Der Motor ist eines der wichtigsten Bauteile einer Drohne. In diesem Artikel haben wir dir daher die wichtigsten Fakten zu Brushless-Motoren zusammengetragen und die dahinterliegende Technik einfach erklärt.
Zugegeben: Mit nur einem Motor kommen die wenigsten Drohnen wirklich weit. Das verbreitetste Design im Multicopterbereich dürfte der Quadcopter (oder Quadrocopter) sein, der insgesamt vier voneinander unabhängige Antriebe nutzt.
In diesem Artikel soll es um Brushless-Motoren gehen, also Elektromotor, die ohne Bürsten auskommen. Diese Bauart von Motoren kommt in allen modernen Drohnen zum Einsatz – mit Ausnahme einiger Micro FPV Drohnen, die immer noch auf Bürstenmotoren setzen.
Inhalt
Antrieb vs. Motor – Wo ist der Unterschied?
Zunächst wollen wir kurz den Unterschied zwischen dem Motor und dem Antrieb einer Drohne klären.
Der Motor bezeichnet im Normalfall wirklich nur einen einzelnen Elektromotor, der die elektrische Energie des Akkus in Drehbewegungen umwandelt.
Der Antrieb ist hingegen die Kombination aus Motor, Propeller, Drehzahlregler (ESC) und Akku. Im Fall eines Quadcopters ergeben alle vier Motoren mit ihren Propellern und ESCs den Antrieb.
Wie funktioniert ein Brushless-Motor?
Moderne Drohnen setzten beinahe ausschließlich auf sogenannte Brushless-Motoren. Im Deutschen heißt diese Art von Elektromotor bürstenloser Motor. Der Brushless-Motor ist dem Bürstenmotor gleich in mehrerlei Hinsicht überlegen: erst ist mechanischer Einfacher aufgebaut und dadurch robuster, er kann bei gleicher Baugröße in der Regel mehr Leistung bereitstellen und er arbeitet effizienter.
Wir wollen versuchen einfach zu erklären, wie ein Brushless-Motor funktioniert. Wer sich für die technischen Details nicht wirklich interessiert, springt einfach zum nächsten Kapitel. :)
Auch wenn der Motor einer Drohne von einem Akku (i.d.R. LiPo) mit Gleichspannung versorgt wird, so arbeiten Brushless-Motoren tatsächlich mit einem elektrisch generierten dreiphasigen Drehstrom. Trotzdem wird diese Motorart auch oft als BLDC-Motor – also Brushless DC (Direct Current = Gleichstrom) bezeichnet.
Elektrische Spulen im Inneren des Motors erzeugen in einem bestimmten Muster ein Magnetfeld, welches im Kreis wandert. Permanente Magnete im rotierenden Teil des Motors werden durch dieses Magnetfeld angezogen und abgestoßen. Dadurch kommt die Drehbewegung zustande, die den Propeller antreibt. Eigentlich ganz einfach.
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Wie ist ein Brushless-Motor aufgebaut?
Darf es noch ein wenig mehr Detail sein? Kein Problem, auf geht’s!
Die bürstenlosen Konstruktion eines BLDC-Motors sorgt dafür, dass keine elektrische Verbindung zum rotierenden Teil des Motors notwendig ist. Das macht den mechanischen Aufbau sehr einfach, da alle elektrisch angesteuerten Komponenten des Motors fix an einer Position verharren.
Wie bei den meisten drehenden Elektromotoren gibt es auch bei BL-Motoren einen Rotor (der drehende Teil) und einen Stator (der ruhende Teil). Im Gegensatz zu einem Bürstenmotor, welcher auf dem Rotor mit elektrisch erregten Magneten arbeitet, kommt der BLDC-Motor mit permanenten Magneten am Rotor aus. So wird die oben beschriebene elektrische Entkopplung von Rotor und Stator geschaffen.
