Motor, Flugregler und Antriebsakku bilden ein System. Erst wenn Spannung, Strombelastbarkeit, Übersetzung, Drehzahlregelung und Kühlung zusammenpassen, arbeitet der Elektroantrieb zuverlässig und effizient.
Motor, Regler und Akku als System
Der Akku liefert Gleichspannung. Der elektronische Flugregler – kurz ESC – schaltet daraus die drei Motorphasen und steuert beziehungsweise regelt die Drehzahl. Der Motor wandelt die elektrische Leistung in Drehmoment um. Für die Auswahl dürfen diese drei Komponenten nicht getrennt betrachtet werden.
Bürstenmotoren
Bei einem Bürstenmotor übernimmt der mechanische Kollektor zusammen mit den Kohlebürsten die Umpolung der Wicklungen. Bürsten und Kollektor verschleißen, erzeugen Reibung und können Funkenstörungen verursachen. Im heutigen Modellhelikopter spielen solche Antriebe deshalb nur noch eine geringe Rolle.
Brushless-Antriebe im Modellhelikopter
Bei einem Brushless-Motor übernimmt der Flugregler die elektronische Kommutierung. Er bestromt die drei Motorphasen in der passenden Reihenfolge. Sensorlose Systeme erkennen die Rotorlage während des Betriebs aus der im Motor erzeugten Gegenspannung; im RC-Helikopter ist diese Bauart üblich.
Die Drehrichtung lässt sich bei vielen sensorlosen Antrieben durch das Vertauschen zweier Motorphasen oder über die Reglersoftware ändern. Maßgeblich ist auch hier die Anleitung, denn aktuelle Regler bieten häufig eine elektronische Drehrichtungsumkehr.
Vor- und Nachteile von Brushless-Systemen
Vorteile
- kein Verschleiß an Kohlebürsten und Kollektor
- hohe Leistungsdichte und guter Wirkungsgrad
- großer nutzbarer Drehzahl- und Leistungsbereich
- weniger Wartungsaufwand; mechanischer Verschleiß vor allem an den Lagern
- elektronische Funktionen wie Governor, Sanftanlauf, Telemetrie und Logging möglich
Nachteile
- aufwendigerer und modellabhängig einzustellender Flugregler
- falsches Timing, schlechte Kühlung oder eine ungeeignete Übersetzung können Motor und Regler stark erwärmen
- hohe Ströme stellen große Anforderungen an Akku, Stecker, Kabel und Lötstellen
- Fehler in der Reglereinstellung können den Sanftanlauf oder die Drehzahlregelung beeinträchtigen
Innenläufer und Außenläufer
Innenläufer
Beim Innenläufer dreht der innenliegende Rotor mit den Permanentmagneten. Die äußere Motorhülle steht fest. Diese Bauform kann sehr hohe Drehzahlen erreichen und wird je nach Anwendung mit einer entsprechenden Untersetzung betrieben.
Außenläufer
Beim Außenläufer drehen Motorglocke und Welle gemeinsam um den innenliegenden Stator. Außenläufer bieten bei modellbautypischer Baugröße ein hohes Drehmoment und sind im RC-Helikopter weit verbreitet. Rund um die drehende Glocke muss ausreichend Abstand zu Kabeln und Bauteilen bleiben.
Motordaten richtig lesen
Spezifische Drehzahl – kV
Der kV-Wert gibt die theoretische Leerlaufdrehzahl pro Volt an. Ein Motor mit 510 kV erreicht bei 44,4 Volt rechnerisch rund 22.600 Umdrehungen pro Minute ohne Last. Unter Last liegt die Drehzahl niedriger. kV ist keine Leistungsangabe und wird nicht mit Kilovolt verwechselt.
Spannung, Strom und Leistung
Der zulässige Spannungsbereich, die Dauerbelastbarkeit und die kurzzeitige Spitzenbelastung müssen zur Anwendung passen. Herstellerwerte sind nur unter den genannten Kühl- und Betriebsbedingungen vergleichbar. Eine zu lange Übersetzung oder zu hohe Kopfdrehzahl kann den Strom und die Temperatur deutlich erhöhen.
Polzahl und Wirkungsgrad
Die Polzahl beeinflusst unter anderem Drehmomentverhalten und die für den Regler passende Kommutierung. Der Wirkungsgrad ist kein einzelner, unter allen Bedingungen gültiger Wert: Er verändert sich mit Drehzahl, Last, Timing und Temperatur. Für eine belastbare Auslegung sind Messdaten im vorgesehenen Betriebspunkt besonders hilfreich.
