Im Modellbau wird immer häufiger ein bürstenloser Motor eingesetzt. Diese sind gegenüber Modellen mit Kohlebürsten wesentlich wartungsfreundlicher. Bei den sogenannten Brushed-Motoren musst du in regelmäßigen Abständen die Schleifkontakte auswechseln. In diesem Ratgeber sollst du aber noch wesentlich mehr über Modellbau-Motoren erfahren. Dabei spezialisieren wir uns ganz klar auf die neuen Brushless-Varianten, wobei es unter anderem auch auf die KV-Angabe ankommt.
Funktionsweise eines Brushless Motors: Einfache Erklärung
Jedes RC-Modell benötigt mindestens einen Motor für den Antrieb oder spezielle Sonderfunktionen. Wenn du zum Beispiel eine Drohne fliegen lassen möchtest, dann wird jeder Propeller über einen Motor angetrieben. Moderne Drohnen verwenden fast ausnahmslos sogenannte Brushless-Motoren. Ein solcher BLDC Motor wird auch als bürstenloser Gleichstrommotor bezeichnet. Im Gegensatz zum Bürstenmotor sind die neuen Varianten nicht nur leistungsfähiger, sondern auch wartungsfreundlicher. Der mechanische Aufbau ist deutlich einfacher, erzeugt aber bei gleicher Baugröße eine höhere Leistung und arbeitet dementsprechend effizienter.
Obwohl zum Beispiel eine Drohne mit einem LiPo mit Strom versorgt wird und es sich hierbei um eine Gleichstromquelle handelt, arbeitet ein Brushless Motor mit einem dreiphasigen Drehstrom. Dennoch werden diese Motoren als BLDC-Motoren bezeichnet. Im Inneren des Motors erzeugen elektrische Spulen ein besonderes Magnetfeld, welches in einem Kreis wandert. Permanentmagnete im Rotor des Motors werden durch dieses umkreisende Magnetfeld kontinuierlich angezogen und wieder abgestoßen. Auf dieses Weise wird eine Drehbewegung erzeugt, welche den Propeller antreibt.
Einer der größten Vorteile ist, dass die bürstenlose Motorkonfiguration keine elektrische Verbindung zum Rotor des Motors besitzt. Somit ist der mechanische Aufbau recht einfach, da die benötigte Elektronik sich fest an einer Position am Motor befindet und nicht verschleißen kann. Unabhängig davon besteht ein Brushless-Motor aus dem sich drehenden Rotor und dem ruhenden Teil, welches Stator bezeichnet wird. Die Permanentmagnete am Rotor sorgen für eine optimale Entkopplung von Rotor und Stator. Die Spulen, welche zur Erzeugung des Magnetfeldes benötigt werden, befinden sich im Stator, also im ruhenden Teil. Der äußere Rotor sorgt letztlich für die Rotation.
Um das Drehfeld zu erzeugen, wird ein dreiphasiger Drehstrom benötigt, der jedoch aus dem Drehzahlregler und dem Gleichstrom des Akkus erzeugt wird. Wichtig zu wissen ist, dass die Drehzahl des Motors immer proportional zur angelegten Spannung ist. Dagegen ist der durch den Motor fließende Strom proportional zum Drehmoment des Motors. Selbstverständlich kann der der sich rotierenden Motorwelle auch ein Getriebe befinden, sodass darüber eine andere Übersetzung stattfindet.
Welche Bedeutung hat die KV Angabe bei einem Brushless Motor?
Speziell für Brushless-Motoren ist die KV-Angabe wichtig, mit der die Drehzahl des Motors in Abhängigkeit von seiner Spannung angegeben wird. Mit dem KV-Wert wird ermittelt, wie schnell sich der Elektromotor drehen kann, wenn an ihm eine Spannung von 1 Volt angelegt wird. Dies hört sich schwieriger an, als es eigentlich ist. Ein Brushless-Motor mit 2.200 KV erreicht bei 1 Volt Spannung eine Leerlaufdrehzahl von 2.200 Upm. Ein 3.000 KV-Motor entsprechend 3.000 Upm. Du kannst jederzeit die Leerlaufdrehzahl deines Motors in Abhängigkeit des eingesetzten Akkus berechnen. Dabei multiplizierst du die Nennspannung des Akkus mit dem KV-Wert.
Wie kann man den KV Wert messen?
