RC Brushless – Kleine Elektromotorenkunde

Mit herkömmlichen Elektromotoren sind so genannte Bürstenmotoren gemeint. Für den Antrieb von elektrischen RC Modellen wurden bis vor relativ kurzer Zeit ausschließlich Bürstenmotoren („brushed motors“) verwendet; erst mit dem 21. Jahrhunderts kamen die ersten bezahlbaren Modelle mit bürstenloser („brushless“) Technik auf. Um zu verstehen, wie sich die beiden Motorarten voneinander unterscheiden, muss zuerst die Funktionsweise des traditionellen Elektromotors erläutert werden.

RC Motoren mit Bürsten

Am Kopf jedes „normalen“ Elektromotors kommen zwei Kabel an: Ein Plus- und ein Minuskabel. Von dort aus muss der Strom auf den Rotor übertragen werden, den sich drehenden Teil, der für den Antrieb des Fahr- oder Flugzeugs verantwortlich ist. Durch den zugeleiteten Strom entsteht in den Wicklungen elektrischer RC Motoren ein elektromagnetisches Feld, das auf das Magnetfeld der fest im Motor verbauten Magnete (Permanentmagnete) trifft, wodurch es abwechselnd zur Anziehung und Abstoßung kommt. Da es hierbei zwei Positionen gibt, in denen die beiden Kräfte gleich groß sind und an denen die Antriebsenergie zum Stillstand bzw. zur Richtungsumkehrung käme, ist ein Kollektor integriert: Dieser Teil des Motors dreht sich mit dem Rotor und sorgt als eine Art Schalter dafür, dass der Strom immer im genau passenden Moment umgepolt wird, so dass der Motor nie steckenbleibt, sondern ganze Umdrehungen ausführen kann.

In elektrischen Gleichstrom-Bürstenmotoren wird der elektrische Kontakt zu Läufer oder Rotor durch zwei bewegliche Gleit-bzw. Schleifkontakte hergestellt, über die der Kollektor Strom bekommt. Sie bestehen in der Regel aus Graphit, manche auch aus Metall oder einer Mischung aus beidem. Traditionell werden sie als Bürsten, oft auch als Kohlebürsten oder Schleifkohlen bezeichnet. Die alte Kohlebürstentechnik erfüllt ihren Zweck heute noch sehr gut, hat jedoch auch ihre Nachteile.

Schwächen von RC brushed gegenüber RC brushless

Der Kollektor gilt gemeinhin als verwundbarste Stelle des Bürstenmotors. Hier ist die Belastung am stärksten, denn Kollektor und Bürsten verbinden den beweglichen mit dem starren Teil des Antriebs. Die Bürsten werden gegen den Kollektor gedrückt und nutzen sich durch die mechanische Bewegung und Reibung ab, so dass sie regelmäßig kontrolliert und ersetzt werden müssen. Zudem muss ein Teil der elektrischen Energie auf ihre Arbeit verwendet werden, bei der ein nicht unerheblicher Reibungswiderstand überwunden werden muss und bei der Hitze entsteht, die den natürlichen Verschleiß noch mehr begünstigt. Vor allem bestehen bei einem Bürstenmotor nicht die Möglichkeiten zur Abstimmung von Motorfrequenz, Rotorposition und -drehzahl sowie Drehmoment, auf die nicht nur Piloten von RC Helikoptern schwören.

Das Geheimnis von RC brushless

Auch der Motor eines RC brushless Modells dreht seinen Rotor durch das Aufeinandertreffen zweier Magnetfelder. Geringere Reibung und dadurch eine bessere und direktere Umsetzung der Kraft wird bei brushless RC Motoren durch Wegfall der Gleitkontakte erreicht, statt der Kohlebürsten nutzt diese Form des Gleichstrommotors zum Herstellen des Kontakts eine elektronische Schaltung. Diese Steuerelektronik wirkt durch direkte Rückkopplung auf Drehzahl und Position des Rotors ein, kann diesen also wie ein Regler steuern.

