Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

[Matze]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

So, jetzt gibt es den ersten ganz kurzen Erfahrungsbericht. Aufgrund der Straßenverhältnisse musste ich mein Winterrad fahrbereit machen. Da gerade der Versuchsmotor mit der schnellen Wicklung eingebaut war habe ich einfach das Kabelgewurschtel mit Klebeband eingepackt. Die erste Probefahrt hat dann auch das Erwartete gezeigt. Der Motor fährt permanent in der Strombegrenzung (17A), auch bei 45km/h . Beim Anfahren und am Berg fehlt aber etwas Durchzug. Was am Berg aber kein Problem ist, man kommt ja mit mehr Schwung an . Morgen nehme ich das Rad für den Weg zur Arbeit. Bisher hatte ich mit dem Cannondale für die 7km ca. 17 Minuten benötigt. Mit dem Liegerad brauche ich nur 14. Mal sehen, was mit dem neuen Motor drin ist.
Hoffentlich kommen morgen auch die Relais, dann kann ich die Umschaltung verdrahten. Der Schaltplan ist viel einfacher als zuerst befürchtet. Man benötigt nur drei Umschalter und drei Schließer.

Also möglich die Kombinationen parallel-stern, parallel-dreieck, seriell-stern und seriell-dreieck.

Das überlasse ich mal jemand anders. Ich bin mit einer Umschaltung von Gruppen parallel und Gruppen in Reihe zufrieden.
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[Matze]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Morgen nehme ich das Rad für den Weg zur Arbeit. Bisher hatte ich mit dem Cannondale für die 7km ca. 17 Minuten benötigt. Mit dem Liegerad brauche ich nur 14. Mal sehen, was mit dem neuen Motor drin ist.

Hopla, da geht was. Leider habe ich damit die Grenze der Legalität deutlich überschritten, ich werde deshalb den Motor bald wieder ausbauen. Gebraucht habe ich nur 13 Minuten und dabei 100Wh verbraucht. Der Gewinn einer Minute mit 50% mehr Verbrauch bezahlt. Das und die Illegalität stehen in keinem Verhältnis zur Zeitersparnis.
Heute sind die Relais gekommen, spätestens am Wochenende wird die Umschaltung fertig gemacht.

 

[klötzer]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

mit einem größeren 35A Controller hast das nötige Drehmoment um auch bergauf fahren zu können.

 

[Matze]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

mit einem größeren 35A Controller hast das nötige Drehmoment um auch bergauf fahren zu können.

Das ist klar, war aber nicht das Ziel.

So jetzt funktionierts Man kann sogar während der Fahrt umschalten. Beide Wicklungen wurden mitsamt der Verschaltung nochmal vermessen. Die langsame Wicklung ist der Originalwicklung sehr ähnlich. Die schnelle hat einen höheren Widerstand als bei der ersten Messung (muss ich noch mal kontrollieren). Das Ergebnis ist in etwa so, wie ich es mir vorgestellt habe. Schnell Wicklung zum schnell fahren, langsame Wicklung zum steile Berge fahren. In der Praxis zeigt sich aber, dass ich auch steile Berge schnell fahren kann (bezieht sich auf meine tägliche Route). Ich werde mal was noch steileres suchen müssen, um die Vorteile der langsamen Wicklung zu erfahren.
Wie man im Diagramm sieht, geht bei der schnellen Wicklung nicht mehr viel, währen mit der langsamen durchaus noch 14 km/h drin sind. Hier auch noch die gemessenen Werte:

