Elektro Motor (und Getriebe) auslegen

Hallo liebe Community,

ich habe ein Problem und hoffe hier auf Antwort. Ich bin gerade dabei eine autonom fahrende mobile Plattform zu bauen und bräuchte dafür den passenden E - Motor.
Eine kleine Vorgeschichte: Ich habe den Wagen bereits mit Hilfe von Profilen, 2 Achsen und Reifen (https://www.amazon.de/Wagenbau-Achse-Radsatz-Luftrad-WB260S3/dp/B01JAS9J72/ref=sr_1_3?__mk_de_DE=ÅMÅŽÕÑ&keywords=rad+mit+achse&qid=1636366551&s=diy&sr=1-3) aufgebaut. Die eine Achse habe ich bereits passend gelagert um diese als Antriebsachse verwenden zu können. Außerdem besitze ich die passende Sensorik und habe den Programmcode geschrieben. Als Steuereinheit verwende ich einen Controllino MAXI.
Der Sensor ist in der Lage eine Linie auf dem Boden zu erkennen und wenn der Sensor die Linie erkennt, gibt dieser ein Signal an den Motor. Bei einem Signal dreht sich der Motor, bis die Linie entweder aufhört oder QR-Codes auf dem Boden als "Stationen" erkannt werden. Der Code funktioniert, aber leider ist der Motor den ich besitze zu schwach (https://www.reichelt.de/getriebemot...gm49-6-24v-p163531.html?&trstct=vrt_pdn&nbc=1). Ich habe bereits eine H-Brücke bestellt und einen kleinen Spannungsteiler gebastelt, damit der Motor sich in beide Richtungen drehen kann, da der Wagen hin und her fahren soll. Als Getriebe nutze ich ein, mit dem 3D-Drucker gedrucktes, Kegelradgetriebe mit einer 1 zu 1 Übersetzung. Also die Idee steht und der Code funktioniert. Der Wagen sollte sich also mit dem richtigen Motor (und Getriebe) bewegen können.

Aber jetzt zu meiner Frage. Kennt sich da jemand vielleicht mit der Auslegung eines passenden Motors + Getriebe aus?
Der Motor muss:
+- 100 kg bewegen können
In der Lage sein sich in beide Richtungen zu drehen
Die Geschwindigkeit des Wagens sollte am besten unter 5 km/h sein, da der Wagen aufgrund der (noch) fehlenden Sicherheitsvorkehrungen nicht zu schnell fahren sollt, außerdem brauchen die Sensoren etwas um die Codes zu erkennen, daher sollte der Wagen recht langsam drüber fahren.
Der E - Motor sollte 24 V benötigen ( Meine Spannungsversorgung: https://de.farnell.com/mean-well/hdr-60-48/netzteil-ac-dc-48v-1-25a/dp/2815644?gclid=Cj0KCQiAsqOMBhDFARIsAFBTN3d9F0PafBQbVLIlLQTtSz38FOGqa3x5qHZb2gCBfEovNTYVEFVC7FEaAk9PEALw_wcB&mckv=s_dc|pcrid|539946501356|kword|hdr 60 48|match|p|plid||slid||product||pgrid|127688483242|ptaid|kwd-360454750055|&CMP=KNC-GDE-GEN-SKU-MDC-Power-Supplies_Circuit-Protection ).

vielen dank im voraus :)
 
Drehmoment das für die Bewegung nötig ist: [tex] M = F*l = m*a*l = 100kg*0,5m/s^2*0,26m = 13 Nm [/tex] wenn man davon ausgeht, dass man in 3 sekunden von 0 auf 5 km/h beschleunigen will.
Drehzahl wäre [tex] n = v*60/(\pi *d) = (1,39 m/s *60 s/min) / (\pi*0,26m) = 102 min^-1 [/tex]
Daraus die Leistung: [tex] P = M*n / 9550 = 13 Nm * 102 min^-1 / 9550 = 0,139 kW = 139 W[/tex]
Dazu kommen noch Verluste wie Reibung, Schlupf, Übersetzung etc. das werde ich aber hier nicht berücksichtigen. Sonst wie motmonti geschrieben hat einfach mit Kraftmesser ausprobieren.

