Tipps und Tricks zum Thema Elektromotoren

Hier gibt es verschiedene Tipps zu den einzelnen Akkutypen

Allgemeines zum Thema Elektromotoren

oben

Im Gegensatz zum „richtigen Autoleben" hat der Elektromotor beim Modellbaumodellen schon  einen festen Platz erobert. Dies hat gute Gründe gegenüber den Verbrennungsmotoren, denn er kennt keine Startprobleme, arbeitet effizient, sauber, geräuschlos und wartungsarm.

Seine Energie bezieht er aus Akkus. Was da auskommt, ist mit einem Sprittank verglichen nicht eben viel. Doch gilt der Elektromotor als ein guter „Futterverwerter", dann jedenfalls, wenn wir ihn „verstehen` , demzufolge auch richtig einsetzen und ihm ein Mindestmaß an Beachtung und Pflege zukommen lassen.

 

Man spricht von permanentmagneterregten Gleichstrommotoren, und meint jene Großserienprodukte, die RC - Modelle antreiben. Sie sind konstruktiv einfach gehalten, ja beinahe auf das Wesentliche reduziert, mit ein Grund für ihre Zuverlässigkeit. Doch zuerst sollten wir überlegen, wie und warum und wie schnell sich so ein Motor überhaupt dreht, wie wir seine Kraft stei­gern, seine Drehzahl beeinflussen und seinen Stromverbrauch mäßigen.

Ein häufig Problem haben die Brushless - Motoren, sie haben  keine Abflachung an der Motorwelle. Hier wird beschrieben wie es gemacht werden kann. Kürzen der Motorwelle

Die Kraft der Magneten

oben

Jeder Elektromotor bezieht seine Kraft aus zwei Magnetsystemen, die aufeinander ein­wirken. Eines davon steht fest. Man nennt es daher Stator - System. Das zweite Magnet ­ System rotiert im Feld des ersten. Daher die Bezeichnung Rotor.

 

Ein Elektromotor ist ein Leistungswandler. Er verwandelt elektrische Leistung Pep (Eingangsleistung) bestehend aus Spannung U und Strom 1 in mechanische Leistung Pmech (Nutzleistung), die sich aus Dreh­moment M und Drehzahl n zusammensetzt. Leider ist auch er nicht perfekt und erzeugt nebenbei auch noch Verlustleistung PyeLi in Form von Wärme. Diese gilt es im Griff zu behalten.

Die Bewegungsabläufe in so einem Motor lassen sich prinzipiell mit den Anziehungskräften zwischen ungleichen beziehungsweise Abstoßungskräften zwi­schen gleichen Magnetpolen erklären. Doch stößt dieses Denkmodell rasch an Grenzen, wenn es darum geht, die Motorgrößen wie Drehzahl, Drehmoment und Stromverbrauch quantitativ zu betrachten. Dann bedient man sich besser der seit fernen Schultagen ver­staubten Lenz'schen Regel, die schlicht besagt, dass stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld abgelenkt werden. Die Stärke und Richtung der Ablenkung hängen von Stromstärke und Stromrichtung ab. Letzteres beispielsweise erklärt bereits, warum ein Gleichstrommotor seine Drehrichtung ändert, wenn wir die Spannung an den Klemmen umpolen. Die Kraft der Ablenkung unterliegt dabei einfachsten Gesetzen. Sie hängt direkt (und pro­portional) von folgenden Faktoren ab:

     ·   Höhe des Stromes 1

·   Stärke des Magnetflusses im Einwirkungsbereich (Flussdichte B)

·   Länge des Leiters im Magnetfeld (Leiterlänge l)

Mit Unmengen Strom ist natürlich am leichtesten Kraft zu erzeugen. Doch genau den gilt es ja zu sparen. Wenn wir es mit den Magneten versuchen, so sind die Chancen schon weit besser, einen klei­nen Gewinn zu erwirtschaften, ohne dafür einen hohen Preis bezahlen zu müssen. So stärkt ein aufgestreifter Eisenring das Drehmoment des Motors beträchtlich. Er wirkt wie eine Zusatzspur auf der Autobahn, die ja auch dort den Fluss verbessert. So keine Wettbewerbsregeln dem entgegenstehen, könnte man auch stärkere Magnete aus Neodym einbauen. Wichtig ist aber vor allem, dass der magnetische Kreis kurz und in sich geschlossen ist. Dazu muss der Luftspalt klein gehalten sein, was ein geringes Lagerspiel voraussetzt. Dies gelingt besser, wenn der Rotor kugelgelagert ist.

