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Forum: Mechanik, Gehäuse, Werkzeug BLDC Motorauswahl nach Drehmoment


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Autor: Alex C. (alex_c)
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Guten Abend Zusammen,
gerne würde ich meinen Bollerwagen mit einem BLDC Motor ausstatten, 
damit ich ihn vollgepackt besser vom Haus an den Rhein fahren kann, den 
Berg hoch.
Ich könnte mir jetzt einfach einen 1500 W BLDC Motor kaufen, dass wird 
vermutlich locker reichen. Mich würde jedoch interessieren, wie ihr bei 
so etwas vorgehen würdet bzw. wie man den passenden Motor auswählt 
anhand der Daten, die beim Kauf angegeben werden.

Ich würde generell so vorgehen, dass ich versuche zu ermitteln, welche 
Leistung / Drehmoment ich benötige und mir dann den passenden Motor 
besorge.
Leider wird immer nur die Leistung angegeben, aber nicht das Drehmoment 
über die Drehzahl. Somit weiß ich dann zwar, dass der Motor genügend 
Leistung hat, aber nicht wieviel Drehmoment bzw. welche Übersetzung ich 
wählen muss.

Zur Bestimmung der Leistung würde ich entweder das Drehmoment 
messtechnisch bestimmen, also mit einem Drehmomentschlüssel am Rad, bei 
vollgepacktem Wagen auf der Steigung oder indem ich über den Radabstand, 
die Steigung und das Gewicht, in etwa das nötige Drehmoment ausrechne. 
Im Anschluss würde ich dann noch einige Annahmen treffen. Dabei würde 
ich festlegen, wie schnell der Wagen fahren soll, in welcher Zeit er 
beschleunigt usw. Diese Werte addiere ich dann zu der Leistung und zum 
Schluss packe ich noch einmal 20 % als Sicherheit drauf.

Aber sagen wir einmal ich käme auf eine Leistung von 1000 W, dann würde 
der folgende Motor reichen:
https://hobbyking.com/en_us/turnigy-4258-brushless-motor-400kv.html

Nur wie komme ich jetzt auf die nötige Übersetzung? Denn ich muss ja 
wissen, welches Startmoment der Motor aufbringen können muss, damit der 
Wagen mit der definierten Beschleunigung anfährt? Das Drehmoment ist 
nicht mit angegeben. Ausrechnen könnte ich es über die Leistung und die 
Drehzahl, nur wenn die Drehzahl = 0 ist, wäre das Drehmoment ja 
unendlich hoch ... Außerdem weiß ich nicht wie die M(n) Kennlinie eines 
BLDC aussieht. Wie komme ich in diesem Fall an die benötigten Daten?

Danke schon einmal !
GRuß
Alex

: Verschoben durch Moderator
Autor: Irgend W. (Firma: egal) (irgendwer)
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Alex C. schrieb:
> Aber sagen wir einmal ich käme auf eine Leistung von 1000 W, dann würde
> der folgende Motor reichen:
>
> Nur wie komme ich jetzt auf die nötige Übersetzung?

Bei den Spielzeugdingern muss dir klar sein das die dort angegebnenen 
Leistungen nur kurzzeitig für wenige Sekunden genutzt werden könne (und 
das auch nur bei sehr guter Kühlung).

Die Übersetzung wird sich erstmals vorrangig danach richten welche 
Geschwindigkeit du überhaupt erreichen willst.

Für Dauerlast sehen die Preise schon etwas anders aus: z.B.:
https://de.nanotec.com/produkte/2161-db80-buerstenloser-dc-motor/

Autor: Schueler (Gast)
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Dir fehlen einfach zu viele mechanischen Kenntnisse.
Wenn du da schon Probleme hast das zu berechnen wuerde ich es nur 
ueberschlagsmaessig machen. 500W sollten auf jeden Fall genuegen. Ich 
wuerde sogar eher einen kleineren waehlen. Siehe Anhang.
Dann wuerde ich auch gleich auch einen brushed Motor nehmen, weil die 
Ansteuerung vom BLCD etwas komplexer ist, falls du das auch noch selbst 
machen willst. Da koennen dir andere aber sicher bessere Information 
dazu geben.

