Drop Your Brushes! Teil1: die Theorie

Teil I - Brushless, was ist das?

so kurz wie möglich - so lang wie nötig...

Der erste Teil unserer 4-teiligen Serie über Bürstenlose Motoren! Viel Unglaubliches hört und liest man über die "Motoren von Morgen"... Tatsachen oder Gerüchte? Dieser Artikel wird das klären.

Das Modewort "Brushless" bedeutet so viel wie "bürstenlos" so will sich dieser Motortyp also vom herkömmlich eingesetzten Bürstenmotor (ja, zum Beispiel der Mabuchi 540 aus dem Tamiya Baukasten) unterscheiden. Sehen wir uns also die wesentlichen Punkte beider Motorentypen an:

Bürstenmotor

Bürstenloser Motor

Kompliziert gebaut ist er, der Rotor (sich drehender Teil) des Motors. Der Strom muss auf diesen geleitet werden und durch die Wicklungen fließen um ein Magnetfeld aufzubauen, wodurch der Motor anläuft (Anziehung - Abstoßung)

Der Kollektor hat dabei eine wichtige Aufgabe: über ihn wird der Strom von den Anschlusskabeln am Gehäuse auf die drehende Welle mittels Bürsten (aus relativ weichem, gut leitenden Material) übergeleitet. Dabei übernimmt er auch die für die Drehbewegung wichtige Funktion des Umpolens des Stromes.

Um einen guten Kontakt zwischen Kollektor und Bürsten zu gewährleisten müssen letztere per Feder gegen den Kollektor gedrückt werden, und das bedeutet Reibung (= Leistungsverlust) und Verschleiß (=Wartung)

Einen völlig anderen Weg geht man beim bürstenlosen Motor. Hier fließt (vereinfacht ausgedrückt!) kein Strom über den Rotor!

Deshalb muss gibt es auch keinen Kollektor, der Rotor des bürstenlosen Motors trägt die Permanentmagneten, die beim Bürstenmotor im Gehäuse untergebracht sind, demnach befinden sich die Wicklungen und Polbleche (= Elektromagnete) vom Rotor des Bürstenmotors im Gehäuse des Bürstenlosen.

Der Strom fließt hier also - anstatt den "umständlichen" Weg über den Rotor zu nehmen - durch die Wicklungen die im Gehäuse untergebracht sind. Die einzige Reibung, die dem Rotor also widerfährt kommt von den Lagern!

Das mag zwar durch die Einfachheit der Bauweise genial klingen, wirft aber in der Realisierung einige Probleme auf!

Das Hauptproblem beim Betrieb eines Bürstenlosen Motors besteht nun darin, dass die Umpolfunktion des Kollektors entfällt, aber um einen Elektromotor am Laufen zu halten ist die Umpolung der Magnetfelder unentbehrlich.
Die Lösung besteht darin, dass der bürstenlose Motor nicht mit Gleichstrom, sondern mit Drehstrom "befeuert" wird. (Deshalb auch die 3 Zuleitungskabel an denen man einen Bürstenlosen erkennt) Drehstrom schaltet die Magnetfelder der Elektromagnete "automatisch" - durch seine Frequenz - und erzeugt somit ein drehendes Magnetfeld, welches den Rotor mit konstanter Geschwindigkeit antreibt. Darum handelt es sich beim "Bürstenlosen Motor" im Grunde um einen Drehstrommotor - genau genommen um einen Synchronmotor!

Was sagt das Lexikon über den Lastbetrieb mit einem Synchronmotor aus?

"Ein Synchronmotor ist nicht in der Lage von selbst anzulaufen. Deshalb benötigt er spezielle Anlaufhilfen (= Motoren), die ihn auf die Nenndrehzahl bringen. In Bild 5.19 sehen wir in der Mitte den Synchronmotor, rechts daneben den Hilfsmotor."

weiters:

"Der Synchronmotor ist für Lastwechsel ungeeignet da er sofort aus dem Takt käme und kaum mehr Leistung abgeben könnte."
(mit "Takt" ist die Frequenz des Drehstromes gemeint, die, bestimmt durch die Anzahl der Pole, die Drehzahl des Synchronmotors vorgibt.)

Und warum kann der Modellbauer damit fahren??

Die Textausschnitte links hören sich ja nicht besonders optimistisch an, oder?

Trotzdem setzen wir sie ein; zu Lande, zu Wasser und in der Luft!!

