Funktionsprinzip eines BL Motor

  • Funktionsprinzip eines BL Motor und Wirkung des Drehfeldes und was bedeutet die Angabe "KV" für BL Motoren.

    Oft wird fälschlicherweise von BLDC Motoren geschrieben, ein BL Motor ist aber kein Gleichstrom Motor, wenn auch die Stromversorgung in unserem Hobby ein Akku, also eine konstante Gleichstromquelle ist.

    Ein BL Motor ist ein 3-Phasen Drehstrom Motor, der als Synchron Motor fremderregt ist, da sich beim Innenläufer im Rotor, Läufer oder Anker Permanent Magnete befinden. Ein Asynchron Motor unterscheidet sich durch den Läufer, indem sich ein Kurzschlusskäfig befindet, z.B. Aluminium Stäbe, die längs im Läufer verlaufen und an den Strinseiten mit einem Aluminium Ring kurz geschlossen werden. In einem Drehfeld werden in dem Läufer Spannungen/Strom erzeugt, die wiederum eine Magnetfeld induzieren und durch dessen Wechselwirkung mit dem Drehfeld der Läufer in Drehung versetzt wird. Die Drehzahl eines Asynchron Motor muss immer niedriger sein als die des Drehfeldes, damit eine stetige Induktion im Läufer stattfindet. Diese Drehzahl Unterschiede werden auch Schlupf genannt.

    Bei einem Synchron Motor sind Drehzahl des Drehfeldes und des Läufers gleich, da die Permanent Magnete im Läufer ein ständiges Magnetfeld bereitstellen, das in Wechselwirkung mit dem induzierten Drehfeld der im Stator befindlichen Spulen treten kann.


    Das ESC einer brushless Combo regelt die Drehzahl des Motors durch die Frequenz des induzierten Drehstromfeldes. Theoretisch kann ein BL Motor selbst bei kleinen Drehzahlen mit voller Betriebsspannung angesteuert werden, was bedeutet, dass selbst bei niedrigen Drehzahlen das volle Drehmoment bereitstehen kann.

    Bei der HW FOC Combo wird das benötigte Drehmoment aktiv durch das ESC beeinflusst mit dem Ziel die durch die Steuerbefehle momentan erwünschte Drehzahl beizubehalten. Sprich, fährt das Fahrzeug bergauf wird mehr Drehmoment bei gleicher Drehzahl erforderlich als wenn das Fahrzeug auf einer Ebene fährt, dementsprechend passt das ESC das Drehmoment (Steuer-Spannung) bei gleicher Frequenz des Drehfeldes an.


    Bei all diesen Dingen hat sich mir eine Frage gestellt, denn bei BL Motoren finden wir die Angabe "KV" in Zusammenhang einer Zahl, z.B. 2300KV - was für viele bedeutet das der Motor 2300 U/min pro Volt macht, also bei dem Einsatz eines 3S Akkus höher dreht als beim Einsatz eines 2S Akkus. Doch gerade habe ich geschrieben das die Drehzahl eines BL Motors von der Frequenz des Drehfeldes abhängig ist - was denn nun?

    Wir sprechen hier über BLDC Motoren, die als Drehstrom Synchron Maschinen gelten, da sie durch den Einsatz von Dauermagneten eben zu der Klasse der fremderregten Synchron Motoren gehören. Würde der Motor anstatt Dauermagneten einen kurzgeschlossenen Käfig aufweisen, der als eigenerregter Kurzschluss Läufer gilt, so würden wir von einer Asynchron Maschine sprechen, bei der durch die Regelung der Spannung der Schlupf und somit indirekt die Drehzahl in einem gewissen Bereich geregelt werden könnte obwohl das Drehfeld in derselben Frequenz arbeitet.

    Die Bewegung eines Elektromotors basiert auf der Lorentz‘sche Regel, die grob besagt das auf einen stromdurchflossenen Leiter, der sich in einem Magnetfeld befindet eine Kraft ausgeübt wird - Drehmoment. Das Drehmoment ist von vielen Faktoren abhängig, so zum Beispiel von dem Stromfluss durch den Leiter, denn je mehr Strom fließt, desto größer ist das induzierte Magnetfeld und desto größer wird die Kraft die auf den Leiter im gleichen Magnetfeld wirkt.


    Wenn die KV Angaben die Drehzahl pro Volt eines BL Motors angeben, warum steht dann da nicht U/min pro Volt? Was bedeutet die Angabe KV wirklich?

