Wodurch gehen Kleinmotore kaputt? Sie können zu heiß werden. Der Unterschied in der eingegeben Leistung und der Nutzleistung ist die Verlustleistung, die zu eine Aufheizung des Motors führt. Das spürt man, wenn man sich die Finger verbrennt. Es passiert meistens, wenn man den Motor blockiert. Bei hohen Strömen und hohen Spannungen tritt Bürstenfeuer auf, was zu einer rasanten Abnutzung der Bürsten führt. Das kann natürlich bei bürstenlosen Motoren nicht passieren. Deshalb kann man sie normalerweise auch sehr hoch belasten, insbesondere bei hohen Drehzahlen.

Selbstbau von Motoren
Es wird hier nur ein Einphasenmotor in einfachster Bauweise beschrieben.
Gehen wir noch mal zu den Glockenankermotoren zurück. Sie haben große Luftspalte und deshalb nur sehr kleine magnetische Induktion. Lässt man den äußeren Eisenmantel weg, verringert sich der Wert noch weiter, etwa auf die Hälfte. Man hat also nur noch das halbe Drehmoment, aber den Eisenmantel gespart. Das Gewicht stecken wir nun in zusätzliche Windungen und erhöhen so wieder das Drehmoment bei gleichzeitiger Anpassung der Drahtstärke an die Versorgungsspannung. Das hebt sich dann in etwa wieder auf. Nach außen ist jetzt das Magnetfeld nicht mehr abgeschirmt. Das ist ein Vorteil. Wir halten jetzt die Spule fest und lassen den Magneten rotieren. Es gibt keine Bürsten mehr und auch keine Eisenverluste. Es bleibt nur noch der Innenwiderstand und die Lagerreibung. Das Magnetfeld können wir mit einem Hallschalter messen und so die Spule in einer Brückenschaltung umschalten. Fertig ist der neue Motor.
Da er nur eine Spule hat, hat sein Moment 2 Nullstellen. Er läuft also nicht garantiert von alleine an. Aber als Antrieb für ein Flugmodell ist er gut geeignet, weil die Trägheit des Props so groß ist. Er läuft praktisch immer von alleine an.
Man kann natürlich noch mehr Spulen vorsehen und mehrfach pro Umlauf umschalten. Aber das sprengt den Rahmen dieser Analyse und erhöht die Komplexität der Ansteuerung, ist aber noch leicht machbar. Die übliche Ansteuerung für die bürstenlosen Motore kann angepasst werden.
Jetzt legen wir einen Motor aus. Der Magnet besteht aus einer Scheibe, die ich von einem langen Anker mit der Trennscheibe abgeschnitten habe. Die anhaftenden Partikel habe ich mit einem Tesastreifen abgenommen. Der Magnet hat 5mm Durchmesser und ist 2mm lang. Die zugehörige Spule hat 200 Windungen und ist aus 80µm Draht hergestellt. Innen hat sie die Abmessungen 5,4x2,4mm, außen 6x3mm. Die mittlere Windungslänge ist also 16,8mm. Der Draht hat demnach eine Länge von 3,36m. Mit einem spezifischen Widerstand von 4,3Ohm pro Meter erhält man einen Spulenwiderstand von 18,5Ohm. Damit kann man die Drehmomentkonstante ermitteln:
DMK = B*w*F = 0,25* 200*15,5e-6 = 0,775mNm/A und EMK = 0,104*DMK = 0,08V/1000Upm.
Die magnetische Induktion von 0,25T ist ein Erfahrungswert aus ähnlichen Aufbauten.
Die Spule wiegt 154mg, der Anker etwa 250mg. Jetzt brauchen wir noch die Lager.
Faulhaber gibt für seinen 0,1g Motor bei 100.000 Upm ein Reibmoment von 2,5µNm an bei einem Achsdurchmesser von 0,24mm. Wir wollen unseren Motor auf einer 0,5mm Achse lagern, d.h. beim doppelten Durchmesser. Die Theorie sagt, dass das Reibmoment mit der 3. Potenz des Durchmessers steigt. Also müssen wir 20µNm bei 1e5Upm ansetzen. Die Drehzahl geht etwa linear ein. Bei 10.000 Upm hat man also etwa 2µNm. Meine Erfahrung sagt, dass der Wert eher zu hoch ist. Welche Leistung braucht der Motor im Leerlauf bei 17.000Upm? Das Reibmoment liegt bei 3,4µNm. Nr = Mr*Pi()*n/30 = 6,05mW. Genau diesen Wert habe ich gemessen, was natürlich ein Zufall sein kann. Auf jeden Fall ist die richtige Größenordnung getroffen.