<!-- Leerlaufkennlinien Motor -->

<motor_no_load caption="elfKW umschaltbar schnell [MTZ]">
<set><rpm>459</rpm><amp>2,200</amp><volt>39,10</volt></set>
<set><rpm>401</rpm><amp>1,770</amp><volt>39,10</volt></set>
<set><rpm>351</rpm><amp>1,500</amp><volt>39,10</volt></set>
<set><rpm>300</rpm><amp>1,220</amp><volt>39,10</volt></set>
<set><rpm>250</rpm><amp>0,980</amp><volt>39,10</volt></set>
<set><rpm>200</rpm><amp>0,760</amp><volt>39,10</volt></set>
<set><rpm>150</rpm><amp>0,560</amp><volt>39,10</volt></set>
<set><rpm>100</rpm><amp>0,410</amp><volt>39,10</volt></set>
<set><rpm>53</rpm><amp>0,260</amp><volt>39,10</volt></set>
</motor_no_load>

<motor_no_load caption="elfKW umschaltbar langsam [MTZ]">
<set><rpm>233</rpm><amp>0,740</amp><volt>39,30</volt></set>
<set><rpm>209</rpm><amp>0,650</amp><volt>39,30</volt></set>
<set><rpm>180</rpm><amp>0,560</amp><volt>39,30</volt></set>
<set><rpm>150</rpm><amp>0,460</amp><volt>39,30</volt></set>
<set><rpm>131</rpm><amp>0,410</amp><volt>39,30</volt></set>
<set><rpm>110</rpm><amp>0,350</amp><volt>39,30</volt></set>
<set><rpm>90</rpm><amp>0,300</amp><volt>39,30</volt></set>
<set><rpm>50</rpm><amp>0,200</amp><volt>39,30</volt></set>
</motor_no_load>


<!-- Wicklungswiderstände Motor -->

<motor_resistance caption="elfKW umschaltbar schnell [MTZ]">
<set><amp>3,000</amp><volt>0,395</volt></set>
<set><amp>3,000</amp><volt>0,388</volt></set>
<set><amp>3,000</amp><volt>0,383</volt></set>
</motor_resistance>

<motor_resistance caption="elfKW umschaltbar langsam [MTZ]">
<set><amp>3,000</amp><volt>1,160</volt></set>
<set><amp>3,000</amp><volt>1,170</volt></set>
<set><amp>3,000</amp><volt>1,170</volt></set>
</motor_resistance>

Bilder kommen auch noch bei Gelegenheit. Jetzt muss ich erst mal Erfahrung sammeln ....

 

[labella-baron]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Hier auch noch die gemessenen Werte:

Kann die Diagramme nicht so recht nachvollziehen.
Woher kommen bei der schnellen Wicklung jetzt 132 statt zuvor 39mOhm her?
Übrige Einstellungen 26" 17A 0W 10% Rest Voreinstellung?

 

[Matze]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Woher kommen bei der schnellen Wicklung jetzt 132 statt zuvor 39mOhm her?
Übrige Einstellungen 26" 17A 0W 10% Rest Voreinstellung?

Woher der höhere Innenwiderstand kommt ist mir schleierhaft. Ich werde heute nochmal messen.
Übrige Einstellungen 2000mm 17A 0W 10% Rest Voreinstellung.

 

[labella-baron]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

mit einem größeren 35A Controller hast das nötige Drehmoment um auch bergauf fahren zu können.

M.E. nicht notwendig. Begründung siehe unten.

Das ist klar, war aber nicht das Ziel.

So jetzt funktionierts Man kann sogar während der Fahrt umschalten. Beide Wicklungen wurden mitsamt der Verschaltung nochmal vermessen. Die langsame Wicklung ist der Originalwicklung sehr ähnlich. Die schnelle hat einen höheren Widerstand als bei der ersten Messung (muss ich noch mal kontrollieren). Das Ergebnis ist in etwa so, wie ich es mir vorgestellt habe. Schnell Wicklung zum schnell fahren, langsame Wicklung zum steile Berge fahren. In der Praxis zeigt sich aber, dass ich auch steile Berge schnell fahren kann (bezieht sich auf meine tägliche Route). Ich werde mal was noch steileres suchen müssen, um die Vorteile der langsamen Wicklung zu erfahren.
Wie man im Diagramm sieht, geht bei der schnellen Wicklung nicht mehr viel, währen mit der langsamen durchaus noch 14 km/h drin sind.

