Arbeitsblatt: Elektromotor bauen

Skript zum Bau eines Elektromoto rs Dieses Skript gehört: 1 Inhaltsverzeichnis 1. Aufgabenstellung. 3 Lernziele. 3 Kriterien 3 2. Theorie Das Wichtigste in Kürze5 Magnetismus 5 Von Magnetismus zum Elektromotor6 Aufbau und Funktion des Elektromotors.7 3. Stufengang 9 4. Stückliste. 20 5. Plan 1. 21 2 1. Aufgabenstellung Der Elektromotor wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Ganz einfach gesagt: er wandelt Strom in eine Bewegung um. Ein Elektromotor ist in unserem Alltag kaum noch wegzudenken. Schon nur bei einem Auto sind bis zu 50 Elektromotoren verbaut. Diese werden für den Scheibenwischer, Waschmittelförderung, Klimaanalgen usw. im Auto verbaut. Auf den ersten Blick sieht so ein Elektromotor sehr komplex aus. Wenn man das Ganze aber mal etwas aus der Nähe betrachtet, ist die Hexerei schnell verstanden. Du kannst sogar mit wenig Mitteln selbst so ein Elektromotor bauen. Der Bau deines eigenen Elektromotors beinhaltet drei Hauptaufgaben. In einem ersten Schritt sollst du ein Batteriefach entwickeln. In einem zweiten Schritt, sollst du nach Stufengang den Elektromotor bauen. Und was nützt ein Elektromotor, der nichts antreibt? Genau am Schluss kannst du ein Objekt entwickeln, welches du mit deinem Elektromotor antreiben möchtest. Hier eine Übersicht über die Schritte: Energiespeiche Fach für Batterie entwickeln Elektromotor Objekt Elektromotor nach Stufengang bauen Anzutreibendes Objekt nach dem Designprozess entwickeln Lernziele Ich kann Möglichkeiten erforschen, um die Leistung des Elektromotors zu verbessern und setzen eine um. Ich kann einen eigenen Ein-Aus-Schalter entwickeln, der den Stromkreis zwischen Batterie und Elektromotor schließt und unterbricht. Ich kann in 2-3 Sätzen Magnetismus beschreiben Ich kann die drei wichtigsten Bestandteile eines Elektromotors nennen. Ich kann mithilfe der drei wichtigsten Bestandteile des Elektromotors die Funktionsweise beschreiben. Ich kann nach dem Designprozess ihr eigenes Batteriefach entwickeln. Ich kann mit der Bandsäge sachgerecht Sperrholzplatten gerade zuschneiden. Ich kann mit der Tellerschleifmaschine einen vorgegebenen Radius schleifen. Ich kann mit der Bohrmaschine sachgerecht ein Loch in ein Blech bohren. Ich kann mit dem Schraubstock und einem Gummihammer einen 90 Winkel biegen. Ich kann sachgerecht mit 2-Komponentenleim umgehen. Ich kann mit dem thermischen Verfahren Weichlöten den Stromkreis löten. Ich kann die Bandsäge, Standbohrmaschine, etc. mittels Bedienungsanleitung selbständig bedienen. Ich kann mithilfe eines Stufengangs einen Elektromotor bauen Ich kann mich auf eine Aufgabe konzentrieren und ausdauernd und diszipliniert daran arbeiten Kriterien 3 Funktion: Elektromotor, Batteriefach, EIN-AUS-Schalter Gestaltung: Das Batteriefach und der EIN-AUS-Schalter zeigt eine individuelle kreative Lösung. Material und Verfahren: Genauigkeit deiner Arbeit 4 Arbeitsprozess: Dein selbstständiges und konzentriertes Arbeitsverhalten 2. Theorie Das Wichtigste in Kürze In diesem Abschnitt erfährst du, was Magnete, elektrischen Strom und Elektromotoren gemeinsam haben. Magnetismus Wenn Du zwei Magnete zusammenbringen willst, wirst Du feststellen, dass sie sich entweder anziehen oder abstoßen. Dafür ist ein sogenanntes Kraftfeld verantwortlich, welches die Magnete um sich herum