Modellbau Flugregler und Elektromotoren

Die Elektroantriebe im Modellbau sind den letzten Jahren stark weiterentwickelt worden und haben die Verbrennerantriebe weitestgehend verdrängt. Während anfänglich hauptsächlich die relativ geringe Ladungsdichte der damals verfügbaren Akkus und das damit verbundene hohe Gewicht das größte Hindernis darstellte, sind heute überwiegend Lithium Akkus im Einsatz, die bei geringem Gewicht sehr hohe Ladungskapazitäten bieten und somit für stark verbesserte Flugzeiten sorgen. Auch im Leistungsvergleich zeigen Elektroantriebe ihre Stärken im Vergleich zu den Verbrennern mehr als deutlich. 

Für Bürstenmotoren wurden seinerzeit Gleichspannungs- Drehzahlsteller bzw. Drehzahlregler verwendet. Bürstenmotoren unterliegen einem konstruktionsbedingten Verschleiß, welcher hauptsächlich die Kohlebürsten betrifft. Diese müssen in regelmäßigen Intervallen gewechselt werden. Seit einigen Jahren verdrängen jedoch Bürstenlose Motoren die Bürstenmotoren immer mehr. Im Jahr 2019 sind kaum mehr Bürstenmotoren im Modellbaubereich zu finden. Der Grund dafür ist deren verschleißarmer und fast wartungsfreier Betrieb, verbunden mit einigen anderen Vorteilen gegenüber ihren Vorgängern. Der Verschleiß an Bürstenlosen Motoren beschränkt sich auf den mechanischen Verschleiß der Lager. Ein sehr langer wartungsfreier Betrieb ist somit gewährleistet.

Regler, Steller, Flugregler

Zur Steuerung bzw. Regelung der Motordrehzahl werden Drehzahlsteller bzw. Drehzahlregler bezeichnet. Die im Modellflugbereich übliche Bezeichnung ist "Flugregler". Speziell für den Flugbereich konzipierte Regler unterscheiden sich in ihren Funktionen von den sogenannten "Fahrtreglern" für RC- Autos. Moderne Regler bieten vielfältigen Einstellmöglichkeiten und können daher an die jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst werden. So ist es beispielsweise möglich, denselben Regler sowohl in einem Flugzeug, in einem Helikopter oder in einem Auto einzusetzen.

Motoren und Regler - Brush vs. Brushless

Brushmotoren

Die Bezeichnung "Brush" steht für "Bürste" und kennzeichnet eine Antriebskombination bestehend aus Bürstenmotor und dazu passendem Regler. Dabei versorgt der Regler den Motor immer mit einer Gleichspannung. Der Anschluss des Reglers an den Motor erfolgt über ein zweiadriges Kabel. Funktionsbedingt sorgen auf dem drehenden „Kollektor“ laufende Kohlebürsten für den erforderlichen Feldwechsel, der den Motor überhaupt erst in Drehung versetzt. Der Feldwechsel wird hier also elektromechanisch realisiert. Da die Bürsten (Kohlen) auf dem drehenden Kollektor aufliegen und darüber schleifen, unterliegen sie einem Verschleiß durch Abrieb. Daher ist ein intervallmäßiger Wechsel der Kohlebürsten erforderlich. Der entstehende Kohleabrieb verursacht eine Verschmutzung des Umfeldes mit Kohlestaub, was wiederum zu weiteren Problemen führen kann.

Funktion eines Brushantriebssystems (Kohlebürstenmotor und Gleichspannungsregler)

Im Kohlebürstenmotor wird über die Wicklungen im Ankerblech ein wechselndes elektromagnetisches Feld aufgebaut, welches dem Magnetfeld der Permanentmagnete gegenübersteht. Anziehung und Abstoßung zwischen den Magneten und den Elektromagneten des Ankers/ Rotors setzt diesen in Bewegung. Allerdings nur solange, bis sich zwei gleich gepolte Magnetpaare gegenüberstehen. Spätestens zu diesem Zeitpunkt muss der Strom in den Ankerwicklungen umgepolt werden, damit sich der Anker weiterdreht.

Diese Umpolung wird mittels der Kohlebürsten realisiert, denn der Motor wird mit Gleichspannung betrieben. Die Kohlebürsten funktionieren wie ein elektromechanischer Schalter. Dabei entstehen jedoch Reibung, Hitze und Funkenbildung. Der daraus resultierende Einbrand und die Abnutzung von Kollektor und Bürsten verschlechtern die Leistung des Motors und verkürzen die Lebensdauer.

Fortschreitender Verschleiß von Kohlebürsten und Kollektor macht sich durch fallende Leistung und zunehmende Hitzeentwicklung bemerkbar.

