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Der Mendocino Motor
und dessen Entstehung
Zur Funktionsweise des scheinbar schwebenden waagerechten Motors
Beim Mendocino Motor wirkt die Lorentzkraft. Das ist die Kraft, die auf einen stromdurchflossenen Körper (hier die Spule) wirkt, der sich in einem Magnetfeld befindet. Die magnetische Ausrichtung, die Spulenrichtung und die Lorentzkraft stehen alle senkrecht zueinander (Drei-Finger-Regel).
Im Mendocino Motor erzeugt die im Licht stehende Solarzelle einen Strom, der durch eine Spule geleitet wird. Durch den darunter liegenden Magneten entsteht die Lorentzkraft und diese wirkt so, dass der Rotor eine Teildrehung vollzieht. Durch die Teildrehung dreht die erste Solarzelle aus dem Licht und die nächste Solarzelle wird ins Licht gedreht. Die Lorentzkraft wirkt dann auf die nächste Spule und die immer wiederkehrende Abfolge bewirkt einen gleichbleibenden Antrieb. Die Lorentzkraft ist eine sehr kleine physikalische Größe und der Mendocino Motor eine der ganz wenigen Applikationen, die mit der Lorentzkraft eine Bewegung vollziehen. Die schönste Applikation ist es allemal.
Der Weg der Entwicklung
Schon 1954 wurde das Funktionsprinzip der stromerzeugenden Solarzelle von Daryl Chapin, Calvin Fuller und Gerald Pearson entdeckt. Mit der Herstellung der Solarzellen fanden gleichzeitig Experimente und die Suche nach deren Anwendungsmöglichkeiten statt.
Die grundlegende Idee des Motors geht auf das Jahr 1962 zurück. Daryl Chapin beschrieb seinerzeit den Aufbau eines Motors, bei dem die Umpolung durch den sich ändernden Einfall des Lichtes auf drehende gegenüberliegende Solarzellen stattfand: A Light Commutated Motor. (Lichtkommutierter Motor)
Ein solcher Bausatz wurde durch die Firma Bell Laboratories produziert und in den USA vertrieben. Dieser Bausatz hatte allerdings noch keine waagerechte Magnetlagerung, sondern drehte in senkrechter Position. Chapins Version nutzte einen Glaszylinder mit einer Nadel als Leichtlauflager. Sein Motor hatte nur zwei Solarzellen, aber dafür einen Hufeisenmagneten als Antrieb.
Der Bausatz hatte den Charme, dass er aus sehr wenigen Bauteilen bestand und für diese Zeit außerordentlich eindrucksvoll war. Die Nadel-auf-Glas-Lagerung erwies sich aber bald als die Schwachstelle des Bausatzes. Innerhalb kurzer Zeit bohrte sich die Stahlnadel in das Glas und erzeugte bald einen so großen Laufwiderstand, dass die gewünschte Drehung ausblieb. Chapin wies schon in seiner Beschreibung darauf hin, dass ein Motor mit zwei gegenüberliegenden Solarzellenpaaren einen Totpunkt haben kann und deshalb von Hand in Gang gesetzt werden muss. Der Erfolg des Bausatzes (er konnte nicht aussagekräftig recherchiert werden) wird sich vermutlich in Grenzen gehalten haben, denn schon 1968 wurde dessen Herstellung eingestellt. Der “light-commutated motor” hielt einen Dornröschenschlaf von etlichen Jahren.
Die moderne magnetgelagerte und waagerechte Bauweise ist eine „Erfindung“ von Larry Spring aus dem Jahr 1992. Da er in Mendocino, einem Ort nördlich von San Francisco lehrte, erklärt sich so der Name des Mendocino Motors. Durch Schüler- und Studentenprojekte, die sich mit dem Bau dieses Solarmotors beschäftigten, wurde er verbessert. Nach einem weiteren “Dornröschenschlaf” wurde er als Mendocino Motor schließlich über das Internet einer breiteren Öffentlichkeit bekannt. Eine ganze Reihe sehr nett aussehender Variationen des vierflächigen Motors von Larry Spring entstanden.
