BL Innenläufer

  • Erklärung des Aufbaus und Wechselwirkung von BL Innenläufer mit BL ESC

    Beim BL Innenläufer ist der Aufbau genau umgekehrt zum Brushed Motor. Im feststehenden Teil, dem Stator, befinden sich die Spulen und im drehenden Teil, dem Läufer, die Dauermagnete, der Kommutator und die Bürsten entfallen vollständig. Durch den einfachen Aufbau werden höhere Wirkungsgrade als vergleichsweise bei Gleichstrom Motoren erzielt.
    Ein BL Motor ist vom Aufbau her meistens einem 3- Phasen Drehstrom Synchron Motor gleich und kann nicht direkt mit Gleichstrom betrieben werden. Zwingend notwendig ist eine elektronische Steuereinheit, die aus dem Gleichstrom einen bedarfsgerechten Drehstrom generiert und die Drehzahlregelung des BL Motors übernimmt, die wesentlich komplizierter ist als beim Gleichstrom Motor. Aus dem Grund bilden ein BL Motor und ein Regler (eng. ESC - electronic speed control) eine Einheit bei der die Komponenten aufeinander abgestimmt sein sollte.


    Im Stator befinden sich die Spulen, da es sich um eine 3-Phasen Drehstrom Wicklung handelt (Phasen L1, L2 und L3) befinden sich 3 oder eine Vielzahl von 3, Spulen im Stator. Entsprechend der Vielzahl sind im Läufer Dauermagnete angeordnet. Sind z.B. im Stator 3 Spulen werden im Läufer 2 Magnete benötigt, handelt es sich um 6 Spulen im Stator, sind im Optimalfall 4 Dauermagnete im Läufer untergebracht. Es wird dann von einem 2 poligen oder 4 poligen BL Innenläufer gesprochen. Das Problem im Modellbau ist das minimale Platzangebot zur Baugröße der Motoren, deswegen wird es im RC-Car Bereich maximal 4 polige BL Innenläufer geben, die es dann auch nur bei den größeren Vertretern zu finden sind.
    Die Spulen im Stator sind körperlich um 120° versetzt angeordnet (3 Phasen um 120° versetzt ergeben einen Vollkreis 360°) und werden entweder in einer Stern- oder Dreieck-Schaltung verdrahtet. Bei einer Sternschaltung werden die 3 Enden der Spulen im Sternpunkt zusammen geführt und die 3 Anfänge als Anschlüsse L1, L2 und L3 ausgeführt. Die Dreieck-Schaltung zeichnet sich dadurch aus, dass jeweils ein Anfang einer Spule mit dem Ende einer anderen Spule zusammen geschaltet wird, die drei Verbindungspunkte werden als Anschlussleitungen L1, L2 und L3 ausgeführt.


    Soll bei einem BL Motor die Drehrichtung geändert werden, müssen zwei beliebige Anschlüsse der 3 Phasen vertauscht werden, L1 mit L2 oder L2 mit L3 oder L3 mit L1. Sind die Anschlüsse L1, L2 und L3 werden auch dementsprechend die Spulen im Stator bestromt, zuerst L1, dann L2 und zuletzt L3, die Drehrichtung ist im Uhrzeigersinn (CW). Werden zum Beispiel die Anschlüsse L2 und L3 vertauscht, werden die Spulen im Stator wie folgt bestromt, zuerst L1, dann L3 und zuletzt L2, die Drehrichtung ist nun gegen den Uhrzeigersinn (CCW).


    Drehstrom Motoren werden mit einer 3 phasigen Wechselspannung betrieben, bei der die 3 Phasen um 120° zueinander versetzt sind. Was bei einem Gleichstrom Motor der Kommutator verrichtet, die Umkehrung oder Umpolung des Stromes während einer Umdrehung, wird bei einem Drehstrom Motor durch den Wechselstrom bewirkt. Die Drehzahl eines Drehstrom Motors ist abhängig von der Frequenz des Wechselstromes, der Polzahl des Motors und von der Eingangsspannung.