Wenn du das Mysterium des jetzt höheren Widerstands bei der schnellen (parallelen) Wicklung enträtselt hast, wirst du m.E. sehen, dass du mit dieser genauso effizient den Berg hochkommst wie mit der langsamen (seriellen) Wicklung, da auf Grund der PWM der Motorstrom doppelt so hoch wird (34A) und jede Drahtwindung wieder mit der gleichen Stromstärke beaufschlagt ist und somit die gleiche Kraft (Drehmoment) entwickelt, sowie die gleichen Verluste hat.

Du kannst dir damit die Umschaltung sparen. Der einzige Unterschied müßte m.E. sein, dass du bei maximaler Leistung am Berg (mit den angegebenen Werten bei ca. 6%) mit der langsamen Wicklung die Schaltverluste durch die PWM einsparst.

 

[Matze]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Wenn du das Mysterium des jetzt höheren Widerstands bei der schnellen (parallelen) Wicklung enträtselt hast...

Es ist enträtselt. Den ersten Fehler habe ich bei der ersten Messung gemacht. Zuerst hatte ich die 6 Wicklungen einzeln gemessen. Als Widerstand für die schnelle Wicklung habe ich den halben Widerstand der Einzelwicklung genommen. Dabei hatte ich übersehen, dass beim Messen an den Motoranschlüssen immer zwei Wicklungen in Reihe sind. Was bei der zweiten Messung passiert ist kann ich nicht sagen. Richtig sind 0,091 Ohm für die schnelle Wicklung und 0,370 für die langsamere also Faktor 4 höher. Trotzdem bleibt bei EPACsim ein Unterschied in der Steigfähigkeit.
Morgen werde ich Vergleichsfahrten machen, mal sehen was die Praxis zeigt. Hier noch Bilder vom Schalter und was er auslöst

 

[labella-baron]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Richtig sind 0,091 Ohm für die schnelle Wicklung und 0,370 für die langsamere also Faktor 4 höher. Trotzdem bleibt bei EPACsim ein Unterschied in der Steigfähigkeit.
Hier noch Bilder vom Schalter und was er auslöst

Unglaublich, wie exakt die "Leerlauf"-Geschwindigkeit (unter Berücksichtigung des geringen Spannungsunterschieds) praktisch genau doppelt so hoch ist !
Die Physik ist doch einfacher als man manchmal vermutet !

 

[labella-baron]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Trotzdem bleibt bei EPACsim ein Unterschied in der Steigfähigkeit.

Das hängt wohl von einem etwas "schlappen" Akku ab. Gib mal in beiden Fällen einen "steifen" ein: 0A 36,01V; 10A 36V.
Wenn du den 'aktiven elektrischen Freilauf' anklickst, bekommst du bei 6,3% Steigung bei der schnellen Schaltung genau 20,0km/h bei 450W und bei der langsamen Schaltung bei 98% Drehgriff ebenfalls 20,0km/h mit 452W !!
Die zwei Watt Unterschied (=0,4%) liegen vermutlich in der Messungenauigkeit des Motorwiderstands.

 

[Matze]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Hier die Ergebnisse vom Praxistest. Ich bin ein Stück (ca. 50m) mit relativ gleichmäßiger Steigung (vielleicht 10% oder etwas mehr) vom Stand weg gefahren. Dies habe ich mehrmals mit jeder Wicklung wiederholt. Mit der schnellen Wicklung hatte ich am Ende der Strecke immer eine geringere Geschwindigkeit (ca. 8km/h) als mit der langsamen Wicklung (ca. 11km/h). Der Unterschied ist durchaus spürbar aber sicher nicht den Aufwand wert.
Habe den Motor wieder ausgebaut und fahre jetzt wieder mit dem 24'' Motor im Winterrad. Ich werde wohl die schnelle Wicklung fest verdrahten und den Motor ins Liegerad bauen.
Hier noch ein Bild der Relaisverschaltung.

