Nord-Pol – Süd-Pol – 4-Pole – 6 Pole – E-Motoren…

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Ein Elektromotor ist schnell gekauft – aber – nicht immer liegt es am Regler oder am Motor, wenn die Leistung fehlt oder die Temperatur aus dem Soll schießt! Wir hoffen, dass Euch dieser Artikel bei der Motorenauswahl und Problemlösung hilft und ihr das perfekte Setup dadurch für euer Fahrzeug findet!

Der Aufbau von bürstenlosen E-Motoren

Ein bürstenloser E-Motor (BL-Motor, Brushlessmotor, BLDC-Motor)besteht aus einem Stator und einem Rotor.

Der Stator setzt sich zusammen aus einem Eisenpaket und der Motorwicklung, d.h. das Eisenpaket wird mit speziellem Kupferdraht umwickelt.

Der Rotor setzt sich zusammen aus einer Welle und Magneten, wobei diese auf die Welle geklebt werden.

2 – 4 – 6 – 8 – … Polarisierend!

4 poliger Rotor von LRP, wie er im Dynamic 8 eingesetzt wird
4 poliger Rotor von LRP, wie er im Dynamic 8 eingesetzt wird

Wer sich mit dem Thema BL-Motoren im Modellbau beschäftigt, stellt fest dass eigentlich bei allen Motoren eine Pol-Anzahl angegeben ist. Motoren in der 540-er Größe sind überwiegend 2-polige Motoren, wobei Motoren in der 1:8 oder 690-er Bauweise oftmals schon als 4-polige oder 6-polige Motoren erhältlich sind.

Ein BL-Motor ist im einfachsten Fall ein Motor mit 2 Polen und 3 Spulen.
Es kommen immer Polpaare (Nord- und Südpol) zum Einsatz, weshalb es sich bei der Angabe immer nur um gerade Zahlen und einem Vielfachen von 2 handeln kann.

Luxus oder Notwendigkeit?

Als Minimum reichen 2 Pole, ist die Verwendung von mehreren Polen Luxus?
Die Anzahl der Polpaare hat Einfluss auf die Charakteristik eines E-Motors!

Bei Motoren mit gleicher Windungszahl gilt:

Niederpolige E-Motoren

  • hohe Drehzahlen
  • wenig Drehmoment

Hochpolige E-Motoren

  • niedrigere Drehzahlen
  • höheres Drehmoment

Wer einen Motor für sein RC-Car sucht, orientiert sich bei der Suche nach der Windungszahl – sofern es sich um 1:10 Elektromotoren handelt – oder wie im 1:8-Bereich nach der KV-Angabe.
Die Erklärung ist also eine extrem vereinfachte und kann so in die Praxis nicht umgesetzt werden. Da ein Motor mit 1900kV und 4-Polen eine andere Wicklung besitzt, wie ein Motor mit 1900kV und 6-Polen, muss also in die ganze Thematik tiefer eingetaucht werden.

Eine Charakterfrage

Wer zwei unterschiedliche Hersteller bei gleicher kV-Angabe schon einmal verglichen hat, wird feststellen, dass ein E-Motor für Buggy 1:8 nicht gleich ein E-Motor für Buggy 1:8 ist.
Viele Faktoren Spielen dabei eine Rolle und neben der Windungszahl, dem verwendeten Magnetmaterial, den Maßen einzelner Komponenten, der Drahtstärke natürlich auch gewisse Toleranzen in der Fertigung.
Wer an Wettbewerben, wie der 1:8 EFRA EM teilnimmt, für den stellt sich die Frage nach der Pol-Anzahl nicht, dort sind max. 4-Pol Motoren erlaubt. In offenen Klassen wie Truggy oder Rallygame, kann auf der Suche nach der perfekten Performance auch ein 6-Pole Motor gewählt werden.

Die Problemstellung

Um einen E-Motor ideal auf seinen Einsatzbereich abzustimmen, muss nicht nur die Anzahl der Polpaare vergrößert, sondern auch der Stator angepasst werden, da auch dessen Aufbau sich entscheidend auf die Performance des Motors auswirkt; bisher haben wir ja immer die einfachste Variante in Betracht gezogen, also drei Spulen was gleichbedeutend mit drei Nuten ist.
Ein Stator besteht aus x Statorblechen, welche Zwischenräume aufweisen, in die die Kupferwicklung gelegt wird. Diese Zwischenräume im Statorblech werden Nuten genannt.

