AW: Brushless-Motoren, Diagramme und Wirkungen
Danke Holle, das ist ein sehr interessanter Artikel, in dem viele Zusammenhänge gut erläutert werden
!
Zur Diskussion zum Wirkungsgrad möchte ich gerne etwas ergänzen. Bei unseren Helis wird oft gefragt, ob -die paar Prozente- überhaupt einen spürbaren Unterschied machen, sprich was eine Wirkungsgradverbesserung von 84% auf 88% überhaupt bringt. Auch Herr Schenk betrachtet den Wirkungsgrad eher aus der Brille einer möglichen Steigerung der Ausgangsleistung, die ab einem gewissen Punkt nicht mehr wirtschaftlich ist:
Die Frage nach "mehr Motorleistung" kommt wohl von unserer Erfahrung mit dem Automotor, der gegen einen festen Widerstand arbeitet, und der bei Vollgas auch mal zu wenig PS haben kann. Ein Brushless im Heli "holt" sich jedoch immer den Strom, den er für das anliegende Drehmoment braucht. Wenn man ihn lässt, holt er sich immer mehr. Und das theoretisch bis zum Stillstand, denn abgegebenes Drehmoment und Strom sind beim Stillstand am höchsten. Wir müssen ihn nur lassen, das heißt die Summe aller Widerstände muss klein und die Spannung groß sein. Dabei nimmt die abgegebene Leistung bis zur etwa halben Leerlaufdrehzahl immer weiter zu. Ein Serien-Pyro 700 ist sogar theoretisch in der Lage, Leistungen weit über 20.000 W (!) umzusetzen - mehr als wir im Heli brauchen, Leistung im ßberfluss.
Die Frage sollte aber eher nach "weniger Verlustleistung" gehen. Die Verluste, welche im Motor entstehen, müssen als Wärme abgeführt werden. Beispielsweise sei ein Brushless mit einer maximalen Eingangsleistung von 3.000 W vorhanden. Wenn wir einmal von einem Wirkungsgrad von 84% am Leistungsmaximum ausgehen, bedeutet das, das eine Verlustleistung von (1-84%) * 3.000W = 480 W abgeführt werden kann. Vergleichen wir das mal mit der Heizleistung eines Lötkolbens, das ist ganz schön viel! Wird z.B. beim Speeden mit guten LiPos mehr Leistung abgerufen, bringt der Brushless diese Leistung so lange, bis er den Hitzetod stirbt. Die Leistungsangabe verstehe ich daher primär als Kenngröße zur Kühlwirkung.
Im Beispielmotor wickeln wir nun einen dickeren Draht mit geringerem Widerstand. Der Wirkungsgrad steigt im Bereich hohen Strombedarfs dadurch von 84% auf 88% an. Wenn wir dieselbe Verlustleistung abführen wollen, können wir aber nun 480 W / (1-88%) = 4.000 W Eingangsleistung vom Lipo abrufen! Und es kommt noch besser: im ersten Fall war die Leistung, welche abgegeben wurde, 3.000W * 84% = 2.520 W. Im zweiten Fall dagegen 4.000 W * 88% = 3.520 W. Das entspricht einer Steigerung der abrufbaren Dauerausgangsleistung unseres Motors von 40%!
Die Berechnung des Wirkungsgrades ist was die ohmschen -Kupfer--Verluste betrifft einfach, was aber die Eisenverluste betrifft recht komplex, hier werden bei einer hochwertigen Motorentwicklung am Computer per Finite Elemente aufwendige Simulationen gefahren und natürlich auch vermessen. Diese können wir nicht nachrechnen und auch kaum verändern. Daher sollte man ein Gehäuse mit guter Kühlwirkung aussuchen, es mit reibungsarmen Lagern ausstatten und dann die ohmschen Verluste verringern, wenn man an die Leistungsgrenzen gehen möchte.
Für eine gute Kühlung ist eine möglichst große Oberfläche des Stators hilfreich, da dann die Wärme besser abgeführt werden kann, der Align 750 MX hat z.B. einen geometrischen Vorteil gegenüber dem Align 700 MX. Ebenfalls sollte der Motor nahe an seiner maximalen Drehzahl betrieben werden, damit ein möglichst großer Luftstrom durch den Motor gesaugt wird.
