Temperaturverhalten von bürstenlosen E-Motoren

Ziel dieses Artikels ist es viele Missverständnisse in Bezug auf die Temperatur von Elektromotoren in E-Hubschraubern aufzuklären. Speziell seitdem moderne Hochleistungsmotore zur Verfügung stehen und immer mehr Piloten auf bürstenlose Antriebe umsteigen, ist der Informationsbedarf zu diesem Thema drastisch gestiegen, was viele Zuschriften zeigen.

Mit den folgenden Zeilen möchte ich werdende Hubi Piloten vor falschen Hoffnungen bewahren, aber auch eine Diskussion mit erfahrenen Profis anregen.


Was die Werbung verspricht :

Bürstenlose Motore sind das Wundermittel gegen alle Antriebsprobleme bei E-Hubis. Diese teilweise durchaus richtige Aussage begründet sich auf folgenden Eigenschaften:

Alles wirklich einleuchtende und überzeugende Vorteile.

! Doch halt: da stimmt was nicht:


Physikalische und konstruktionsbedingte Eigenschaften:

Einige Eigenschaften des Motors haben die Hersteller durch ihre teilweise patentierten Fertigungsverfahren im Griff. Andere Eigenschaften sind wiederum durch die Physik vorgegeben und leider unabänderlich.

Was kann der Hersteller tun:

Er kann durch optimale Platzausnutzung und Verwendung bester Werkstoffe den Wirkungsgrad der Motoren optimieren. Weiters kann durch geeignete Wickeltechnik ein Maximum an Kupferdraht aufgebracht werden, was wiederum dem Wirkungsgrad zugute kommt. Und schließlich kann durch entsprechende Auslegung der Windungszahlen der Motor für verschiedene Drehzahlen und Einsatzbereiche angepasst werden.

Wo die Natur die Grenzen setzt:

Der Wirkungsgrad kann nicht auf 100% optimiert werden. Verluste wird es immer geben. Diese entstehen zum einen durch Reibungsverluste der mechanischen Teile und zum anderen aufgrund des Widerstands der Kupferwicklung. Einen Motor mit fast 100% Wirkungsgard kann es nur bei fast -273 Grad C geben, wenn die Supraleitung einsetzt. Das ist zwar kein Aprilscherz, jedoch wird es bei uns glücklicherweise nie so kalt.


Wodurch und welche Verluste entstehen im Motor ?

Der Wirkungsgrad eines E-Antriebs mit bürstenlosen Motoren wird im wesentlichen durch die Kupferverluste im E-Motor bestimmt. Natürlich gibt es noch Verluste durch die elektronische Kommutierung welche der Regler macht. Bei Benutzung eines Reglers der großen Hersteller (z.B. Schulze, Kontroniks, Actro usw.) hat man in der Regel aber bereits ausgereifte Produkte. Die Verluste durch mechanische Reibung im bürstenlosen Motor sollte vernachlässigbar sein.

Also bleiben für uns Modellbauer die Kupferverluste zu beachten. Diese hängen ganz wesentlich von der Stromstärke ab, die durch den Motor fließt. Daher ist auch verständlich, warum ein Motor bei 30A heißer wird als bei 10A. Um einen optimalen Antrieb zu haben kann man einiges tun:


Ein paar Worte zum Getriebe:

Hier am Beispiel eines ECO-8 E-Hubis:

Die richtige Getriebeübersetzung und damit die richtige Wahl des Ritzels kann man selbst sehr einfach bestimmen. Mehr als ein Taschenrechner ist dazu nicht notwendig.

Ausgangswert der Berechnung ist die Angabe des Herstellers in Umdrehungen pro Minute pro Volt (U/min/V). Diese sagt aus, welche Leerlaufdrehzahl der Motor hat, wenn man ihn mit 1 Volt Spannung (oder entsprechend vielfachen davon) versorgt. Hersteller die aus diesem Wert ein Geheimnis machen sind meist nicht seriös.

Wie berechne ich nun mein benötigtes Ritzel ? Hier am Beispiel eines HB 20-12 von HB-Motoren:

Vorgaben:

Der Hersteller gibt in Sternschaltung eine Leerlaufdrehzahl von 2160 U/min/V an.
Wir wollen den Motor mit 10 Zellen betreiben und haben daher eine Akkuspannung von 10 * 1,2 V = 12 Volt.
Außerdem wollen wir mit einer Drehzahl am Rotorkopf von 1300 U/min fliegen.
Das Hauptzahnrad des ECO-8 hat 180 Zähne.

Berechnung:

1. Schritt

Zuerst berechnen wir die Leerlaufdrehzahl für unseren Akkupack mit 12 Volt:
12 V * 2160 = 25920 U/min

2. Schritt

Jetzt berechnen wir die Drehzahl unter Last. Diese kann man nur schätzen. Ein guter Ausgangswert ist es wenn man die Leerlaufdrehzahl mit 0,8 multipliziert, also:
25920 * 0,8 = 20736 U/min

3. Schritt

Anhand der gewünschten Rotorkopfdrehzahl von 1300 und der Lastdrehzahl können wir das Übersetzungsverhältnis des Getriebes bestimmen:
20736 / 1300 = 15,95

4. Schritt

Mit dem Übersetzungsverhältnis und dem Eco-8 Hauptzahnrad lässt sich jetzt das benötigte Ritzel berechnen:
180 / 15,95 = 11,28

Wir brauchen also ein 11er Ritzel. Die Erfahrung hat gezeigt, dass man lieber ein kleineres Ritzel nimmt. Also wäre ein 10er Ritzel auch gut geeignet.

