Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

 
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Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 17.12.2008 - 14:11 Uhr  ·  #1
Meine Leistungsmessung für den Schrittmotor Howard Ind. 1-19-4201 brachte mich auf die Idee, doch "mal fix" einen kleinen Rohrflügler dafür zu konzipieren.
Die Berechnungen für dessen Maße ist im dazugehörigen Beitrag nachzulesen.
Ich habe also zunächst eine wunderschöne Schablone angefertigt:


(Zum Vergrößern anklicken)

Für den Flügel habe ich ein Kunststoff-Rohr mit 7cm Durchmesser besorgt:

(Zum Vergrößern anklicken)

Auf diesem konnte ich dann die Schablone mit Klebestreifen befestigen:

(Zum Vergrößern anklicken)

Mit einer Stichsäge lies sich dann relativ problemlos ein Profil zaubern:

(Zum Vergrößern anklicken)

Beim Abschleifen der Kanten habe ich die vordere Kante recht rund gehalten und die hintere, gerade Kante nur auf der windabgewandten Seite flach abgeschliffen.
Um den Flügel montieren zu können, habe ich zunächst ein M5 Gewinde in die Welle geschnitten. Dabei hab ich mir ordentlich Metallspäne auf dem magnetischen Anker eingefangen, was den Motor jetzt etwas schwergängig macht :(
Bei solchen Aktionen sollte man also magnetische Teile gut mit Klebeband oder ähnlichem einpacken. Um die Welle fest in einem Schraubstock einspannen zu können, musste ich das andere Ende der Welle auf einer Seite abflachen. Für die Bearbeittung der Welle musste ich den Motor zerlegen und konnte dabei feststellen, dass auf den Spulen noch ordentlich Platz für mehr Wicklungen oder einen größeren Querschnitt ist. Für den ambitionierten Bastler existiert also Tuningpotential.
Leider hat die Welle kein metrisches Maß und ist deswegen nicht genau 5mm stark. Aus diesem Grunde sitzt das Gewinde bei mit nicht 100%ig mittig. Wer die Möglichkeit hat, sollte die Welle also vorher abdrehen.
Jetzt konnte ich den Flügel endlich mit Muttern am Motor befestigen.
Unglücklicherweise habe ich das Gewinde etwas zu weit gedreht, so dass die Mutter hinter dem Flügel sich soweit dreht, dass sie die Welle blockiert, wenn sie nicht gesichert wird. Für eine Kontermutter ist leider kein Platz. Ich werde es also mal mit einer selbstsichernden Mutter oder Schraubensicherungslack probieren müssen.

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Leider weht hier momentan kein einziges Lüftchen zum Testen, aber der Flügel scheint mir etwas zu schwach zu sein, um das Haltemoment zu überwinden.
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 22.12.2008 - 21:47 Uhr  ·  #2
Mir fällt grad auf, dass ich vergessen habe, den Generator-Wirkungsgrad einzubeziehen. Wenn man den mit 70% annimmt, muss ein Windrad bei einer abgegebenen Leistung von 0,3W eine mechanische Leistung von 0,3W / 0,7= 0,43W erbringen. Der Durchmesser müsste also größer sein, als zunächst angenommen.
Die notwendige Fläche beträgt also 0,43 / (0,5 x 1,2 x 3³ x 0,3) = 0,0885m²
Der Radius ist folglich sqrt(0,0885 / 3,14159...) = 0,168m also ein Durchmesser von 33,6cm.
Daraus resultiert ein Umfang von 2 x 3,14159... x 0,168 = 1,06m und die Umdrehungen pro Minute bei neutraler Schnellaufzahl (3 x 60) / 1,06 = 170.
Demnach wird eine Schnelllaufzahl von 600 / 170 = 3,53 benötigt.

e:

Ich habe nochmal die unterschiedlichen Lösungen gegeneinander aufgetragen. Das Windrad dreht sich, sobald die Motorleistung durch die mechanische Leistung überstiegen wird. Man sieht also, dass selbst 17cm Radius sehr knapp sind, um das Windrad bei 3m/s Windgeschwindigkeit durchzudrehen.


