbaumotoren übrig und möchte schauen, ob man diese sinnvoll als Generator verwenden kann. Wenn es klappt, kann man damit diverse Experimente zur Energieerzeugung machen.
Platzbedarf Wo und wieviel Platz wird dauerhaft benötigt?	Erstmal keiner, später eine Kiste zur Aufbewahrung
Ab wann / wie lange Ab wann soll es los gehen? Wie lange wirst du vorraussichtlich brauchen?	Start Mitte Oktober 2022, Dauer unbekannt.
Kontakt Name, Email oder Telefonnummer?	Thomas Kolb („cfr34k“); m-zam@tkolb.de

Projekt-Metadaten

Mit welchen Geräten und Werkzeugen wurde gearbeitet?

Geplant ist, das Gestell mit dem Lasercutter ausschneiden und zusammenstecken zu können.

Welche Materialien wurden verwendet?

Es ist noch nicht entschieden, ob für das Gestell am Ende Acryl oder Holz verwendet wird (ich tendiere zu Holz/HDF).

Für die Kraftübertragung kommt aufgrund der guten Verfügbarkeit ein GT2-Zahnriemen zum Einsatz, der gerne auch bei 3D-Druckern und kleinen CNC-Fräsen verwendet wird.

Wie lange hat es gedauert?

noch unbekannt

Logbuch / Schritte

Auswahl der Komponenten

Mechanik

Als Zahnriemen wird ein GT2-Riemen mit 6mm Breite gewählt, da sich dafür gut ein Zahnrad aus 2 3mm-Platten herstellen lässt.

Alle beweglichen Teile sollen kugelgelagert sein.

Für die Achse kommen Kugellager zum Einsatz, die auch für Inlineskates verwendet werden. Diese haben 22mm Außen- und 8mm Achsdurchmesser. Sie können somit gut auf einer M8-Schraube befestigt werden.

Um den Riemen spannen zu können, ist eine gelagerte Umlenkrolle nötig. Diese gibt es mit 5mm Achsdurchmesser.

Meine Modellbaumotoren haben zur Montage des Propellers ein Außengewinde mit 5mm Durchmesser (d.h. M5). Darauf wird ein GT2-Zahnrad mit 16-20 Zähnen zur Kraftübertragung montiert.

Die Auswahl konkreter Teile wird hier dokumentiert, sobald sie abgeschlossen ist.

Elektrik

In diesem Abschnitt gibt es bisher vor allem Ideen und Pläne. Was funktioniert, muss erst noch ermittelt werden.

Als Generator wird ein bürstenloser Gleichstrommotor aus dem Modellbau verwendet. Das verfügbare Modell ist auf Motorbetrieb mit >10 A Strom aus einem 3S-LiPo-Akku ausgelegt und liefert eine Drehzahl von mehreren tausend RPM. Entsprechend hoch muss im Generatorbetrieb die Drehzahl sein. Mit der hier geplanten 30:1-Übersetzung sollten 2000 bis 3000 RPM erreicht werden können.

Der Generator liefert Dreiphasen-Drehstrom. Dieser wird mit einem Dreiphasen-Brückengleichrichter aus Schottky-Dioden gleichgerichtet. Ich erwarte, dass ca. 5V bei bis zu 5 A Strom erreicht werden (mehr als 25W wird mit einer Handkurbel anstrengend, glaube ich).

Damit könnte man beispielsweise ein Handy laden oder mit einem Aufwärtswandler eine höhere Spannung erzeugen.

Sehr interessant fände ich, einen MPPT-Regler anzubringen, der den Generator so belastet, dass die maximale Leistung entnommen wird. Dadurch wird quasi die Belastung des Kurbelnden optimiert :)

Entwurf des Gestells in OpenSCAD

Erster Entwurf

Ein erster Entwurf vom 15. Oktober 2022. Das große Zahnrad (grün) hat 460 Zähne. Die Montageplatte für den Motor/Generator fehlt noch. Die blaue Platte mit dem Schlitz dient zur Befestigung der Umlenkrolle zum Spannen des Riemens.

Abschätzung der Riemenlänge in Inkscape

Zur Abschätzung der nötigen Riemenlänge kann Inkscape verwendet werden. Dazu zeichnet man zuerst einen Kreis mit dem wahren Außenradius des großen Zahnrads.