 

[labella-baron]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Hier die Ergebnisse vom Praxistest.
Mit der schnellen Wicklung hatte ich am Ende der Strecke immer eine geringere Geschwindigkeit (ca. 8km/h) als mit der langsamen Wicklung (ca. 11km/h).

Konntest du die Leistungsaufnahme jeweils am Ende der Strecke ebenfalls erfassen? Schneller bedeuted ja nicht, dass es auch effizienter ist.

Ich werde wohl die schnelle Wicklung fest verdrahten und den Motor ins Liegerad bauen.

Da wird die Post abgehen - 40 in der Ebene?

Hier noch ein Bild der Relaisverschaltung.

Ganz schön viel bunte Drähtchen!

 

[Matze]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Konntest du die Leistungsaufnahme jeweils am Ende der Strecke ebenfalls erfassen?

Der Regler war in beiden Fällen an der Strombegrenzung, die Akkuspannung war in beiden Fällen gleich ...

Wenn ich Dich richtig verstanden habe, bezweifelst Du nicht die Wirkung des Bergmotors an sich, wie er z.B. von Martinko verkauft wird, sondern das mit Gruppen Reihen- und Parallelschaltung das gleiche Ergebnis erzielt werden kann.
Wenn das so ist, dann wäre ein Motor mit Bergwicklung und Gruppenparallelschaltung schnell und bergstark oder?

 

[labella-baron]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Habe mir jetzt nochmal beide Schaltungen in den von mir gewählten gleichen Betriebspunkten (6,3% mit 20,0km/h) in EPACSIM angeschaut.

Wenn ich Dich richtig verstanden habe, bezweifelst Du nicht die Wirkung des Bergmotors an sich, wie er z.B. von Martinko verkauft wird,

Doch, in meinem ersten Posting habe ich das angezweifelt. Jetzt habe ich mir das nochmals genau angeschaut, und komme dazu, dass die schnelle Schaltung hierbei um 17,9W höhere Verluste hat.

sondern das mit Gruppen Reihen- und Parallelschaltung das gleiche Ergebnis erzielt werden kann.
Wenn das so ist, dann wäre ein Motor mit Bergwicklung und Gruppenparallelschaltung schnell und bergstark oder?

Für den Motor für sich genommen wäre es gleich welche Schaltung. Den Akku habe ich mit Ri=0 ideal gemacht, da kann also kein Unterschied herkommen. Meine These ist, dass über R_DSon des Controllers ja ein wesentlich höherer Motorstrom läuft und deshalb die schnelle Schaltung mehr Controllerverluste verursacht. Zwar hätte ich angenommen, dass diese auf Grund des doppelten Motorstroms dreimal so hoch sind (2J*2J*R_DSon - J*J*R_DSon) aber ganz so schlimm ist es offenbar doch nicht. (Das kann aber nur der EPACSIM-Autor aufklären.)

Fazit: Die Bergwicklung ist für den Controller besser und dadurch ergeben sich niedrigere Controllerverluste.
Aber dein Unterschied von ca. 8km/h auf ca. 11km/h finde ich schon viel. Das würde ja bei 10% und 95kg 57W mehr Ausgangsleistung bedeuten!

Die PWM-Schaltverluste, welche bei dir in beiden Fällen auftreten berücksichtigt ja EPCSIM noch nicht.

 

[Matze]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Ich werde wohl die schnelle Wicklung fest verdrahten und den Motor ins Liegerad bauen.

Das habe ich gemacht. Bin bisher ca. 200 km gefahren und sehr zufrieden. Obwohl der Motor alles andere als eine Bergwicklung hat, bin ich am Berg schneller, da der Motor bei 25km/h noch 14A zieht . Als Stecker in der Motorleitung verwende ich nach wie vor Goldkontaktstecker. Diesmal ohne Schrumpfschlauch und Klebeband. Mal sehen wie sich die Stecker bei Regen verhalten. Die Nabe habe ich noch schwarz lackiert, damit das ganze etwas hübscher wird. Nächstes Projekt wird die Verwendung des CA für eine "Current Throttle" oder "Cruise Control".