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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 22.12.2008 - 22:05 Uhr  ·  #3
Dieser Tage ist ja jede Menge Wind vorhanden, wie machte sich dein Windrad ? Hast du schon mal getestet ?
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Gepostet: 22.12.2008 - 22:48 Uhr  ·  #4
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 08.01.2009 - 14:35 Uhr  ·  #5
Ich wäre auch sehr interessiert an einem kleinen Bericht. Klappts?
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 08.01.2009 - 14:46 Uhr  ·  #6
Leider hab ich momentan hier nicht genug Testwind. Sonst hätt ich das Gerät schonmal in die Luft gehalten. Es ist wie immer, wenn man was neues am Windrad gebastelt hat...

e: Wie ich weiter oben schon erwähnt habe, rechne ich aber damit, dass die aktuellen Flügel zu klein sind.
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 21.01.2009 - 16:35 Uhr  ·  #7
So, ich hatte mal wieder ein paar Minuten, um mein Anfängerprojekt weiterzutreiben. Da nur wenig Zeit war, habe ich mich für die "Quick-And-Dirty"-Variante entschieden.

ACHTUNG: Die hier gezeigte Bauweise muss für größere Windräder unbedingt sicherer ausgelegt werden, da sonst Gefahr für das eigene und das Leben anderer besteht!!!

Zunächst habe ich ein Stück Pfosten 50x50 45° abgeschrägt.


(Zum Vergrößern anklicken)

An der abgeschrägten Fläche wurde danach ein Scharnier mit einer um 20° gekippten Achse montiert. Diese dient später zur Befestigung der Fahne. Die Schanierachse darf dabei nicht seitlich überstehen, sondern besser einen Millimeter Luft haben, damit das Furling-System später frei laufen kann. An dieser Stelle mag man streiten, ob eine Sturmsicherung für so ein kleines Windrad überhaupt nötig ist und ob nicht sowieso eine Helikoptersicherung sinnvoller wäre, aber ich möchte später ein größeres Windrad nach dem gleichen Prinzip bauen und erhoffe mir Erkenntnisse dafür beim Bau dieses kleinen Modells.


(Zum Vergrößern anklicken)

Damit der Ausleger des Windrades später nicht schräg nach unten hängt, muss ein Stopper angebracht werden, der den Weg des Scharniers beschränkt. Die Leitwerkoptik meines Modells liegt aber nur an meiner Faulheit. Normalerweise würde man das Element nach oben hin bündig abschließen lassen.


(Zum Vergrößern anklicken)

Die Oberseite des Grundträgers wird daraufhin mit der Befestigungsplatte für den Generator ausgestattet.


(Zum Vergrößern anklicken)

Winkel dienen als Halterung für den Generator.


(Zum Vergrößern anklicken)

Nachdem der Generator befestigt ist, müssen noch Länge und Gewicht des Auslegers für das Furlingsystem bestimmt werden. Dafür war aber zunächst keine Zeit mehr. Die Berechnung mit Bildern folgt dann später.

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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 28.01.2009 - 19:48 Uhr  ·  #8
Wenn ich die Seite http://www.thebackshed.com/windmill/Docs/Furling.asp richtig verstanden habe, berechnet sich die Länge meiner Windfahne folgendermaßen:

Länge = (Durchmesser² x Geschwindigkeit² x Abstand) / (24 x Gewicht x sin(alpha) x sin(beta))

Der Durchmesser beträgt 0,28m. Ich möchte, dass mein Miniwindrad bei einer Windgeschwindigkeit von 6m/s anfängt, aus dem Wind zu drehen. Der Abstand des Motors zur Mastachse ist 0,05m groß. Das Blech, dass ich als Windfahne benutzen möchte ist 0,24kg schwer. Der Schanierwinkel beträgt 20° in der einen Richtung und 45° in der anderen Richtung.
Das bedeutet also für mein Miniwindrad:

Länge = (0,28² x 6² x 0,05) / (24 x 0,24 x sin(20°) x sin(45°)) = (0,0784 x 36 x 0,05) / (24 x 0,24 x 0,3 x 0,65) = 0,14112 / 0,1232 = 1,15m

Das ist für solch ein kleines Windrad ziemlich lang, lässt sich aber durch zusätzliches Gewicht beheben. Wenn man also mal von den Proportionen absieht, ist das so richtig gerechnet?
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 28.01.2009 - 21:31 Uhr  ·  #9
Hallo XXLRay,

also ich komme mit deinen daten auf ein anderes ergebnis:
Turbine Thrust = Diameter2 * WindSpeed2 / 24
Turbine Thrust = 0,28*028*6*6/24
Turbine Thrust = 0,1176kg

Turbine Moment ( kgM ) = Turbine Thrust x Turbine Offset
Turbine Moment ( kgM ) = 0,1176kg*0,05m
Turbine Moment ( kgM ) = 0,00588kgM

Tail Moment = Tail Length * Furl resistance
berechnet sich aus:
Furl resistance = Tail Weight * Sin ( Pivot angle in degrees) * Sin 45o
Furl resistance = 0,24kg*sin20*sin45
Furl resistance = 0,05804kg

Tail Length = Tail Moment / Furl resistance
Tail Length = 0,00588kgM/0,05804kg
Tail Length = 0,10M

Rundungsfehler mit eingerechnet. :)
Aber vieleicht liege ich ja auch daneben.