aufbauen. Jeder Magnet hat zwei Pole – einen Nordpol und einen Südpol. Aber was hat denn jetzt Magnetismus mit Strom zu tun? Ganz einfach: Um jeden stromdurchflossenen Gegenstand (z.B. eine Spule) bildet sich ein Magnetfeld. Das heißt, durch den Strom wird um den stromdurchflossenen Gegenstand ein Magnet-/Kraftfeld erzeugt, genauso wie beim Magneten. Beim Magneten ist dieses Kraftfeld eben schon ohne die Hilfe von Strom vorhanden. Wenn das Magnetfeld erst durch den Strom entsteht, nennt man diesen Effekt „Elektromagnetismus. Kraftfeld beim Magneten 5 Kraftfeld bei der Spule durch Strom Von Magnetismus zum Elektromotor Wie funktioniert den jetzt ein Elektromotor? Du hast bereits gelernt, dass sich Magnete anziehen oder abstoßen. Genau diese Kräfte nutzt man beim Elektromotor aus. Denn natürlich stoßen sich die gleichen Pole des Hufeisen-Magneten (hier in rot und grün) und die Pole der Spule gegenseitig ab. Weil aber der Hufeisenmagnet (Stator) fest ist und die Spule (Rotor) beweglich, wird der Nordpol der Spule vom Nordpol des Hufeisenmagneten weggestoßen. Die Südpole stoßen sich selbstverständlich auch gegenseitig ab. Die Spule setzt sich also in Bewegung. Nach einer halben Umdrehung stoppt die Bewegung aber und die Spule bleibt an einem toten Punkt hängen. Noch rotiert der Elektromotor nicht. Und so kommt die Spule ins Rotieren Zwischen Spule und Batterie (Batterie nicht zu sehen) wird ein Polwender (Kommutator) geschaltet, der für eine kurze Zeit den Stromfluss zwischen Spule und der Batterie unterbricht. Bei jeder halben Umdrehung vertauscht er dadurch auch die Richtung, in die der Strom durch die Spule fließt. Und somit werden bei jeder halben Umdrehung auch Nord- und Südpol vertauscht. Durch diesen Trick entsteht eine ständige Anstoßbewegung zwischen Magnet und Spule. Die Spule beginnt um ihre Achse zu rotieren. Der Gleichstrom-Elektromotor ist fertig! 6 Aufbau und Funktion des Elektromotors Aufgabe 1: Wie heissen die 3 wichtigsten Bestandteile? Markiere sie jeweils auf dem Bild. 1 . 2 . 3 . Aufgabe 2: Erkläre die jeweilige Funktion dieser vier Bestandteile. Bestandteile des Elektromotors Funktionsweise des Elektromotors 7 Aufgabe 3: Versuche die richtige Nummer der richtigen Beschreibung zuzuordnen. Der Ablauf der Bilder ist in der richtigen Reihenfolge. 1. 2. 3 4 5 6 Ungleiche Pole beginnen sich anzuziehen. Rotor beginnt zu drehen Ungleiche Pole beginnen sich wieder anzuziehen. Polwender hat die Stromrichtung geändert und somit die Pole vertauscht Gleiche Pole stossen sich ab. Rotor dreht weiter. Schaltkreis wird geschlossen Ungleiche Pole stehen sich gegenüber. Es fliesst kurzzeitig kein Strom. 8 3. Stufengang Schritt 1: Batteriefach entwickeln – Sammeln und Ordnen Elektromotoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um. Die elektrische Energie wird von einer Batterie bereitgestellt. Diese Batterie braucht jedoch noch einen geeigneten Platz, um deinen Elektromotor antreiben zu können. Entwickle nun ein Batteriefach. Folgende Kriterien muss das Batteriefach erfüllen: 1. Die Batterie muss einen fixen Platz haben. 2. Die Batterie muss ein- und ausbaubar sein, damit du sie ersetzen kannst. 3. Du musst die Kontakte (/- Pol) der Batterie mit dem Stromkreis verbinden können. Designphase: Sammeln und Ordnen: Mit dem Tablet hast du die Möglichkeit Ideen für dein Batteriefach zu sammeln. Sammle zu den drei Kriterien je min. eine Idee und skizziere sie auf. Hier unten hast du Platz für deine Skizzen. 