Autor: Elektrofan (Gast)
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> Leider wird immer nur die Leistung angegeben, aber nicht das
> Drehmoment über die Drehzahl.

Solch ein Motor ist permanenterregt, also ist das
erreichbare Drehmoment bei allen Drehzahlen (inklusive Stillstand)
gleich dem Nenndrehmoment.
Dieses MUSS angeben sein, zumindest implizit aus Nennleistung und
-drehzahl. (Sonst wäre alles "Fake".)

(Hätte man einen permanenterregten DC-Kollektormotor, hätte man
dasselbe Verhalten; bei einer Neben- bzw. Reihenschlussmaschine
sähe es anders aus.)

Dieses gegebene Drehmoment passt meistens nicht zum gewünschten
Antriebsdrehmoment, das muss dann ein (meist: Untersetzungs-)
Getriebe anpassen.

Autor: Udo S. (urschmitt)
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Alex C. schrieb:
> https://hobbyking.com/en_us/turnigy-4258-brushless-motor-400kv.html

Du hast gelesen was da steht:
"For 2500-3000g 3D model airplane."

Dein Bollerwagen bewegt sich also hoffentlich mit 70-150km/h um den 
notwendigen Luftstrom zur Kühlung zu erreichen.

Autor: Erwin D. (Gast)
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Elektrofan schrieb:
> Solch ein Motor ist permanenterregt, also ist das
> erreichbare Drehmoment bei allen Drehzahlen (inklusive Stillstand)
> gleich dem Nenndrehmoment.

Elektrofan schrieb:
> Hätte man einen permanenterregten DC-Kollektormotor, hätte man
> dasselbe Verhalten

Aha :-)

Autor: Elektrofan (Gast)
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> Solch ein Motor ist permanenterregt,

Gemeint war damit natürlich der BLDC-Motor von ganz oben.   ;-)

Autor: Alex C. (alex_c)
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@ Irgend W
Danke für den Hinweis. Ich bin schon davon ausgegangen, dass die 
Leistung nicht dem Dauerbetrieb entspricht, deshalb würde ich den Motor 
auch wie ich vorher beschrieben habe, überdimensionieren, um noch eine 
Leistungsreserve zu haben.
Ich werde natürlich auch die entsprechende Geschwindigkeit 
berücksichtigen. Der Raddurchmesser ist Konstant. Über die 
Geschwindigkeit die ich möchte (z.B. 1,5 m /s ), bekomme ich die 
Drehzahl des Rades.
Kenne ich die Drehzahl des Motors, kann ich mir daraus die erforderliche 
Übersetzungs ausrechnen.
Sagen wir mal ich bekomme eine Übersetzung von 50 raus, dann muss ich 
das Drehmoment, welches am Rad benötigt wird durch 50 dividieren, um auf 
das Motordrehmoment zu kommen.
Wenn der Motor bei der angegebenen Drehzahl jedoch nicht das Drehmoment 
erreicht, kann ich nicht in der Zeit beschleunigen und auch nicht 
halten.
Deshalb muss ich das Haltemoment des Motors kennen. Nur wird dies auf 
den Datenblättern nicht angegeben. Klar bei Maxon Motors oder Nanotec 
natürlich schon. Aber weiß Jemand wie ich z.B. das Drehmoment bei den 
von mir geposteten Motor herausfinde?

