NANO - TORQUE  2.5 -
Entwicklung eines MICRO-Brushless mit einem Laufgewicht von unter 3g 
    oder:
Bau des bisher kleinsten existierenden 9N-Brushless-Aussenlaeufers  (Stand: Februar 2007)

Nach vielen positiven Erfahrungen mit den kleinsten handelsueblichen Brushless-Motoren mit Gewichten zwischen 3,3 und 7,5 Gramm (WES-Technik) und nach dem Bau einiger kleiner Brushlessmotore auf Basis von CD-Laufwerks- und Streamerantrieben entstand die Idee, etwas besonders kleines für Miniflugzeuge der Gewichtsklasse von 20-40g zu entwickeln. Mittlerweile werden eine ganze Reihe kleinster Hartschaumflieger als Gummimotorflieger auf dem Markt angeboten. Sie eignen sich hervorragend für eine Modifikation und den Einsatz von RC-Microkomponenten, so auch für den Einbau eines NANO-TORQUE Micro-Brushless.

Nach einigen Ueberlegungen wurde das Design des Statorenbleches festgelegt: Durchmesser 10mm, Materialstaerke 0,15mm, 9 Wickelzaehne passend für 13 Windungen (0,16mm Wickeldraht) und 19 Windungen (0,10mm Wickeldraht), optimiert für 1 - 2 Lipozellen.
Da im Handel so kleine Statorenbleche nicht verfuegbar sind, wurde ein Spezialist fuers Drahterodieren kontaktiert und das Projekt vorgestellt. Auf Grundlage der Abbildungen und festgelegter Bemassungen wurde eine CAD-Zeichnung und ein CNC-Programm erstellt. Aus einem Stapel von 12 kleinen, 0,15mm starken, geschliffenen Folienblechen konnten 48 Statorenbleche für den Bau von 3 Prototypen erodiert werden:

 

Fuer den ersten NANO-TORQUE Micro-Brushless Prototyp wurde eine Statorhoehe von 16 Blechen gewaehlt. Einschliesslich einer einseitigen roten Beschichtung ergab sich eine Statorpakethoehe von 3mm.
Ein 4mm Alu-Lagerrohr wurde mit zwei 3mm Kugellagern bestueckt, in denen eine  Stahlwelle mit 1mm Durchmesser laeuft.
Der Magnetrueckschlussring (0,3mm) ist auf einen Alu-Glockenkdeckel von 0,5mm Staerke aufgepresst. Die Stahlwelle ist eingepresst und -wie die N42-Neodym-Bor-Samarium-Magnete- mit duennfluessigem Sekundenkleber verklebt.

Drahterodiertes Statorenblech

(mit besonderem Dank an Dieter V. aus Solingen, der alle Statorenbleche der NANO-TORQUE-Reihe erodiert hat.  Ohne Ihn waere die Realisierung des NANO-TORQUE - Projektes nicht moeglich gewesen)

Bewickelt wurde der erste Stator mit 13 Windungen zu 0,16mm. Lauffertig ergab sich fuer den kompletten Motor ein Gewicht von 2,5g. Die Glocke ist mit 12 Magneten 3x3x0,5mm ausgestattet, wobei die Magnete um 0,3mm gekuerzt wurden.

Damit ist dieser Motor mit 12,2 mm Durchmesser ca. 0,7mm kleiner als der naechstgroessere kaeufliche Aussenlaeufer - Brushlessmotor (12,9mm) und 0,8g leichter.
Er laeuft sauber und rund und wird ein kleines RC-Flugzeug in die Luft bringen, wenn die passende Luftschraube verfuegbar ist.
Aufgrund der Standlaufergebnisse kann angenommen werden, dass der Motor in der vorliegenden Auslegung auch mit einer Lipozelle betrieben werden kann.
Mit einer 2.1/2 x 2" - Luftschraube konnte bei verschiedenen Testlaeufen ein dauerhafter Schub von 20g bei 6,5Watt Leistungsaufnahme, kurzfristig sogar über 30g bei 13,5 Watt, erzielt werden. Die hierbei auftretende Waermeentwicklung deutete an, dass ein spannungsstabilerer und 'kaelterer' Motor mit laengerer  und duennerer Wicklung gebaut werden muss. In der vorliegenden Wicklungsauslegung scheint der Motor besser fuer den Einsatz mit nur einer Lipozelle geeignet zu sein.

