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Brushless Motoren

in Motor 26.03.2012 16:38
von Benny (gelöscht)
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Prinzip

Im Gegensatz zum Bürstenmotor kommutiert der BL-Motor nicht über mechanische Kontakte, sondern die Phasen werden wie beim Drehstrom-Synchronmotor (rotierend) von außen auf die Spulen geschaltet. Bei BL-Motoren werden Permanentmagnete verwendet, es handelt sich also um Synchron-Motoren; daher muss die Schaltung abhängig von der Rotorposition sein.

Ein BL-Motor kann daher nicht direkt an Gleichspannung betrieben werden, sondern er benötigt eine Steuerelektronik, die ein dreiphasen-Wechselfeld erzeugt. Diese Elektronik ist im Steller untergebracht, der mit dem Motor über drei Kabel verbunden ist.

Der Motor kann also nicht ohne diesen Steller arbeiten. Deshalb muss man diese beiden Teile stets als funktionale Einheit betrachten. Dennoch können Motor und Steller unabhängig gekauft und zusammengestellt werden.

Sensorlose BL-Motoren

Sensorlose Motoren nutzen die elektromagnetische Induktion der Rotorbewegung in den Statorspulen (Generatorprinzip), um die Position des Stators zu detektieren. Man kann sich das sofort vorstellen, wenn man die Welle eines Elektromotors dreht: Der Drehwiderstand ist nicht gleichmäßig, sondern steigt jedes mal an, wenn sich die Rotormagnete an den Statorspulen vorbei bewegen. Dabei wird eine Wechselspannung induziert, die der angeschlossene Steller messen kann.

Die Technik, vor allem der elektronischen Steuerung, ist noch nicht alt; zuverlässige und preiswerte sensorlose BL-Motoren für den Modellbau gibt es erst seit wenigen Jahren. Ältere sensorlose BL-Motoren hatten mitunter Anlaufschwierigkeiten, da im Stand die Lageerkennung für den Rotor natürlich nicht funktioniert.

Grob kann man diese sensorlosen bürstenlosen Motoren einteilen in:

slotless oder coreless (eisenlose) Motoren und geslottete Motoren (mit einem Eisenkern in den Spulen). Sensorgesteuerte BL-Motoren

Diese Vorgängertechnik der sensorlosen BL-Motoren soll zumindest nicht unerwähnt bleiben. Bei sensorgesteuerten BL-Motoren wird die Position des Rotors durch Sensoren innerhalb des Motors ermittelt (z.B. Hall-Sensoren). Sie benötigen daher ein weiteres mehrpoliges Kabel zum Regler, das die Sensorposition übermittelt.

Die Regler für diese Motoren waren einfacher konstruiert, da sie die Steuerdaten nicht selbst errechnen mussten. Dafür sind die Motoren selbst aufwändiger, denn sie benötigen Sensoren.

Sensorgesteuerte BL-Motoren sind inzwischen leider weitgehend vom Modellbaumarkt verschwunden. Die sensorgesteuerte Bauweise bietet nämlich den Vorteil, sofort das voll Drehmoment des Motors abrufen zu können. Das ist wichtig für alle Anwendungen, wo bereits beim Anlaufen ein erheblicher Widerstand zu überwinden ist (RC- Cars; Roboter- und Arbeitsmaschinenbau).

Innenläufer (Inrunner)

Die Wicklungen liegen außen (im Motorgehäuse), auf der Achse sind die Permanentmagnete befestigt und drehen sich im Wechselfeld der Wicklungen. Die sogenannten slotless Motoren sind immer Innenläufer. Innenläufer werden in der Regel schmaler gebaut als Außenläufer, drehen schneller und haben weniger Drehmoment. Die Polzahl ist bei Innenläufern immer gering. Innenläufer haben im Normalfall nur zwei Pole. Die schmale Bauform, in Verbindung mit angeflanschten Planetengetrieben, macht den Einsatz in schmal zulaufenden Seglerrümpfen einfach. In anderen Bereichen wurde der Innenläufer fast vollständig vom Außenläufer verdrängt beziehungsweise ersetzt. Innenläufer gelten als sehr effizient und erreichen (auch mit den Verlusten durch ein Getriebe) sehr hohe eta-Werte.