@Schueler
Danke für die Rechnung. Wieso sagst du mir würden mechanische Kenntnisse 
fehlen? Ich habe die Hangabtriebskraft genauso berechnet wie du. Es ging 
ja nicht rein um die mechanische Seite. Wenn ich einen Motor auslege, 
brauche ich nur zwei Dinge. Wieviel muss er leisten und wieviel kann er 
leisten. Mehr benötige ich nicht.
Was er können muss ist ja:
Pges = Pa+Palpha+Pv
Pges = Gesamtleistung
Pa = tranlatorische Beschleunigung, dafür benötige ich die Zeit bis er 
auf Geschwindigkeit sein soll also a = v/t und die Massse die 
translatorisch bewegt wird.
Palpha = rotatorisch beschleunigte Massen, also z.B. Räder usw. Wobei 
man die in diesem Fall vernachlässigen kann. Deshalb rechne ich als 
sicherheit einfach noch mal 20 % oben drauf.
Pv = Vollbeharrungsleistung also welche Leistung muss der Motor im 
stationären Betrieb leisten. Das sind hauptsächlich Reibungsverluste und 
die Rollreibung der Räder und die Gravitation (m*g*cos(x)).

Sagen wir  es kommen dabei 400 W raus, dann weiß ich ja, dass der Motor 
das schafft.  Wenn ich nun die Übersetzung über die Geschwindigkeit 
ausrechne, kann ich dann definitiv davon ausgehen, dass hinter dem 
Getriebe eine Drehmoment anliegt, dass der Motor auf jedenfalls schafft, 
da ich alles auf die Leistung bezogen habe?
Weil dann wäre der Ansatz von Irgend W richtig es einfach auf die 
Geschwinidgkeit zu beziehen und auf das Drehmoment zu pfeifen, weil es 
reichen muss?
@Udo
Gut, dass mit den 4000 rpm/v ist natürlich ein Punkt. Dann würde der 
Motor sich bei 12 V mit extermer Drehzahl drehen und ich bräuchte eine 
riesige Übersetzung. Leistungstechnisch würde es dann aber gehen.
Den Motor habe ich auch nur einfach mal als Beispiel herausgesucht. Ich 
hatte noch keine Zeit mal zu gucken ob es auch Motoren mit geringerer 
Steigung gibt.
Das Nenndrehmoment, ist jedoch auch nicht angegeben, wobei ich auch 
nicht genau weiß was damit gemeint ist. Bei Asynchrommotoren ist der 
Nennpunkt denke ich die Drehzahl bei der der Motor im Dauerbetrieb 
laufen kann. Beim Verbrenner ist es das maximale Moment, beim BLDC?

Leider weiß ich immer noch nicht, wie ich am besten den richtigen Motor 
und Übersetzung finde. Also ohne einfach einen zu starken zu nehmen. Mir 
geht es hauptsächlich um die Überlegung und das Vorgehen dahinter.

Autor: jemand (Gast)
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Hallo,

ich möchte mal ergänzen, dass du für so einen Motor mit >1k rpm nen ganz 
ordentliches Getriebe brauchst. Außerdem wurde ja schon von anderen 
genannt, dass das Teil nicht dauerlastfähig ist.
Ich würde eher Nabenmotoren von/für Pedelecs empfehlen. Die haben schon 
in etwa die passende Drehzahl,schaffen >200W (was für nen Bollerwagen 
ausreichen dürfte) und kosten gebraucht unter 50€

MfG

Autor: Hugo E. (Gast)
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jemand schrieb:
> nen ganz ordentliches Getriebe

Was ist "einen ganz ordentliches Getriebe"?

Autor: Bernd K. (bmk)
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Hallo Alex,

schau doch mal in diesen Shop:

http://shop.mat-con.net/epages/62158737.sf/de_DE/?ObjectPath=/Shops/62158737/Categories/Gleichstrom-Motoren

Da findest du auch Motoren mit angeflanschtem Getriebe und allen 
gewünschten Daten inkl. Kennlinien.

Autor: Alex C. (alex_c)
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@jemand
Gut, solch ein Motor wäre evt. auch was. Der hat vermutlich eine hohe 
Polzahl und deshalb von Haus aus eine geringere Drehzahl und dafür mehr 
Drehmoment?
Als "Getriebe" würde ich einfach einen Riemen oder eine Kette nehmen und 
von einem kleinen auf einen großen Pulley übersetzten.