Alle Spulen zur Erzeugung der benötigten Magnetfelder sind dabei im Stator untergebracht. Diese Spulen erzeugen das erwähnte Magnetfeld, welches im Kreis wandert. Zur Erzeugung des Drehfeldes wird ein dreiphasiger Drehstrom benötigt, der im Drehzahlregler aus dem Gleichstrom des Akkus generiert wird.
Dabei ist es wichtig zu verstehen, dass die Drehzahl des Motors proportional zur angelegten Spannung ist. Der durch den Motor fließende Strom ist hingegen proportional zum durch den Motor abgegeben Drehmoment.
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Was sind die wichtigsten Kenngrößen von Drohnenmotoren?
Nachdem wir nun wissen, wie ein Brushless-Motor für Drohnen funktioniert, wollen wir einen Blick auf die wichtigsten technischen Daten und Eigenschaften werfen. Diese begegnen dir unweigerlich, wenn du dir deinen nächsten BL-Motor kaufst. Egal, ob für einen Copter mit 15-Zoll-Propellern oder einen kleinen FPV-Racer.
kV-Angabe
Die kV-Angabe ist ein für BL-Motoren typischer Wert, der die Drehzahl des Motors in Abhängigkeit von der Spannung angibt. Der kV-Wert gibt an, wie schnell sich der Motor beim Anlegen einer Spannung von 1 V dreht.
Ein 2.200 kV-Motor hat bei 1V Spannung also eine Leerlaufdrehzahl von 2.200 U/min. Um die Leerlaufdrehzahl des Motors bei deiner gewünschten Akkuspannung zu errechnen, multiplizierst du einfach die Nennspannung deines Akkus (z.B. 14,8 V bei 4S LiPo) mit dem kV-Wert. Bei 2.200 kV wären das dann also 32.560 U/min.
Für die alten Hasen: Im Zeitalter der Bürstenmotoren sprach man damals von Turns (also Wicklungen). Je niedriger die Turns, desto höher die Motordrehzahl bei gleicher Spannung. Der kV-Wert ist eine ähnliche Kenngröße von BLDC-Motoren.
Motorkonfiguration
Die Motorkonfiguration beschreibt den Aufbau eines BL-Motors in Bezug auf die Anzahl von Permanentmagneten und der Nuten. Als Nuten (N) werden die Zwischenräume zwischen den Ankern des Stators bezeichnet, um die die Spulenwicklungen verlaufen.
Eine übliche Motorkonfiguration für Hochleistungs-DroneRacing-Motoren ist zum Beispiel 12N14P. Damit ist gemeint, dass ein Motor 12 Nuten am Stator und 14 Permanentmagnete im Rotor besitzt. Das P steht dabei für Pol.
Diese Werte gelten für sogenannte Außenläufer-Motoren, bei denen sich der Rotor auf der Außenseite des Motors befindet (das Gehäuse dreht sich).
Von der Anzahl an Nuten und Pole ist das abrufbare Drehmoment und die Drehzahl des Motors abhängig. Weitere bekannte Konfigurationen sind 9N12P (sehr oft verwendet) und 9N6P für Anwendungen mit ohne Drehzahlen.
Motoren, die extrem hohe Drehmomente liefern müssen (d.h. sehr geringe kV von 80 – 150), werden sogar mit Konfigurationen von 36N42P gebaut.
Betriebsspannung
Ebenfalls wichtig ist natürlich die zugelassene Betriebsspannung. Da sich im Drohnen- und Modellbaubereich der Lithium-Akku als Spannungsquelle als Defacto-Standard etabliert hat, wird häufig nur noch die zulässige Zellenanzahl angegeben.
Statt 11,1 V bis 14,8 V schreiben die Hersteller dann einfach nur noch 3S – 4S.
Moderne BL-Motoren für Hochleistungsanwendungen im FPV-Bereich können mit 4S bis 6S betrieben werden. Je höher die benötigte Leistung (und je geringer die kV) ist, desto höher ist in der Regel auch die zulässige Betriebsspannung. Der im vorherigen Absatz genannte Motor mit 36N42P-Konfiguration kann zum Beispiel mit 12S bis 24S betrieben werden.