Die Entwicklungsschritte in unserem Haus
Mein Beitrag zu der weiteren Entwicklung des Mendocino Motors besteht aus mehreren Dingen. Zum einen habe ich die Wicklungen des Motors ins Innere des Rotors verlegt. Mit dieser Bauweise kann man aus derselben Drahtlänge deutlich mehr Windungen herstellen als bei der Bauweise mit außen liegenden Wicklungen. Die Stärke der Lorentzkraft wird maßgeblich von der Windungszahl und der Stromstärke bestimmt. Mit meiner Bauweise kann man gegenüber den herkömmlichen außen aufgebrachten Spulen mit derselben Drahtlänge (und gleichem Drahtwiderstand) ein Mehrfaches an Wicklungen erzielen. So erhöht sich die ansonsten sehr schwache Lorentzkraft deutlich.
Die Verbesserungen der Mendocino Motoren wurde zunächst durch eine 6-flächige Bauweise erreicht. Da aber auf dem freien Markt keine geeigneten Solarzellen erhältlich waren, die einen schlanken Rotor mit vielen Flächen ermöglichen, ließ ich mir geeignete Solarzellen herstellen. Bei denen wird die gesamte Fläche zur Stromherstellung genutzt, sie haben abgerundete Kanten, eine enge Gewichtstoleranz und erzeugen einen für Mendocino Motoren optimalen Strom. Jedoch war die Mindestbestellzahl von 5000 Solarzellen mit Herstellung einer eigenen Gießform sowie deren Einlagerung beim Hersteller eine Entscheidung von Tragweite.
Die Entwicklung zu vielflächigen Mendocino Motoren
Im Januar 2013 habe ich den ersten Mendocino Motor mit 8 Flächen geplant und realisiert. Eigentlich wollte ich nur mal sehen, wie ein solcher vom Umfang her etwas größerer Motor aussieht und welche Laufeigenschaften er hat. Und zudem sollte das Gestell nicht mehr nur funktionell sein, sondern stilecht zu der 8-flächigen Form des Rotors passen. Das selbstständige Anlaufen und der dynamische Start haben mir sehr gefallen. Mit den größer ausgelegten Magneten ist es möglich, auch diesen Motor mit einem großen Teelicht zu betreiben. Zwar nimmt Bau des komplizierteren Innenaufbaus deutlich mehr Zeit und Baulehren in Anspruch, aber das Resultat ist die Mühe wert.
Durch die 8-flächige Bauweise konnte ich einen wesentlichen Nachteil der 4-flächigen Motoren ausschließen. Der von Chapin beschriebene “Totpunkt” ist dann nicht möglich. Mit Totpunkt ist eine Stillstandposition gemeint, bei der zwei benachbarte Spulen bei 4-flächigen Motoren ähnlich viel Licht bekommen und deshalb zwei benachbarte Spulen gleich stark angezogen werden. Dann muss man trotz großer Lichtmengen den Motor zum Start von Hand in Bewegung setzen.
Ein weiterer Nachteil der 4-flächigen und auch der 6-flächigen Motoren liegt darin, dass eine Spule zur Nächsten einen relativ großen Abstand hat. Liegt die Stillstandposition so, dass eine Spule genau über dem Erreger-Magnet steht, dann sind sehr viel größere Lichtmengen zum Start notwendig als der Motor für die Erhaltung der Drehung eigentlich benötigt.
Das Anzugsmoment tritt bei einem 8-flächigen Motor häufiger und unter einem günstigeren Kraftvektor ein. Die Rotoren haben einen großen Durchmesser, sind schwerer und stabilisieren sich dann bei guter Auswuchtung durch die Massenträgheit so weit, dass man meint, sie würden von festen Lagern gehalten. Zudem lassen sie sich deutlich genauer auswuchten.
Wenn ein Mendocino Motor mehr als ein Funktionsmodell sein soll, dann spielt die Ästhetik eine wichtige Rolle. Ein schönes Gestell gehört ebenso zum Erscheinungsbild wie ein Rotor mit gefälligen Maßen und ein Betrieb mit kleinen Lichtmengen. Im Dezember 2012 fand ich heraus, wie man den “Achtzylinder” mit Kerzenlicht (am besten ein großes Teelicht mit D=6cm) bewegen kann. Darin liegt eine wesentliche Magie meiner Motoren. Das wurde fortan zum Bestandteil der Ausgangskontrolle.
Der erste achtflächige Mendocino Motor 2013
Auch das Verhältnis vom Durchmesser des Rotors zu seiner Länge ist ein nicht unwichtiges Kriterium. So wie der Goldene Schnitt eines Blatt Papiers das subjektive Schönheitsempfinden beeinflusst, so sagt auch das oben angeführte Verhältnis etwas über die Ästhetik des Mendocino Motors aus. Mit den Maßen unseres 8-flächigen Rotors liegen wir nahe bei dem Verhältnis a : b = b : (a+b), das den Goldenen Schnitt beschreibt. Diese Überlegung sollte uns neben dem Bestreben um hervorragende Qualität 2 Jahre später einen Großauftrag durch die Zeitschrift Bild der Wissenschaft bescheren.
