Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Motor - Generator als Leistungsmesser bei Zweirädern


von Kai D. (robokai)


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Ich brauche einen Leistungemesser für dynamische Rotationskräfte für die 
Brechnung der Leistung bei Fährrädern und Mofas. Angeschlossen wird die 
angetriebene Achse, z.B. auf einer Rolle auf der das Antriebsrad steht.

Die Genauigkeitsanforderungen liegen im Bereich 2%.

Ich habe mir überlegt, einen Elektromotor, bzw einen Generator zu nehmen 
und den zu kalibieren, um einfach die elektrische Leistung 
zurückzurechnen. Einen Lastwiderstand würde Ich beschaffen können.

Mit welchen Leistungen kann man da rechnen?
Wie kalibiert mal das System ein Einfachsten?

: Verschoben durch Admin
von Kai D. (robokai)


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Falls jemand einen Generator kennt, den man kalibieren kann oder der es 
schon ist und der dafür taugt, wäre Ich natürlich auch dankbar.

Schönen Feiertag noch!

von Günter Lenz (Gast)


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Strom und Spannung messen was der Generator liefert,
und dann: Leistung = Spannung * Strom    P = U * I
Wirkungsgrad des Generators ermitteln und das dann
noch dazu addieren.

von Kai D. (robokai)


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Ja, so ungefähr. Über die Verluste habe Ich mir schon Gedanken gemacht, 
weil ja die Rollen einen Widerstand haben, wie auch der Anpressdruck der 
Reifen.

Meine Frage ist halt, welchen Generator man da am Besten nimmt und wie 
man den vermisst und betreibt.

Ein Fahrraddynamo wäre ein solches System, aber der nimmt nicht genug 
Leistung auf, weil er im Kurzschluss entweder nicht genug bremst, oder 
durchrutscht.

Der Motor muss mindestens soviel Leistung aufnehmen können, wie von den 
Reifen auf die Strasse gehen. Ich habe jetzt mal angenommen, dass es 2kW 
sein müssten, weil die gedrosselten Mopeds mit 50ccm, in etwa 3PS haben. 
Radfahrer sollten da nicht drankommen.

Hat jemand einen Tipp?

Laufen soll das wie hier:
http://www.sick-fm.de/m/synchron-2.html

Wenn Ich es richtig verstanden habe, brauche Ich nur einen 
Lastwiderstand als Ohmschen Verbraucher, z.B. Heizwiderstände und muss 
dann Strom und Spannung AC-mässig messen.

Brauche Ich dann exakte Wechselstrombetachtung mit einer Integration für 
dP = I x U dt  für alle Phasenwinkel oder kann man das mit dem 
gemittelten AC Effektivwert und dem Spannungswert durch Multiplikation?

Die zu messenden Leistungen sind jeweils über 10 Sekunden konstant, 
damit man es messen kann.

: Bearbeitet durch User
von Pandur S. (jetztnicht)


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Naja, wenn der Generator Wechselstrom macht, sollte man diesen 
Wechselstrom messen und auch so verrechenen. Was ist schwierig daran ? 
Und wie lange die Leistung konstant ist, ob 1 ms oder 100 ms sollte ja 
egal sein.
Dabei ist anzumerken, dass ein effektivwert auf einer kurzen Zeitskala 
gar nicht existiert. Ein Effektivwert ist eine gemittelte Groesse. Also 
ja. Die Instantane Leistung ueber die Zeit aufintegrieren.
Das macht jeder Controller nebenher, dh ohne Vollast.

von Georg G. (df2au)


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2% Genauigkeit sind sportlich. Hast du dir Gedanken über die Walkarbeit 
zwischen Reifen und Rolle gemacht? Die ist nicht zu vernachlässigen.

Als Generator könntest du zwei 14V/150A "Lichtmaschinen" vom 
Schrottplatz nehmen. Als Lastwiderstände kann man Glühkerzen vom Diesel 
nehmen, die dann in Wasser stecken. Für kurze Messungen reicht eine 
Badewanne, sonst muss es ein richtiger Kreislauf sein mit Pumpe und 
Kühler+Lüfter. Eine reine Luftkühlung der Lastwiderstände wird schwierig 
werden.

Ein völlig anderer Ansatz ist eine Halbachse vom PKW mit innen 
belüfteter Scheibenbremse dran (auch vom Schrott). Diese Bremsen können 
problemlos einige kW Dauerleistung. Der Bremsdruck lässt sich per 
Kolben/Spindel gut einstellen. Die Leistungsmessung ist dann das 
Bremsmoment (Kraft und Hebelarm), gemessen per preiswerte Waage.

Viel Spaß bei dem Projekt!

von Pandur S. (jetztnicht)


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Einen Widerstand zu verwenden ist natuerlich Schrott. Die Kennlinie des 
Widerstandes bezueglich der Drehzahl ist quadratisch, weil die Spannung 
linear zur Drehzahl ist, und die zugehoerige Leistung quadratisch.