Brushlessmotoren

Brushlessmotoren funktionieren nach einem anderen Prinzip. Das elektromagnetische Drehfeld des Motors wir nicht mehr mittels Kohlebürsten im Motor, sondern auf elektronischem Wege erzeugt, ähnlich wie der Phasenwechsel bei einem Drehstromantrieb. Daher muss ein Brishlessmotor auch über drei Kabel mit dem Regler verbunden werden. Die Kohlebürsten entfallen dadurch und damit auch der Verschleiß derselben. Das macht die Brushlessantriebe fast wartungsfrei, langlebig und sauber. In der heutigen Zeit kommen im Modellflug hauptsächlich Brushless Systeme zum Einsatz.

HINWEIS: Regler für Brushed- Motoren (Bürstenmotoren) können nicht an Brushless- Motoren (Bürstenlosen) betrieben werden und umgekehrt.

Funktionsweise eins Brushless Antriebssystems (Bürstenloser Motor und Regler)

Ein Brushlessregler wird wie der Brushregler zwar mit einer Gleichspannung aus einem Antriebsakku betrieben, der Bürstenlose Motor wird jedoch im Gegensatz zum Bürstenmotor bereits vom Flugregler mit einer phasig umlaufenden Spannung versorgt, welche der Regler aus der Gleichspannung des Antriebsakkus generiert. Der Regler erzeugt allerdings keine Sinus- Wechselspannung sondern eine Rechteck- Gleichspannung.

Der Flugregler schaltet der Reihe nach im Wechsel eine Gleichspannung auf die Motorspulen und erzeugt so ein "Drehfeld". Ein wesentlicher Unterschied zum echten "Drehstrommotor" ist die Tatsache, dass nur jeweils nur über zwei der drei Zuleitungen Strom fließt. Die dritte Leitung dient als Sensorleitung (siehe weiter unten) zur Feststellung der jeweiligen Rotorposition. Dies ist wichtig, damit der Regler im richtigen Moment die Bestromung der Spulen weiter- bzw. umschalten kann. Die Drehzahl des Motors wird über die Höhe der vom Regler aufgeschalteten Spannung gesteuert und nicht vom Drehfeld!

Um die Drehzahl des Motors möglichst verlustarm zu regeln, bedient sich der Regler der Pulsweitenmodulation (PWM). Diese wird später näher erklärt.

Vor- und Nachteile von Brushless Antrieben im Vergleich zu Brush Antrieben

Vorteile

  • mehr Drehmoment bei gleichem Gewicht
  • geringe Störanfälligkeit
  • wartungsarm
  • geringere Geräuschentwicklung
  • höhere Leistung
  • weniger elektromagnetische Interferenzen als Bürstenmotoren
  • höhere Drehzahlen bei vibrationsarmer Laufruhe

 

Nachteile

  • teurere Steuerelektronik (Regler)

Potentielle Leistung von Brushless Antrieben

Die mögliche Motorleistung ist hauptsächlich begrenzt durch die Temperaturentwicklung im Motor, welche die Magnetwirkung der Neodymmagnete (Permanantmagnete) schwächen kann. Ein weiterer Vorteil von Brushless- Systemen im Vergleich zu Brush Systemen ist die geringere Verlustleistung bzw. bessere Effizienz bei geringer Last am Motor. Bei Volllast sind Brush- und Brushless Systeme gleich effizient.

Bei den Brushless Antrieben (Motor und Regler) unterscheiden wir heute „Sensorgesteuerte Brushless- Systeme“ und „Sensorlose Brushless- Systeme.

Sensorgesteuerte Brushless- Antriebssysteme

Diese Systeme sind selten vorzufinden, sollen hier aber kurz Erwähnung finden. Bei sensorgesteuerten Brushless- Systemen wird die Rotorposition mittels Hall-Sensoren oder hochleistungsfähigen Optiksensoren innerhalb des Motors erfasst. Die Sensorsignale werden dabei über ein separates Kabel zum Regler übertragen. Sensorgesteuerte Brushless- Systeme erkennt man an einem zusätzlichen Kabel, das die Sensorsignale vom Motor zum Regler übermittelt. Die Bauweise von sensorgesteuerten Brushless- Systemen bietet den Vorteil, dass sofort das volle Drehmoment zur Verfügung steht.