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Das Drehmoment eines Motors wird also nicht pauschal nur durch die Erhöhung der Polzahl vergrößert, sondern auch durch Anpassen des Stator. Beides wiederum wirkt sich auf die Gesamtcharakteristik aus, was auch erklärt, warum ein für Boote entwickelter Motor nicht zwangsweise für ein RC-Car tauglich ist, auch wenn spezifische Drehzahl und Baugröße passen.

Nicht alle Kombinationen sind wirklich brauchbar, so dass es auf die Erfahrung aber auch auf Berechnungen ankommt. Kleinigkeiten wie die Qualität der Magnete, Luftspalt zwischen Rotor und Stator, sowie Windungszahl und verwendete Drahtstärke fließen in die Performance des Motors mit ein und machen ihn schlußendlich zu dem was er ist!

Grenzwertig!

Wer bisher aufmerksam die technischen Daten gelesen hat, dem wird vielleicht aufgefallen sein, dass es bei manchen Reglern eine angegebene kV-Grenze gibt…

Team Orion gibt eine kV-Grenze für den R8.1 Fahrtenregler bekannt.
Team Orion gibt eine kV-Grenze für den R8.1 Fahrtenregler bekannt.

Ein Elektromotor hat eine spezifische Drehzahl, welche mit kV angegeben wird. Die im Modellauto verbauten Modell-Elektromotoren sind im Vergleich zu Motoren wie sie im ferngesteuerten Flugzeug eingesetzt werden relativ klein und haben oftmals auch wesentlich höhere spezifische Drehzahlen. Die im 1:8 Offroad-Buggy oder Onroad-Rallygame eingesetzten Drehzahlen von 1750kv – 2500kV begrenzen jedoch auch schnell die Anzahl der Pole die verwendet werden kann.

Motoren mit einer größeren Anzahl an Polpaaren weisen den Vorteil auf, dass sie mehr Drehmoment haben, die spezifische Drehzahl jedoch sinkt. In der Praxis heißt dies, dass ein Motor mit 4- oder 6-Pole eine längere Untersetzung verkraftet im Vergleich zu einem 2-Pol Motor.

Wechselspiel

Warum werden nicht pauschal hochpolige Motoren verwendet?

Mit steigender Polzahl muss sich das elektrische Feld wesentlich öfter drehen, als der Rotor selbst.
Bei einem 2-poligen BLDC-Motor folgt der Magnet des Rotors, dem durch Kommutierung erzeugten Magnetfeld, in einem Verhältnis von 1:1.
Ein 2-poliger Motor mit 1900kV und 16,8V (4S)Lipospannung dreht mit 31920 1/min in diesem Fall muss also der Brushless-Fahrtenregler ein Drehfeld in den Spulen erzeugen, welches 31920 1/min entspricht.

Elektrische Untersetzung

Der Einsatz eines 4-Pol Rotor führt zu einer elektrischen Untersetzung mit einem Verhältnis von 2:1, dies bedeutet, dass der Rotor sich nur mit der halben Geschwindigkeit des Drehfeldes bewegt.
In der Praxis bedeutet dies, dass unser 1900kV Motor – dessen spezifische Drehzahl wir als ideal für den Buggy erachten – nach unserem Beispiel 31920 1/min dreht, der Regler jedoch ein Drehfeld erzeugen muss, welches dem Doppelten also 63840 1/min erzeugt.
Bei einem 6-Pol Motor bedeutet dies ein Verhältnis von 3:1.

Impraktikabel

Alles hat seine Grenzen und ist technisch nicht immer umsetzbar, sowohl mit Blick auf die Fertigung, aber auch mit Blick auf physikalische Grenzen.
Die spezifische Drehzahl eines E-Motors ist für RC-Cars im Maßstab 1:8 mit das Hauptkriterium bei der Auswahl eines Motors, dies liegt daran, dass

  • Fahrzeugkonstruktionen sich am Verbrennermodell orientieren
  • der Aufbau von Fahrzeugen interne Untersetzungen mit sich bringt

Fallbeispiel:

Werner Ruf vom MC-Welden hat sich die großen 1:1 Elektro-Fahrzeuge zum Vorbild genommen und seinen Mugen MBX-7R Offroad-Buggy mit zwei Elektromotoren ausgestattet. Dieser Umbau erforderte den Wegfall des Mitteldifferentials was gleichbedeutend mit dem Wegfall einer Getriebestufe ist.