Also sollte der Motor mindestens 140 Watt oder mehr haben. Drehmoment und Drehzahl lassen sich dann über ein Getriebe mit entsprechender Übersetzung beliebig anpassen.

Ich würde vorsichtshalber 200W oder mehr wählen (vorausgesetzt meine Rechnung stimmt).
 
@Lehrling98 Diese M=F∗l=m∗a∗l=100kg∗0,5m/s2∗0,26m=13Nm Rechnung stimmt nicht ganz. Die Räder aus dem Link haben einen Durchmesser von 0,26m was eine Radius, also Hebelarm, von 0,13m entspricht. Somit sind es nur 6,5Nm an Drehmoment. Somit sind es auch nur rund 70W für den Motor.
Damit wird es immer noch teuer genug!


 

derschwarzepeter

Mitarbeiter
Mit einem Nenndrehmoment von 98 Ncm, einer Übersetzung von 1 und einem Raddurchmesser von 280 mm
hat man (unter Vernachlässigung von Verlusten) am Rad eine Umfangskraft von schlappen 7 N.

Damit wird man einen 100 kg schweren Wagen nur ziehen können,
wenn der mit Eisenrädern waagrecht auf einer Schiene fahren soll.
Für Luftreifen auf Asphalt (µr ~ 0,015) wird gut die doppelte Kraft erforderlich sein,
aber für´s Beschleunigen, Unebenheiten oder gar eine Steigung sind da keine Reserven vorhanden.

Praktisch wird man das deshalb (geringe Beschleunigung und Steigung) mit mindestens der 5-fachen Kraft auslegen
und wenn das ein Einzelstück werden soll, wird man das noch weiter überdimensionieren,
denn da spielt´s ja weniger Rolle, wenn´s ein bisschen teurer ist - funktionieren soll´s!
Lasset uns rechnen:
100 kg * g = 1000 N Gewichtskraft
1000 N * 0,015 = 15 N Rollreibung ...5-mal überdimensioniert: 75 N
Gewünschte Geschwindigkeit: 5 km/h ~ 1,4 m/s
mechanische Antriebsleistung: P = F * v ~ 100 Watt
Unter Berücksichtigung der Getriebe- und Motorverluste muss ein 24 V-Motor also mindestens (!) 5 A aufnehmen;
d.h. das gewählte Motörli ist mindestens um den Faktor 10 zu schwach
... oder du lasst den Wagen halt nur 0,5 km/h schnell fahren.
 
Hallo,
Danke für diese vielen und schnellen Antworten!
Einen Waage um die Kraft zu messen habe ich leider nicht vorkriechenden weshalb ich dies auch per Rechnung ermitteln würde. Leider verstehe ich noch nicht ganz worauf ich bei der Wahl für den passenden Motor achten muss. Ist da nur die Leistung wichtig und ich sollte einfach nach einem Motor mit einer Leistung von 100 Watt schauen? Oder gibt es da noch andere Faktoren auf die ich acht geben soll?

Ich habe einen Kollegen gefragt dieser hat einen Nema 20 von mindestens 4Nm empfohlen. Daher wollte ich fragen ob dies auch irgendwie ne Rolle spielt?
 
Du benötigst einen Getriebemotor mit den 100W, 24V= und einer Drehzahl die zur gewünschten Geschwindigkeit passt. Die Drehzahl habe ich dir oben schon vorgerechnet.
 

derschwarzepeter

Mitarbeiter
... und ggf. musst du die halt mit einem Getriebe anpassen.
(Ein Kettentrieb wird die einfachste Lösung sein
und wenn du den vom Fahrrad nimmst, kannst du sogar die Übersetzung ändern.)
... Kollegen gefragt dieser hat einen Nema 20 von mindestens 4Nm empfohlen.
Das ist ein Schritt-Motor
und abgesehen davon, dass der ganz anders anzusteuern ist,
wird dich der ein kleines Vermögen kosten.
 