Und dann noch Gluehlampen, die haben kalt einen viel geringeren 
Widerstand wie warm. Und sind empfindlich auf Ueberspannung.

Gewisse Motore haben eine bevorzugte Drehzahl, und dort sollte man auch 
messen. Noch besser misst man die Leistung in Abhaengigkeit der 
Drehzahl.

Bedeutet, die Last muss einstellbar sein.

Alternativ kann man auch eine Pumpe antreiben, per Ventil belasten, und 
dabei Druck und Volumenstrom messen.

: Bearbeitet durch User
von Georg G. (df2au)


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Sapperlot W. schrieb:
> Einen Widerstand zu verwenden ist natuerlich Schrott. Die Kennlinie des
> Widerstandes bezueglich der Drehzahl ist quadratisch, weil die Spannung
> linear zur Drehzahl ist, und die zugehoerige Leistung quadratisch.

Die Lösung ist üblicherweise, dass man die Erregung des Generators mit 
geeigneter Software steuert.

von Rechner (Gast)


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Also eigentlich ist die Kennlinie der Last ja egal, solange man Strom 
und Spannung der erzeugten Leistung hat. Hauptsache man hat das 
Verhälnis der mechanischen Eingangsleistung zur elektrischen Umsetzung. 
Das zu eichen, dürfte das Problem werden.

von Georg G. (df2au)


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Rechner schrieb:
> Das zu eichen

Den meisten Nutzern von Motorprüfständen geht es weniger um die 
absoluten Werte als um eine Optimierung. Insofern ist alles relativ...

Wer absolut messen muss (für Zulassungen zB), der braucht eichfähige 
Gerätschaften und keinen Eigenbau.

von Elektrofan (Gast)


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> Wer absolut messen muss (für Zulassungen zB), der braucht eichfähige
> Gerätschaften und keinen Eigenbau.
DKD-Kalibrierung geht auch ...
---

Als Messmethode wäre auch die Verwendung von Drehmoment- und 
Drehzahlmesser denkbar.
Die mechanische Leistung könnte von einer (zur Not von Hand) 
einstellbaren Bremse aufgenommen werden.

von J. S. (engineer) Benutzerseite


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Habe hier mal was gefunden:

Ich hatte das hier einst angedacht, um eine ungefähre Angabe zu haben. 
Ist ein Fahrradtrainer mit Luftwirbelbremse, an die eine elektrische 
Bremse angeschlossen war. Damit konnte man die Last regeln und indirekt 
auf die Gesamtlast schließen.

Zum Einstellen kann man Ausrollversuche machen und die Gleichung 
aufstellen, für den Luftwiderstand und den Rollwiderstand und durch 
Änderungen der Übersetzungen plausibilieren. Die Verluste der Ketten 
sind dabei ungefähr linear zur Drehzahl, weil sie zunächst quadratisch 
sind und invers linear zur Spannung = Drehmoment.

Ausserdem gibt es Drehmomentmesser fürs Fahrrad, die in der Kurbel 
stecken, einseitig und zweiseitig. Damit könnte man das Gesamtsystem 
kalibrieren.

Ein Problem ist der Rollwiderstand der Reifen, der ist bei geringen 
Drehzahlen relativ etwas höher, als bei höheren, wegen der endlichen 
Dekompressionsgeschwindigkeit des Gummis. D.h. die Verlsute wachsen 
nicht ganz linear. Probleme machen da auch Noppenreifen. Die zittern und 
rutsch und haben Schlupf und ein nichtlineares Verhalten. Dazu gibt es 
Schwingungseffekte und Resonanzen.

Den Wirkungsgrad des Motors habe Ich angenähert, indem ich zwei 
verwendet habe und den einen mit dem anderen angetrieben habe. Kurve 
aufnehmen für allemöglichen Drehzahlen. Dann einfach der Wg über den 
Strom bestimmen und die Wurzel ziehen.

Leistungen fürs Fahrrad wären bis zu 200 U/min im Leerlauf, real bis 120 
bei Vollast (2/s), Sprinterleistungen gehen in Richtung 2000 Watt.

Bei Fahrradleistungen ist zu berücksichtigen, dass bei hohen 
Trittfrequenzen und geringen Lasten, das Meiste in die 
Beinbeschleunigung geht, die nur zu 40% in Drehleistung umgesetzt werden 
kann.D.h. die biomechanischen Verluste steigen mit der Drehzahl mehr, 
als linear an. Für 80 UPM kann man 30 Watt Verluste annehmen, bei 120 
UPM sind es schon an die 90 Watt.