Was ich generell noch nicht ganz verstanden habe an der Kommutierung ist 
dieser kV Wert. Soweit ich verstanden habe, sagt mir diese 
Motorkonstante, um wieviel sich die Drehzahl ändert, wenn ich die 
Spannung erhöhe richtig?

Bei einem Gleichstrommotor verstehe ich, dass dieser stufenlos durch die 
Erhöhung der Spannung gesteuert werden kann. Nur bei einem BLDC verstehe 
ich es noch nicht so ganz. Also ein BLDC ist ja eine permanenterregte 
Synchronmachine. Das heißt ich induziere keine Spannung, sondern ich 
lasse ein Magnetfeld durch die Spulen rotieren. Die ziehen und drücken 
die Permanentmagneten im Kreis herum.
Das heißt die Drehfelddrehzahl entspricht auch der tatsächlichen 
Drehzahl. Wenn ich also das Steuersignal 50 mal pro Sekunde rotieren 
lasse, dreht sich der Rotor 50 mal pro Sekunde, egal ob ich 14 V oder 9 
V anliegen habe, richtig?
Erhöhe ich die Spannung, fließt ein größerer Strom, dadurch erhöht sich 
das Magnetfeld, es wird eine größere Kraft ausgeübt, welches ein 
größeres Drehmoment verursacht?
Ist die Last zu groß, bleibt der Motor einfach stehen, auch wenn sich 
das Feld weiter mit 50 u/s dreht.

Deshalb verstehe ich nicht, wieso sich die Drehzahl von dem BLDC motor 
bei jedem Volt Spannungserhöhung erhöhen soll. Das kommt doch nur auf 
die Kommutierung an oder?

Autor: Alex F. (test432)
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Hallo,

ich habe mich jetzt mal eingeloggt (Bin der jemand von eben):

Alex C. schrieb:
> Was ich generell noch nicht ganz verstanden habe an der Kommutierung ist
> dieser kV Wert. Soweit ich verstanden habe, sagt mir diese
> Motorkonstante, um wieviel sich die Drehzahl ändert, wenn ich die
> Spannung erhöhe richtig?
>
> Bei einem Gleichstrommotor verstehe ich, dass dieser stufenlos durch die
> Erhöhung der Spannung gesteuert werden kann. Nur bei einem BLDC verstehe
> ich es noch nicht so ganz. Also ein BLDC ist ja eine permanenterregte
> Synchronmachine. Das heißt ich induziere keine Spannung, sondern ich
> lasse ein Magnetfeld durch die Spulen rotieren.

Hier ist dein Denkfehler: In einem BLDC wird auch eine Spannung 
induziert, nämlich durch die Relativbewegung deines Stators zu dem 
rotierenden Magnetfeld der Rotor-Magnete. Diese dadruch entstehende sog. 
"Gegenspannung" steigt proportional zu deiner Drehzahl des Motors an 
(Genau wie bei einer Gleichstrommaschine). Genau das sagt dir der 
kv-Wert: Nämlich wie viel U/V Gegenspannung der Motor schafft.
Mit steigender Gegenspannung kann immer weniger Spannung über den 
Ohm-schen Widerstand der Wicklungen abfallen und entsprechend immer 
weniger Strom fließen, da diese immer weniger Spannung "sehen". Wenn die 
Gegenspannung dann der Betriebsspannung entspricht, fließen 
(rechnerisch) noch 0 A durch deinen Motor. Spätestens dann ist dein 
Drehzahllimit erreicht.


Alex C. schrieb:
> @jemand
> Gut, solch ein Motor wäre evt. auch was. Der hat vermutlich eine hohe
> Polzahl und deshalb von Haus aus eine geringere Drehzahl und dafür mehr
> Drehmoment?