Du benötigst einen Getriebemotor mit den 100W, 24V= und einer Drehzahl die zur gewünschten Geschwindigkeit passt. Die Drehzahl habe ich dir oben schon vorgerechnet.
Ah okay danke dir. Dann schau ich mal nach nem Motor mit den Infos.




Das ist ein Schritt-Motor
und abgesehen davon, dass der ganz anders anzusteuern ist,
wird dich der ein kleines Vermögen kosten.
Sorry falls ich zu triviale Fragen stelle, aber wieso würde ein schrittmotor nicht funktionieren?
Und ich hatte anfangs die Idee den Motor eines e Fahrrads zu nutzen und diesen, wie du sagst, mit dem kettentrieb zu steuern aber wusste nicht ob das die beste Idee ist.
 

derschwarzepeter

Mitarbeiter
Sorry falls ich zu triviale Fragen stelle, aber wieso würde ein schrittmotor nicht funktionieren?
Sicher würde ein Schrittmotor "auch funktionieren",
aber der ist viel schwieriger anzusteuern und auch noch wesentlich teurer und schwerer.
Der ist ja auch für eine gänzlich andere Anwendung gemacht!

Warum solltest du dir das antun?
Die präzise Positionierung auf exakt 1/200stel Umdrehung des Motors brauchst du doch gar nicht!

Der Motor eines e-Fahrrades wäre dagegen relativ gut geeignet,
ist aber auch kniffelig anzusteuern: Der läuft doch nur, wenn gekurbelt wird!
Besser wäre ein Motor für Tretroller.
 
Ist da nur die Leistung wichtig und ich sollte einfach nach einem Motor mit einer Leistung von 100 Watt schauen? Oder gibt es da noch andere Faktoren auf die ich acht geben soll?
Die Leistung eines Motors berechnet sich aus dem Drehmoment und dessen Drehzahl (Leistung in kW !!!!, Drehzahl in u/min !!!) wie folgt:
Das Verhältnis der beiden Größen lässt sich mit einer Übersetzung ändern z.B. Kettentrieb, Riementrieb, Getriebe, etc.

Also suchst du einen Motor mit 24V, 100W und passt dann mit einer Übersetzung dessen Drehzahl und Drehmoment so an, dass du mit deinem Raddurchmesser auf die gewünschte Geschwindigkeit und Drehmoment des Wagens kommst.

Aber zu klären gilt jetzt immer noch ob die 100W ausreichend sind oder nicht.
Ich würde nach einem BLDC Motor suchen, am besten bei AliExpress oder Alibaba.com. Die Qualität sollte für deine Anwendung ausreichen und das ganze wird aber etwas günstiger. Dazu gibt es auch passende Motorcontroller (ESC) die sich leicht programmieren lassen.

Ich verstehe nur nicht ganz warum deine Spannungsversorgung mit einem Hutschienennetzteil realisiert werden soll. Dann hängt doch der Wagen an einer Leitung? Da würde ich einen LiPo Akku nehmen. Das ist dann auch alles Plug&Play mit dem ESC.

Du kannst dir auch mal auf YouTube Videos anschauen, wie manche ein Elektrisches Skateboard o.ä. bauen. Das Prinzip dürfte sich ja auf deine Anwendung übertragen lassen.
 