Nun wird ein Screenshot von der Seitenansicht des OpenSCAD-Modells erstellt und in Inkscape eingefügt. Der Screenshot muss so scaliert werden, dass sich das große Zahnrad exakt mit dem schon vorhandenen Kreis deckt.

Als Modell für die Umlenkrollen werden an der entsprechenden Stelle weitere Kreise eingefügt.

Dann wird der große Kreis über Pfad→Objekt in Pfad umwandeln in einen Pfad konvertiert, der mit dem Knotenwerkzeug manipuliert werden kann. Durch geschicktes Hinzufügen, Ziehen und Drehen von Knoten kann so der Verlauf des Riemens gut aus dem Kreis modelliert werden (eine detaillierte Beschreibung würde diese Seite sprengen, daher verweise ich auf die Inkscape-Doku).

Ist der Pfad so fertig modelliert, kann dessen Länge einfach mit dem Messwerkzeug angezeigt werden. Das Endergebnis sieht wie folgt aus und zeigt uns, dass 1,2 m eine gute Länge für den Riemen ist.

Finaler Entwurf

Das folgende Bild zeigt den finalen Entwurf. Neu sind die Halterung für den Generator, die Handkurbel und ein zusätzlicher Schlitz für eine zweite Führungsrolle. Das große Zahnrad, das aus zwei Lagen besteht, hat jetzt außerdem Löcher zum Zusammenschrauben der beiden Lagen.

Überall, wo Teile ineinander gesteckt werden, sind 0,2 mm Schnittbreite des Lasers berücksichtigt (d.h. die Maße von Ausschnitten werden in allen Richtungen um 0,1 mm verkleinert).

Erster Aufbau

Für einen ersten Aufbau habe ich das Zahnrad aus Acryl und den restlichen Aufbau aus HDF-Platten ausgeschnitten. Das Zusammenstecken funktioniert super und hält auch ohne Leim für erste Versuche gut genug zusammen. Die Schnittbreite mit 0,2 mm halte ich jedoch für das Limit, da die Teile schon schwer zusammenzufügen waren (ein Hammer war nötig ;-) ). 0,15 mm würden ggf. auch reichen.

Hier ist ein Foto des Aufbaus, allerdings noch ohne Kurbel:

Erste Erkenntnisse:

Die Grundidee funktioniert :)
Presspassung der Kugellager funktioniert super, wenn man die Laserschnittbreite berücksichtigt (siehe oben)
Die beiden Platten des großen Zahnrads müssen sehr präzise ausgerichtet werden. Aktuell eiert dieses ziemlich und der Riemen fällt nach wenigen Umdrehungen herunter.
Die Reibung ist trotz Kugellagern nicht unerheblich

Erste Tests

Nachdem ich die beiden Platten des Zahnrads neu ausgerichtet habe (es scheint hier um zehntel Millimeter zu gehen!), bleibt der Riemen für längere Zeit auf dem Rad. So konnten wir erste Experimente mit Stromerzeugung machen. Als provisorische Kurbel kam ein Schraubenschlüssel zum Einsatz.

Als ersten Versuch habe ich einen Dreiphasen-Brückengleichrichter aus Hochstrom-Schottkydioden angeschlossen. Durch die Dioden gehen ca. 0,4 V verloren. Trotz dieses Verlusts konnten wir mit diesem Aufbau bis zu 3 V Gleichspannung erzeugen, die ausreichten, um eine LED-Leiste für 2x AA-Batterien zum Leuchten zu bringen. Der Kurzschlussstrom betrug mit dem Brückengleichrichter ca. 1,0 Ampere. Hier besteht also durchaus Potenzial, einen Aufwärtswandler anzuschließen, der die 2-3 V auf 5V anhebt, um ein Handy zu laden :)

Im zweiten Versuch haben wir mit einphasigen Hochspannungskaskaden experimentiert (wobei Hochspannung hier relativ zu sehen ist ;-) ). Aufgebaut haben wir eine dreistufige Kaskade, die Spitzenspannung der Phase sollte also etwa verdreifacht werden. Als Bauteile kamen die bereits für den Brückengleichrichter verwendeten Schottkydioden und Elektrolytkondensatoren mit 1000 μF zum Einsatz. Tatsächlich konnten wir auf diese Weise etwa 6V erzeugen und einem 6V-Glühlämpchen zu angemessener Helligkeit verhelfen :-) .