Generell gilt: Je höher die kV eines Motors ist, desto geringer ist in der Regel die zulässige Betriebsspannung bei gleicher Propellergröße.
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Schub (Thrust)
Der Schub wird ebenfalls häufig in den technischen Daten von BLDC-Motoren für Drohnenanwendungen angegeben. Dieser ist aber nicht alleine vom Motor, sondern viel mehr von der Kombination aus Motor, Propeller und Akkuspannung abhängig.
Der Schub gibt an, wie viel Luftmasse der Antrieb (Motor + Propeller) in eine Richtung bewegt. Diese Masse wirkt als Kraft in entgegengesetzter Richtung auf das Antriebssystem. Normalerweise müsste man den Schub als in Newton (N) angeben.
Im Drohnenbereich hat sich aber die Angabe in Gramm (g) etabliert.
Baugröße
Die Baugröße steht bei den meisten Brushless-Motoren im Drohnensegment meist direkt im Namen. Du hast vielleicht schon mal etwas von einem 1806er-Motor oder einem 2204er-Motor gehört.
Diese Bezeichnungen geben die Baugrößen / Typen eines BL-Motors an. Es handelt sich hierbei eigentlich um zwei Zahlen: 22 und 04. Diese Werte sind Millimeterangaben für den Durchmesser des Stators (22 mm) und für die Länge des Stators (4 mm).
Hinweis: Nicht alle Hersteller halten sich an diese Auslegung der Größenbezeichnungen und legen 22 mm / 12 mm als Gesamtdurchmesser bzw. Gesamthöhe des Motors aus. Also immer genau auf die Abmessungen achten, die sonst so im technischen Datenblatt eines Motors auftauchen.
Propeller-Empfehlung
Viele Hersteller bieten einen bestimmten Motor in diversen kV-Varianten an und liefern direkt empfohlene Propellergrößen mit. Anhand dieser Werte kann man sich sehr gut orientieren, welche kV-Variante eines bestimmten Motors man für die gewünschte Propellergröße / Flügelanzahl und Spannung wählen sollte.
Andersherum lässt sich natürlich bei einem vorhandenen Motor anhand dieser Größenempfehlung auch sehr gut die maximal sicher zu betreiben Luftschraubengröße aussuchen.
Ist der Propeller zu groß (oder die Spannung und damit die Drehzahl zu hoch) nimmt der Strombedarf stark zu und der Motor überhitzt und arbeitet ineffizient. Im schlimmsten Fall brennt eine Spulenwindung durch und die Drohne stürzt ab.
Kann man Brushless-Motoren selber bauen?
Prinzipiell gibt es ja nichts, was man nicht selber bauen kann. ;) Bei BL-Motoren würden wir aber von einem vollständigen Selbstbau absehen, da brauchbare Motoren schon für wenige Euro erhältlich sind.
Was aber natürlich (mit viel Geduld) kein Problem ist, ist den Motor neu zu wickeln. Abhängig von der Anzahl der Windungen pro Anker am Stator und der dicke des verwendeten Drahtes kann so der kV-Wert eingestellt werden.
Aber bitte eines nicht vergessen: Ihr müsst im Normalfall mindestens vier Motoren wickeln. ;) Das gleichmäßig hinzubekommen, ist bei kleinen Motoren ein Geschicklichkeitsspiel und kostet Nerven (eigene Erfahrung…).
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Schlusswort
Wir hoffen, dir hat unser kurzer Überblick zum Thema Brushless-Motor gefallen und du weißt nun, wie die Motoren deiner Drohne funktionieren.
