Wie bürstenlose Motoren funktionieren & wie man sie testet

Von Emrik Joner

Einleitung:

Beim Bau einer Drohne ist die Auswahl des richtigen Motors einer der ersten Schritte. Um die bestmögliche Leistung zu erzielen, ist es unerlässlich, mehrere Motoren zu testen und den effizientesten für das eigene Design auszuwählen. Auf dem Markt gibt es zahlreiche Motoren, darunter viele Varianten von Elektromotoren, die speziell für den Einsatz in Drohnen entwickelt wurden. In diesem Artikel konzentrieren wir uns ausschließlich auf Elektromotoren und behandeln die folgenden Themen:

1. Wie bürstenlose Motoren funktionieren
2. Inrunner- vs. Outrunner-Motoren
3. Effizienz und Leistung
4. Auswahl eines Motors

Hinweis: Wir verwenden den Schubprüfstand Series 1585, um für diesen Artikel Motor- und Propellerdaten zu sammeln.

1. Wie funktioniert ein bürstenloser Motor?

Bevor wir uns mit dem Prinzip des bürstenlosen Mechanismus befassen, werfen wir zunächst einen Blick auf seine Komponenten.

Komponenten eines bürstenlosen Motors:

Elektromagnete und Permanentmagnete: 

Ein um eine metallische Basis gewickelter Leiterdraht wirkt nicht wie ein Magnet. Fließt jedoch ein Strom durch den Draht, wird er so beeinflusst, dass er sich wie ein Magnet verhält. Dies wird allgemein als Elektromagnet bezeichnet. Fließt durch denselben Draht ein negativer Strom, wirkt der Magnet nun entgegengesetzt und stößt einen anderen Magneten ab, anstatt ihn anzuziehen. 

Rotor und Stator: 

Die Teile im inneren Kreis von Abbildung 3 sind die Elektromagnete, während sich im äußeren Kreis die Permanentmagnete befinden. Um den Motor zu starten, wird einer der Elektromagnete durch Anlegen eines elektrischen Stroms an seine Spulen aktiviert. Dadurch beginnt der Rotor zu rotieren, da der Permanentmagnet vom gleichartigen Elektromagneten abgestoßen wird und versucht, sich an einem entgegengesetzten Permanentmagneten am Stator auszurichten.

Dies führt nur für kurze Zeit zu einer Rotation, da sich der Elektromagnet und der entgegengesetzte Permanentmagnet ausrichten. Im nächsten Schritt wird ein weiterer Elektromagnet mit Strom versorgt, um die Rotation aufrechtzuerhalten, gefolgt vom nächsten Elektromagneten und so weiter.

Durch das Anlegen eines dreiphasigen Stroms mit einer bestimmten Frequenz dreht sich der Motor mit einer Geschwindigkeit, die der Frequenz dieses Signals entspricht. Der Gashebel der Drohnensteuerung wird zur Änderung der Motordrehzahl verwendet, wobei ein höherer Gashebelwert ein Signal mit höherer Frequenz an die Drohne sendet. Der elektronische Drehzahlregler (ESC) steuert die Signalübertragung, um die Motordrehzahl entsprechend dem Gashebelwert anzupassen. 

Welche Aufgabe hat ein ESC? 

Ein ESC oder elektronischer Drehzahlregler steuert den Elektromotor, indem er elektrische Signale liefert, die in Geschwindigkeitsänderungen oder sogar in eine Umkehrung der Drehrichtung übersetzt werden. Er verwendet Gleichstrom in Verbindung mit einem Schaltsystem, um einen abwechselnden dreiphasigen Strom zu erzeugen. Dieser Ausgangsstrom kann dann durch Änderung der Öffnungs- und Schließfrequenz der Schalter im Stromkreis verändert werden.

Bürstenlose ESCs benötigen Informationen über die aktuelle Position des Rotors, um den Motor starten und eine Drehrichtung auswählen zu können. Um seine Position zu bestimmen, verwendet der ESC Informationen vom zuletzt nicht mit Strom versorgten Elektromagneten, um dessen Induktion zu messen. Diese Induktion variiert je nach Position des nächstgelegenen Permanentmagneten, und je näher er am Elektromagneten ist, desto stärker ist das induzierte Magnetfeld.

Der Gashebel wird verwendet, um die Motordrehzahl zu variieren. Dazu muss der ESC die Schaltfrequenz basierend auf dem Signal des Gashebels anpassen. Es gibt mehrere Signalübertragungsprotokolle mit unterschiedlicher Leistung, die gängigsten sind Oneshot, Multishot und Dshot.

