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  • Elektromotoren ohne Bürsten - brushless

    Brushless Motoren im RC Modellbau für Car Schiff und Helikopter

    Brushless Motoren sind wartungsfrei und bieten hohe Leistung. Aufbau und Grundlagen - hier erfährst Du dazu alles Wichtige.

    512 BL k
    Mittlerweile steht seit ein paar Jahren die Brushless-Technologie uns Modellbauern zur Verfügung. Diese Art des Antriebs ist selbst bei hohen Leistungen nahezu wartungsfrei. Wie solche Motoren aufgebaut sind, erfahrt ihr hier. Darüber hinaus werden hier Begriffe wie Star, Delta, Sintered, Bonded, Inrunner, Outrunner erklärt.


    Physikalische Grundlagen

    Wird ein Leiter innerhalb eines Magnetfeldes von einem Strom durchflossen, so ergibt sich eine Kraftwirkung auf den Leiter.

    Die physikalischen Grundlagen des Motors sind also im Wesentlichen noch immer die selben, wie beim Gleichstrommotor mit Bürsten – die Grundlagen sind hier ausführlich beschrieben.

    Fahrtenregler

    Für Brushless-Motoren sind spezielle Brushless-Regler notwendig.

    Es ist wichtig zu verstehen, dass „Brushless“ vor allem durch die Entwicklung der (Fahrten-)Regler möglich wurde – und weniger durch den Motor selbst. Damit wird klar, dass eine sorgfältige Auswahl des Reglers wesentlich wichtiger ist, als beim „normalen“ Gleichstrommotor. Neu ist beim „Brushless“ auch, dass der (Fahrten-)Regler großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Motors hat (da die Kommutierung durch den Regler erfolgt, wird der Motor auch als elektronisch kommutierter Motor bezeichnet).

    Alles zum Thema Regler gibt es hier.

    Aufbau eines bürstenlosen Gleichstrommotors

    • Brushless-Motoren werden auch als bürstenlose Gleichstrommotoren oder elektronisch kommutierte Motoren (EC-Motoren) bezeichnet.
    • Im Wesentlichen sind der bürstenlose Gleichstrommotor (BLDC, BrushLess Direct Current) und die permanenterregte Synchronmaschine (Drehstrom-Synchronmotor) im Aufbau gleich.

    Es gibt 2 verschiedene Bauformen:

    • Außenläufer (Outrunner)
    • Innenläufer (Inrunner)

    Gemeinsam ist beiden Bauarten, dass der Rotor aus Permanentmagneten (Dauermagneten) besteht. Der fest stehende Ständer trägt die stromdurchflossenen Wicklungen. Diese Wicklungen müssen durch den Regler so mit Spannung versorgt werden, dass der Rotor in Drehung versetzt wird.

    512 InOut k
    Beim Außenläufer sind die Spulen bzw. Wicklungen innen angeordnet. Die rotierenden Magnete liegen auf einer außen laufenden Glocke (daher die Bezeichnung Außenläufer, der Rotor liegt nämlich außen). So erreichen Außenläufer bei gleicher Baugröße ein deutlich höheres Drehmoment als Innenläufer. Dieser Effekt ist vor allem für unsere fliegenden RC-Kollegen von Interesse. Abgesehen von sehr langsam fahrenden Crawlern werden im Automodellbau aber normalerweise keine Außenläufer verwendet.

    Der Innenläufer trägt die Permanentmagnete innen (also auf dem Rotor bzw. fest mit der Motorwelle verbunden). Die stromdurchflossenen Wicklungen liegen außen im Gehäuse. Diese Bauart ist der Standard-Antrieb im Automodellbau.

    Bildquelle: enRoute

    Leistung

    Die Leistung (in Watt) ist wohl das wichtigste Kennzeichen eines Motors. Sie ist das Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit (bzw. Drehzahl). Da das Verhältnis von Drehzahl und Drehmoment vor allem durch die Getriebeübersetzung bestimmt wird, ist die Leistung eines Motors tendenziell wichtiger als seine Leerlaufdrehzahl.

    kV-Wert

    Der kV-Wert beschreibt die Leerlauf-Drehzahl des Motors pro 1V angelegter Spannung, Beispiel: 3.300kV

    Bei 7,2V läuft der Motor also mit 7,2 x 3.300 = 23.760 U/min

    Die Bezeichnung kV ist leider sehr unglücklich, da sie leicht mit „Kilovolt“ verwechselt werden kann.

    Arten der Wicklungsschaltung - Star vs. Delta

    Die Wicklungen eines Brushless-Motors können auf 2 Arten geschaltet werden:
    512 StarDelta k


    • Stern (Star): Die Schaltung der Wicklungen bildet einen gemeinsamen Sternpunkt aus.
    • Dreieck (Delta): Die Schaltung der Wicklungen bildet ein Dreieck.