Bleibt schließlich noch die Leiterlänge im Magnetfeld, die neben der eigentlichen Motor­länge hauptsächlich von der Windungszahl abhängt (die einzelnen Schleifenlängen addieren sich). Viele Windungen bringen also viel Drehmoment, doch ist diese billige Medizin kei­neswegs nebenwirkungsfrei. Denn gehen wir von einem gleich bleibenden Wickelraum aus, so setzen viele Windungen entsprechend dünnen Kupferlackdraht voraus. Der aber hat einen höheren elektrischen Widerstand, erzeugt also Verluste (Wärme), wie später noch zu zeigen se i wird. Dies ist letztlich der Grund, warum  gerade Hochleistungsmotoren mit eher weniger Windungen (dickere Drähte) bewickelt werden.

Sie bekommen damit eine höhere spezifische Drehzahl (nepe,). Das benötigte Drehmoment kann nämlich auch über eine entsprechende Zahnradübersetzung hergestellt werden, die gleichzeitig die Drehzahl reduziert. Doch tut sich bei solchen Antworten gleich eine neue Fragen auf: Wie kommt es, dass Motoren eine ganz bestimmte Drehzahl erreichen? Wie, dass einige Motoren eher hochtourig arbeiten (hohe n,pe2), andere aber langsam laufen? Betrachten wir den Motor der Einfachheit halber erst mal ohne Last, also im sogenannten Leerlauf.

 

Der Elektromotor im Leerlauf

oben

Der Elektromotor im Leerlauf

Nun, legen wir Spannung an die Motorklemmen, so wird der damit zustande kommende Strom ein Drehmoment erzeugen, das den Rotor beschleunigt. Damit dieser nun bei unbelastetem Motor (Leerlauf) drehzahlmäßig nicht „durchgeht", muss sich irgendwie ein Gleichgewicht einstellen, das die Drehzahl begrenzt. Und hier eilt uns schon wieder die Lenz'sche Regel zu Hilfe, genauer gesagt deren Umkehrschluss: Bewegt man nämlich einen Leiter im Magnetfeld, so entsteht in ihm eine Spannung (der Fachmann sagt, sie werde induziert).

Diese induzierte (innere) Spannung wirkt nun - das ist naturgesetzlich - der an den Motorklemmen angelegten (äußeren) Spannung entgegen, senkt somit auch den Motorstrom. Die Größe der induzierten Spannung hängt direkt (und proportional) von folgenden Einflüssen ab:

Aus Punkt eins ist also klar ersichtlich, dass die Gegenspannung mit zunehmender Drehzahl wächst und damit den Motorstrom reduziert. Dieser reicht bei einer bestimmten Drehzahl nur noch aus, um die Reibungsverluste auszugleichen. Eine weitere Beschleunigung findet dann nicht mehr statt. Der Motor hat seine Leerlauf­drehzahl erreicht. Erst, wenn wir nun die äußere Spannung erhöhen, stellt sich wieder ein Überschuss zur weiteren Beschleunigung ein, bis sich schließlich ein neues Gleichgewicht findet.

Die Punkte zwei und drei müssten uns bekannt vorkommen. Sie hatten bereits das Motordrehmoment beeinflusst. In gleicher Weise wirken sie auf die induzierte (innere) Spannung. Das heißt nichts anderes, als dass ein starkes Magnetfeld bei gleicher Spannung zu einer niedrigeren Leerlaufdrehzahl führt, weil das oben genannte. Gleichgewicht damit früher erreicht wird. Dasselbe gilt auch für die Leiterlänge (Windungszahl).

Generell lässt sich festhalten:

Wir haben es also in der Hand, ob wir einen bestimmten Motor auf mehr Drehzahl (Schnellläufer) oder Drehmoment (Kraftmaschine) auslegen. Welche Folgen das im praktischen Betrieb hat, soll das folgende Kapitel zeigen.