Sensorlose Brushless- Antriebssysteme

Die sensorlose Brushless- Technik ist noch relativ jung, aber sehr weit verbreitet. Man spricht hierbei auch von Sensorloser Kommutierung. Vom Regler wird hier im Wechsel über jeweils eine der drei Verbindungsleitungen zwischen Motor und Regler die elektromagnetische Induktion gemessen, die durch die Rotorbewegung in den Statorspulen erzeugt wird. Auf diese Weise kann der Regler die Position des Stators ermessen und sogar die Drehzahl des Motors bestimmen. Sensorlose Brushless-Systeme sind heute der Standard und werden in den meisten Elektro- Modellbauantrieben verwendet.

Funktionsweise von Sensorlosen Brushless- Motoren

Im Bild ist die prinzipielle Funktionsweise eines sensorlosen Brushless Innenläufers dargestellt. Jeweils 2 Spulen werden mit Spannung beaufschlagt, die dritte dient als Messleitung.

Innenläufer (Inrunner) und Außenläufer (Outrunner) Motoren

Unterschieden werden Motoren zudem noch in Innen- und Außenläufer. Bei Innenläufern steht die Außenhülle des Motors fest und der Innere Teil des Motors dreht sich. Bei Außenläufern steht der innere Teil des Motors fest und der äußere Teil (Motorgehäuse) dreht sich. Innenläufer haben einen höheren Wirkungsgrad als Außenläufer, während Außenläufer ein höheres Drehmoment haben.

Im Helikopterbereich sind vornehmlich Brushless- Außenläufermotoren vorzufinden.

Innenläufer Motor (Inrunner)

Beim Innenläufer liegen die Wicklungen im feststehenden Motorgehäuse (außen). Auf dem innen liegenden Rotor, der mit der Antriebswelle verbunden ist, sind die Permanentmagnete befestigt. Für bestimmte Anwendungen sind Innenläufer sehr interessant.

Außenläufer Motor (Outrunner)

Beim Außenläufer sind Permanentmagnete an der sich drehenden Motorglocke befestigt. Die Motorglocke (außen) rotiert, daher der Begriff Außenläufer. Die Motorwelle ist mit der Motorglocke (Außengehäuse) verbunden. Da sich beim Außenläufer das äußere Motorgehäuse dreht, muss beim Einbau auf genügend Freiraum um den Motor herum geachtet werden.

Klassifizierung der Antriebe

Neben den allgemeinen Angaben wie „Brushless“ oder „Brush“, sowie „Innen- bzw. Außenläufer“ sind weitere technische Daten zur Kennzeichnung der Merkmale nötig:

  • Maßangaben wie z. Bsp. Motordurchmesser, Höhe, Wellenlänge, Wellendurchmesser
  • Gewicht/ Masse
  • Elektrische Leistung/ Leistungsbereich
  • spezifische Nenndrehzahl (kV)
  • Betriebsspannung/ Betriebsspannungsbereich
  • Polzahl/ Polpaare
  • Innenwiderstand
  • Leerlaufstrom
  • Wirkungsgrad
  • Schaltfrequenz
  • Motor Gewicht und Maße

Die Abmaße eines Motors sind wichtig, um einen für die jeweilige Einbausituation passenden Motor zu finden. Das Gewicht eines Motors spielt insofern eine Rolle, da man anhand des Gewichtes in etwa auf die Leistungsklasse schließen kann.

Motorleistung [W]

Die Motorleistung wird in Watt angegeben, wobei man zwischen zwei Angaben unterscheidet - die Nennleistung und die Peakleistung. Die Nennleistung beschreibt die Dauerbelastbarkeit des Motors, während die Peakleistung die maximale Leistungsaufnahme pro Zeiteinheit angibt. Nennleistung sowie Peakleistung werden in Watt (W) angegeben, wobei die Peakleistung mit dem Zusatz der maximalen Peakdauer ergänzt wird.

Beispiel: 2000W /3000W (für 5sec alle 30sec) -> Nennleistung = 2000 Watt, 3000Watt max für 5 sec je 30 sec.

Spezifische Nenndrehzahl [kV]

Die Spezifische Nenndrehzahl wird angegeben in " kV" und bedeutet " Umdrehungen pro Minute pro Volt". Diese Kennzahl ist wichtig, um die Drehzahl des Motors unter den jeweiligen Einsatzbedingungen zu errechnen.

Beispiel: 510kV = 510 U/V Bei einer vom Regler kommenden Spannung von 44,4 Volt (12S) ergibt sich:

510kV multipliziert mit 44,4V

= 22.644 Umdrehungen pro Minute am Motor

Betriebsspannung, Betriebsspannungsbereich [V]

Nicht jeder E-Motor kann mit jeder beliebigen Spannung betrieben werden. Eine Angabe des Betriebsspannungsbereiches sagt aus, in welchen Spannungsbereich der jeweilige Motor betrieben werden darf. Diese Angaben erfolgen z. Bsp. in der Form "6-10 NC, 2-3 Lipo". Die Zahlen geben die Zellenzahl des jeweiligen Akkutyps an, mit der ein Motor am Regler betrieben werden darf. Im genannten Beispiel darf der Flugakku ein 6 bis 10 Zellen NH oder ein 2-3 zelliger Lipo Akku sein.