Im E2015 MBX-7R von Mugen Seiki besitzt das Hauptzahnrad am Mitteldifferenzial ein Zahnrad mit 46 Zähnen und wir nehmen an, dass ein 1900kV BLDC-Motor mit einem Ritzel von 16 Zähnen ausgestattet wird.
Um eine Umdrehung des Mitteldifferentials zu erreichen, muss der Motor 46/16 = 2,875 Umdrehungen zurücklegen. In unserem Beispiel bedeutet dies, dass bei 31920 1/min des Motors die Drehzahl des Mitteldifferentials 11102,608 1/min entspricht. Wer jetzt aufgepasst hat – ACHTUNG – wird bemerkt haben, dass dies bei einem 4S Akku gilt!
Um auf die spezifische Drehzahl zu kommen, die wir benötigen müssen wir also unsere 11102,608 1/min durch die Spannung unseres Akkus teilen (16,8V) -> 11102,608 / 16,8 = 660,869

Zurückgerechnet:

(31920:4,2):4 = 1900 (davon sind wir ausgegangen 1900kV 😀 )

1900kV / 2,875 = 660,869kV (Ein 660kV Motor wird sich eher nicht finden lassen, aber wir wissen jetzt, dass unser Motor für Vorderachse und Hinterachse ca. 700kV haben sollte)

Abgedriftet!

Jetzt sind wir bei all der Faszination und der Erklärung zu diesem komplexen Thema abgedriftet, also zurück zum Thema!

Welchen Einfluß hat die Erhöhung der Polpaare auf einen Regler?

Ein elektronischer Drehzahlsteller „sieht“ die Anzahl der Pole eines Motors nicht.
Der Fahrtenregler wird immer 3 Spulen in einer festgesetzten Reihenfolge ansprechen, d.h. unter Strom setzen. Daraus resultiert auch die Tatsache, dass die Anzahl der Nuten in einem Stator immer ein x-faches von drei ergibt, d.h. die Anzahl von Nuten ist immer durch 3 teilbar.
Je nach Anzahl der Nuten ändert sich auch das Wickelschema.

Drehmomentausbeute

Die konstruktive Aufteilung eines Brushlessmotors sorgt dafür, dass die Magneten des Rotors dem Magnetfeld nicht im Verhältnis 1:1 folgen, sondern Abhängig von der Anzahl der Pole und Nuten immer nur einem Bruchteil. Das Drehmoment steigt, weil durch die Vervielfachung die Magneten des Rotors wesentlich stärker dem umlaufenden Feld nachgezogen werden.

Perfektes Timing

Um das Maximum aus einem bürstenlosen Motor herauszuholen, ist es notwendig, dass je nach Motorkonstruktion das passende Timing verwendet wird.

Die Qual der Wahl

Bei der Entwicklung eines Brushlessmotor ist es immer notwendig, den Einsatzbereich möglichst genau zu kennen und auch zu definieren. Je enger der Einsatzbereich definiert wird, umso einfacher fallen die Entscheidungen.

Was in der Theorie funktioniert muss nicht praktikabel sein…

Die unterschiedlichen Konstellationen aus Polpaaren und Anzahl der Nuten funktionieren – sofern die grundlegendsten Regeln eingehalten werden – bewährt haben sich wiederum aber nur einige. Hohe Drehzahlen von niederpoligen Motoren reduzieren unter Umständen Ummagnetisierungs- und Schaltverluste, da der Drehzahlsteller nicht ständig ein- und ausschalten muss, jedoch kommen dann wiederum andere Faktoren ins Spiel, wie die Fliehkräfte, oder auch die Auslegung mit entsprechenden Kugellagern.
Konstruktionsbedingt sind hochpolige Motoren als Außenläufer anzutreffen, welche aufgrund ihrer elektrischen Untersetzung ideal für einen Direktantrieb geeignet sind (siehe Umbau Werner Ruf – oder Flugzeuge). Der Vorteil liegt im mechanisch einfachen Aufbau, da kein Getriebe verwendet werden muss, oder die Anzahl der Getriebeabstufungen minimiert werden kann. Beim Bau von hochpoligen Motoren ist dafür die Qualität umso wichtiger; als Beispiel kann hier die Qualität des verwendeten Materials für die Statorbleche benannt werden, da durch die ständigen Wechsel des Magnetfelds die Materialgüte einen erheblichen Anteil am Wirkungsgrad des Elektromotors hat.

You get what you pay for

Wer aus seinem Modell das Optimum herausholen will, der hat trotz der vielen ähnlich anmutenden Motoren immer noch eine Unzahl an Möglichkeiten. Wettbewerbsfahrer, welche sich an ein Reglement halten müssen betrifft dies immer noch, auch wenn deren Auswahl schon eingeschränkt ist.
Leider kann man in das Material nicht hineinsehen und die Angabe „Made in China“ macht es oftmals auch nicht einfacher.
Es gilt einfach wie überall – Qualität hat ihren Preis!

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