Was kann dieser Motor an einer Lipo Zelle d.h. bei 3,5V leisten?
Der Kurzschlussstrom beträgt 189mA. Das Drehmoment ist dann 147µNm. Wie groß ist die Leerlaufdrehzahl? Nehmen wir mal 100.000 Upm an. Dann ist das Moment 20µNm und der Strom 26mA. Die Spannung an der Spule ist 0,48V. Die Gegenspannung ist 8V, d.h. die angenommene Drehzahl ist viel zu hoch. Da die Reibung so klein ist, kann man auch einfach sagen n = U/EMK = 43750Upm. Also real etwa 40.000Upm.
Will man möglichst viel Leistung rausholen, sollte man den Motor etwa bei halber Leerlaufdrehzahl betreiben, also bei 20.000. Die Gegenspannung ist dann 1,6V. Es verbleiben 1,9V. Der Strom wird also 103mA und das Drehmoment 80µNm. Das Reibmoment ist abzuziehen. Es verbleiben 76µNm Die Nutzleistung ist Nn = M*pi()*n/30 = 154mW. Die Eingangsleistung ist 361mW und damit wird der Wirkungsgrad 42,7%!
Zum Vergleich sei hier der 4x8 Motor gebracht. Um 154mW aus 3,5V herauszuholen braucht man etwa 520mW, also 44% mehr! Unser Motor wiegt etwa genau so viel wie der 4x8 Motor: 470mg.
Dies war nur eine Beispielrechnung. Man kann noch mehr Leistung rausholen, wenn man die Spule mit einem anderen Draht wickelt. Die Obergrenze ergibt sich nur aus der thermischen Belastung. Um dies zu demonstrieren, wird der Motor an der doppelten Spannung, d.h. bei 7V betrieben. Jetzt erreicht er ca. 80.000 Upm im Leerlauf. Wir errechnen die Leistung , wenn er mit 40.000 Upm dreht. Die Gegenspannung ist 3,2 V, der Strom demnach 205mA. Das Reibmoment ist 8µNm, was 10,3mA entspricht. Die Nutzleistung ist also Nn = 195*3,2 = 624mW, die elektrische Eingangsleistung 1435mW und der Wirkungsgrad 43,5%. Die Verlustleistung von 811mW muss von der Spule und den Lagern abgegeben werden. Ob das noch geht, muss man ausprobieren. Betreibt man den Motor bei 60.000 Upm, werden die entsprechenden Werte 4,8V, 119mA, 12µNm, 15,5mA, 497mW, 833mW und 59,7%! Bei etwas höheren Drehzahlen erzielt man noch bessere Wirkungsgrade bei etwas geringerer Nutzleistung. Allerdings sinkt das Nutzmoment. Man muss dann hohe Untersetzungen im Getriebe vorsehen.
Wie wird der Motor aufgebaut? Die Spule wird in einer mit Trennlack beschichteten Form gewickelt, getränkt und ausgehärtet. Dann werden zwei Lagerröhrchen abgetrennt und entgratet. Sie werden auf die Achse des Ankers gesteckt. Diese Einheit wird in die Spule gelegt und eingeklebt. Man muss darauf achten, dass der Anker frei läuft und axial kaum Spiel hat, weil er sonst schlägt. Damit niedrige Reibwerte erzielt werden, wird der Motor während des Aushärtens bei einer mäßigen Drehzahl betrieben.
Nach dem Aushärten wird alles gereinigt, am besten in einem Ultraschallbad mit Spiritus. Dann werden die Lager mit Nähmaschinenöl geschmiert. Wenn man den Motor frei aufhängt, sollte er die oben errechnete Drehzahl leicht erreichen. Wichtig ist, dass die geometrische Unwucht bzw. der Versatz zwischen der geometrischen und der Trägheitsachse hinreichend klein ist. Der Versatz sollte deutlich kleiner als das Lagerspiel sein.
Wenn man ein Getriebe anbaut, sollte es geometrisch starr mit dem Motor verbunden sein. Die gesamte Einheit ist frei schwingend zu lagern, sonst schafft man den hohen Wirkungsgrad nicht. Der Motor eiert dann im Lager und schwimmt nicht mehr.

Author: Helmut Schweig

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