    Ein ESC besteht im Groben aus zwei wichtigen Komponenten, einem Mikroprozessor und einer Endstufe. Die Endstufe besteht hauptsächlich aus elektronischen Leistungsschaltern, sogenannten MOSFET (Halbleiter Elemente). Für jede der 3 Phasen sind in der Endstufe 2 MOSFET angeordnet, die entweder dem Pluspol oder den Minuspol der Gleichstrom Quelle auf die Anschlussleitung der Phase schalten oder die Anschlussleitung stromlos schalten. Das Steuern der Endstufe übernimmt der Mikroprozessor.
    Bei einem Sensor gesteuertem BL Innenläufer sind 3 um 120° versetzte Sensoren in der Nähe des Läufers platziert, die durch Messungen dem ESC die Lage oder Drehzahl des Läufers (der Dauermagneten) zur Drehstrom Spulenwicklung im Stator übermitteln. Dadurch kann der Mikroprozessor die einzelnen Phasen gezielt im Verhältnis der tatsächlichen Drehzahl des Läufers und der geforderten Drehzahl in Bezug zum Steuersignal der Fernsteuerung ein- oder ausschalten. Eine sensorunterstützte BL Motor, ESC Einheit wird daher für jede Drehzahl, vom Stillstand bis Maximum, einen ruhigen Lauf gewährleisten können.
    Sensorlosen BL Motor, ESC Einheiten sind eine billigere und weit verbreitete Variante. Bei sensorlosen Einheiten ist in ESC ein weiterer wichtiger Baustein vorhanden, die Phasenmessung. Wird an einer Spule eine Spannung angelegt, fließt ein Strom durch den ein Magnetfeld induziert wird, das aufbauende Magnetfeld induziert seinerseits einen Strom, der entgegen dem Eingangsstrom wirkt. Hat sich das Magnetfeld durch den Eingangsstrom komplett aufgebaut wird kein entgegen gesetzter Strom mehr induziert. Wird die Eingangsspannung abgeschaltet so wird durch das abfallende Magnetfeld wieder ein Strom induziert, der dieses Mal dem Eingangsstrom nacheilt, solange bis sich das Magnetfeld komplett abgebaut hat. Aufbauendes und abbauendes Magnetfeld bedeutet eine Änderung der Magnetfeldstärke ähnlich einem sich bewegenden Leiter in einem Magnetfeld, deswegen wird während dieser Zeit ein Strom induziert, der den ursprünglichen Zustand wiederherstellen will, also beim Einschalten kein Magnetfeld und beim Ausschalten Magnetfeld erhalten. Dieser Effekt wird auch als Blindwiderstand einer Spule bezeichnet, da nicht wirklich Leistung verbraucht wird, denn die von der Spule induzierten Ströme sind im Verhältnis beim Ein- und Aus-Schalten gleichwertig. Bei einer angelegten Wechselspannung ändert sich der fließende Strom ständig sinusförmig, daher wird auch dementsprechend ständig ein Strom in der Spule induziert, dieser induzierte Strom wird von dem Baustein “Phasenmessung“ erfasst und ausgewertet. Der Mikroprozessor kann so auch die Drehzahl des Läufers in die Drehzahlsteuerung mit einfließen lassen. Lediglich aus dem Stillstand heraus gibt es keine Möglichkeit der Phasenmessung, daher können sensorlos gesteuerte BL Motoren, ESC Einheiten bis zu einer gewissen niedrigen Drehzahl beim Anlaufen stottern.


    Bei kleineren BL Innenläufer wird oft aus Platzmangel auf ein Weicheisenpaket im Stator verzichtet, stattdessen werden die Spulen als Luftspulen ausgeführt. Der Vorteil solcher eisenlosen BL Innenläufer ist, dass es kein Rastmoment gibt, denn die Dauermagnete im Läufer können in keine anziehende Wechselwirkung mit den Polschuhen eines Weicheisenpaketes treten. Der Nachteil ist, dass bei Luftspulen eine erhöhte Streuung der Magnetfeldlinien auftritt und Aufgrund der größeren Toleranzen von Luftspulen der Luftspalt zwischen Stator und Läufer größer gewählt werden muss. Luft bedeutet im magnetischen Kreis einen Widerstand für den magnetischen Fluss der den Wirkungsgrad negativ beeinflusst (ähnlich einem Widerstand im Stromkreis).
    Die Wirklänge eines elektrischen Leiters in einem Magnetfeld beeinflusst die Kraft mit der der elektrische Leiter ausgelenkt wird (Lorenz‘sche Regel). Ebenso wird die zu wirkende Kraft auf eine Welle von der zunehmenden Entfernung der Kraftquelle (elektrischer Leiter im Magnetfeld) zur Mitte der Achse positiv beeinflusst. Beim BL Innenläufer ist die maßgebliche Kraftquelle für das Drehmoment der Dauermagnet auf dem Läufer, der durch das Magnetfeld der Spulen im Stator abgelenkt wird, da die Läufer in BL Inrunner Motoren recht klein sind, ist das erzeugte Drehmoment auch nicht groß. BL Innenläufer sind daher oft sehr schnell drehende Motoren deren Nutzdrehzahl über mechanische Getriebe reduziert wird und somit das kleinere Drehmoment erhöht wird.
    Hier einige Faustformeln für BL Motoren (Ausnahmen bestätigen die Regel):

    • Je weniger Windungen (Turns), desto höher die Drehzahl und desto geringer das Drehmoment.
    • Je mehr Windungen (Turns), desto niedriger die Drehzahl und desto höher das Drehmoment.
    • Je mehr Drähte parallel gewickelt werden, desto höher wird der Füllgrad. Bei gleichen Turns bedeutet das einen größeren Gesamtquerschnitt der Drähte und desto mehr Strom kann fließen. Mehr Strom bedeutet ein höheres Drehmoment.
    • Kleinere Drähte bedeuten aber auch eine höhere thermische Belastung der einzelnen Drähte, daher wird eine Wicklung mit parallel gewickelten Drähten auch wärmer als eine Wicklung mit einzeln gewickelten Draht.
    • Mehr Pole bedeuten geringere Drehzahl.
    • Je größer der BL Motor im Durchmesser, desto größer das Drehmoment.
    • Je länger der BL Motor, desto größer das Drehmoment.
    • Bei gleicher Drahtstärke und Windungszahl, sowie gleicher Akku-Spannung an einem BL Motor ist die Drehzahl eines im Stern geschalteten BL Motor um den Faktor √3 niedriger als bei einem BL Motor in Dreieck-Schaltung, dafür ist das Drehmoment um den Faktor √3 höher.

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