Vielleicht hast du noch einen unbekannten Motor in der Schublade liegen und kannst darauf nicht den KV-Wert erkennen. Einige RC-Experten nutzen beispielsweise einen optischen Drehzahlmesser* zur Bestimmung des KV-Wertes. Hierzu wird die halbe Motorwelle mit schwarzem Isolierband abgeklebt, sodass der Drehzahlmesser einen guten Kontrast bei jeder Umdrehung erkennen kann. Die gemessene Zahl muss dann nur noch durch 2 geteilt werden und dann hast du den KV-Wert. Beachte, dass du bei dieser Messung keine Propeller auf der Motorachse verwenden darfst. Ansonsten würdest du nur die Lastdrehzahl ermitteln. Wie weiter oben schon beschrieben, kannst du den KV-Wert ermitteln, indem du die Leerlaufdrehzahl durch die Leerlaufspannung teilst.
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Die Formel für Brushless Motor KV berechnen
Wenn du zum Beispiel in deiner Drohne einen 4S LiPo mit 14,8 Volt verwendest und du einen Brushless-Motor mit 2.200 KV betreibst, dann erreicht dieser eine Leerlaufdrehzahl von (14,8 V x 2.200 KV) 32.560 Upm.
Möchtest du den KV-Wert berechnen, kannst du dies mit folgender Formel: KV = Leerlaufdrehzahl / Voltangabe des Akkus
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Warum ist dieser beim RC Modellbau z.B. bei Drohnen wichtig?
Wie zuvor beschrieben, beschreibt KV die Drehzahl, also Umdrehungen pro Minute, des Motors pro eingespeister Voltzahl. Je höher der KV-Wert ist, umso schneller dreht sich dieser und erreicht mehr Leistung. Dabei werden nur wenige Drahtwickelungen beim Anker benötigt, da sich ansonsten der Widerstand erhöht und der Motor langsamer läuft. Gerade bei Drohnen solltest du Motoren mit mehr KV einsetzen. In diesem Fall geht es um die Geschwindigkeit und weniger um das Drehmoment bzw. die Kraft des Motors. Drohnen sind relativ leicht und sollen schnell fliegen können.
Welchen Einfluss hat die Polzahl auf den KV?
Ein Motor mit hoher KV-Zahl zieht deutlich mehr Strom als ein Modell mit geringer KV-Zahl. Das Drehmoment spielt hierbei zunächst keine Rolle. Wenn jedoch der Stromverbrauch ansteigt, kann auch das Drehmoment ansteigen. Ebenfalls spielt auch die Polzahl keine Bedeutung. Ein Brushless-Motor mit mehr Polen besitzt nicht mehr Drehmoment als einer mit wenigen Polen.
Hierzu ein Beispiel:
- Kontronik Pyro 700-45*, Stromaufnahme 13 A, 10 Pole, 0,3 Nm, 16.000 Upm
- Lehner 2230/40, Stromaufnahme 13 A, 2 Pole, 0,3 Nm, 18.000 Upm
Da das Drehmoment im Luftspalt zwischen Rotor und Stator entsteht, kann man dieses nicht anhand der Polzahl miteinander vergleichen.
Welches Timing für Brushless Motoren?
Für eine hohe Drehzahl muss die Spannung bei einem Brushless-Motor frühzeitig eingeschaltet werden. Dieses Timing wird in Grad angegeben. Wird das Timing erhöht, also die Drahtwickelungen am Motor werden früher mit Strom versorgt, dann erhöht sich die Drehzahl und auch der aufgenommene Strom des Motors. Die Eingangsleistung steigt. Bei einem zu hohen Timing geht dies aber zu Lasten des Drehmoments und des Wirkungsgrades. Ein optimales Timing ist immer von der Bauart des Motors abhängig. Um den bestmöglichen Wirkungsgrad zu erhalten, sollte das Timing so gering wie möglich gehalten werden.
In den Bedienungsanleitungen zu den Brushless Motoren findest du meist genaue Angaben zum richtigen Timing. Falls du dort nichts finden solltest, können dir die nachfolgenden Angaben weiterhelfen:
- 2-poliger Motor: Timing 0-5 Grad
- 4-poliger Motor: Timing 5-10 Grad
- 10-poliger Motor: Timing 18-25 Grad
- 14-poliger Motor: Timing 25-30 Grad
Viele Drehzahlregler verfügen über ein Auto-Timing. Mit dieser Funktion kann ebenfalls ein verhältnismäßig genaues Timing für deine Brushless-Motoren eingestellt werden.
Was bedeutet Turns?
Die Bezeichnung Turns stammt noch aus den Zeiten, als im RC-Modellsport ausschließlich Bürstenmotoren verwendet wurden. Mit Turns werden die Motor-Wickelungen bezeichnet. Je weniger Wickelungen oder Turns vorhanden sind, umso höher ist die Motordrehzahl bei gleicher Spannung. Bei bürstenlosen Motoren bildet der KV-Wert eine vergleichbare Kenngröße. Turns bezeichnet letztlich die Drahtwickelungen und wie oft diese um den Motoranker gewickelt sind.