Bleibt noch die Frage nach dem spürbaren Unterschied. Die Verlustleistung können wir nach jedem Flug direkt mit den Fingern am Motor messen, wobei der Motor in seinem Inneren, in der Nähe des oberen Kugellagers, am heißesten wird. Beim Pyro 750 sollen es im Inneren ca. 200 Grad sein, wenn außen ca. 90 Grad anliegen, das mögen bekannterweise die Lager nicht. Falls es aber, gerade jetzt im Winter, noch Spielraum nach oben gibt: Lipos anwärmen um deren Widerstand zu senken, rauf mit der Rotordrehzahl und ran an die hohen Pitchwinkel
!
Danke Holle, das ist ein sehr interessanter Artikel, in dem viele Zusammenhänge gut erläutert werden
!Zur Diskussion zum Wirkungsgrad möchte ich gerne etwas ergänzen. Bei unseren Helis wird oft gefragt, ob -die paar Prozente- überhaupt einen spürbaren Unterschied machen, sprich was eine Wirkungsgradverbesserung von 84% auf 88% überhaupt bringt. Auch Herr Schenk betrachtet den Wirkungsgrad eher aus der Brille einer möglichen Steigerung der Ausgangsleistung, die ab einem gewissen Punkt nicht mehr wirtschaftlich ist:
Zitat von Helmut Schenk
Beitrag anzeigen
Die Frage sollte aber eher nach "weniger Verlustleistung" gehen. Die Verluste, welche im Motor entstehen, müssen als Wärme abgeführt werden. Beispielsweise sei ein Brushless mit einer maximalen Eingangsleistung von 3.000 W vorhanden. Wenn wir einmal von einem Wirkungsgrad von 84% am Leistungsmaximum ausgehen, bedeutet das, das eine Verlustleistung von (1-84%) * 3.000W = 480 W abgeführt werden kann. Vergleichen wir das mal mit der Heizleistung eines Lötkolbens, das ist ganz schön viel! Wird z.B. beim Speeden mit guten LiPos mehr Leistung abgerufen, bringt der Brushless diese Leistung so lange, bis er den Hitzetod stirbt. Die Leistungsangabe verstehe ich daher primär als Kenngröße zur Kühlwirkung.
Im Beispielmotor wickeln wir nun einen dickeren Draht mit geringerem Widerstand. Der Wirkungsgrad steigt im Bereich hohen Strombedarfs dadurch von 84% auf 88% an. Wenn wir dieselbe Verlustleistung abführen wollen, können wir aber nun 480 W / (1-88%) = 4.000 W Eingangsleistung vom Lipo abrufen! Und es kommt noch besser: im ersten Fall war die Leistung, welche abgegeben wurde, 3.000W * 84% = 2.520 W. Im zweiten Fall dagegen 4.000 W * 88% = 3.520 W. Das entspricht einer Steigerung der abrufbaren Dauerausgangsleistung unseres Motors von 40%!
Die Berechnung des Wirkungsgrades ist was die ohmschen -Kupfer--Verluste betrifft einfach, was aber die Eisenverluste betrifft recht komplex, hier werden bei einer hochwertigen Motorentwicklung am Computer per Finite Elemente aufwendige Simulationen gefahren und natürlich auch vermessen. Diese können wir nicht nachrechnen und auch kaum verändern. Daher sollte man ein Gehäuse mit guter Kühlwirkung aussuchen, es mit reibungsarmen Lagern ausstatten und dann die ohmschen Verluste verringern, wenn man an die Leistungsgrenzen gehen möchte.
Für eine gute Kühlung ist eine möglichst große Oberfläche des Stators hilfreich, da dann die Wärme besser abgeführt werden kann, der Align 750 MX hat z.B. einen geometrischen Vorteil gegenüber dem Align 700 MX. Ebenfalls sollte der Motor nahe an seiner maximalen Drehzahl betrieben werden, damit ein möglichst großer Luftstrom durch den Motor gesaugt wird.
Bleibt noch die Frage nach dem spürbaren Unterschied. Die Verlustleistung können wir nach jedem Flug direkt mit den Fingern am Motor messen, wobei der Motor in seinem Inneren, in der Nähe des oberen Kugellagers, am heißesten wird. Beim Pyro 750 sollen es im Inneren ca. 200 Grad sein, wenn außen ca. 90 Grad anliegen, das mögen bekannterweise die Lager nicht. Falls es aber, gerade jetzt im Winter, noch Spielraum nach oben gibt: Lipos anwärmen um deren Widerstand zu senken, rauf mit der Rotordrehzahl und ran an die hohen Pitchwinkel
!
Kommentar