    Im Internet sind teilweise abenteuerliche Erklärungsversuche zu dem Kürzel KV zu lesen, doch bis jetzt konnte ich keine Erklärung finden die das Kürzel wirklich betrifft. Ich denke am nächsten kommt der Versuch die Buchstaben als englische Kürzel zu deuten, wobei das K für "Koeffizient" stehen soll, doch im englischen wird das mit "C" geschrieben und der Buchstabe V soll für einen weniger bekannten, aber doch stimmigen Begriff "Velocity" stehen, der übersetzt Geschwindigkeit bedeutet. Warum denke ich das diese Erklärung der wahrscheinlichen Bedeutung am Nächsten kommt? Weil der Begriff Koeffizient einfach "mitwirkend" bedeutet. Somit ist die KV Angabe eine mitwirkende Geschwindigkeitsangabe, mitwirkend deswegen, weil sie nicht ausschlaggebend ist.

    Ein anderer Erklärungsversuch verdeutlich diese These, die diese KV Angabe als spezifische Drehzahlkonstante bezeichnet. Spezifisch deswegen, weil diese Angabe von bestimmten spezifischen Parametern des Motors abhängig ist und Konstante, weil diese Parameter konstruktionsbedingt sind und somit nach der Fertigung feststehen.


    Um das verständlicher zu erklären geht es um das Grundprinzip von elektrischen Maschinen die elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln und umgekehrt. Die Lorentz’sche Regel oder auch Lenzsche Regel. Diese Regel besagt, dass auf einen Stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld eine Kraft wirkt, die den Leiter aus dem Magnetfeld bewegen will. Die Höhe der Kraft ist grob abhängig von vier Parametern:


    1. Die erzeugte Kraft ist direkt abhängig von der Anzahl der Leiter, also den Windungen einer Spule, die dem Magnetfeld ausgesetzt ist. Je mehr Windungen eine Spule hat, desto größer ist die erzeugte Kraft.


    2. Die erzeugte Kraft ist abhängig von der Stromstärke die durch die Spule fließt, diese ist direkt abhängig von der angelegten Spannung. Also je höher die Spannung, desto mehr Strom kann in derselben Spule fließen, je mehr Strom fließt, desto stärker ist das induzierte Magnetfeld der Spule. Der Leiterquerschnitt der einzelnen Windungen wirkt indirekt auf die Kraft ein, denn durch einen Leiter mit einem größeren Querschnitt kann mehr Strom fließen und eine Spule mit gleicher Windungszahl hat einen geringeren Widerstand je größer der Querschnitt des Leiters ist.


    3. Die erzeugte Kraft ist direkt abhängig von der Stärke des Magnetfeldes, in dem sich die Spule befindet. Je stärker das Magnetfeld ist, desto mehr Kraft wird erzeugt. Bei gleicher Größe nimmt die Güte der verwendeten Permanentmagnete Einfluss auf die Stärke des Magnetfeldes.


    4. Die erzeugte Kraft ist direkt abhängig von der Länge der Spule die im Magnetfeld wirkt. Je länger die Spule ist, desto mehr Kraft wird erzeugt. Deswegen erzeugt ein 550er Motor mehr Drehmoment als vergleichsweise ein 540er Motor.


    5. Auch der Aufbau des Motors selber bestimmt das zu erzeugende Drehmoment und die Effizienz des Motors, dabei kommt es auf die Güte der Lager am Läufer an, den Luftspalt zwischen Stator Pol und Läufer Pol, sowie die Wärmeableitung der Spulen.


    All diese Parameter sind dem Motor nach, spezifische Parameter, die das erzeugte Drehmoment beeinflussen. Für einen BL Motor bedeuten diese Umstände, dass je mehr Drehmoment ein Motor erzeugt, desto stabiler ist er in der Drehzahl unter Last, die Parameter wirken also Koeffizient (mitwirkend) auf die Drehzahl (Geschwindigkeit – Velocity) des Motors ein, die natürlich auch von der Versorgungsspannung abhängig ist. Derselbe BL Motor kann mit einer Versorgungsspannung eines 2S Akkus weniger Drehmoment erzeugen als mit der Versorgungsspannung eines 3S Akkus, deswegen wirkt die Drehzahl eines Motors an einer höheren Spannung schneller. Im Leerlauf wäre die Drehzahl theoretisch nicht Spannungsabhängig, beachten wir dabei, dass es sich bei einem BL Motor nicht um einen Gleichstrom Motor handelt, sondern um einen Drehstrom Synchron Motor und die Drehzahl deswegen tatsächlich abhängig von der Frequenz des Drehfeldes ist. Erst unter Last bewirkt ein höheres Drehmoment an einer höheren Spannung bei gleicher Belastung eine stabilere Drehzahl.