: Bearbeitet durch User
von Kai D. (robokai)


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Danke schon mal, bei den Recherchen habe Ich gesehen, dass es vom 
Drehmoment bei den E-biks knapp werden kann! Hat jemand einen Tip, 
woraus man die Rollen bauen könnte, damit sie Haftung haben?

@Juergen: Diese Drehmomentmessgeräte beim Fahrrad habe Ich gefunden, 
sind aber entsetzlich teuer!!!!

@Elektrofran:
Könntest Du diese "DKD" Kalibrierung etwas ausführen?

von Georg G. (df2au)


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Kai D. schrieb:
> woraus man die Rollen bauen könnte, damit sie Haftung haben

Ich kann dir nur sagen, was nicht funktioniert: Stahl mit 100mm 
Durchmesser, Oberfläche stark aufgeraut. Nach weniger als 10 
Betriebsstunden war der Reifen zur Glatze geworden. Die Rolle muss einen 
möglichst großen Durchmesser haben. Die Oberfläche könnte durch 
Sandstrahlen besser werden.

von Ei der Daus (Gast)


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Kai D. schrieb:

>
> Mit welchen Leistungen kann man da rechnen?
> Wie kalibiert mal das System ein Einfachsten?

Kai D. schrieb:
> Ich brauche einen Leistungemesser für dynamische Rotationskräfte
> für die
> Brechnung der Leistung bei Fährrädern und Mofas. Angeschlossen wird die
> angetriebene Achse, z.B. auf einer Rolle auf der das Antriebsrad steht.
>
> Mit welchen Leistungen kann man da rechnen?
> Wie kalibiert mal das System ein Einfachsten?
Baue eine Glühbirne an und vergleiche die Helligkeit. Geht am 
schnellsten.

von J. S. (engineer) Benutzerseite


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Georg G. schrieb:
> Ich kann dir nur sagen, was nicht funktioniert: Stahl mit 100mm
> Durchmesser, Oberfläche stark aufgeraut. Nach weniger als 10
> Betriebsstunden war der Reifen zur Glatze geworden.

Erstaunlich. Bei den Trainingsgeräten mit Luftbremse haben die auch nur 
so 3cm Durchmesser. Allerdings sind die glatt und man darf nicht 
beliebig hart beschleunigen oder Bremsen, weil die Haftung nicht reicht 
und der Reifen sonst durchrutscht und einen Bremsplatten bei bei der 
Formel1 erzeugt :D

> Die Oberfläche könnte durch Sandstrahlen besser werden.
Die sind (spätestens nach einer Weile) spiegelglatt. Kritisch ist der 
Anpressdruck. Der variiert mit dem Reifendruck, der sich beim Fahren 
durch die Erwärmung erhöht. Eigentlich müsste man das immer wieder neu 
kalibrieren. Für die physiologischen Leistungsmessungen nimmt man daher 
den Druck an der Kurbel und bei der Spiroergometrie direkt den 
Sauerstoffverbrauch.

: Bearbeitet durch User
von J. T. (chaoskind)


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Jürgen S. schrieb:
> weil die Haftung nicht reicht und der Reifen sonst durchrutscht und
> einen Bremsplatten bei bei der Formel1 erzeugt :D

Und ich hab mich schon immer gefragt, wo die Bremsplatten in der Formel1 
hergekommen. Die Tour de France-Strampler sind schuld, wenn sie beim 
Warmfahren auf der Rolle zu dolle reintreten.

Scnr

von Elektrofan (Gast)


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@ Kai Delling:

http://www.ptb.de/cms/de/metrologische-dienstleistungen/dkd.html

(ist wahrscheinklich auch zu teuer   ...)

von Petra (Gast)


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Wie wäre es statt einer Rolle ein Förderband oder einen entsprechend 
breiten Reifen zu verwenden? 2% über einen größeren Dynamikbereich wird 
sich nur mit einen Drehmomentgeber (https://www.hbm.com/de/)realisieren 
lassen, speziell wenn Du die Unsicherheit mit Kraftübertragung Reifen 
berücksichtigst.

von Ordner (Gast)


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Die Polizei hat doch solche portablen Dinger, mit denen sie die Mopeds 
testen. Die könnten Leistung und Drehzahl und damit hätte man auch das 
Drehmoment. Sind möglicherweise nicht besonders genau.

Mit einem Stromgenerator müsste die Aufgabe eigentlich am Einfachsten 
sein - oft bekommt man sogar schon eine Drehmoment und Wirkungsgradkurve 
zu den Typen.