Außenläufer (Outrunner)

An der sich drehenden Motorglocke sind die Permanentmagnete befestigt. Die Motorglocke (Rotor) ist an der Achse befestigt und dreht sich außen um die Wicklungen auf dem geslottenen Eisenkern (Stator) im Inneren. Dieser sitzt auf einem Statorträger, an dem der Motor beim Einbau befestigt wird. Da sich somit ein großer Teil der äußeren Oberfläche des Motors dreht, benötigt dieser Motor einen seitlichen Spalt beim Einbau oder wird komplett außen montiert.

Diese Außenläufer sind einfach und preiswert herzustellen und stellen mittlerweile so etwas wie die Standardmotoren dar, während die niedrigpoligen Innenläufer häufig für sehr hohe Drehzahlen (Impeller, Speedmodelle) oder als Getriebeantriebe für große Luftschrauben eingesetzt werden.

Technische Daten

ns oder kV

Die spezifische Drehzahl ns (englisch = kV) gibt an, wie viele Umdrehungen pro Minute (U/min) der Motor ohne Last pro Volt Arbeitsspannung dreht.

Leerlaufstrom

Läuft der Motor ohne Last, sollte er idealerweise keinen Strom ziehen, da die induzierte Spannung genau der äußeren Spannung entspricht. Der Leerlaufstrom ist also ein Maß für die inneren Verluste1. Diese ergeben sich aus Kupferverlusten, Eisenverlusten und mechanischen Verlusten.

Innenwiderstand

Der Innenwiderstand ist ein weiteres Maß für die im Motor auftretenden Verluste. Der Innenwiderstand kann nicht beliebig verkleinert werden, da dies dickere, kürzere Wicklungen, sehr viel höhere Ströme und eine sehr hohe spezifische Drehzahl zur Folge hat. Es werden jedoch kommerziell auch geslottete highspeed Innenläufer mit 0,5 Wd ("solid slot") oder auch Highspeed Außenläufer mit sehr wenigen Windungen gebaut.

Nutzahl

Anzahl der Slots, bei den im Modellbau üblichen 3-Phasen Motoren immer durch 3 teilbar. Es werden kommerziell für Modellbaumotoren Blechschnitte mit zwischen 6 und 24 Slots (Nuten) verwendet.

Magnetzahl = Polzahl

Die Magnetzahl bestimmt mit, wie schnell ein Motor dreht, bzw. welches Drehmoment er hat. Eine höhere Anzahl Magnete führt zu höherem Drehmoment und niedrigerer Drehzahl. Die Zahl der Magnete muss eine gerade Zahl sein. Man spricht daher auch von Polpaaren. 2Zeigt eine Übersicht der gebräuchlichsten Nut/Polkombinationen.

Schaltungsart

Brushlessmotoren können in Stern- oder Dreiecksschaltung konfiguriert werden. Bei der Sternschaltung werden die Enden der drei Wicklungsleitungen zum "Sternpunkt" zusammengefasst. Bei der Dreiecksschaltung werden je ein Wicklungsanfang und ein Wicklungsende zusammengefasst und von dort die Anschlüsse nach außen geleitet.

Maximaler Dauerstrom / Maximale Dauerleistung

Die maximale Dauerleistung ergibt sich aus der thermischen Auslegung und den Verlusten des Motors. Es gibt mehrere Verlustarten, deren Summe entscheidend ist für die Qualität des Motors. siehe oben! Der maximale Dauerstrom dagegen ist vor allem vom Widerstand der Leiter in den Spulen abhängig. Da ein Einbau in ein Modell meist die thermische Auslegung verschlechtert, ist dieser Wert mit Vorsicht zu handhaben.

Drehmoment

Diese Angabe wird vom Hersteller meist nicht gemacht, ist jedoch maßgeblich dafür, wie ein Modell "aus dem Stand heraus" beschleunigt oder aber welchen Durchmesser der Propeller haben darf. Ein Maß für das Drehmoment ergibt sich aus der Leistung dividiert durch die spezifische Drehzahl (ns).

Quelle ist
http://wiki.rc-network.de/index.php/Brushless-Motor


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