So sollte ein zweiter Prototyp mit nur 1,5 mm Statorhoehe und einer Wicklung von 20-28 Windungen zu 0,11mm entstehen.

Mit diesem gewichtsminimierten Motor soll der Versuch unternommen werden, mit einem 9N-Stator-Brushlessmotor die 2g-Grenze zu unterschreiten.

Video vom ersten Testlauf mit Messwerten des kleinen 9N-2,5Gramm-Brushlessmotors
 


 


 

NANO-TORQUE 1.4 - der zweite Prototyp, auf den gleichen Statorblechen basierend

 

 

     Stand: Maerz 2007

 

 

   
   
Einen solchen Prototypen zu bauen stellt schon eine besondere Herausforderung dar: Ohne Lupenlampe geht hier nichts, insbesondere bei der Ausrichtung der Drahtlagen bei der Statorenwicklung.
Um die Magnete, die als Standardgroesse in 3x3x0,5mm verfuegbar sind, auf das passende Mass zu bringen, wurden ein Paket von 24 Magneten (12 wurden nur benoetigt) in eine Minifaltschachtel aus Konservendosenblech 'gepackt', zugefaltet und nach der Schleifseite offen gelassen.
Mit einem Handabzug des kleinen Kaestchens auf 400er Schleifpapier (wasserfest) liessen sich die gewünschten Magnetabmessungen fuer eine 100%-Ueberdeckung von 3mm auf eine Laenge von 2,7mm nass herunterschleifen. Die spaeter im Rueckschlussring der Aussenlaeuferglocke fertig verklebten Magnete wurden dann -einschliesslich des Rueckschlussringes- ebenfalls nass auf eine Hoehe von 2,0mm gebracht.
Gewickelt wurde mit einem Wickeldraht von 0,11mm und 25 Windungen je Zahn. Die Statorenblechkanten wurden mit duennfluessigem Acryl-Cyanatkleber versiegelt, um evtl. Masseschluessen/Wicklungsschluessen vorzubeugen. Gewickelt wurde mit einer Arbeitslupenlampe mit 3-facher Vergroesserung.
Auch dieser Motor laeuft mit 2 Mikrokugellagern 1x3x1mm, in denen sich eine 0,98mmCFK-Welle dreht. Das Laufverhalten des zweiten Prototypen ist insgesamt ausgewogener, er laeuft  stabil und ist dauerbelastbar mit ca. 20g Schub bei ca. 12Watt Leistungsaufnahme. (Mit einem 11,5V Lipo-3-Zeller hat der Motor kurzfristig 31g Schub gebracht, wurde dabei aber sehr warm)


Video vom Testlauf des derzeit kleinsten 9N-Brushless-Aussenlaeufers mit 1,4Gramm Gewicht

 


 

 

Ein weiterer Versuch: NANO-TORQUE 0.9

Beide NANO-TORQUE Prototypen basieren auf dem gleichen Statorenblechlayout, welches in seiner 'grosszuegigen' Auslegung hinsichtlich des Innen- und Aussendurchmessers weitere Einsparpotentieale beinhaltet. Um die vorhandenen Einsparpotenziale auszuschoepfen,  wurde fuer den Bau eines 3. Prototyps ein neues Statorenblech entworfen:

 

 

Der Innenradius betraegt nur noch 1,7mm, die Stärke des inneren Rueckschlussringes 0,5mm, die Wickelzahnlänge 1,6mm, die Hammerkopfhoehe 0,4mm, der aeussere Durchmesser 8,4mm.