Gruß
Stefan
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 29.01.2009 - 06:38 Uhr  ·  #10
Hallo, du hast Recht. Mein Fehler war, dass ich die Winkel im Bogenmaß gerechnet habe, weil ich das so gewöhnt bin. Korrekterweise muss man sie aber im Gradmaß berechnen oder z.B. für 45° PI/4 annehmen.
Richtig lautet die Berechnung also:

Länge = (0,28² x 6² x 0,05) / (24 x 0,24 x sin(20°) x sin(45°)) = (0,0784 x 36 x 0,05) / (24 x 0,24 x 0,342 x 0,707) = 0,14112 / 0,139 = 0,101m

Das ist mir jetzt wieder etwas zu kurz und ich denke dass etwa 40cm Länge ganz in Ordnung wären. Dafür reicht dann aber auch 1/4 des Fahnengewichtes aus. Ich werd mal ausprobieren, ob die Fahne dann immer noch groß genug ist, um das Windrädchen in den Wind zu drehen.
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 05.02.2009 - 21:45 Uhr  ·  #11
Ich hatte Gelegenheit etwas weiter zu basteln. Als "Arm" für die Windfahne hab ich ein Alurohr mit 15mm Durchmesser auf eine Länge von 350mm gekürzt. Damit liege ich etwas unter meinen Berechnungen, was dafür sorgen sollte, dass Moment des Fahnengewichtes nicht ganz so hoch ist und somit die Windsicherung früher anspricht. Ich habe etwas schlampig entgratet, was mir den ein oder anderen Splitter im Finger eingebracht hat :(
Selbstsichernden Muttern sorgen hoffentlich dafür, das die Verbindungen mit M4x30 Schrauben halten.


(Zum Vergrößern anklicken)

Als Windfahne habe ich ein Stück Blech genommen, das noch so rumlag. Mal sehen, ob es ausreicht, das Windrad in den Wind zu drehen. Als Achszapen für die Befestigung am Mastlager habe ich ein Stahlrohr mit 8mm Durchmesser vorgesehen, das ich mit 1/4 Zoll Rohrschellen für Heizungsrohre fixieren möchte.


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Gepostet: 06.02.2009 - 23:15 Uhr  ·  #12
Ich habe mir jetzt Stücke von einer M8 Gewindestange abgeschnitten und in die Gewinde der Rohrschellen geschraubt.


(Zum Vergrößern anklicken)

Die Kombination konnte ich dann durch die vorgebohrten Löcher stecken und mit Flügelmuttern befestigen.


(Zum Vergrößern anklicken)

Ich hatte nur noch ein 8mm Stahlrohr rumliegen. Das musste ich dann mit wetterfestem Gewebeband auf den nötigen Durchmesser bringen. Vielleicht gönne ich meinem "Wunderwerk" bei Gelegenheit mal was dickeres, aber für die ersten Versuche sollte das reichen.


(Zum Vergrößern anklicken)

Hier sieht man die fertige Konstruktion. Jetzt kann man das Windrad in ein dickeres Rohr als Mast stecken und es dreht sich (hoffentlich) in den Wind.


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Gepostet: 10.03.2009 - 11:56 Uhr  ·  #13
Ich hatte mal ne halbe Stunde Zeit, um das Windrad zu testen. Dafür hab ich schnell nen mobilen Teststand zusammengebastelt und diesen auf einer Brücke über den Mittellandkanal mit einer Schraubzwinge am Geländer befestigt.
Bei 5m/s Windgeschwindigkeit konnte ich ohne Last etwa 16V erreichen, was ganz grob 750 Upm entspricht. Daraus lässt sich die Geschwindigkeit der Flügelspitzen herleiten:
3,14 x 0,295m x 750Upm ~ 690m/min = 11,5m/s
Das füht dann zu einer Schnellaufzahl von:
SLZ = 11,5m/s / 5m/s = 2,3

Es gibt auch ein kleines Video zum Testlauf:
http://www.youtube.com/watch?v=0ajjQ2XX4j4
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Gepostet: 11.03.2009 - 09:38 Uhr  ·  #14
Jetzt hatte ich sogar Zeit, das "Prachtstück" an meinem Mast zu befestigen. Dafür habe ich zunächst das Halterohr auf 30cm gekürzt:


(Zum Vergrößern anklicken)

Danach musste ich eine Halterung basteln, um das Windrad an meinem Turm zu befestigen. Problematisch ist nämlich, dass sämtliche gerade Flächen um 10° geneigt sind. Deswegen musste ich zunächst Keile fertigen, um diese Schräglage auszugleichen. Das "Mastrohr" habe ich eine Größe größer als das Halterohr gewählt und mit Schellen an einem Brett befestigt. Ich glaube beim Halterohr habe ich mich für einen Durchmesser von 12mm und beim Mastrohr für einen Durchmesser von 14mm entschieden. Das sitzt nicht zu straff und bietet gute Beweglichkeit.