Die Vorteile der achtflächigen waagerechten Motoren haben uns im Herbst 2014 dazu bewogen, die Herstellung der preiswerteren 4- und 6-flächigen Mendocino Motoren zu beenden. Gleichzeitig ist es uns gelungen, die Herstellung der 8-flächigen Motoren weiter zu vereinfachen und eine Montagehilfe herzustellen, dass der Weg zu Bausätzen für die großen Motoren frei wurde. Bastler können nun dieselbe Qualität erreichen wie wir mit unseren präzisen Montagelehren aus Stahl. Ab 2015 sollen alle Motoren auch als Bausatz erhältlich sein.
Das edle Aussehen meiner hochglanzpolierten Aluminium Motoren hebt sich deutlich von den Ausführungen meiner Mitbewerber ab. Wenn das Primat der Einfachheit zum Produzieren greift, leidet meist die Schönheit des Produkts. Auch wenn unsere Formen absolut nicht für die Herstellung aus Metall geeignet sind, so habe ich mich doch auf den Weg gemacht Prozesssicherheit für Motoren aus Aluminium zu erhalten.
Mit der Entwicklung der Bausätze für alle Motoren eröffnete sich ein neues Tätigkeitsfeld: die Formulierung der Bauanleitungen. An dieser Stelle möchte ich denen danken, die meine erste Fassung durch die Kommunikation ihrer Erfahrungen verbessert haben. Einige Arbeitsgänge sind in den Bausätzen vorweggenommen, weil sie besonderer Hilfsmittel bedürfen, deren Herstellung für einen Motor unwirtschaftlich sind
Die Alleinstellungsmerkmale meiner Mendocino Motoren
Die seit 2014 verwendete Borosilikatglasscheibe zum Schutz der Acrylglasronde, auf der die Kugel dreht, hat sich bestens bewährt. Ohne die Glasscheibe läuft die Spitze des Rotor nach kurzer Zeit in das Acrylglas ein. Das nicht ganz unkomplizierte Verfahren, mit dem wir die Glasronde klarsichtig, blasenfrei und ohne Rissbildung auf der Acrylglasronde verkleben, ist den Aufwand wert. “Klarsichtig, blasenfrei und ohne Rissbildung” hört sich simpel an, ist es aber nicht. Alle Lösungsmittel in Klebern lösen im Acrylglas Spannungsrisse aus. Und Kleber, die keine Lösungsmittel haben, sind entweder nicht blasenfrei zu verkleben oder ergeben eine Farbbildung, die inakzeptabel ist. Bei allen Bausätzen ist die Borosilikatglasscheibe bereits verbaut. Die notwendige Erfahrung mit dem Verfahren und notwendige Anschaffungen werden wir unseren Kunden nicht zumuten.
Wenn Solarzellen aus großen Platten (Nutzen) herausgeschnitten werden, dann sieht man die Trägerplatte. Sie ist entweder grün oder braun. Das störte mein Schönheitsempfinden sehr. Deshalb habe ich mir Solarzellen fertigen lassen, die einzelnvergossen sind. Die häßliche Trägerplatte ist völlig unsichtbar in der schwarze Acrylmasse verschwunden. Und da ich schon eigene Gießformen herstellen lassen musste, konnte ich auch die Größe meiner Solarzellen auf meinen Motor anpassen. Zudem fordere ich von meinem Zulieferer, dass die Linien der silbernen Leiter genau parallel zu den Außenkanten verlaufen – ein m. E. wichtiger ästhetischer Aspekt.
Mit der Verwendung der Borosilikatglasscheiben änderten wir auch den Versand. Alle Motoren und Bausätze verpacken wir in stabilen und dekorativen Holzboxen. Auf diese Weisen stellen wir den unbeschadeten Versand der Motoren weitestgehend sicher. Die Holzbox dient auch als Möglichkeit, den Motor staubfrei aufzubewahren oder sicher zu transportieren.