Sollte dies der Fall sein, freuen wir uns darüber, wenn du den Artikel teilst. Bei Fragen oder Anregungen hinterlasse gerne jederzeit einen Kommentar. Auch freuen wir uns darüber, wenn du für den Kauf einer neuen Drohne einen unserer Partnerlinks verwendest (mit * gekennzeichnet), so erhalten wir eine kleine Provision.
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Vielen Dank für den tollen Überblick! Das hilft auf jeden Fall schon mal, sich ein wenig zu orientieren.
Was mir noch nicht so ganz klar ist, worin unterscheiden sich die Bauarten in der Theorie und in der Praxis? Beispiel 5″ Copter: wie unterscheiden sich erst einmal die beliebten Baugrößen 2207 und 2306?
Und in der 22XX-Reihe: wie unterscheiden sich in der Praxis Motoren mit 2204, 2205, 2206 und 2207? Spürt man den Unterschied als „Standard-Pilot“ überhaupt? Wonach bei der Auswahl also gehen?
Viele Grüße
Sven
Hallo Sven,
letztendlich handelt es sich dabei um verschiedene Baugrößen. Für Freizeitpiloten sind die Unterschiede aus meiner Sicht vernachlässigbar. Hier kommt es viel mehr drauf an, dass du die richtige kV-Variante zu deinem Akkusetup an 5 Zoll Propeller auswählst. Rein theoretisch haben die Motoren mit größerem Durchmesser auch ein höheres Drehmoment. Aber das spielt in den seltensten Fällen eine wirklich nennenswerte Rolle.
Viele Grüße,
Nils
Hallo Nils,
vielen Dank für das kleine 1×1. Wie sind deine Erfahrungen bei der Verwendung Motoren aus gleicher Baureihe aber mit unterschiedlichen KV-Werten. Ich fliege im Garten – wenn sich keine Gelegenheit für 5 Zoll bieten – gern mal meine Mobula 7 HD. Der Copter verwendet die Happymodel EX1102 mit 9000KV. Nun muss ich einen austauschen und ich habe ein Angebot für 4 Motoren EX1102 mit 10000KV gesehen. Ist es generell unproblematisch einen (oder mehrere Motoren) mit unterschiedlichen Drehzahlen an einem FC/ESC zu betreiben oder ist das nicht ratsam?
Merci vorab.
LG Michael de Gelmin (Berlin)
Hallo Michael,
ich glaube das wird so einfach leider nicht klappen. Zwar kann der FC natürlich grundsätzlich ungleiche Zustände zwischen Motoren ausgleichen. Aber 1000 kV sind schon ein extremes „Ungleichgewicht“. Da wäre die Option den gesamten Quad auf 10000 kV umzubauen sicherlich die bessere Alternative. Du musst nur sicherstellen, dass der Strom, den die neuen 10k-kV-Motoren an der üblichen Propellergröße für deine Racer aufnehmen, noch im Rahmen für die ESCs liegt.
Oder du musst sicherstellen, dass du kein Vollgas mehr fliegst – das ist aus eigener Erfahrung nach aber fast unmöglich :D
Ich hoffe, das hilft dir erstmal weiter!
Schöne Grüße nach Berlin,
Nils
Hallo,
habe eine ganz besondere Aufgabe. Eine Konfiguration einer Zusatzeirichtung für Lastenflug-Geräte (Helikopter und zukünmftig auch Drohnen). EU-Patent angemeldet im Dezember. Hier geht es aber nicht um das reale Projekt, sondern um einen Nach- oder Vor-Bau im Modell-Maßstab. Dies soll aber die geplante Intelligenz der realen Zusatzausrüstung in uneingeschränktem Umfang wiederspiegeln, da dieses modell als INDOOR-Vorführanlage geplant ist. Dafür wird auch kein Heli bzw. keine Drohne, sondern ein Modell-Hochbau-Kran eingesetzt, an dessen Lastseil diese Zusatzausrüstung hängt. Bei der Konfoguration der Probeller sind wichtge Größen als Obergrenzen gegeben. Kannst Du mir bei dieser Konfiguration helfen?