Im Grunde besteht der Rotor eines RC brushless Motors aus einem starken, mit der Welle verbundenen Dauermagneten. Wie bei einem „umgekehrten“ Bürstenmotor sitzen die Elektromagneten, also die Wicklungen, starr im Motorgehäuse, die Permanentmagnete hingegen auf dem beweglichen Läufer oder Rotor. Über den Rotor selbst fließt kein Strom, Bürsten und ein Kollektor sind nicht erforderlich. Damit der Trick mit der gleichförmigen Rundbewegung und dem rechtzeitigen Umpolen zum Überwinden der kritischen Positionen klappt, müssen RC brushless Motoren mit Wechselstrom betrieben werden. Den können sie zwar aus dem Akku nicht bekommen, sie verwenden jedoch dessen Gleichstrom, um das dreiphasige Wechselstromfeld zu erzeugen, das sie zum Funktionieren brauchen. Daher werden sie auch als Drehstrom-Synchronmotoren bezeichnet und benötigen drei Anschlusskabel.

Störfaktor Bürstenfeuer

Während ihrer Arbeit bei hohen Drehzahlen werden die Motorbürsten immer wieder für kurze Momente vom Kommutator getrennt. Es kommt zu kleinen Kurzschlüssen, bei denen durch elektrische Überschläge Funken entstehen. Diese Abreißfunken werden Bürstenfeuer genannt, und hinter diesem wunderschönen Wort verbirgt sich ein großer Nachteil von RC brushed gegenüber RC brushless. Denn das Bürstenfeuer sorgt nicht nur für erheblichen Verschleiß und Energieverlust, sondern stellt überdies eine Störquelle für die Funkübertragung dar. Durch die Spannungsänderungen und elektrischen Entladungen wird der Funkverkehr beeinflusst, was im ungünstigen Fall zum Absturz von RC Helikoptern oder anderen Flugmodellen oder zu unkontrollierbaren Situationen auf der Fahrstrecke führt. Bei Wettbewerben hatten RC Piloten mit dem Problem zu kämpfen, dass sich die verschiedenen Funkverkehre nicht nur generell überlagern und beeinflussen konnten, sondern die Störungen durch das gesammelte Bürstenfeuer im Raum bzw. im Gelände sich noch weiter multiplizierten.

RC brushless: Verschiedene Arten

Es gibt sensorlose und sensorgesteuerte bürstenlose RC Motoren, außerdem Innen- und Außenläufer. Ein brushless-Innenläufer trägt die Wicklungen an der Innenseite des Gehäuses und die Permanentmagnete auf dem Rotor. Beim Außenläufer sitzen die Wicklungen auf einem Kern aus Eisen, um den sich die gesamte Motorglocke als Läufer dreht. Diese Modelle werden oft am Modell außen montiert, da ihr beweglicher Teil eine sehr große Oberfläche hat. 

Sensorgesteuerte RC brushless Motoren gab es schon vor den sensorlosen. Sie verfügen über einen optischen Sensor oder einen Hall-Sensor, um die Rotorposition festzustellen, und sind an ihrem zusätzlichen Kabel zu erkennen, dass sie zur Übermittlung dieser Position an den Regler benötigen. Sensorlose Modelle erkennen die Rotorposition über die Steuerelektronik, allerdings erst bei höherer Drehzahl auch zuverlässig. Daher laufen sie zu Anfang gewissermaßen blind, was zu Ruckeln und Pfeifgeräuschen führen kann. Ältere sensorgesteuerte RC brushless Antriebe stellen sofort das gesamte Drehmoment zur Verfügung, sind jedoch wartungsintensiver, da mit den Sensoren zusätzliche Teile verbaut sind, die kaputtgehen können.
Mit möglichen Maximaldrehzahlen von 100.000 U/Min und Höchstleistungen von bis zu 5.000 Watt sind brushless RC Motoren denen mit Büsten klar überlegen und werden bei Wettbewerben lieber gesehen, da sie die Funkübertragung nicht beeinträchtigen. Sie sind jedoch auch heute noch teurer und sollten immer mit den passenden leistungsstarken Akkus betrieben werden.