Der Elektromotor unter Last

oben

Lassen wir den Motor arbeiten, bremsen also die Welle ab, so ist dies natürlich mit einem Absinken der Drehzahl verbunden. Mit der dadurch fallenden Gegenspannung steigt der Strom, welcher gleichzeitig das benötigte Drehmoment aufbaut. Auch jetzt stellt sich wieder ein neues Gleichgewicht ein, allerdings bei kleinerer Drehzahl und höherem Motorstrom.

Leider hat der Strom durch die Wicklung nicht nur die bekannte Kraftwirkung, son­dern er führt auch dazu, dass sich der Draht erwärmt. Nur diese Wärme (beziehungs­weise die sich daraus ergebende Motortem­peratur) begrenzt letztlich die Motorleistung. Ein Motor mit vielen Windungen dün­nen Drahtes hat einen hohen Wicklungswiderstand und erzeugt daher bei gleichem Strom mehr Wärme. Bei solchen Motoren macht es Sinn, die Leistung mit mehr Spannung und weniger Strom zu erzeugen, also zum Beispiel eine Batterie mit vielen (kleinen) Zellen zu verwenden.

Nach dem Ohmschen Gesetz erzeugt der Strom in der Wicklung dazu hin noch einen so genannten Spannungsabfall, den man bes­ser als Spannungsverlust bezeichnet. Vorstellen kann man sich dies so, als ob ein Teil der Spannung zum Zwecke des Heizens abgezweigt würde, somit also nicht mehr für die Drehzahlerzeugung zur Verfügung steht.

 

Je höher der Wicklungswiderstand (= Windungszahl) desto mehr bricht die Drehzahl ein. Man kann es auch so ausdrücken: Die hier gewählte Darstellung mag viel­leicht zu dem Glauben verführen, ein star­ker E-Motor könne demzufolge gar nicht „einwindig" und damit hochtourig genug sein. Das hat natürlich Grenzen infolge der Fliehkraftbelastung des Rotors, wie auch in dem möglichen maximalen Übersetzungs­verhältnis der Ritzel-/Zahnradpaarung.

Zudem erzeugen auch hohe Drehzahlen Verluste und damit Wärme. Sie entstehen vorwiegend im Eisenpaket des Rotors, weil dieses ständig ummagnetisiert wird. Um diese Eisenverluste im Griff zu behalten, besteht der Rotor aus vielen dünnen Blechen einer speziellen (magnetisch weichen) Eisenlegierung.

 

Eisenverluste entstehen zu einem geringeren Teil auch in den Magneten. Hierbei schnei­den die (billigen) Ferritmagnete von einfachen Motoren sogar besser ab als die (teuren) Spezialmagnete aus Neodym, weshalb letztere bevorzugt bei Langsamläufer Verwendung finden

 Außerdem sind auch die mechanischen Ver­luste eines Motors von der Drehzahl abhän­gig. Dabei ist die Lagerreibung noch nahezu vernachlässigbar, auch dann, wenn die Welle nur in Gleitlagern läuft. Dahingegen schlagen die Kohlen, die ja mit Federkraft gegen den Kollektor drücken, hier ganz erheblich zu Buch. Überhaupt zählt der Bürstenapparat, wie der Kohle - Kommutator - Bereich auch genannt wird, zu den Sorgenkindern der Motorbauer. Die Kohlen, das Verschleißteil par Excellenze, sollen nicht nur wenig elektri­schen Widerstand aufweisen (was man mit Beimischung von viel Kupfer erreicht), son­dern auch gut gleiten, was wiederum nach hohem Graphitanteil verlangt. Auch darf man den Anpressdruck der Kohlen nicht beliebig reduzieren, möchte man nicht erhebliches Bürstenfeuer und damit Funkstörungen pro­vozieren. Kurz, die Auswahl der richtigen Kohlen stellt immer einen Kompromiss dar und ist somit das beste Argument für den Einsatz bürstenloser (brushless) Motoren. Bei hochwertigen Motoren ist der Bürstenapparat (hinters Lagerschild) gegen die Magnete zum Zwecke des Timings verdrehbar angeordnet. Man verdreht das hintere Lagerschild immer gegen die Laufrichtung. Damit hat der Motor allerdings eine Vorzugslaufrichtung.