Eine Schwachstelle unserer Motoren war die auf der Achse befestigte Kugel. Obwohl wir einen Kugelsitz in die Spitze einfrästen, gab es immer noch einen Kraftvektor, der die Kugel aus ihrem Sitz lösen konnte. Im Dezember 2015 konstruierten wir eine Kugelhalterung, die die Kugel sicher in der zentrierten Position hält. Viele positive Kommentare zufriedener Kunden bestärkten uns in der Verbesserung des Details.
Seit dem März 2016 haben wir die Verklebetechnik zum Befestigen der Solarzellen geändert. Mit der Verwendung des Klebers, den die Autoindustrie zum Befestigen der Frontfensterscheiben benutzt, konnten wir einen selten vorkommenden Schwachpunkt unserer Motoren beseitigt: Wenn der Motor an heißen Tagen im vollen Sonnenlicht stundenlang bei Höchstdrehzahlen arbeitet, dann konnten im Rotor Temperaturen von über 60 Grad entstehen. Ab dieser Temperatur beginnt aber der früher verwendete Kleber weich zu werden und vereinzelt (2-3 Fälle pro Jahr) lösten sich einzelne Solarzellen. Unser Anspruch ist aber der, dass diese Fälle gar nicht mehr vorkommen.
Seit 2011 suchen wir nach einem standardisierten Verfahren, die Motoren auszuwuchten. Da die Asymmetrie der Magnete neben der restlichen Massenunwucht auch eine Resonanzschwingung erzeugt, wäre ein solches industrielles Verfahren sündhaft teuer. Hier sind wir im Sommer 2016 einen wichtigen Schritt weitergekommen. Das fehlende volle Sonnenlicht behaftete den Auswuchtprozess im Winter mit einem kleinen Restrisiko. Wenn man aber die Kugel beim Auswuchten mit Siliconöl benetzt, werden Unwuchten, die sich beim n-fachen einer bestimmten Drehzahl (Schwingungsresonanz) zeigen, schon beim Hochfahren sichtbar. Das Verfahren bedingt zwar, dass man den Rotor nun bis auf wenige hundertstel Gramm auswuchten muss, aber dafür kann sich auch kein Taumeln des Rotors mehr einstellen, wenn er in vollem Sonnenlicht dreht.
Da das Auswuchten ein zentrales Fertigungsmerkmal beinhaltet, konnten wir unsere Erfahrung durch die Vielzahl der gebauten Motoren stetig verbessern. Inzwischen wuchten wir die Rotoren bis auf ca. 2/100 Gramm aus. Sie richten sich zwar immer noch im Magnetfeld nach dem schwersten Punkt aus, aber das selbstständige Anlaufen mit einem Teelicht ist inzwischen zu einem obligatorischen Punkt unserer Ausgangskontrolle geworden. Somit ist auch ein dauerhafter Betrieb mit einem Teelicht möglich. Wir weisen aber darauf hin, dass bei einem dauerhaften Betrieb mit einem Teelicht der Wachs im Teelicht vollständig flüssig wird. Dann wird der Dochthalter von dem Basis-Magneten angezogen und die Flamme kann die Solarzellen beschädigen.
In 2015 bekamen wir von Bild der Wissenschaft einen Auftrag zur Herstellung von einigen Hundert Mendocino Motor Bausätzen des Aluminiummotors AL O-8. Die daraus gewonnenen Kenntnisse in der Herstellung vieler Bausätze halfen uns, die Folgeaufträge in 2017 und 2018 von Bild der Wissenschaft verlässlich auszuführen. Standardisierte Teilegruppen stellen wir nun für alle Motoren-Bausätze her, so dass uns so gut wie keine Packfehler mehr unterlaufen. Bei der Zulieferung wurden wir zudem darauf aufmerksam, dass ein Kugelhalter aus Edelstahl 1.4301 die Achsspitze besser schmückt als die alte schwarz brünnierte Ausführung.
Auf der Suche nach einer 100% Ausgangskontrolle haben wir einen Teststand gebaut, mit dem man die Funktion jeder einzelnen Solarzelle im montierten Zustand überprüfen kann. Die angestrahlte Solarzelle muss auf der gegenüberliegenden Seite (-30 Grad aufgrund der innen angelegten Bauweise) eine innere Spule induzieren, die dann den in einer Wippe hängenden Magneten anzieht. So können wir schnell und sicher erkennen, ob ein Rotor einwandfrei arbeitet oder nicht. Wir kommen unserem Anspruch wieder einen Schritt näher: Ausschließlich einwandfrei arbeitende Rotoren sollen unser Haus verlassen!