Neben der Polpaarzahl ist der Hauptgrund für mehr Drehmoment der kv-Wert 
dieser Motoren (s.o.). Und ja- die Teile sitzen als Direktantrieb in 
Farradnaben drin. Die dürften mit ner 1:1-Übersetzung gehen.

MfG

Autor: Alex C. (alex_c)
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@Alex F.
Danke für deine ausführliche Erklärung!
In einfachen Worten ausgedrückt sagt mir der KV-Wert nach welcher 
Drehzahlerhöhung jeweils 1 V Spannung abfällt?
Kann ich das ungefähr so verstehen:

P= U*I -> I = P/U  wobei P= const. Je größer die Gegenspannung wird, 
desto weniger Leistung wird in Strom umgewandelt. Je weniger Strom, 
desto geringer das Drehmoment. Irgendwann stellt sich dann ein 
stationärer Zustand ein, da nicht mehr genügend Drehmoment zur weiteren 
Beschleunigung zur Verfügung steht?
Das habe ich einmal bei einer herkömmlichen Drehstrommaschine gesehen, 
dort war der Strom minimal, bei maximaler Drehzahl.

Was ich nur nicht verstehe ist "Relativbewegung zum Stator", denn 
eigentlich hat man doch einen Synchronmotor, also keinen Schlupf wie bei 
der Asynchronmachine?
Andererseits habe ich schon gelesen, dass die Position des BLDC Motors 
über bestimmte Spannungsausschläge in den Spulen ermittelt wird (Back 
EMF ? ), ist das quasi so eine Gegenspannung?

Gibt es denn zu BLDC-Motoren eine Gleichung die den Drehmomentenverlauf 
beschreibt? Und hast du vielleicht Literatur, in der genauer erklärt 
wird, wie die Polpaarzahl, Windungsdurchmesser, Widerstand, SPannung 
usw. genau vom Drehmoment usw. abhängen?

Denn bei einer Asynchronmaschine ist die Drehzahl ja definiert mit n = 
60*f/p wobei f meist ohne einen FU konstant ist und sich somit eine 
konstante Drehfelddrehzahl einstellt.

Bei einem BLDC würde ich sagen, dass die Drehzahl doch von der 
Kommutierung abhängt oder? Wenn wenn ich das Drehfeld schneller drehen 
lasse, indem ich die Spulen in kürzerer Zeit bestrome, dann ist es doch 
egal ob ich 2 Polpaare habe oder 20 Polpaare, wenn sich das Feld in 
beiden Fällen z.B. 100 mal pro Sekunde um den Stator dreht?

Ich würde mir vorstellen, dass die Polpaare nur einen Einfluss auf das 
Drehmoment haben. Denn wenn sich das Drehfeld sagen wir mal mit 100 Hz 
im Stator dreht, ich einen Strom von 10 A in 2 Polpaaren fließen habe, 
dann ist das Magnetfeld und die Kraft die ausgeübt wird in jedem Pol 
gleich. Wenn ich bei gleichem Strom jedoch 20 Polpaare hätte, denn 
würden 10 mal soviel Kraft auf den Stator ausgeübt, die Drehzahl würde 
aber nicht höher, da sich das Feld immernoch mit den 100 Hz dreht, man 
hätte nur mehr Drehmoment.
Kann das sein?

Autor: Elektrofan (Gast)
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> Gibt es denn zu BLDC-Motoren eine Gleichung die den
> Drehmomentenverlauf beschreibt?

Im Idealfall:    M(Phi)= const.      (SCNR)

Dann würde sich der magnetische Dipol des Permanent-Läufers
sozusagen in einem homogenen Statorfeld drehen.
Wie genau das erfüllt ist, hängt von der Mechanik ab.

(Beim DC-Motor ist das prinzipiell genauso.)

Autor: AbcAbc (Gast)
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Nimm die Motoren aus einem Hoverboard. Die sind erstens wesentlich 
günstiger und man kann sie als Direktantrieb verwenden. Und man kriegt 
den Motorcontroller direkt mit dem Hoverboard geschenkt dazu.

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