Polzahl (Magnetzahl) / Polpaare [n]

Die Zahl der Magnetpole im Motor ist immer eine gerade Zahl. Man spricht auch von Poolpaaren. Es sind immer mindestens 2 Pole vorhanden. Die Anzahl der Magnetpaare bestimmt den Drehzahlbereich des Motors und hat außerdem wesentlichen Einfluss auf das Drehmoment. Mehr Magnetpaare bedeuten höheres Drehmoment bei gleichzeitig geringerer Drehzahl.

Beispiel 14 poliger Außenläufer

Innenwiderstand des Motors [R(innen)]

Ob ein Motor für hohe Ströme geeignet ist und wie gut sein Wirkungsgrad dabei ausfällt, wird maßgeblich von seinem Innenwiderstand bestimmt. Der auf die Magnetspulen aufgewickelte Kupferdraht hat einen ohmschen Widerstand, der von Länge und Querschnitt des Drahtes abhängt. Je geringer dieser Innenwiderstand eines Motors ist, umso weniger Energie geht als Wärme verloren und umso belastbarer ist der Motor. Ein dicker Wicklungsdraht ist gleichzusetzen mit einem geringen Widerstand. Dicke Wicklungsdrähte sind maschinell aber schwer zu verarbeiten, weshalb Motoren mit dickem Wicklungsdraht ausnahmslos handgewickelt sind. Ein dicker Wicklungsdraht bedeutet bessere Kühlung des Motors bei gleichzeitig geringerer Wärmeentwicklung.

Der Innenwiderstand R(innen) ist ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal. Dieser wird allerdings nicht von allen Herstellern angegeben.

Leerlaufstrom/ Leerlaufleistung [W]

Der Leerlaufstrom bzw. die Leerlaufleistung kennzeichnet die Strom- und Leistungsaufnahme eines Motors im Leerlauf, ohne Belastung. Die Leerlaufstromaufnahme sollte so gering wie möglich sein. Eine hohe Leerlaufstromaufnahme macht einen Motor weniger effektiv.

Wirkungsgrad von Motoren

Der Wirkungsgrad sagt aus, welcher Anteil der vom Motor aufgenommenen elektrischen Energie in Bewegungsenergie umgesetzt wird. Bei Brushless- Motoren beträgt der Wirkungsgrad zwischen 80 und 98%. Der Wirkungsgrad in einem Antriebssystem (Motor und Regler) ist aber nicht unter allen Bedingungen gleich. Er variiert je nach Last und Drehzahl des Motors und sogar die Temperatur hat darauf einen Einfluss.

Schaltfrequenz [Hz] von Brushless Reglern

Die Drehzahl eines Brushless- Motors wird durch die vom Regler eingespeiste und an den Motorspulen anliegende Spannung bestimmt. Um die Motor- Drehzahl je nach Gaskurve zu regeln, muss der Regler die Spannung des Akkus möglichst verlustfrei reduzieren. Dazu bedient er sich der schon aus anderen RC- Bereichen bekannten (PWM) Pulsweitenmodulation. Der Regler "zerhackt" dazu die vom Akku kommende Spannung in kleine Blöcke (im Bild unten: die roten Spannungsblöcke). Üblicherweise geschieht das mit einer Frequenz von 8 kHz (KiloHertz), das entspricht der Erzeugung von 8000 Spannungsblöcken pro Sekunde. Bei niederinduktiven Motoren sind auch höhere Taktraten möglich. Um die Akkuspannung zu reduzieren, werden einzelne Spannungsblöcke herausgenommen. Je mehr Blöcke herausgenommen werden, je niedriger ist die Spannung mit der der Motor beaufschlagt wird. Die effektiv an den Motorspulen anliegende Spannung berechnet sich aus dem Verhältnis Impulslänge zu Pausenlänge. Wird jeder zweite Spannungsblock herausgenommen, beträgt das Verhältnis zwischen Spannung und Pause exakt 50%, was eine Effektivspannung von 50% der Akkuspannung bedeutet. Der Motor dreht so nur mit 50% der max. Drehzahl. Werden keine Spannungsblöcke entfernt, dann läuft der Motor mit maximaler Spannung und somit maximaler Drehzahl.

Pulsweitenmodulation (PWM)

Die roten Spannungsblöcke sind pulsweitenmoduliert.

