Physik – Brushless-Motor

Die Physik des Brushless-Motor

Brushless-Motoren heißen so, weil sie keine Bürsten besitzen, die einen Strom an den Motor ansteuern. Der Unterschied zu einem Motor mit Bürsten ist dabei, dass der Motor mit Bürsten jene besitzt, die am Gehäuse des Motors schleifen, und dieses nach einiger Zeit abnutzen.

Die Brushless-Motoren werden zudem mit Wechselstrom betrieben, also der Strom wechselt in kurzen Abständen die Richtung. Dieser Ablauf wird mit Permanentmagneten realisiert. Seine Funktionsweise ist die einer Drehstrom-Synchronmaschine, bei welcher sich der Läufer immer mit dem Statordrehfeld dreht.

Die Drehstromentwicklung induziert ein magnetisches Feld, welches den erregten Motor mit sich zieht. Durch Ansteuerschaltung kann der Motor so laufen, dass er einem Gleichstrommotor ähnelt.

Bereits verbauter Brushless - Motor im Quadcopter.
Bereits verbauter Brushless – Motor im Quadcopter.
DJI Brushless - Motor, verbaut in dem 'großen' DIY-Copter.
DJI Brushless – Motor, verbaut in dem ‚großen‘ DIY-Copter.

Der Aufbau und die Ansteuerung der Brushless-Motoren verläuft trotz geringen Änderungen komplexer als gewöhnliche Gleichstrommotoren und die diese sind zudem für gewöhnlich teurer.

Denn gewöhnliche Elektromotoren haben in ihrem Inneren einen Stator. In diesem ist ein Rotor, welcher meistens aus einer Spule und einem Eisenkern besteht. Diese Spule ist dort drehbar gelagert.

Die Stromzuführung wird durch einen Kommutator und Schleifkontakten realisiert. Der Kommutator bewirkt, dass sich die Spule mit dem Eisenkern nicht so weit drehen, dass diese dem Rotomagnetfeld leicht. Dies bewirkt nämlich, dass der Motor aufhört sich zu drehen. Somit schaltet der Kommutator nach jeden neuen Segment den Strom um.

Der Brushless-Motor funktioniert hingegen wie am Anfang beschrieben. So wird klar warum der Brushless-Motor teurer ist. Ein solcher Motor nutzt sich so gut wie kaum ab, ist aber dafür teurer und komplexer in der Funktions- und Bauweise.

Anschluss der Brushless-Motoren an den Motorcontroller

Hisilicon K3
Hobbywing 20A Skywalker Quattro 20Ax4. Der Motorcontroller ist in vier Blöcke á drei Ausgänge aufgeteilt. Diese sind in A, B und C gegliedert.
Hisilicon K3
Hobbywing 20A Skywalker Quattro 20Ax4 (Nahaufnahme). An M1 und M2 ist das gelbe Kabel bei A, das schwarze Kabel bei B und das rote Kabel bei C befestigt. Bei M3 und M4 ist das rote Kabel bei A, das schwarze Kabel bei B und gelbe Kabel bei C befestigt.
Verkabelter Brushless - Motor
Verkabelter Brushless – Motor
In dieser Ordnung steckt man die Kabel an den Brushless-Motor
In dieser Ordnung steckt man die Kabel an den Brushless-Motor
Hauptplatine mit darunterliegendem verkabelten Motorcontroller
Hauptplatine mit darunterliegendem verkabelten Motorcontroller

Bei einem Brushless-Motor kommen außerdem Außenläufer zum Einsatz. Man kann sich diese als eine Art kleine Glocke mit innenliegenden Magneten vorstellen, die sich um den Stator dreht, um den Rotor zum Laufen zu bringen.

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Beispiel eines Außenläufers

Dieser bewegt sich schließlich, weil er von verschiedenen Magneten angezogen wird, und diese in Berührung mit anderen stetig umgepolt werden. Dadurch entsteht ein Drehfeld, also ein Magnetfeld mit einer Rotationsachse, in welcher sich der Rotor bewegt.

Wenn man nun die Spulen mit einer Phasenverschiebung von 120° ansteuert, also einen Spannungsunterschied erzeugt, bewegt sich der Rotor stetig in seinem Feld. Dieses Vorgehen wird von einer elektrischen Schaltung übernommen, die darauf abgestimmt ist.

Beispiel zur Phasenverschiebung
Beispiel zur Phasenverschiebung

Bei den Phasenbeziehungen sieht man, dass es eine Spannung und einen Strom gibt. Diese verlaufen aber nicht synchron. Damit der Motor am schnellsten laufen kann muss der Erregerstrom um 90° nach links verschoben sein. Somit führt der Erregerstrom dem Motor, zwischen 90° und 180° und zwischen 270° und 360° Energie zu, sodass dadurch die maximale Auslenkung des Motor erhöht wird.

Da die Ansteuerung unabhängig von der Motorposition, Drehzahl und Momentanbelastung verläuft, braucht man diese nicht zu messen oder bestimmen.

Man kann diese Verschiebung aber auch mit der elektromotorisch/magnetischen Kraft berechnen. Die Größe dieser Kraft kann mit der Generatorspannungskonstante Ke ermittelt werden. Die Einheit dieser ist Nm/A.

Aus dieser Konstante kann man auch Schlüsse zur Gegenspannung, sowie zum Drehmoment ziehen, welcher proportional zum Strom ist. Mit dem Kehrwert Kv von Ke, kann man nun die maximalen Umdrehungen des Rotors pro 1V Spannung berechnen. Die Konstante Kv ist aber für jeden Motor explizit festgelegt.

Um die Gegenspannung und das Drehmoment zu verändern, muss man die Anzahl von Magneten, die Anzahl der Nuten (Anzahl der Bereiche zwischen Ankern des Stators) und die Anzahl der Wicklungen variieren. Jedoch muss man beachten, immer eine gerade Anzahl an Magneten zu besitzen und die Anzahl der Nuten muss durch drei teilbar sein.

Zur genauen Bestimmung der Drehzahl eines Motors kann man einen Electronic Speed Controller benutzen, der ein Signal erzeugt um das Drehmoment zu bestimmen. Der ESC kann zudem noch die elektromagnetische Kraft und die Gegenspannung berechnen.

Beispiel von einem Electronic Speed Controller (ESC)
Beispiel von einem Electronic Speed Controller (ESC)

 

RCX A2830-8 1300KV Outrunner Brushless Motor (Airplane / Free Mounts)

  • Modell: RCX A2830-8
  • Motor Größe: Ф28*30mm
  • Schaft Größe : Ф3.17*45mm
  • Gewicht: 52g
  • KV(rpm/v): 1300
  • Maximale Kraft: 275W
  • Maximaler Strom: 19A
  • Maximaler  (Ca.): 930g
  • Geeignete propeller: 9×6 / 8×4 / 7×3
  • Geeignete Batterie: 2-4S Li-Po
  • Geeignete ESC(A): 30A
  • Ri(M Ω): 0.075

Kauflink des normalen Brushless – Motors: http://www.myrcmart.com/rcx-a28308-1300kv-outrunner-brushless-motor-airplane-free-mounts-p-3721.html

Kauflink des Motorcontrollers: http://www.ebay.com/itm/Hobbywing-20A-Skywalker-Quattro-20Ax4-UBEC-4-in-1-20A-Brushless-ESC-for-Quad-UFO-/310517617491

Kauflink des DJI – Brushless Motors: http://www.globe-flight.de/DJI-Hobby-Brushless-Motor

 

Written by Manuel Benka, Fatih Davarci und Paul Ehlers