Der Unterschied zwischen ihnen besteht in der Frequenz der übertragenen Signale. Kürzere Frequenzen ermöglichen eine schnellere Reaktionszeit. Darüber hinaus unterscheidet sich das Dshot-Protokoll von den beiden anderen, da es ein digitales Signal anstelle eines analogen Signals sendet. Dadurch ist das Signal zuverlässiger, da es weniger empfindlich gegenüber elektrischem Rauschen ist und durch seine höhere Auflösung präziser wird.

Weiterführende Literatur: Liste der Hersteller bürstenloser Motoren

2. Inrunner oder Outrunner 

Prinzip: 

Jeder bürstenlose Motor besteht aus zwei Hauptteilen, einem Stator und einem Rotor. Der Stator ist statisch, er bewegt sich nicht und hält die Elektromagnete. Der Rotor ist die rotierende Komponente, die die Permanentmagnete hält. Es gibt zwei Arten von bürstenlosen Gleichstrommotoren: Inrunner- und Outrunner-Modelle.

Bei Inrunner-Motoren rotiert der Rotor „innerhalb“ des Stators oder weiter nach innen im Verhältnis zum Motorgehäuse. Outrunner-Motoren haben die entgegengesetzte Anordnung, da der Rotor „außerhalb“ des Stators oder weiter nach außen rotiert, siehe Abbildung 6. Beide Modelle haben ihre Vor- und Nachteile.

Vergleicht man einen Inrunner und einen Outrunner gleicher Größe, so ist leicht zu erkennen, dass der Durchmesser, auf den die Kräfte wirken, unterschiedlich ist. Dies liegt daran, dass die Elektromagnete deutlich mehr Platz einnehmen als der Permanentmagnete tragende Rotor. Wenn sich die Elektromagnete innen befinden, ist der Durchmesser größer als wenn sie sich außen befinden (Abbildung 6).

Neben der Größe sind auch die Auswirkungen auf die Motorleistung zu berücksichtigen. Ein größerer Durchmesser bedeutet mehr Drehmoment, da die Kraft weiter vom Drehzentrum entfernt wirkt, während ein kleinerer Durchmesser besser für hohe Drehzahlen geeignet ist. Daher laufen Inrunnern am besten bei hohen Geschwindigkeiten, erzeugen aber weniger Drehmoment, während Outrunnern mit größeren Propellern am besten funktionieren, da sie mehr Drehmoment liefern können, aber mit geringerer Geschwindigkeit rotieren. 

Bürstenlose Motoren in der Drohnenindustrie: 

Aus den oben genannten Gründen verwenden eVTOLs aufgrund ihres hohen Drehmoments häufig Outrunnern für vertikalen Schub. Inrunnern werden häufiger für Ducted-Fan-Jets oder Starrflügler sowie für horizontale Bewegungen mit hoher Drehzahl verwendet. Dies lässt sich leicht anhand des Kv-Werts eines Motors erkennen, der auch als RPM/Volt-Wert bezeichnet wird.

Dieser Wert bestimmt, mit welcher Geschwindigkeit der Motor rotieren wird, wenn 1 V angelegt wird. Daher hat ein Inrunner typischerweise einen höheren Kv-Wert als ein Outrunner gleicher Größe, da der Inrunner, wie oben erwähnt, einen kleineren Rotor hat, der bei gleicher Spannung schneller rotiert. Beim Durchsuchen bürstenloser Motoren wird der Kv-Wert häufig zuerst angezeigt.

Weiterführende Literatur: Warum Sie die Motoren und Propeller Ihrer Drohne testen sollten

3. Effizienz und Leistung

Wenn wir über die Leistung einer Drohne sprechen, denken wir oft an die Flugzeit. Leider können selbst fortschrittlichste Batterietechnologien in Bezug auf das Verhältnis von Gewicht zu Energie nicht mit Benzinmotoren mithalten. Die einzige Lösung besteht darin, die elektrischen Komponenten sorgfältig auszuwählen, die die Batterieladung am effizientesten nutzen.