Möglich macht's der Controller! (=Fahrtenregler)
Die Textausschnitte links setzen voraus, dass der Motor mit Drehstrom konstanter Frequenz angesteuert wird.
Nun liegt es aber am Controller, blitzschnell auf Drehzahländerungen zu reagieren und den Motor mit der dazu passenden Frequenz anzusteuern.

sensor- vs. sensorlose Ansteuerung

Ein Sensorsystem, wie z.B. dieses von Novak (Super Sport SS5800) erkennt man an dem dünnen Kabelstrang, der vom Motor zum Regler geht. Es handelt sich dabei um die Leitungen der Sensoren im Inneren des Motors.

Weniger Kabel: das sensorlose System (hier Lehner Basic 4200 & BK-Electronics WARRIOR 9918-3Bec)
Regler und Motor befinden sich hier bereits im einbaufertigen Zustand in einen Losi XXX, deshalb die etwas eigenwillige Reglerverpackung.

Damit der Controller dem Motor eine "passende" Frequenz vorgeben kann, muss dieser "wissen" was der Motor gerade tut, sprich wie schnell sich der Rotor dreht und in welcher Position er sich gerade befindet.

Bei einem Synchronmotor mit Sensoren erhält der Controller seine Informationen über Sensoren im Motor.

Man kann also durchaus sagen, dass die Sensoren die Umpolfunktion des Kollektors übernehmen - wobei, sie geben ja eigentlich nur das Signal dazu "im richtigen Moment"
Dadurch ist der Controller immer genauestens informiert, wies um den Motor bzw. Rotor steht und kann ihn sehr sanft und genau ansteuern. Somit bieten sensorgesteuerte Motoren viel Drehmoment "von unten weg" - ähnlich den Bürstenmotoren.

Die "Hardcore Variante" für den Regler stellt das "sensorlose System dar" !

Die drei Phasenleitungen müssen dem Controller genügen, um den Motor anzusteuern - und das gelingt mittlerweile schon so gut, dass derartige Systeme problemlos im RC-Car verwendet werden können (das Hauptthema dieses Artikels)
Möglich gemacht wird es durch Hochleistungselektronik und ausgereifte Reglersoftware - doch wie genau das funktioniert, würde den Umfang dieses kleinen Theorieberichtes sprengen - Hauptsache es funktioniert! ;)

Ein sensorloser Controller kann einen Motor mit Sensoren ansteuern, umgekehrt funktioniert es aber nicht!

Sensorsysteme bringen von der unteren Drehzahl weg mehr Drehmoment und einen sanfteren Anlauf, auch ihre Regelbarkeit scheint etwas besser zu sein.

"Monosegment" vs. "Polysegment": zwei Arten, einen Rotor zu bauen

"Segment" bedeutet so viel wie "Teil", wenn wir von einem "segmentierten Rotor" sprechen, dann besteht dieser Rotor aus einzelnen Teilen...?

Fast! Im Prinzip kann der Permanentmagnet des Rotors auf zweierlei Arten aufgebaut werden:
Als "ein" Magnet, oder aus lauter kleinen Scheibchen, die voneinander elektrisch isoliert sind.
Die Art des Rotors hat größte Auswirkungen auf den Wirkungsgrad des Motors im Teillastbereich - da die Controller den Motor ja getaktet ansteuern, entstehen hier durch das schnelle "Ein-Aus-Ein-Aus..." mehr oder minder hohe Wirbelströme, die letzten Endes in Wärmeentwicklung resultieren.

Die Grafik zeigt, ein Monosegment-Rotor produziert ungleich mehr Wirbelströme als ein Polysegment-Rotor (links: LMT Basic; rechts LMT 1525 - 10fach segmentiert!)
Durch die dünne elektrische Isolation der einzelnen Magnetsegmente geht so gut wie nichts von der Magnetmasse verloren, somit können segmentierte Rotoren dieselben Leistungen erbringen wie ebenso dimensionierte aber segmentlose Rotoren.

Der Unterschied vom Mono zum Polysegment liegt also im Wirkungsgrad im Teillastbereich (das sollten wir uns als Rc-Car-Fahrer besonders zu Herzen nehmen!) und im Preis, denn ein Polysegment-Rotor ist natürlich teurer in der Herstellung.

Anmerkung: Ob es möglich ist, auch einen Motor ohne Segmentierung effizient im RC-Car zu betreiben, indem der Controller speziell an den Motor und an die Fahrbedingungen angepasst wird, werde ich demnächst testen können - und hier dann ergänzen.

Update: Ja, es ist möglich, näheres dazu s. Teil 2!

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