    L1, L2, L3 ... Leiter zur Versorgung der Wicklungen
    Z ... Wicklungen

    Bildquelle: TU Hamburg-Harburg

    Bei gleicher Windungszahl hat ein Delta-Motor eine erheblich höhere Leistung: Die Windungszahl kann mit Hilfe des Faktors 1,73 (Wurzel aus 3) annähernd umgerechnet werden:

    Ein 9,5T-Star-Motor entspricht also etwa einem (... 1,73 x 9,5 = 16,4 ...) 17T-Delta-Motor.

    512 Anschluss k
    Einige Motorhersteller (z.B. LMT-Lehner) bieten Motoren an, bei denen die Art der Schaltung vom RC-Anwender verändert werden kann. Dabei stellt sich jedoch ein wenig die Frage nach dem praktischen Nutzen, da der Unterschied zwischen Stern und Dreieck zu groß ist, um sinnvoll abstufen zu können.

    Bildquelle: Lehner

    Windungszahl, Anzahl der Turns

    Die Anzahl der Windungen (oder Anzahl der Turns) ist uns schon vom Gleichstrommotor mit Bürsten bekannt. Grob: Je weniger Turns, desto schneller läuft der Motor. Je weniger Turns, desto mehr Leistung hat der Motor.

    Polzahl, Polpaarzahl, Magnetzahl und Nutenzahl

    512 PoleundNuten k
    Die Anzahl der Pole (= Magnetzahl) gibt die Anzahl der „Dauermagnetpole“ am Läufer bzw. Rotor an. 2 Pole ergeben eine Polpaarzahl von 1. Je höher die Polpaarzahl, desto geringer die Drehzahl des Motors. Dies ist vor allem für die Einstellung des Timing wichtig. Die Polpaarzahl bezieht sich allerdings auf die Dauermagneten und hat daher NICHTS mit der Windungszahl zu tun.

    Die Nutenzahl ist quasi das Pendant zur Polpaarzahl (des Läufers) am Stator: In diesen Nuten liegen die Wicklungen des Motors.

    Nutenzahl und Polpaarzahl eines Innenläufers sind in nebenstehender Grafik dargestellt.

    Bildquelle: Universität Paderborn

    Grundsätzlich gilt:

    • je mehr Nuten, desto mehr Polpaare sind einsetzbar.
    • je mehr Polpaare um so weniger Drehzahl.


    Sensored, Sensorless

    Da die Kommutierung der Spulenspannung(en) vom Regler übernommen wird, muss dem Regler die Lage des Rotors ausreichend genau bekannt sein. Dazu gibt es, wie beim Fahrtenregler bereits beschrieben, 2 Möglichkeiten:

    • Sensored, mit Sensoren: Im Motor sind Hall-Sensoren verbaut, die über entsprechende, zusätzliche Messleitungen die Lage des Rotors an den Regler melden.
    • Sensorless, ohne Sensoren: Die Errechnung der Rotorlage auf Grund der in die Leitung induzierten Spannungen. Zusätzliche Messleitungen zwischen Motor und Regler sind nicht notwendig.

    Wenn der Regler sensorlos arbeiten kann, ist es egal, ob der Motor mit oder ohne Sensoren ausgeführt ist. Wenn der Regler nur mit Sensoren funktioniert, müssen diese Sensoren klarerweise auch im Motor vorhanden sein.

    Anmerkung: Der Hall-Sensor arbeitet auf Basis des von Edwin Hall entdeckten Effektes, und hat nichts mit dem „Hall im Sinne von Geräuschen“ zu tun.

    Rotor: Sintered vs. Bonded

    512 SinteredBonded k
    Rotoren (bzw. Magnete) die „Sintered“ ausgeführt wurden, bieten gegenüber „Bonded“ mehr Drehmoment. Sie bleiben damit (gegenüber „Bonded“) bei gleicher Übersetzung und Belastung – kühler. Auf Grund des höheren Drehmomentes ergibt sich bei Sintered-Rotoren auch eine bessere Bremswirkung.

    „Sintered“ bezeichnet (Magnete bzw. Rotoren) die durch das sogenannte „Sintern“ hergestellt werden: Dabei wird Pulver unter hoher Temperatur und Druck „zusammengebacken“. Die so entstehenden Magneten sind sehr stark und weniger empfindlich gegenüber Temperatureinflüssen.

    Bildquelle: Nosram


    Timing

    512 Timing k
    Wie beim Gleichstrommotor mit Bürsten gibt es auch beim Brushless-Motor das Problem des Timing. Die entstehenden Effekte können hier nachgelesen werden.

    Das Timing ist beim Brushless-System hauptsächlich die Aufgabe des Reglers, allerdings gibt es fallweise auch beim Brushless-Motor die Möglichkeit den Motorkopf zu verdrehen.

    Wie bereits erwähnt, muss (unter Umständen) die Polzahl bei der Timing-Einstellung am bzw. im Regler berücksichtigt werden. Entsprechende Details zur Einstellung am Regler finden sich hier.