 

[Troubleshooter]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Ich stelle mir ja immernoch die Frage, wo der schlechte Wirkungsgrad der Nabenmotoren bei niedrigen Drehzahlen (und hohen Leistungen) herkommt.

Meine Vermutung: Die Permanentmagnete sind schuld.
1. Vermutung: Die Permagnentmagnete bringen dem Ankermagnet nicht genug Kraft entgegen.
2. Vermutung: Durch die Permanentmagnete und der darausfolgenden, konstanten Rotorkraft haben unsere Motoren eine feste Nenndrehzahl. Bei fallender Drehzahl wird die in der Ankerwicklung induzierte Spannung (EMK?) immer geringer. Demensprechend sinkt die mittlere Motorspannung, der Motorstrom steigt sehr hoch an. Kupfer- und Eisenverluste werden immer größer. Wirkungsgrad geht gegen 0.


Abhilfe?
Wenn ich die Mittel dazu hätte, würde ich nun gerne die Permanentmagnete durch einen Elektromagnet austauschen. Bei diesem kann man durch Veränderung des Spulenstroms die Magnetstärke verändern. Meinem Wissen nach würde ein geringerer Rotorstrom eine Erhöhung der Nenndrehzahl zur Folge haben. Entsprechend das umgekehrte Spiel. Bergauf wird der Rotorstrom erhöht, die EMK der Ankerwicklung bleibt konstant, Kupfer-, Eisenverluste und somit auch der Wirkungsgrad bleiben etwa konstant.

Was sagen die Motoren-Spezis dazu?

Hintergrund der Anfrage:

Kurzfrisitg: Durch die Energieeinsparung werden höhere Reichweiten erzielt oder der Akku kann kleiner ausfallen.
Langfristig: Nabenmotor als Hauptantrieb, Kette entfällt. In der Kurbel wird ein Generator den Akku (Pufferspeicher) aufladen.

Netter Nebeneffekt: Der Motor benötigt keine Permanentmagnete mehr. Vonwegen seltene Erden usw.

 

[Christian]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Ich stelle mir ja immernoch die Frage, wo der schlechte Wirkungsgrad der Nabenmotoren bei niedrigen Drehzahlen (und hohen Leistungen) herkommt.

Das ist kein Problem, mit dem nur Nabenmotoren zu kämpfen haben. Bei niedriger Motordrehzahl sinkt halt die Leistung proportional mit der Drehzahl, wenn das Drehmoment konstant gehalten wird. Will man die Leistung durch Erhöhung des Momentes ausgleichen, benötigt der Motor dafür einen höheren Strom. Problematisch ist allerdings, dass das Drehmoment nur linear mit dem Strom wächst, die Verluste aber quadratisch. Der Wirkungsgrad sinkt dann dramatisch.

Meine Vermutung: Die Permanentmagnete sind schuld.

Nein. Ohne die wär's noch schlimmer.

1. Vermutung: Die Permagnentmagnete bringen dem Ankermagnet nicht genug Kraft entgegen.

Wie meinst Du das?

2. Vermutung: Durch die Permanentmagnete und der darausfolgenden, konstanten Rotorkraft haben unsere Motoren eine feste Nenndrehzahl. Bei fallender Drehzahl wird die in der Ankerwicklung induzierte Spannung (EMK?) immer geringer. Demensprechend sinkt die mittlere Motorspannung, der Motorstrom steigt sehr hoch an. Kupfer- und Eisenverluste werden immer größer. Wirkungsgrad geht gegen 0.

Stimmt (bis auf die Sache mit den Eisenverlusten, die sinken mit fallender Drehzahl).

Abhilfe?
Wenn ich die Mittel dazu hätte, würde ich nun gerne die Permanentmagnete durch einen Elektromagnet austauschen. Bei diesem kann man durch Veränderung des Spulenstroms die Magnetstärke verändern.