Erstmals Danke @derschwarzepeter und @Lehrling98 .
Ich habe eben nach Motoren geschaut und hab da folgende gefunden:

- 24V und 100 W. Für einen E-Scooter und kann mit einem Keilriemen angetrieben werden : https://www.happymotorparts.de/e-sc...oter-rc-hmparts-elektro-motor-24v-100w-my1018
- 24 V und 250 W (um auf Nummer sicher zu gehen etwas mehr W.) Sind auch für einen E - Scooter und können mit einer Kette angetrieben werden: https://www.amazon.de/gp/product/B01MREP0V7/ref=ask_ql_qh_dp_hza oder https://www.kaufland.de/product/330...aid&utm_campaign=pricecomparison&sid=22814792
- 24 V und 300 W (was vielleicht etwas zu viel ist :D ) ist für einen E - Roller : https://www.ebay.de/itm/265099469541?var=0&amdata=enc:11oY1jidETuGX8ItOBxGLng91

Bin ich mit diesen Motoren auf dem richtigen Weg? Da ich wie erwähnt die Motoren gern mit einem Controllino ansteuern würde und den Motor in beide Richtungen drehen muss.

Auf den Seiten haben die meisten Motoren eine ziemlich lange Lieferzeit. Bei dem Projekt handelt es sich um ein Bachelorarbeitprojekt, daher bräuchte ich den Motor frühzeitig. aber danke!


Ich verstehe nur nicht ganz warum deine Spannungsversorgung mit einem Hutschienennetzteil realisiert werden soll. Dann hängt doch der Wagen an einer Leitung?
Ja der Wagen wird an einer Leitung hängen, was für die erste Anwendung und die Bachelorarbeit keine große Rolle spielt. Die Nutzung eines Akkus kann und wird dann im Ausblick thematisiert. Erst gillt es den Wagen zum laufen zu bringen

Danke nochmal für die Hilfe
 
Was studierst du denn wenn ich fragen darf?

Theoretisch würden alle deine Motoren funktionieren.
Dein Netzteil liefern jedoch scheinbar nur einen Strom von 1,25 A. Damit kommst du bei den Motoren nicht weit.
Ob an dem Motor schon ein Ritzel oder eine Zahnriemenscheibe befestigt ist spielt eigentlich keine Rolle. Da würde ich lieber einen "nackten" Motor kaufen und die Übersetzung dann so gestalten dass es auch zur Konstruktion passt. Du musst ja schließlich auch alles irgendwo unterbringen.

Du könntest ja diesen Weg gehen: Controllino --> ESC --> BLDC Motor

Auf den Seiten haben die meisten Motoren eine ziemlich lange Lieferzeit. Bei dem Projekt handelt es sich um ein Bachelorarbeitprojekt, daher bräuchte ich den Motor frühzeitig. aber danke!
Dann wird das ganze vermutlich teurer. Schreibst du die Bachelorarbeit bei einem Unternehmen oder wer muss das bezahlen?
Die Nutzung eines Akkus kann und wird dann im Ausblick thematisiert.
Wäre m.M.n. kein zusätzlicher Aufwand. Du kannst ja dein ESC auch mit einer festen Spannungsquelle mit Kabel betreiben wenn du möchtest.
 

derschwarzepeter

Mitarbeiter
Bin ich mit diesen Motoren auf dem richtigen Weg? Da ich wie erwähnt die Motoren gern mit einem Controllino ansteuern würde und den Motor in beide Richtungen drehen muss.
Yupp: Die gewählten Motoren sind allesamt Kollektormotoren
und falls die permanentmagneterregt sind (wovon ich ausgehe), dann ist die Drehrichtung durch Umpolen umkehrbar.
Damit könntest du das mit dem von mir vorgeschlagenen Modellboot-Regler realisieren.
(Das sollte eher ein kräftiger sein, aber einer für "brushed" Motoren.)
Das für den Regler nötige Servosignal sollte auch dein Controllino (?) herstellen können.
 
Was studierst du denn wenn ich fragen darf?
Maschinenbau.


Dein Netzteil liefern jedoch scheinbar nur einen Strom von 1,25 A.
Das wäre meine nächste Frage gewesen. Leider habe ich keinen anderen Motor mit den Angaben und weniger Amper gefunden. Wie ich das Problem löse weiß ich jetzt aber leider nicht.

