Brushless-Motoren, Diagramme und Wirkungen

[Holle]

Jetzt stehe ich auf dem Schlauch
In Bezug aus welches Diagramm ?

Drivcalc z.B. interpolliert aus Leerlaufdaten (Eigenverbrauch) und einigen Lastdaten (U, I, n) eine Wirkungsgradkurve, und errechnet danach das Pout.

[JMalberg]

Wer von uns zuerst vom Schlauch wech ist, hat gewonnen!

Wenn ein neuer Motor entwickelt wird, wird er doch (hoffentlich) auf einem Prüfstand durch gemessen und und die eta-Kurve durch Messen von Pout ermittelt. Oder bin ich da völligst aufm Holzweg?

[Holle]

Hi Jürgen
Die wenigsten Hersteller haben einen Drehmoment-Prüfstand.
Bei einem Verbrenner kommt man um einen Drehmoment-Prüfstand kaum herum, beim E-Motor funktioniert es auch mit der Interpollation mittlerweile recht gut (Verweis auf Helmut Schenk, Moellierungs-Theorie).

�ber die höhere Genauigkeit könnte man sich vorzüglich streiten

[JMalberg]

Sprich eta ist geschätzt Wie genau ist den dann die Schätzung?

[Holle]

Zitat von JMalberg

Sprich eta ist geschätzt Wie genau ist den dann die Schätzung?

Die mir bekannten Interpolations-Tools arbeiten nach einer Abhandlung von Helmut Schenk Modellierungs-Theorie, das las PDF am Beitrag hängt.
Die Tools wurden von Christian Person zuerst in einer Excel-Variante, später dann als das Programm "Drive-Calc" umgesetzt.

�ber die Genauigkeit lässt sich, wie bereits erwähnt, vorzüglich streiten.

Ich kenne von vielen Motoren die Messdaten aus der Interpolation sowie vom professionellem Messstand mit geeichtem Drehmomentsensor, kann daher immer wieder schön vergleichen.

Zum Vergleich von Verhältnissen bei sehr baugleichen Motoren, oder innerhalb eines Motors, funktionieren diese Tools sehr gut, bei Vergleiche Motoren unterschiedlicher Bauart, insbesondere wenn es um Eisenverluste geht, gerät diese Betrachtungsweise sehr schnell an die Grenze.
Sprich, verschiedene Wicklungen untereinander, Spannungen, und solche Dinge kann man damit schön simulieren wenn es um Verhältnismä�igkeiten geht.
Möchte man z.B. wie in jüngster Zeit Motoren mit unterscheidlichen Polzahlen verleichen kommt man hier nicht zu einem aussagekräftigem Ergebniss. Darum kann man auch im Reconfigurator zwar die Wicklung und die Statorgrö�e verändern, nicht aber die Polzahl.
Der Rechenweg macht sehr viel an den Leerlaufdaten fest, ein paar Lastdaten dazu, fertig ist die Wirkungsgradkurve. Ein paar neue Lager ohne Fett, nur ein bissl �l, und schon ist die Kurve im Wesentlichem höher als mit ein paar alten Lagern, hier sieht man bereits die Grenzen der Realität.
Eine exakte Eisenverlustkurve lässt sich aus diesen Daten aber nicht ermitteln, das beschränkt sich auf die Kupferverluste vs. den ges. restlichen Verluste.
Als damals die ersten hochpoligen Crocos vermessen wurden, (24Pol wurde 12Pol und 14Pol gegenübergestellt) wurden hier die Grenzen deutlich sichtbar.

Ursprünglich wurden mit diesen Tools die kleinen Indoormotoren und die typischen 3S Flächenantriebe ermittelt, und daran die Korrekturfaktoren festgemacht.

Es ist also immer eine Frage was ich machen möchte, wer mi�t, mi�t Mist, das war schon früher so.

[3DHeliNerd]

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 â??die paar Prozenteâ?? 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

Als Letztes soll noch der sog. â??Optimalpunktâ?? (OP) erklärt werden. (...) Es ist zwar möglich, die Ausgangsleistung noch etwas weiter zu steigern, aber bei Drehzahlen unterhalb von nOP wird das teuer erkauft...

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 hei�t die Summe aller Widerstände muss klein und die Spannung gro� 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 �berfluss.

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 Kenngrö�e 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 â??Kupferâ??-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 gro�e 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 gro�er 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 hei�esten wird. Beim Pyro 750 sollen es im Inneren ca. 200 Grad sein, wenn au�en 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 !

[charly39]

hier lesen macht spass
das hat was

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[JMalberg]

Sauber!

Zitat von 3DHeliNerd

rauf mit der Rotordrehzahl und ran an die hohen Pitchwinkel

nur wirkt dem wieder aerodynamische Widerstand dagegen.

[3DHeliNerd]

Zitat von JMalberg

Sauber!

nur wirkt dem wieder aerodynamische Widerstand dagegen.

Ja, und das ist auch gut so.

Wenn man den Wirkungsgrad raufbekommt, wodurch weniger Verlustleistung abzuführen ist, kann man einen Brushless auch höher belasten, bevor er überhitzt, Power ist ja genug da (siehe 20 Kw beim Serien-Pyro 700).

Was häufig unter "hohem Druck" verstanden wird sind geringere Drehzahleinbrüche, der Motor soll die Flugfigur einfach durchziehen. Dafür ist aber nicht seine Leistung verantwortlich, sondern der Innenwiderstand von LiPo, Kabel, Controller und dem Kupfer des Stators - und der ist leider beim Serien-Pyro eher hoch.

Wären diese Innenwiderstände = 0, so hätten wir überhaupt keinen Drehzahleinbruch, egal wie hoch Drehzahl und Pitchwinkel wären! Der Kurzschlusstrom wäre unendlich. Bei der Ausgangsleistung des Motors würde in diesem Fall aber wieder eine Grenze durch die abführbare Verlustleistung gesetzt, eine weitere durch die Sättigung bei der Magnetisierbarkeit des Statormaterials bei hohen Strömen.

�brigens würde ich es prima finden, wenn die LiPo-Hersteller nicht nur die C-Raten angeben würden, sondern auch die Innenwiderstände der Lipos, am Besten als Grafik in Abhängigkeit von der Temperatur, und am Besten mit 2 Kurven: die erste im Neuzustand, die zweite nach 100 Zyklen, die nach einem genormten Verfahren entladen wurden (z.B. bei 20 Grad und so, dass der LiPo nach 6 Minuten 80% seiner Energie abgegeben hat, das wären also 10 C). Trauen die sich aber nicht...

Bei geringerem Innenwiderstand von LiPo bis Motor muss also der Controller im Gov-Mode weniger regeln, und die Drehzahleinbrüche sind geringer trotz möglicher höherer Drehzahl, höheren Pitchwinkeln und höherem aerodynamischen Widerstand.

[dutchie]

Zitat von 3DHeliNerd

Bei geringerem Innenwiderstand von LiPo bis Motor muss also der Controller im Gov-Mode weniger regeln, und die Drehzahleinbrüche sind geringer trotz möglicher höherer Drehzahl, höheren Pitchwinkeln und höherem aerodynamischen Widerstand.

Moin,
genau diese Erfahrung habe ich auch gemacht als mein Turnado umgewickelt wurde, Widerstand von ca. 26 mOhm auf ca. 16 mOhm verbessert.
Mit den gleichen Akkus und auch sonst alles gleich gelassen waren die Einbrüche nicht mehr knapp 200-230 U/Min sondern nur noch um die 50-60 U/Min. Das hört und spürt man, hätte ich vorher echt nicht geglaubt.

GruÃ?
Jan