9 Schritt 2: Entwurf Designphase: Experimentieren und Entwickeln Du kannst die Materialien und Werkzeuge gebrauchen, die dir im Werkraum zur Verfügung stehen. Schaue zuerst einmal nach, welche Materialien du für dein Batteriefach gebrauchen könntest. Auf der nächsten Seite hast du Platz, um deinen Entwurf zu zeichnen. Folgendes sollte dabei ersichtlich werden: 10 Funktionale Zeichnung aus verschiedenen Perspektiven mit den wichtigsten Massen. Mechanismus für Ein- und Ausbau der Batterie soll ersichtlich sein. Stromkreis zwischen Batterie und Elektromotor. Platzhalter 11 Schritt 4: Planen und Herstellen Mache eine grobe Planungsübersicht von deinem Vorhaben. Die ersten zwei Punkte sind vorgegeben. Sie sind die nächsten zwei Schritte im Stufengang. 1. Grundplatte für Elektromotor fertigen 2. Einzelteile für Elektromotor fertigen 3. 4. 5. 6. 7. 8. Diese Materialien benötige ich für mein Batteriefach: Nr Beschreibung 1 2 3 4 5 6 7 12 Stück Schritt 5: Die Grundplatte Übertrage die Positionen und mit Bleistift auf deine Grundplatte. Beachte den Plan im Massstab 1:1. Wenn die Masse nicht angegeben sind, kannst du sie herausmessen. Schritt 6: Einzelteile Übertrage die Teile und nach Plan auf 10mm dickes Sperrholz. Teil brauchst du 2 Mal. Schneide mit der Bandsäge die Teile aus und schleife sie mit Schleifpapier nach. Schritt 7: Batteriefach fertigen Fertige nun nach deinem Plan dein Batteriefach. Schritt 8: Stator Klebe die Dauermagnete mit 2Komponenten Kleber an die Teile D. Verwende dazu die Lehre 1. Wichtig: Klebe die Dauermagnete so auf die Teile D, dass sie sich anziehen. Wenn sich die Magnete abstossen funktioniert der Motor nicht. Schritt 9: Einzelteile kleben Leime mit Holzleim die Teile und auf deine Grundplatte. Mit der Lehre kannst du den Stator positionieren. Lasse die Lehre so lange zwischen den Dauermagneten, bis der Leim ausgehärtet ist. 13 Schritt 10: Der Rotor Schneide die Gewindestange nach Plan zu und Entgrate die Enden mit einer Feile. Bohre in die vorbereiteten Metallplättchen die Löcher nach Plan. Biege die äusseren Metallplättchen nach Plan ab. Befestige die Plättchen mit 2 Muttern wie auf dem nebenstehenden Bild. Wichtig: Beachte die Masse in nebenstehendem Bild. Isoliere die Plättchen mit Isolierband, bis keine scharfen Kanten mehr sichtbar sind. Schritt 11: Wicklung Wickle zuerst links 300 Windungen und dann ohne Unterbrechung rechts 300 Windungen in gleicher Richtung. Achtung: Den Draht beim Wechsel von links nach rechts auf keinen Fall abschneiden!!! Die 2 Enden (Anschlussdrähte) müssen jeweils ca. 50mm aus den Spulen ragen. Schleife sorgfältig mit Schleifpapier den Lack der 2 Enden ab. Fixiere die Wicklungen mit Isolierband. Schritt 12: Der Polwender Schiebe den dünneren PVC-Schlauch (25mm) auf die Gewindestange nach Plan und klebe ihn mit Alleskleber fest. Schneide zwei 25mm Streifen Kupferfolie ab und Klebe sie auf den PVC-Schlauch. 