Regler mit und ohne BEC

Manche Regler sind bereits mit einem BEC (Battery Elemination Circuit), also einer integrierten Spannungsversorgung für den Empfänger ausgestattet. Der Regler versorgt dabei über eine separate Leitung auch Empfänger und Servos mit Spannung. Es gibt auch Regler mit mehreren BECs. Regler mit BEC sind in der Regel teurer als Regler ohne BEC.

Optoelektronische Regler

Optoelektronische Regler besitzen funktionsbedingt kein BEC!

Reglereinstellungen/ Optionen

Regler verfügen in der Regel über eine Schnittstelle um die Reglereinstellung zu realisieren, als da wären:

(für Helikopter wichtige Einstellungen sind fett hervorgehoben)

  • Betriebs- Modus (Regler/ Steller/...)
  • Anlaufverhalten (soft/ medium/ schnell)
  • Bremse (ein/ aus/ verzögert)
  • Abschaltverhalten bei Unterspannung (sofort abschalten/ Leistung reduzieren/ ignorieren)
  • Schaltfrequenz (8kHz/ 16kHz/ auto)
  • Akkutyp (Lipo/ NiMH-NiCD)
  • Timing (auto/ weich/ hart)
  • Zellenzahl des Akkus
  • und mehr

Programmierung und Einstellung von Reglern

Einstellung mittels Fernsteuersender

Die Signaleingabe erfolgt hierbei über die Steuerknüppel und die Rückmeldung vom Regler wird über verschiedene Signaltöne realisiert. Das ist allerdings wenig komfortabel und sehr zeitaufwendig.

Reglerprogrammierung mittels Programmierkarten

Programmierkarten können direkt an den Regler angeschlossen werden. Änderungen der Parameter erfolgen über Tasten auf der Programmierkarte. Durch LEDs oder ein Display werden die eingestellten Werte angezeigt.

PC Programmer - Setup mittels Software am PC

Ein PC Programmer, auch ProgUnit genannt, wird zwischen Regler und PC geschaltet. Die Verbindung zum PC erfolgt oft über USB oder auch Bluetooth.

Hier ein Screenshot von der Castle Link Software zur Reglereinstellung.

Regler Datenlogging

Selbst die Aufzeichnung von Regler- und akkuspezifischen Daten während des Fluges ist möglich.

Hier im Bild ein Screenshot eines Graphen mit Daten eines Castle Phönix ICE HV120 von einem T-Rex 700E. Der Regler ist schon ein etwas älteres Modell. Aufzeichnen kann der Regler Daten wie Akkuspannung, Stromstärken, Regler Temperatur, Motordrehzahl, Leistung und einiges mehr.

Tipps zu Motor und Flugregler bei Einsatz in Modellhelikoptern

  • Für Helikopter muss die Bremse im Flugregler immer deaktiviert sein.
  • Der Regler soll bei Akku "Unterspannung" langsam zurückregeln (->Soft Cutoff einstellen) und nicht den Motor abschalten (->Hard Cutoff). So bleibt noch Zeit zum Landen.
  • Der Governor Mode ist bei Helis immer zu bevorzugen, vorausgesetzt der Regler unterstützt ihn.
  • Beim Einbau in das Modell ist auf kürzeste Kabelführung zwischen Regler und Akku zu achten. Mehr als 20cm Länge sollten die Kabel nicht haben, sonst könnte das die Reglerfunktion negativ beeinflussen. Ein ausreichen großer Kabelquerschnitt ist ebenfalls sehr wichtig.
  • Das Verbindungskabel vom Regler zum Empfänger führt man am besten mehrfach durch einen Ferritkern, um Störungen vorzubeugen.
  • Sämtliche Kabel so kurz wie möglich halten und auf genügend Abstand der stromführenden Kabel zum Empfänger und anderen elektronischen Bauteilen achten, da es sonst zu elektromagnetischen Störungen kommen könnte. Die Kabellänge zwischen Motor und Regler ist hingegen nicht so sehr von Bedeutung.
  • Den Regler immer an gut belüfteten Stellen anbauen, damit gute Kühlung gewährleistet ist.

Motoren und Stromkabel können durch Induktion zu elektromagnetischen Störungen in den Signalleitungen führen. Die signalführenden Verbindungskabel zwischen FBL und Empfänger müssen daher immer mit ausreichend Abstand zum Motor und zu den dicken stromführenden Kabeln verlegt werden! Das gilt insbesondere für Summensignal- Leitungen wie S-Bus, EX-Bus, PPM usw.! Ein Abstand von mindestens 3 bis 5cm, besser mehr, ist zu empfehlen.