Somit kann man also die mechanischen Komponenten optimieren.


Jetzt aber endlich zur Temperatur:

Nach so vielen Worten kommen wir endlich zum Thema, der Temperatur:

Wenn der Hubi soweit optimal läuft, haben wir noch die Kupferverluste des Motors zu berücksichtigen. Es ist schwierig sie genau zu bestimmen, aber man kann sie anhand des Wirkungsgrads einigermaßen abschätzen:

Ein HB 20-12 hat laut Datenblatt 85% Wirkungsgrad.

Ein ECO-8 braucht bei normalen Flugfiguren durchschnittlich 15 Ampere Strom. Bei unserem 12 Volt Akkupack wäre die Leistungsaufnahme des ECO-8 ungefähr: 12 * 15 = 180 Watt. Wenn nun der HB Motor 85 % Wirkungsgrad hat, so bedeutet dies, dass 15% der Leistung als Wärme verloren gehen. Das wären also 180 * 0,15 = 27 Watt.

Für uns als Modellbauer gilt es nun, diese 27 Watt Wärmeverluste vom Motor abzuführen. Und NUR dann kann er kühl bleiben !


Die Motortemperatur:

Viele Eco Piloten kaufen sich einen neuen Motor, weil er nicht so "heiß" wird wie ein Konkurrenzprodukt. Leider sind sie nachher enttäuscht, wenn der Motor dennoch brennheiß wird. Anhand der obigen Rechnung sieht man, dass 27 Watt in Wärme umgesetzt werden und den Motor erhitzen. Motore anderer Hersteller haben Wirkungsgrade zwischen 80% und 90%, es sind also immer Wärmeleistungen zwischen 18 und 36 Watt vorhanden, die den Motor erhitzen. Natürlich geht es bei 36 Watt schneller als bei 18, aber heiß werden alle.

Was bestimmt nun die Motortemperatur wirklich ?

Es ist der Einbau des Motors, das Verhältnis zwischen Verlustleistung und Kühlung im Modell. Verbrennerpiloten achten auf diesen Umstand sehr genau, bei E-Hubi Piloten wird dieses Thema gerne verdrängt.

Daher nochmals der eindringliche Hinweis :

Entstehende Wärme muss vollständig abgeführt werden, sonst entsteht ein Hitzestau und der Antrieb wird unnötig heiß wodurch der Wirkungsgrad sinkt. Durch den sinkenden Wirkungsgrad wird er noch heißer, ein Teufelskreis. Kein Wunder, dass viele Helipiloten mit 100 Grad heißen E-Motoren herumfliegen. Verlustwärme gibt es bei allen E-Motoren. Da die meisten Motorhersteller über reichlich Erfahrung verfügen, sind die Unterschiede zwischen den Motoren merkbar aber nicht allzu gravierend.


Der kühle E-Motor:

Was muss ich machen um einen kühlen E-Antrieb in meinem Eco-8 zu erhalten ? Dazu gibt es nur eine Aussage: die entstehende Wärme muss ausreichend abgeführt werden.

Folgende Maßnahmen führen beim Eco-8 zu guten Ergebnissen:


Zusammenfassung:

Wenn man mit hohen Motortemperaturen zu kämpfen hat, muss nicht unbedingt der Antrieb fehlerhaft sein. Meist liegt es an anderen Ursachen wie falschem Ritzel, falscher Zellenanzahl des Akkupacks oder ungenügender Kühlung. Speziell die Kühlung ist in 90% aller Fälle die Ursache für Hitzeprobleme im E-Hubi. Und das gilt für alle Motore, egal welcher Hersteller. Natürlich werden manche Motore heißer als andere weil sie anders aufgebaut sind, und so reicht eine schlechte Kühlung vielleicht für einen Motor gerade noch aus und für einen anderen nicht mehr.

Um einen optimalen Antrieb einzubauen kann man folgende Checkliste prüfen:

  1. Habe ich das richtige Ritzel ?
  2. Habe ich die zum Motor passende Zellenzahl in meinem Akkupack ?
  3. Habe ich für ausreichende Kühlung des Motors gesorgt ?

Mit diesem Maßnahmen kann man während der kühleren Jahreszeit durchaus angenehme Motortemperaturen um die 40 Grad erhalten. Im Hochsommer muss man entsprechend mit bis zu 60 Grad rechnen, was sich bereits unangenehm anfühlt, aber keinerlei Problem darstellt. Bei Motortemperaturen über 70 Grad im Sommer sollte man zusätzliche Kühlmaßnahmen ernsthaft in Betracht ziehen.

Bitte beachte auch den realen Messbericht auf dieser Telemetrieseite !!!