Mendocino-Motor

Studienarbeit von Manuel Schaaf & Benjamin Seidl

Das Modell besteht aus einem käuflichen Motor, sowie einer Beleuchtung und einem kleinen Ventilator. Der Mendocino-Motor ist ein permanenterregter Gleichstrommotor, bei dem Solarzellen sowohl für die Spannungsversorgung als auch für die Kommutation sorgen. Im vorliegenden Modell steht der Rotor senkrecht, der Permanentmagnet ist an der Säule angebracht. Der Rotor ist oben in einem Magnetlager aus Neodymmagneten gelagert. Der Rotor besteht aus zwei um 90° versetzten Spulen. Jede Spule ist mit zwei gegenüberliegenden Solarzellen verbunden, die parallelgeschaltet, aber gegeneinander gepolt sind. Dreht sich der Motor und wird von einer Seite beleuchtet, sorgt die umgekehrte Polung für die Kommutierung des Stroms nach jeder halben Umdrehung. Die Beleuchtung besteht aus einer LED-Leuchte. Ein kleines Radialgebläse sorgt für ein sicheres Anlaufen des Modells.

Das erste Modell eines solchen Motors wurde 1962 von Bell als Demonstrator für die Funktionsweise von Solarzellen vertrieben. Es war ähnlich aufgebaut wie das Modell hier, aber noch mit Glaslagern. Das Drehmoment des Mendocino-Motors ist so klein, dass er mit normalen Lagern in der Regel nicht funktioniert. Der Name geht zurück auf eine Weiterentwicklung im Jahr 1995 mit horizontalem und magnetgelagertem Rotor in dem Ort Mendocino.

Auf einen geraden, von einem Strom der Stärke \(I\) durchflossenen Leiter, der sich auf einer Länge \(a\) in einem Magnetfeld \(\vec{B}\) befindet, wirkt die Lorentzkraft

$$\vec{F}_{L} = I \cdot \vec{a} \times \vec{B} .$$

Dabei ist \(\vec{a}\) ein Vektor der Länge \(a\) in Stromrichtung. Die Abbildung zeigt schematisch die Situation für eine Spule des Mendocino-Motors. Nur eine Seite der Spule befindet sich in der Nähe des Permanentmagneten und spürt dessen Magnetfeld. Fällt Licht auf eine der beiden Solarzellen, fließt ein Strom und aufgrund der Lorentzkraft wirkt ein Drehmoment auf den Rotor. Die nicht beleuchtete Solarzelle dagegen sperrt. Dreht sich der Motor um mehr als 90°, fällt das Licht auf die zweite, umgekehrt gepolte Solarzelle. Der Strom in der dem Magneten nächstgelegenen Seite der Spule fließt so immer in derselben Richtung, die Drehung kann prinzipiell aufrechterhalten werden. Es leuchtet sofort ein, dass mehrere um jeweils denselben Winkel verdrehte Spulen nötig sind, um die Drehung zuverlässig aufrechtzuerhalten. Es sollte auch möglichst nur eine Hälfte des Rotors beleuchtet werden. Die Drehrichtung ist ganz offensichtlich abhängig von der Richtung des einfallenden Lichts.

Die Magnete zur Lagerung sind so gepolt, dass sie sich gegenseitig abstoßen. Bei senkrechter Anordnung des Rotors besteht die "Lagerschale" aus drei Neodym-Magneten. Bei Modellen mit waagerechter Lagerung genügen je zwei Magnete auf gleicher Höhe unterhalb der Achse. Die Schwerkraft wirkt als Gegenkraft.

Der Rotor kann dabei nicht in waagerechter Lage stabilisiert werden. Daher werden die beiden Magnete auf der Achse in derselben Richtung ganz leicht seitlich versetzt gegenüber den Lagermagneten. Die Achse erfährt dadurch eine Kraft in definierter Längsrichtung. Auf derselben Seite wird die Lagerachse durch eine Platte abgestützt. Wegen der geringen Reibung wird in der Regel eine Glasplatte verwendet.