(Zum Vergrößern anklicken)

Das Stromkabel habe ich einfach durch einen Knoten fixiert und durch das Halterohr geführt:


(Zum Vergrößern anklicken)

Anschließend musste nur noch das Windrad auf das Mastrohr gesteckt und das Brett am Mast befestigt werden:


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Gepostet: 13.03.2009 - 11:19 Uhr  ·  #15
Ich hab mal ne etwas schönere Schablone erstellt:


(Zum Vergrößern anklicken)

Damit das Windrad früher anfängt zu drehen, habe ich die Länge auf 36cm erhöht und ddie Breite auf 14cm erweitert. Gleichzeitig habe ich ein Rohr mit einem größeren Durchmesser von 10,5cm verwendet, wodurch das Flügelprofil trotz breiterer Flügel flacher wird und hoffentlich eine höhere Schnelllaufzahl erreicht:


(Zum Vergrößern anklicken)

Leider blieb die Windgeschwindigkeit unter 5m/s und der Rotor fängt erst ganz langsam bei 4m/s an zu drehen. Das Cogging ist einfach zu stark. Deswegen werde ich es jetzt mit einem deutlich größeren Flügel mit einer Schablonenlänge von 40cm und einer Schablonenbreite von 18cm versuchen.
Oli
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 13.03.2009 - 12:10 Uhr  ·  #16
Mir fällt auf, dass dein Zuschnitt meiner Meinung nach die falsche Form hat. Der Anstieg im Innenbereich sollte größer als der im Außenbereich sein, damit bei der Auslegungsschnellaufzahl die Strömungsverhältnisse an jedem Blattschnitt gleich gut sind.
Das wurde hier schonmal diskutiert.

Dann könntest du ihn wahrscheinlich auch größer bauen, dafür aber mit einer höheren SLZ auslegen, um die gewünschte Drehzahl zu erreichen.

Oli
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 13.03.2009 - 12:16 Uhr  ·  #17
Nun hats mich aber auch gepackt...!

Hast du für den Generator mal eine Drehzahl-Leistungskurve an einer Batterie erstellt...?
Falls dem so ist und du mir auch noch das Anlaufmoment des Generators in Nm in etwa liefern kannst, mache ich dir eine Schblone nach meinen Rechnungen und bestimme den passenden Rohrdurchmesser...wenn du magst. Dann könnte man mal prima vergleichen. Ich könnte dann die Maße anhand einer Paint-Skizze hier einstellen. Ein ordentloches Zeichentool habe ich leider nicht und mein Scanner hat den Geist aufgegeben...

Gruß
Max
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 13.03.2009 - 12:48 Uhr  ·  #18
Hallo XXLRay,

ich würde dir raten anstelle von HT Rohr KG Rohr, also nicht das graue sondern das braun-orangene, zu benutzen. Lässt sich nach meiner erfahrung viel besser verarbeiten und ist würde ich sagen stabieler wegen dem mehrschichtaufbau. Auch kann man es hervorragend mit einer dünnen 1mm trennscheibe mit dem einhandwinkelschleifer schneiden.
Gruß
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 13.03.2009 - 13:11 Uhr  ·  #19
Zitat geschrieben von Oli
Mir fällt auf, dass dein Zuschnitt meiner Meinung nach die falsche Form hat. Der Anstieg im Innenbereich sollte größer als der im Außenbereich sein, damit bei der Auslegungsschnellaufzahl die Strömungsverhältnisse an jedem Blattschnitt gleich gut sind.
Das wurde hier schonmal diskutiert.

Dann könntest du ihn wahrscheinlich auch größer bauen, dafür aber mit einer höheren SLZ auslegen, um die gewünschte Drehzahl zu erreichen.
Ja, ich habe im Grunde das Teil als Flügel verwendet, das sonst weggeschnitten wird. Die Idee dahinter ist, dass seitlich von der Windrichtung aus gesehen Die Höhe des Flügels gleich und somit auch der Luftwiderstand in dieser Richtung identisch ist. Die Flügelfäche ist bei meiner Schablone im Vergleich aber höher. Ich habe mir dadurch ein größeres Drehmoment erhofft.
Ich bin da allerdings noch in der Experimentierphase. Menelaos ist da ungleich weiter.