14 Beachte die Stellung der Kupferschalen zu den Wicklungen: Wicklungen waagrecht Spalte zwischen den Kupferfolien waagrecht (Siehe Bild) Schiebe die dickeren PVC-Ringe (5mm) wie in Abbildung über die Kupferfolien. Lege jeweils einen Anschlussdraht unter eine Kupferschale. Jeder Anschlussdraht darf nur zu einer Kupferschale Kontakt haben. Schraube jeweils 2 Muttern hinten und vorne lose auf die Gewindestange. Schritt 13: Halterungen fertigen Fertige aus Stahlblech deine Halterungen. Schraube die Halterung und auf die Grundplatte. Wichtig: Beachte das die Achse des Rotors auf der Achse der Dauermagneten ausgerichtet sind. Lege den Anker in die Halterung und ein. Dabei musst du die Muttern etwas zurückdrehen damit du den Anker positionieren kannst. Positioniere den Anker mit den 4 Muttern und kontere diese aneinander. Schritt 14: Bürsten Runde die Ecken der Kupferplättchen etwas ab. Bohre ein 3mm Loch in alle Kupferplättchen. Biege 2 Kupferplättchen nach Abbildung ab und schraube sie auf das Teil in die angezeichneten Stellen. Wichtig: Biege die Bürsten so zurecht, dass sie an die Kupferfolien anliegen. Der Druck darf dabei nicht zu stark sein, sonst wird der Polwender zu stark gebremst. 15 Schraube die 2 restlichen Schrauben mit dem Schalter auf die Grundplatte A. 16 Schritt 15: Schalter Entwickle deinen eigenen Ein-Aus-Schalter, damit du den Stromkreis zwischen Batterie und Elektromotor schliessen und unterbrechen kannst. Mache dich zuerst einmal im Internet schlau, wie so ein Elektroschalter funktioniert und welche Arten es gibt. Skizziere deine Ideen auf und setze ein davon um. Schritt 16: Verkabelung Zeichne deinen Ein-Aus-Schalter und den Stromkreis in die untenstehende Ansicht. Schneide die Litzen zu und entferne 20 mm Isolation an den Enden. Verlege ein Kabel zwischen Batteriepol und Bürste. Verlege das 2. Kabel vom 2. Batteriepol zu deinem Schalter. Verlege vom Schalter das 3. Kabel zur 2. Bürste. Löte die Kabel entsprechend an den Schraubenköpfen an. 17 Schritt 17: Begutachten Lege die Batterie ein Stelle den Anker vor dem Start senkrecht Schalte den Schalter ein und stupse den Anker leicht an Funktioniert dein Elektromotor nicht? Dann überprüfe folgende Punkte. Sind die Dauermagnete richtig gepolt? Die Magnete müssen sich anziehen. Haben die Bürsten leichten, aber dauernden Kontakt zu dem Polwender? Stehen die Abstände der Polwenderplättchen richtig zu den Rotorwicklungen? Die zwei Abstände zwischen den 2 Polwenderplättchen müssen gleich gross sein. Die Rotorwelle darf sind nicht in der Halterungen und verkanten. Ist die Batterie noch kräftig genug? Was funktioniert an deinem Elektromotor noch nicht gut? 18 Schritt 18: Weiterentwickeln Welche Optimierungsmöglichkeiten von oben erwähnten Punkten könntest du umsetzen? Schreibe diese hier unten auf und setze sie um. Läuft dein Elektromotor einwandfrei? Super Arbeit. Jetzt hast du die Möglichkeiten ein Objekt zu gestalten, welches du mit deinem Elektromotor antreiben möchtest. Schritt 19: Anzutreibendes Objekt Dieser Schritt wird nach dem Praktikum mit dem Praxislehrer durchgeführt. 19 4. Stückliste Stückliste Masse Teile Sperrholz Ca. 115 70 10 mm Grundplatte Sperrholz Ca. 190 20 10 mm Grundplatte Gewindestange 110 mm M4 Rotor Lackdraht 32 lfm d 0.3mm Wicklung Kupferfolie Ab Band Polwender Litzen isoliert 300 mm Polwender PVC-Schlauch 25 4 1.5 mm Polwender PVC-Schlauch 25 7 1.5 mm Polwender Kupferblech Nach Plan Polwender Scheibenmagnet 2x Stator Muttern 8 M4 Polwender Schrauben 8 2.9 6.5 mm Grundplatte Metallwinkel 20 Rotor Alu-Blech Gerade (Nach Plan) Rotor Alu-Blech U-Förmig (Nach Plan) Rotor 5. 21 Plan 1