Die Statorblechstaerke wird bei 0,10mm liegen, der Stator wird aus 10 Blechen bestehen. Gewickelt wird mit einem Draht von 0,08mm, ca. 25 Windungen je Zahn.
Die CFK-Welle wird in 2 Kugellagern 1x3x1mm gelagert, die Magnete werden 2,5x1,2x0,4mm gross sein. Der Rueckschlussring soll eine Staerke von 0,25mm bei einer Breite von 2mm aufweisen. Die Glockenfrontplatte wird aus Alu gedreht und grossflaechig ausgefraest.

Es wird ein Gewicht von unter einem Gramm erwartet...

Aufbau des NANO-TORQUE 0.9

Das nebenstehende Bild zeigt die Winzigkeit der 9N-Statorenbleche im Vergleich zu NT 1.4-9N-, KissKatz 9N-  und PowerSchnurzz 9N-Blechen. Das Bild gibt die realen Groessen wieder, d. h. alle abgebildeten Gegenstände zeigen ihre tatsaechliche Groesse.

 

 NANO-TORQUE 0.9  im Größenvergleich mit einem 1Cent-Stück.  Die hier gezeigten Rohbauteile bringen zusammen 1,1Gramm auf die Waage. Da der Rückschlussring einschließlich der noch zu verklebenden Magnete von insgesamt 3mm Hoehe auf 1,2mm nass heruntergeschliffen wird, ergibt sich hierdurch eine Gewichtseinsparung von ca. 0,3g.
Das Ausfraesen der Glocke (Duennspeichendesign) verringert das Gewicht ebenfalls nochmals um ca. 0,1g. Hinzu kommt nur ca.  1,20m Wickeldraht in ca. 0,09mm Staerke, dessen Gewicht zwischen 0,1 und  0,2g liegt.

Rechnerisch wuerde dies ein Gewicht von 0,8 bis 0,9g ergeben.

Damit waere das Ziel, den ersten 9N Brushless-Aussenlaeufer der Welt mit einem Gewicht von unter einem Gramm zu bauen, verwirklicht.

Der Stator muss nur noch bewickelt, der Glockendeckel gefraest werden, dann wird der Motor auf dem Pruefstand zeigen, mit welchen Schubwerten gerechnet werden kann....

 

NANO-TORQUE 0.8 - der fertige und lauffaehige Motor - derzeit kleinster, leichtester, lauffaehiger 9N Außenlaeufer  (Stand: April 2007)
Die Fertigstellung erfolgte in mehreren Schritten:
1. Glätten und Auspolieren der Statorzwischenraume mit 0,25mm Diamantlitze (ohne Diamantstaub)
2. Wickeln des Stators mit 0,10mm Wickeldraht
3. Zuschleifen der Magnete auf 3x2x0,5mm
4. Einkleben der Magnete und des Glockendeckels mit duennfluessigem Sekundenkleber, Magnetabstand 1/10mm
5. Ausfraesen der 8 Mikrospeichen aus dem Alu-Glockendeckel
6. Nass-Herunterschleifen der Glockendicke von 4,65 auf 2,4mm (Rueckschlussring und eingeklebte Magnete)
7. Polieren der Glocke mit Messingdraht
8. Ausrichten der Glocke auf dem Stator mit 4/100mm Spaltabstand (1 Lage Tesafilm)
9. Ausrichten und einkleben der CFK-Welle mit duenfluessigm Sekundenkleber

 

 

 
Video vom Testlauf des derzeit kleinsten 9N-Brushless-Aussenlaeufers der Welt mit 0,8 Gramm Gewicht (Stand: April 2007)

 

 

 

Kleinster 9N-Brushless-Aussenlaeufer der Welt - geht da noch was?
Ganz bestimmt! Bei Verzicht auf Kugellager und Verkleinerung des Statorenblechdurchmessers auf ca. 6,5mm koennte eine 0,5mm Stahlwelle in kleinen Gleitlagern mit 1mm Durchmesser gelagert werden. Wickeln liesse sich der Stator mit 0,08mm Draht, ca. 15-20 Windungen
...wenn die Staerke der Arbeitslupe ausreicht.