    Die Deutung das KV also die Drehzahl pro Volt kennzeichnen soll ist nicht richtig! Die Spannung wirkt nur indirekt auf die Drehzahl - sie ist also "mitwirkend" - Koeffizient!


    Merkmale BL Motor:

    · Einfacher Aufbau als Innenläufer, feststehender Teil Stator außen mit Drei-Phasen Drehstrom Wicklung als Stern- oder Dreieckschaltung. Innerer Läufer mit Permanentmagneten leicht auszuwuchten, daher ruhiger Lauf.

    · Einfacher Aufbau als Außenläufer, äußere Glocke mit Permanentmagneten, meistens mehr Pole als die Drehstromwicklung um so ein elektronisches Getriebe zu erwirken und Erzeugung eines hohen Drehmomentes, da die Magnete weit von der Mittelachse entfernt sind. Feststehender Teil mit Drei-Phasen Wicklung im inneren.

    · Mechanische Kommutierung entfällt, da diese elektronisch vom ESC vorgenommen wird.

    · Hohes Drehmoment auch in niedrigen Drehzahlen, da die Drehzahlregelung über die Frequenz der Kommutierung des Drehstromfeldes geregelt wird und die Arbeitsspannung auch bei niedrigen Drehzahlen angelegt werden kann.

    · Möglichkeiten durch Stern- oder Dreieckschaltung der Spulen Einfluss auf das Drehmoment und Drehzahlverhalten des Motors zu nehmen ohne ansonsten bauartlich etwas am Motor zu verändern. Die Umschaltung von Stern auf Dreieck könnte auch durch eine MOSFET Schaltung bewerkstelligt werden.

    · Ebenso könnte bei mehrpoligen Motoren durch eine Dahlanderschaltung die Polzahl halbiert oder verdoppelt werden umso grob zweistufig Einfluss auf die Drehzahl zu nehmen.

    · Zur Drehzahlregelung kann das ESC zusätzlich unabhängig von der Drehzahl das Drehmoment aktiv steuern, indem die Spannung geregelt wird.

    · Innenläufer kann durch eine geschlossene Bauweise leicht Wasser- und Staubdicht aufgebaut werden.

    · Da die Spulen im äußeren Teil des Motors untergebracht sind, ist die Wärmeentwicklung selbst bei geschlossener Bauweise über die Außenhaut des Motors gewährleistet.


    Nach all den Worten der Theorie etwas zum Ansehen. Das folgende Bild ist eine vereinfachte Darstellung um das Prinzip und die Wechselwirkung der Permanent Magnete im Läufer mit dem magnetischen Drehfeld einer Sternschaltung zu verdeutlichen.

    Weil ich keine neue Zeichnung einer getakteten Wechselspannung, so wie sie durch ein BL ESC aus einer Gleichspannung geschaltet wird, habe ich das Bildnis einer sinusförmigen 3-Phasen Wechselspannung genutzt. Die magnetischen Feldlinien sind nach der Rechten-Hand-Regel (Daumen zeigt in die Stromfluss Richtung und die Finger zeigen die Richtung der Feldlinien) und die Stromflussrichtung nach der Physikalischen Stromrichtung von Minus (Elektronenüberschuss) nach Plus (Elektronenmangel) gestaltet.


    Zu beachten ist, das die Wicklung der Spule, die über die Steuerleitung L2 bestromt wird, entgegengesetzt der Wickelrichtung der anderen beiden Phasen sein muss, da sich im zeitlichen Diagramm der einzelnen Wechselströme zeigt, das die Polung des Stromes zum richtigen Zeitpunkt im Drehfeldverlauf entgegengesetzt ist. Würde die Wickelrichtung der Spule gleich dem anderen sein, so wären die Pole des induzierten Magnetfeldes für den Drehwinkel 60° und 240° umgekehrt und somit würde die Homogenität des Drehfeldes gestört. Diesen notwendigen Umstand habe ich zuerst auch nicht verstanden, erst mit dem gleichzeitigen Schaubild der Wechselspannungen zur Polarität des Drehfeldes wird dieser Umstand deutlich.


    Der Vorteil einer BL Combo ist, dass das Drehmoment ebenso aktiv wie die Drehzahl wirklich geregelt werden kann! Dieser Vorteil wird bei der HW FOC BL Combo ausgenutzt und mittels Einbindung der Drake Brake auch bei Bergabfahrten deutlich sichtbar.

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