    Bildquelle: Nosram

    Drehrichtungsumkehr

    Dazu reicht es, 2 der 3 Motorleitungen zu vertauschen. Bei sensorlosen Systemen funktioniert das auf jeden Fall, bei Systemen mit Sensor können Hall-Sensoren und Regler einen Strich durch die Rechnung machen. Das Motortiming ist wie beim Gleichstrommotor (mit Bürste) zu beachten...

    Wartung

    Bürstenlose Motoren sind im Wesentlichen wartungsfrei. Es empfiehlt sich jedoch auch hier, die Lager des Motors regelmäßig zu ölen oder gegebenenfalls die Lager zu tauschen...

    Brushless und Spannung - HighVoltage

    Seit der Einführung der Brushless-Antriebe wurde das „Ändern der Betriebsspannung bzw. Akkuspannung“ eine gängige Methode um das Leistungsspektrum des Antriebssystem abzustufen. Der Grundgedanke dabei ist einfach:

    Die elektrische Leistung (P in Watt) ist das Produkt aus Spannung (U in Volt) und Stromstärke (I in Ampere).

    Da Brushless-Antriebe über ein sehr großes Drehzahlspektrum verfügen (und die Drehzahl proportional der Spannung ist), lässt sich ein kleiner Trick anwenden: Statt eines leistungsfähigen Motors bei z.B. 7,2V wird ein (relativ gesehen) weniger leistungsfähiger Motor z.B. bei 11,1V verwendet: Bei gleicher Leistung lässt sich durch höhere Spannungsversorgung die notwendige Stromstärke I senken. Das ist deshalb vorteilhaft, weil die Stromstärke für die Erwärmung des Reglers und des Motors verantwortlich ist. Die Komponenten bleiben somit kühler und werden geschont.

    Zu beachten ist allerdings:

    • Mit der Erhöhung der Spannung geht (bei gleichem Motor) auch eine Erhöhung der Leistung einher, wenn das Drehmoment nicht entsprechend reduziert wird (bzw. nicht reduziert werden kann). Es empfiehlt sich daher bei einem Wechsel zu höherer Spannung auch auf einen langsameren Motor (mit mehr Turns) zu wechseln. Ist beispielsweise ein Motor bei Versorgung mit 7,4V schon gut ausgereizt - wird der selbe Motor mit 11,1V deutlich überlastet sein. Gleiches gilt für den Regler!
    • Der Regler (und der Motor) müssen für die gewählte Betriebsspannung ausgelegt sein.
    • Das Motorlimit des Reglers ändert sich in der Regel mit der Betriebsspannung.
    • Jeder Motor hat eine maximale Drehzahl, bis zu der er ohne Schaden zu nehmen, belastet werden kann.
    • Im Falle eines Defektes fließen bei höherer Spannung auch höhere Ströme.

    Wahrheiten und Irrtümer rund um Brushless?!?

    1. Ein Brushless-Antrieb ist leistungsfähiger als ein Gleichstrommotor mit Bürsten?

    Das stimmt so nicht wirklich. Das Schlagwort „Brushless“ kennzeichnet eine Bauart für Regler und Motor. Das heißt noch lange nicht, dass die Kombination sehr leistungsfähig ist. Gerade die günstigen Einsteiger-Kombinationen sind häufig kaum stärker als ein „normaler“ Motor mit 17T.

    Wahr ist allerdings, dass sich ein Brushless-System nur bei höheren Leistungen auszahlt: Dort entfallen dann nämlich (im Vergleich zum Bürstenmotor) die häufigen Wartungen des Kollektors und der Tausch der Bürsten

    2. Brushless macht nur mit LiPo-Akkus Sinn?

    Ein Brushless-Antrieb benötigt elektrische Energie aus dem Akku um zu laufen. Es ist dem Brushless-Antrieb allerdings herzlich gleichgültig, aus welcher Akku-Type der Saft kommt. Wobei natürlich einschränkend gilt, dass ein mieser Akku immer mies ist. Egal, ob Brushless oder nicht...

    3. Brushless ermöglicht gegenüber dem Bürstenmotor eine längere Fahrzeit?

    Das stimmt, der Wirkungsgrad eines Brushless-Systems liegt typischerweise höher als bei Bürstenmotoren. Allerdings ist zu bedenken, dass die mögliche Fahrzeit auch von anderen Faktoren (Zustand und Bauart des Modells, Übersetzung, Fahrweise) abhängt. Und sooo schlecht sind auch die Bürstenmotoren nicht.

    4. Mit Brushless sind Empfangsstörungen nicht möglich?

    Hier häufen sich die Berichte, dass auch Brushless-Systeme die Steuerung des Autos stören können. Allerdings scheint hier weniger die Übertragung des Funksignals gestört zu werden, sondern die Signalübertragung (in der Verkabelung) innerhalb des Autos...
  • Aktuelle Themen RC-Elektronik

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