Viele Faktoren können den Energieverbrauch einer Batterie optimieren. Einer dieser Faktoren ist die Effizienz des Motors. Eine höhere Effizienz trägt dazu bei, das Verhältnis von Gewicht zu Energie zu verbessern und damit eine höhere Leistung aus dem Motor und der Drohne selbst zu erzielen. Das Testen eines Motors ist entscheidend, um die Unterschiede zwischen den Spezifikationen eines Herstellers und der tatsächlichen Qualität des Motors zu erkennen. Um diese Idee zu veranschaulichen, präsentieren wir einen Vergleich von zwei ähnlichen BLDC-Motoren mit unterschiedlichen Preisklassen.

Um die Leistung der Motoren zu vergleichen, haben wir den RCbenchmark Series 1580 Schubprüfstand verwendet. Er ist in der Lage, Schubkraft, Drehmoment, Spannung, Strom, Drehzahl und Effizienz zu messen. Die Datenerfassung erfolgt mit der RCbenchmark-Software. Die beiden getesteten Motoren sind T2407s mit 1500 Kv und 2300 Kv. Beide Motoren treiben den gleichen 7-Zoll-Propeller mit einer Steigung von 4 an.

Das erste Diagramm in Abbildung 7 zeigt die Effizienz beider Motoren im Vergleich zum Gashebel. Das zweite Diagramm zeigt die Effizienz bei bestimmten Geschwindigkeiten. Offensichtlich benötigt der kleinere 1500 Kv Motor mehr Gas, um effizient zu laufen. Er wird in diesem Aufbau mit demselben Propeller nicht die gleiche Effizienz wie der 2300 Kv Motor erreichen. Der Effizienzbereich ist beim 2300 Kv Motor auch besser, was bedeutet, dass der Motor sowohl bei niedriger als auch bei Höchstgeschwindigkeit eine hohe Effizienz beibehält.

Andererseits kann der kleinere Motor mit höherer Geschwindigkeit arbeiten und wäre wahrscheinlich mit einem kleineren Propeller effizienter. Eine Drohne, die für den Transport verwendet wird, würde einen kleineren Motor verwenden, um bei niedriger Geschwindigkeit im Leerlauf stabil zu bleiben.

Um einen vollständigen Vergleich zu erhalten, müssten wir den Verwendungszweck der Drohne und die Drehzahl kennen, bei der sie betrieben wird. Es ist möglich, dass der 1500 Kv Motor mit einem anderen Propeller effizienter ist, der für eine andere Funktion geeignet ist. Nur durch Tests können wir das herausfinden.

4. Auswahl eines Motors 

Schließlich sprechen wir darüber, worauf Sie bei der Auswahl eines Motors achten sollten. Die wichtigste Eigenschaft ist der Kv-Wert des Motors, der die Drehzahl beschreibt, die Sie für die in den Motor eingespeiste Leistung erhalten. Ein Motor mit 2000 Kv wird mit 2000 Umdrehungen pro Minute rotieren, für jeden Volt, der in den Motor eingespeist wird.

Die Größe steht in engem Zusammenhang mit dem Kv. Ein breiter und großer Motor hat oft ein höheres Drehmoment, aber einen niedrigeren Kv und verwendet einen größeren Propeller, während ein dünner, aber längerer Motor einen hohen Kv, ein geringes Drehmoment hat und am besten für einen kleinen Propeller geeignet ist. Dies ergibt Sinn, wenn man bedenkt, dass ein größerer Motor bei niedrigeren Drehzahlen arbeitet, während ein kleiner Motor bei relativ hohen Drehzahlen arbeitet.

Die maximale Leistung eines Motors ist ebenfalls etwas, das zu berücksichtigen ist. Das Überschreiten der Leistungsgrenze des Motors würde dazu führen, dass der Motor heiß wird und damit seine Effizienz drastisch senkt oder ihn sogar beschädigt. Die Marke kann auch die Leistung eines Motors verändern. Bei demselben Kv-Wert kann ein Motor einer Marke besser abschneiden als andere. Deshalb sollten Sie Ihren Motor testen, bevor Sie eine Drohne um ihn herum bauen.

Weiterführende Literatur: Berechnung des Kv-Werts und der Motorpole eines bürstenlosen Motors

Als allgemeine Regel ist es ratsam, den kleinsten (leichtesten) Motor zu verwenden, der möglich ist, ohne ihn zu überlasten und zu überhitzen. Der Grund dafür ist die Reduzierung des überschüssigen Gewichts eines Motors, der größer ist als benötigt. Wir haben eine Liste großer Motorenhersteller zusammengestellt, die Produkte für Heavy-Lift- und bemannte Drohnenoperationen anbieten.

Fazit