- mechanische Abmessungen, Wellendurchmesser und Befestigung
- zulässige Zellzahl beziehungsweise Eingangsspannung
- kV-Wert und geplante Übersetzung
- Dauer- und Spitzenstrom unter den angegebenen Bedingungen
- Motorgewicht, Kühlung und zulässige Temperatur
- Polzahl sowie Vorgaben zu Timing und PWM-Frequenz
Wie Motor, Übersetzung und Kopfdrehzahl gemeinsam ausgelegt werden, erklärt der Artikel Elektro-Antrieb richtig auslegen.
Flugregler und wichtige Einstellungen
Der Flugregler muss Spannung und Strom des Antriebs sicher beherrschen. Neben der Belastbarkeit unterscheiden sich Regler durch Governor-Regelung, Sanftanlauf, Telemetrie, Logging, Schutzfunktionen und ein eventuell integriertes BEC.
Pulsweitenmodulation und Timing
Mit der Pulsweitenmodulation schaltet der Regler die Akkuspannung sehr schnell ein und aus. Über das Tastverhältnis wird die mittlere Motorspannung beeinflusst. PWM-Frequenz und Motor-Timing müssen zur Motorbauart passen; pauschal „höher“ bedeutet weder automatisch mehr Leistung noch einen besseren Wirkungsgrad.
Governor und Sanftanlauf
Im Governor-Modus hält der Regler die vorgegebene Rotordrehzahl innerhalb seiner Leistungsreserve möglichst konstant. Dafür braucht er ausreichend Regelreserve; ein dauerhaft nahezu vollständig geöffneter Regler kann Laständerungen kaum noch ausgleichen. Der Heli-Sanftanlauf muss so eingestellt sein, dass Motor, Getriebe und Rotorkopf kontrolliert hochlaufen.
Unterspannung und Bremse
- Bremse: Im Helikopterbetrieb gewöhnlich deaktiviert; die konkrete Herstelleranleitung bleibt maßgeblich.
- Unterspannungsschutz: Eine sanfte Leistungsreduzierung ist einem abrupten Motorstopp vorzuziehen.
- Zellzahl und Akkutyp: korrekt einstellen oder die automatische Erkennung kontrollieren.
- Timing und PWM: nach Motor- und Reglerhersteller wählen und Temperaturen prüfen.
- Governor: Übersetzung und Soll-Drehzahl so wählen, dass Regelreserve bleibt.
Integriertes BEC
Viele aktuelle Regler versorgen über ein integriertes BEC auch Empfänger, Flybarless-System und Servos. Andere Varianten – oft als OPTO bezeichnet – besitzen kein BEC. Die Auslegung und mögliche Backup-Lösungen werden im Artikel BEC-Spannungsversorgung ausführlich behandelt.
Programmierung, Telemetrie und Logging
Je nach Hersteller erfolgt die Einrichtung über Sender, Programmierkarte, USB, Bluetooth oder direkt über das Fernsteuersystem. Telemetrie und Logdaten zu Spannung, Strom, Drehzahl und Temperatur helfen, den Antrieb unter realer Last zu beurteilen.
Einbau und Kontrolle
- Regler so montieren, dass Kühlluft ihn erreicht und kein Wärmestau entsteht
- Akku- und Motorkabel entsprechend der Herstellervorgabe ausführen; Verlängerungen nicht pauschal vornehmen
- Kabelquerschnitt, Stecker und Lötstellen für den erwarteten Strom dimensionieren
- drehende Motorglocke und Ritzel mit sicherem Abstand zu allen Kabeln betreiben
- Signalleitungen möglichst getrennt von Motor- und Akkukabeln verlegen
- Motorlaufrichtung ohne montierte Rotorblätter beziehungsweise bei sicher entkoppeltem Antrieb prüfen
- Sanftanlauf, Fail-Safe, Unterspannungsschutz und Governor vor dem Erstflug kontrollieren
- Temperaturen und Telemetrie nach kurzen ersten Flügen auswerten
Fazit
Ein guter Motor allein macht noch keinen guten Antrieb. Erst die passende Kombination aus Akku, Übersetzung, Motor, Regler, BEC, Kühlung und sinnvoller Programmierung sorgt für zuverlässige Leistung. Änderungen sollten schrittweise erfolgen und durch Temperatur-, Drehzahl- und möglichst Strommessungen kontrolliert werden.