Brushless - Motor

oben

Seit einigen Jahren sorgen sie im Bereich der Modellflugzeuge für Furore, die bürstenlosen Motore. Bei ihnen wurde der Bürstenapparat durch einige Siliziumchips ersetzt. Das Ergebnis sind Motoren, die kleiner, leichter und trotz allem leistungsfähiger sind als ihre kohlebestromten Brüder, mit Betriebswirkungsgraden bis zu 90 Prozent. Im Unterschied zu herkömmlichen Motoren drehen sich dort die Magnete, nicht die Spulen, was die Motoren mechanisch besonders einfach macht. Verschleiß ist praktisch unbekannt. Aufgrund der mechanischen Einfachheit lassen sich die Motoren ihren Verwendungszwecken ohne besonderen Aufwand anpassen. So bringt man zur Erzeugung von mehr Drehmoment nicht nur zwei, sondern vier, sechs oder gar 16 Magnetpole im Gehäuse unter. Bei besonders drehmomentstarken Maschinen dreht sich das Gehäuse. Man nennt sie deshalb Außenläufer. Es ist davon auszugehen, dass man auch im RC - Car -Fahrerlager lange nicht mehr auf diese Vorzüge verzichten will.

Bei bürstenlosen Innenläufer-Motoren liegt die Wicklung im Stator (außen, damit gute Kühlung). Es dreht sich der Dauermagnet, der hier 16-polig ausgeführt ist. Damit werden hohe Drehmomente ohne schädliche Nebenwirkungen möglich.

Häufig haben die Motoren keine Abflachung an der Motorwelle. Hier wird beschrieben wie es gemacht werden kann. Kürzen der Motorwelle

Timing

oben

Zeitliches Verstellen des Kommutierungszeitpunkts gegenüber dem Magnetfeld. Nötig, weil die Motor­wicklung, wie bei Spulen üblich, mit Induktivität behaftet ist, wodurch der Strom verzögert einsetzt. Er muss also etwas früher eingeschaltet werden. Man kann das Timing bei Elektromotoren mit der Vorzündung (aufgrund des Zündverzugs) bei Benzinmotoren vergleichen.

Innenwiderstand Ri

oben

Schädlicher Widerstand, der bei Stromdurchgang durch den Motor Verlustwärme erzeugt. Hauptsächlich wird er durch den Wicklungs­widerstand verursacht, enthält aber zusätzliche Anteile von Kohlen, Kollektor und Zuleitungen. Der Ri ist der Hauptverlustfaktor bei Elektromotoren herkömmlicher Bauart.

Ohmsche Gesetz

oben

Das eigentliche Grundgesetz der Elektrotechnik. Es umschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung U, Strom 1 und Widerstand R. U=R x I oder umgestellt R = Uli beziehungsweise  I = U / R.

Physikalische Gesetze

oben

Das Verhältnis von Nutzleistung zu Eingangsleistung bezeichnet man als
Wirkungsgrad "eta".

Die Stromrichtung bestimmt die Drehrichtung.

Leerlaufstrom lo, spezifische Drehzahl n - spez. und Innenwiderstand R; beschreiben das Verhalten eines Motors

Spezifische Drehzahl n - spez.:  Auslegungsdrehzahl eines Elektromotors. Sie gibt an, wie viele Umdrehungen pro Minute (rpm) der ohne Last laufende Motor pro Volt Betriebsspannung macht.

Beispiel: Bei nsp_ = 2 000 rpm 1 V und 7,2 V hat der Motor eine Leerlaufdrehzahl von 14 400 rpm.

Die Leerlaufdrehzahl hängt direkt von der anliegenden Spannung ab.

Belastung kostet Strom.

Starker Magnetfluss und hohe Windungszahl senken die Leerlaufdrehzahl.

Konstruktive Maßnahmen, die das Drehmoment verstärken, senken die Drehzahl.

Motoren mit vielen Windungen (niedriges n5 ) sind eher für höhere Spannungen geeignet.

Die Eisenverluste hängen von der Drehzahl sowie Art und Dicke des Rotorblechs ab.

Motoren mit großer Windungszahl sind weniger „drehzahlsteif"

Die Kohlen sind ein erheblicher Verlust- und Verschleißfaktor.

erstellt am 26.04.2005

geändert am: 24.08.2006

 

Quelle: aus der Zeitschrift rc - offroad - action 01/2004