Ich hab zur Zeit eine H-Brücke (https://www.roboter-bausatz.de/p/dc...uhK8IkqriQe7yyQ0MuEj9kE6-qFXhCW8aAjYkEALw_wcB) zwischen Controllino und Motor um die Richtung zu ändern. Kann ich mit den PWM Ausgängen nicht auch was an dem Strom machen?

Dann wird das ganze vermutlich teurer. Schreibst du die Bachelorarbeit bei einem Unternehmen oder wer muss das bezahlen?
Ist in einem Betrieb aber sollte trotzdem nicht zu teuer werden :D
 

derschwarzepeter

Mitarbeiter
Ich hab zur Zeit eine H-Brücke (https://www.roboter-bausatz.de/p/dc...uhK8IkqriQe7yyQ0MuEj9kE6-qFXhCW8aAjYkEALw_wcB) zwischen Controllino und Motor um die Richtung zu ändern. Kann ich mit den PWM Ausgängen nicht auch was an dem Strom machen?
Die H-Brücke passt wie die Faust auf´s Auge
und PWM kannst du damit auch!
Leider habe ich keinen anderen Motor mit den Angaben und weniger Amper gefunden. Wie ich das Problem löse weiß ich jetzt aber leider nicht.
Ein anderer 24V-Motor mit weniger Ampere wäre dir auch keine Hilfe,
denn um hinten genügend mechanische Leistung rauszubekommen,
muss man eben vorne genügend elektrische Leistung reinstecken
und elektrische Leistung ist immer noch Spannung mal Strom.

Unabhängig davon drängt sich mir die Frage auf,
warum ein Maschinenbaustudent elektrische Antriebe auslegen können soll:
Wie du siehst, ist die Sache nicht unbedingt simpel,
m.a.W. fehlt dir dafür ein gerüttelt maß an Wissen.
Ihr solltet euch einen Elektrotechniker in´s Team holen!
 
Unabhängig davon drängt sich mir die Frage auf,
warum ein Maschinenbaustudent elektrische Antriebe auslegen können soll:
Ich finde das kann man einem Maschinenbaustudenten durchaus zumuten. Ist ja mehr ein mechanisches Problem.
Da finde ich eher die Programmierung einer SPS-Steuerung (Controllino) etwas abwegig.

Wie ich das Problem löse weiß ich jetzt aber leider nicht.
Mit deinem Netzteil mit 60W kannst du natürlich nicht einen 100W Motor + Steuerung etc. betreiben.
Also größeres Netzteil oder andere passende Spannungsversorgung die deinen Leistungsbedarf deckt.
 

derschwarzepeter

Mitarbeiter
Ich finde das kann man einem Maschinenbaustudenten durchaus zumuten. Ist ja mehr ein mechanisches Problem.
Da finde ich eher die Programmierung einer SPS-Steuerung (Controllino) etwas abwegig.
Gut, die Berechnung der nötigen Antriebsleistung bzw. des -momentes sollte ein Maschinenbauer durchaus hinkriegen,
aber damit kann man nicht unbedingt einen elektromotorischen Antrieb auslegen,
denn wie man in diesem Thread klassisch sehen kann, ist das eben KEIN rein mechanisches Problem:
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien, die einem Maschinenbauer die Auslegung ermöglichen würden,
liegen nicht vor bzw. können selbst von erfahrenen Elektrotechnikern nur erahnt werden.
Mit dem vorliegenden Wissen kann aramzwan1 bestenfalls einen kompletten AntriebsSATZ aussuchen.
Einzelne Komponenten zusammenzustoppeln ist dagegen wenig erfolgversprechend.
Mit deinem Netzteil mit 60W kannst du natürlich nicht einen 100W Motor + Steuerung etc. betreiben.
DAS muss aber auch ein Maschinenbauer bemerken.
 
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