@Petra: Solche Förderbänder sind nicht für hohe Geschwindigkeiten 
gemacht. Ich sehe das bei unserem Laufband: Das ist für 25km/h Maximum 
ausgelegt. Da kannst Du nicht mal rennen, ohne dass es schlingert und 
stockt. Die Mopeds fahren doppelt so schnell.

von Kai D. (robokai)


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Ich habe das Projekt erst einmal etwas herunterpriorisiert, bis noch 
etwas Theorie geklärt ist:

Beitrag "Modellierung der Magnetisierung von Metallen"

von J. S. (engineer) Benutzerseite


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Sapperlot W. schrieb:
> Einen Widerstand zu verwenden ist natuerlich Schrott. Die Kennlinie des
> Widerstandes bezueglich der Drehzahl ist quadratisch, weil die Spannung
> linear zur Drehzahl ist, und die zugehoerige Leistung quadratisch.

Das fände Ich jetzt aber nicht hinderlich. Bei Messtechnikschaltungen 
werden auch Kalibrierzweige verwendet, wo Widerstände zur Kompensation 
eingesetzt werden. Die werden zwar nicht übermässig heiss, ändern aber 
dennoch ihren Widerstand. Dieser wird gemessen und damit kann man sogar 
das Verhalten, welches von dem idealen P=I*I*R abweicht, über das R(T) 
bestimmen.

Indirekt geschieht das schon über die Messung von I und U, wenn man 
beides genau genug hat. U sollte kein Problem sein, für I braucht es gfs 
einen galvanisch entkoppelten Stromsensor, der das System nicht 
belastet.

Ich denke, dass der Motor und seine Kennlinie eher das Problem sein 
dürfte.

von Xx X. (xx_x)


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Jürgen S. schrieb:
> Ein Problem ist der Rollwiderstand der Reifen, der ist bei geringen
> Drehzahlen relativ etwas höher, als bei höheren, wegen der endlichen
> Dekompressionsgeschwindigkeit des Gummis. D.h. die Verlsute wachsen
> nicht ganz linear. Probleme machen da auch Noppenreifen. Die zittern und
> rutsch und haben Schlupf und ein nichtlineares Verhalten. Dazu gibt es
> Schwingungseffekte und Resonanzen.

Warum ist das relevant? Interessant ist doch die Leistung am Rad, und 
die bekommst du nur abzüglich der Walkverluste. Wenn dich die Leistung 
der Antriebsmaschine/Mensch interessiert, müsstest du auch noch 
Kettenverluste, Planschverluste im Öl und vieles mehr im Antriebsstrang 
berücksichtigen.

von J. S. (engineer) Benutzerseite


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Ja, wobei die Kettenverluste und alles, was von den Lagern kommt relativ 
konstant ist und damit leicht berechenbar bleibt. Der Anpressdruck des 
Reifens ändert sich aber schon beim Einfahren durch die Erwärmungung. 
Das kann man regelrecht spüren. Das wird schwer zu kalibrieren sein.

Die professionellen Geräte, die heute im Sport eingesetzt werden, haben 
daher auch eine Regelung der Last, bzw man spannt sie direkt in den 
Hinterbau und umgeht damit einen Teil der Probleme.

Der eleganteste Weg ist die Messung der Pedalkraft oder der Kurbelkaft. 
Dann hast Du sogar Kraftvektoren und die Pulse ohne die Dämpfung des 
Systems. Leider braucht man dann in jeder Pedal / Kurbel ein Messsystem.

von Kai D. (robokai)


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Ich hatte ehrlich gesagt, die wage Hoffnung, daß solche Spiele wie 
Reifendrücke, Alterung, Befestigungseffekte und andere Verluste, durch 
regelmäßiges Kalibrieren wegbekomme.

Die Idee wäre, statt des Testobjekts einen Elektroantrieb mit bekannter 
Leistung einzuspeisen und dann den Testantrieb zu vermessen.

von J. S. (engineer) Benutzerseite


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Das bringt mich auf eine andere Idee: Es geht wieder um die rekursive 
Leistungsmessung, also einmal den Motor als Antrieb und einmal als 
Generator und damit den Wirkungsgrad ausmessen:

Wie wäre es denn, wenn Du das angetriebene Fahrzeug in den Leerlauf 
bringst, also Schub auf das System gibst? Der Motor (vormals Generator) 
schiebt dann das System an und anhand der Leistung im Gleichgewicht 
teilen sich beide die Verluste des Systems.

Zudem könnte man den Motor als Unbekannte mit die Gleichung nehmen und 
dann einmal Leer (ohne Testfahrzeug) fahren und den Motor die Verluste 
bei dieser Drehzahl überwinden lassen.

Damit müssten sich die Verluste, die von der Last und vom Motor kommen, 
von denen, die vom Testfahrzeug und dessen Reifendruck kommen, trennen 
und berechnen lassen.

von Kai D. (robokai)


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Die Idee ist nicht über, aber dann doch zu kompliziert.

Elektrofan schrieb:
> (ist wahrscheinklich auch zu teuer   ...)
Gerongfügig.

Ich habe das Projekt gekippt.

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