Zitat geschrieben von Menelaos
Hast du für den Generator mal eine Drehzahl-Leistungskurve an einer Batterie erstellt...?
Ich habe zwar inzwischen ein paar alte Batterien aus ner ausgesonderten USV, aber bisher konnte ich daran noch keine Leistungskennlinie aufnehmen, weil ich keine Gelegenheit hatte, mir ein zweites Multimeter zuzulegen. Ich bin also nicht in der Lage Strom und Spannung gleichzeitig zu messen. Vielleicht finde ich die Zeit, den Messaufbau so zu gestalten, dass ich Strom und Spannung abwechselnd messe.

Zitat geschrieben von Menelaos
Falls dem so ist und du mir auch noch das Anlaufmoment des Generators in Nm in etwa liefern kannst, mache ich dir eine Schblone nach meinen Rechnungen und bestimme den passenden Rohrdurchmesser...wenn du magst. Dann könnte man mal prima vergleichen.
Leider bin ich in theoretischer Mechanik nicht so fit. Bei einem Hebel von 18cm konnte ich mit einer Briefwage einen Druck von 2,5g messen, der nötig ist, um den Rotor zu drehen. Ist das Drehmoment dann 0,0025N x 0,18m = 0,00045Nm?
Es ist allerdings zu beachten, dass ich mir den Motor beim Gewindeschneiden ja etwas verhunzt habe und sich sicherlich noch der ein oder andere Eisenspan im Gehäuse herumtreibt. Die Messwerte können also etwas verfälscht sein.

Inzwischen habe ich mir auch den kleineren Bruder des HOWARD Ind. 1-19-4203, den Schrittmotor HOWARD Ind. 1-19-4201 bestellt. Der hat eine geringere Nennleistung und erlaubt deswegen hoffentlich einen kleineren Durchmesser.
Ziel ist es eine Flügelschablone auf ein DIN A4-Blatt zu bekommen. Ich denke damit ließe sich gerade für Selbstbau-Anfänger ein tolles extrem günstiges Einstiegsmodell basteln. Ich hab bisher unter €20 ausgegeben und da ist noch einiges an Verschnitt dabei.

Zitat geschrieben von Wind_Stefan
ich würde dir raten anstelle von HT Rohr KG Rohr, also nicht das graue sondern das braun-orangene, zu benutzen. Lässt sich nach meiner erfahrung viel besser verarbeiten und ist würde ich sagen stabieler wegen dem mehrschichtaufbau. Auch kann man es hervorragend mit einer dünnen 1mm trennscheibe mit dem einhandwinkelschleifer schneiden.
Ja, danke für den Hinweis. Das ist mir bekannt. HT-Rohr ist einfach günstiger. Auch wenn KG-Rohr kaum teurer wäre, weil ich ja extrem klein baue, möchte ich für die Prototypen nicht unnötig Geld ausgeben. Ich produzieren bestimmt ne Menge Ausschuss, bis ich das ideale Profil gefunden habe.

Ich find es übrigens super, dass ihr euch so an meinem Spaßprojekt beteiligt.
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Re: Projekt Kleinstrohrflügler mit Howard Ind. 1-19-4203

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Gepostet: 13.03.2009 - 13:37 Uhr  ·  #20
Ich denke dass du bei den kleinen Leistungen die der Generator bringt keine 2 Multimeter brauchst. Miss einfach die Ruhespannung des Akkus und schalte dann den Geno zu. Ich denke nicht dass sie sich mehr als 0,2 V ändert....und auf so kleine Unterschiede kommt es auch nicht an. WIr nehmen dann Ruhespannung + 0,2V und messen den Strom der in die Batterie geht. Das reicht zum überschlagen vollkommen aus. Vielwichtiger ist das möglichst genaue erfassen der Drehzahl mit den dazugehörigen Ladeströmen. Den Rest mache ich dann.

Dein angegebenes Drehmoment kann hinhauen. Allerdings ist es wohl wesentlich genauer wenn du einfach eine Schnur um die Welle wickelst und unten ein Gewicht hängst welches du anpassen kannst. Dann hast du ja den Wellendurchmesser als Hebel und eben die hängende Masse. So habe ich es immer gemacht und es hat bestens geklappt...denn: Wenn du einen 18 cm langen Hebel an der Welle hast, wird es hauptsächlich schon dieser sein, der einen großteil der Gewichtskraft einseitig ablöst und somit das ergebnis in Positive rückt...

Gruß
Max
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