Mehr Turns steht für…
- geringer Motorverschleiß
- geringe Geschwindigkeit
- geringere Motorleistung
Weniger Turns steht für…
- mehr Geschwindigkeit
- höherer Motorverschleiß
- mehr Power
- meist größere Hitzeentwicklung
Ein grober Umrechnungsfaktor für Brushless- und Brushed-Motoren ist der Wert 1,5. Ein Brushless-Motor mit 11 Turns entspricht einem Brushed-Motor mit 16 -17 Turns. Du kannst natürlich auch KV in Turns umrechnen. Gehen wir hier bei 1 Volt angelegter Spannung an deinem Motor aus, dann ist die KV-Zahl gleich der Leerlaufdrehzahl. Problematisch ist die Umrechnung von KV in Turns, da es hierfür keine genaue Formel gibt.
Folgende Motoren sollen hier als Beispiel dienen:
- Amewi 28114 AMX Racing Brushless Motor* mit 6.450 KV kommt auf 5,5 Turns
- Hacker A-10-9L Brushless Motor* mit 1.700 KV kommt auf 9,0 Turns
- Hobbywing Xerun Justock* mit 3.600 KV kommt auf 10,5 Turns
Zudem müssen bei einem Motor noch die Art der Drahtwickelung, die Rotorenlänge, der Rotordurchmesser, der Spulendurchmesser, die Spulenlänge, das Magnetmaterial und vieles mehr berücksichtigt werden. Da jedoch heute meist nur Brushless-Motoren verbaut werden, solltest du dich weniger mit den Turns als vielmehr mit dem KV-Wert beschäftigen.
Brushless oder Brush Motoren?
Viele stellen sich die Frage, ob Sie lieber einen Brushless- oder Brush-Motor einsetzen sollten. Die traditionellen Bürstenmotoren werden nach wie vor auf dem Markt angeboten und müssen sich im Grund nicht hinter den Brushless-Modellen verstecken. Die größten Unterschiede bestehen darin, dass bei Bürstenmotoren die Kohlebürsten aufgrund der kontinuierlichen Reibung sich abnutzen können und ausgewechselt werden müssen. Bürstenmotoren sind daher wartungsintensiver als bürstenlose Modelle. Brushless-Motoren sind wesentlich langlebiger und erzeugen durch Permanentmagneten das benötigte Magnetfeld. Die nachfolgenden Vor- und Nachteile beider Modelle soll dies verdeutlichen.
Vorteile Brushless Motoren
- wartungsarm, da keine Kohlebürsten ausgewechselt werden müssen
- verschiedene Bauarten, wie Innen- und Außenläufer
- geringe Wärmeentwicklung
- hoher Wirkungsgrad
- optimale Effizienz zwischen Motor und Akkuleistung
- häufig wasserdicht gekapselt
Nachteile Brushless Motoren
- in aller Regel höherer Preis
Brushless RC Motor
- 11.000 KV 2S
- speziell für Racing Drohnen entwickelt
Preis: € 50,90 Preis prüfen*
Vorteile Brush Motoren
- für mehrmotorige Systeme wird nur ein Regler benötigt
- Schalteffekte laufen sehr sauber ab
- die Motoren sind günstig in der Anschaffung
- guter Motorsound aufgrund der Reibung der Bürsten im Motorinneren
- höheres Gewicht ist ideal bei RC-Cars
Nachteile Brush Motoren
- Kohlebürsten verschleißen schneller und müssen ersetzt werden
- Motor kann schneller erhitzen
- empfindlich gegen Feuchtigkeit
RC Bürstenmotor
- Drehzahl im Leerlauf: 15500 + 12% U/min (10 T), 13000 + 12% U/min (12 T)
- Runden: 10T/12T (optional)
Brushless Motor KV: Fazit
Speziell für Drohnen können durchweg Brushless-Motoren empfohlen werden. Diese wartungsarmen Elektromotoren sind überaus effizient und können aus den angeschlossenen Akkus die bestmögliche Leistung herausholen. Eine wichtige Kennzahl ist hier der KV-Wert. Hierüber wird die die Leerlaufdrehzahl bei angelegter 1-Volt-Spannung angegeben. Mit einem hohen KV-Wert dreht sich die Motorwelle umso schneller und es wird eine höhere Leistung geboten.
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Quellen & Einzelnachweise:
[1] http://wiki.hacker-motor.com/index.php/Kategorie:Brushless_Motoren
[2] https://rc-automodellbau.jimdofree.com/tips-und-tricks/was-sind-turns/
[3] https://www.d-edition.de/blog/brushless-vs.-brushed-motoren
[4] https://www.drone-zone.de/wissen-das-kleine-brushless-motor-1×1/