Richtig, aber ich gebe mal zu bedenken, was das zu Folge hat: Ein NdFeB-Magnet mit einer Höhe von nur fünf Millimetern erzeugt umgerechnet eine Durchflutung von ca. 400 A. Das bekommst Du mit einer Spule gleicher Größe niemals hin. Außerdem hättest Du es mit nennenswerten Kupferverlusten zu tun, die das genaue Gegenteil bewirken - der Wirkungsgrad sinkt statt zu steigen. Zusätzlicher Aufwand: Es müsste Strom zwischen einem feststehenden und einem beweglichen Motorteil übertragen werden.

Meinem Wissen nach würde ein geringerer Rotorstrom eine Erhöhung der Nenndrehzahl zur Folge haben. Entsprechend das umgekehrte Spiel. Bergauf wird der Rotorstrom erhöht, die EMK der Ankerwicklung bleibt konstant, Kupfer-, Eisenverluste und somit auch der Wirkungsgrad bleiben etwa konstant.

Die Elektromagnete wären wie gesagt nicht in der Lage, ein ähnlich großes Magnetfeld zu erzeugen wie die Permanentmagnete. Am Berg verliert man also definitiv. Das mit der Feldschwächung bei hohen Drehzahlen stimmt, allerdings ist das kein zentrales Problem.

Hintergrund der Anfrage:

Kurzfrisitg: Durch die Energieeinsparung werden höhere Reichweiten erzielt oder der Akku kann kleiner ausfallen.

Keine Chance, leider.

Gruß,

Christian

 

[labella-baron]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Langfristig: Nabenmotor als Hauptantrieb, Kette entfällt. In der Kurbel wird ein Generator den Akku (Pufferspeicher) aufladen.

Ja, davon träume ich auch. Allerdings wird es ein Traum bleiben die Verluste einer Kette von 2-3% zu erreichen.

Vielleicht ist es mal möglich, wenn man die zehnfachen Verluste in Kauf nimmt. Hierbei darf m.E. keine Umwandlung Mechanik-Elektro-Chemie-Elektro-Mechanik stattfinden, sondern nur Mechanik-Elektro-Mechanik.

 

[Troubleshooter]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Ja, davon träume ich auch. Allerdings wird es ein Traum bleiben die Verluste einer Kette von 2-3% zu erreichen.

Vielleicht ist es mal möglich, wenn man die zehnfachen Verluste in Kauf nimmt. Hierbei darf m.E. keine Umwandlung Mechanik-Elektro-Chemie-Elektro-Mechanik stattfinden, sondern nur Mechanik-Elektro-Mechanik.

Der im Vergleich zur Kette (deutlich) schlechtere Wirkungsgrad war mir klar. Aber das wär's mir doch wert, wenn ich dafür ein paar Verschleißteile einspare. Akku führt man eh mit, muss der halt wenige Wattstunden mehr haben.

 

[HerrMüller]

AW: Getriebenabenmotor mit umschaltbarer spezifischer Drehzahl

Der im Vergleich zur Kette (deutlich) schlechtere Wirkungsgrad war mir klar. Aber das wär's mir doch wert, wenn ich dafür ein paar Verschleißteile einspare. Akku führt man eh mit, muss der halt wenige Wattstunden mehr haben.

Du vergisst, dass der Akku selbst auch ein Verschleißteil ist das auch noch einen Wirkungsgrad hat.
Labella-baron hat da schon recht. Wenn man den Umweg geht dann den Akku weglassen. Energetisch ist es nicht sinnvoll, aber man hat ein echt stufenloses Getriebe. So fahren ja auch Dieselloks.
Bzw. auch zukünftig der Opel Ampera (Plug-In-Hybrid) wenn der Akku leer ist. Akku aufladen ist da nicht vorgesehen wegen Verlusten und Akkuverschleiß.