Vergoldete Motoren – eine Klasse für sich
Anfang 2020 befassten wir uns mit vergoldeten und platinierten Motoren. Auf Hochglanz polierten Edelstahl- und Messingflächen kann man Gold- und Platinauflagen anbringen. Die werden nur so gut wie der Untergrund. Deshalb kommt dem Polieren eine besondere Bedeutung zu. Und polierte Messingteile muss man vakuumiert bis zur Vergoldung aufbewahren. Sonst laufen sie an.
Für die Vergoldung haben wir ein Verfahren gewählt, bei dem eine 24 Karat Hartvergoldung entsteht. Sie ist dauerhaft, widerstandsfähig und verleiht dem Motor ein kaum zu übertreffendes edles Aussehen. Das ist jedoch mit einem hohen materiellen und zeitlichen Aufwand verbunden.
Neben der Vergoldung mussten auch viele andere Parameter neu erdacht werden. Messing und Edelstahl haben ein anderes Gewicht als Acryl und Aluminium. Deshalb mussten die Magnete an die anderen Gewichte angepasst werden. Auch die Massenträgheit wurde größer. Das wiederum verlangte eine noch bessere Auswuchtung, damit die Lorentzkraft die nun knapp 250 Gramm schweren Rotoren selbstständig anlaufen lässt. Das Gewicht der Rotoren verringert aber auch die Auslenkung der Schwingungsresonanz und die Laufruhe der Rotoren ist schön anzusehen.
Bei den vergoldeten Motoren haben wir die Lauffläche der Kugel durch eine Saphirscheibe geschützt. Saphir ist ein sehr hartes Material. So entstehen keinerlei Einlaufspuren durch das Drehen der Kugel im Dauerbetrieb.
Einige Jahre lang konnte ich ein Problem nicht lösen: Ein Mendocino Motor sollte auf meinem Schreibtisch stehen und laufen. Nur hatte ich an der optimalen Stellen kein ausreichendes Licht. Und ihn von einer 40 Watt Glühlampe bescheinen zu lassen entprach nicht meinen Vorstellungen. Wenn schon eine künstliche Lichtquelle die Drehung erzeugen sollte, dann durfte man das Licht keinesfalls sehen. Das sollte dem Motor einen weiteren Kick geben, weil dann die Drehung im Halbdunkel gar nicht mehr zu erklären war – zumindest nicht auf den ersten Blick.
Betrieb mit einer Infrarotlichtlampe
Im Herbst 2021 brachte mich ein netter Kunde auf den richtigen Pfad bzgl. der Infrarotlichtlampe. Mehrere Versuche meinerseits mit Infrarotdioden der Wellenlänge 940 nm waren fehlgeschlagen und insgeheim hatte ich dieses Projekt bereits abgehakt. Er mailte mir ein Diagramm zu, aus dem ich erkennen konnte, dass schon die geringe Anzahl der Infrarotdioden meine Versuche von vorn herein haben scheitern lassen. Nachdem ich deren Anzahl deutlich erhöht hatte, stellte ich eine Bewegung der Rotoren fest. Eine weitere Vervielfachung brachte den ersehnten Erfolg.
Inzwischen sind die ersten Prototypen fertig gestellt und treiben zwei Motoren im Dauerbetrieb Tag und Nacht an. Die Motoren drehen sich wie von Geisterhand angetrieben. Die Funktion der Lampe ist nicht erkennbar und die Betrachtung meiner Gäste richtet sich ausschließlich auf den unerklärbar selbstständig drehenden Motor. Mit ca. 2 Watt ist der Stromverbrauch kein Kostenfaktor. Hier zeigt sich ein Vorteil meiner Motoren. Durch den Schutz der Lauffläche mit Borosilikatglas bzw. Saphirglas bohrt sich die Kugel nicht in das Acrylglas.
Dennoch sollte man eine Vorsorge treffen. Wenn ein Motor läuft, gelangt unweigerlich auch Luftstaub zwischen die Kugel und die Lauffläche. Der Luftstaub wird dort zerrieben und es entsteht mit der Zeit ein kleiner brauner Punkt. Dessen Entstehung kann man verhindern, indem man die Kugel wöchentlich mit etwas Öl benetzt. Das Öl dient nicht der Schmierung. Die Reibung einer Kugel auf Glas ist ohnehin äußert gering. Das Öl hält aber den Staub aus dem Reibungspunkt fern.
Stand 04.01.2023
Klose
Mendocino Motoren
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