Der bürstenlose Antrieb im RC-Car
eine Einführung in die "Brushless Technik"

Höchste Zeit also, das Thema "Brushless Antrieb im RC-Car" neu aufzurollen!
In dem folgenden Artikel möchte ich meine Erfahrungen mit Brushless Antrieben weitergeben, den Neuling über die Funktionsweise bürstenloser Motoren aufklären und dem Einsteiger bei der Kaufentscheidung helfen.

In diesem Sinne, viel Spaß beim Lesen!

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Ein Problem gibt es dann allerdings noch: Woher wissen die Elektomagneten, wann sie ihre Polung ändern sollen?
Ganz einfach: gar nicht!
Die schwierige Aufgabe des Umpolens "im richtigen Augenblick" übernimmt beim bürstenlosen Motor der Regler. Und weil der Regler den Motor damit sprichwörtlich "kontrolliert" sprich der bürstenlose Motor mit dem Strom aus dem Antriebsakku ohne Regler erst gar nichts anfangen könnte, spricht man bei solchen Reglern von "Controllern"

Welche Möglichkeiten bleiben nun dem Controller, den Augenblick der Umpolung zu erraten, wenn es schon der Motor nicht zustande bringt?
Genau genommen gibt es zwei Möglichkeiten - und beide kommen zur Zeit im RC-Car zum Einsatz:

1. "Sensorlose" Motorsteuerung:
Beim Drehstrom sind stets zwei von den drei Leitungen stromführend, über die dritte fließt vom Controller aus kein gesteuerter Strom zum Motor. Sehr wohl fließen jedoch Induktionsströme, da der Motor durch seine Drehbewegung ja selbst Strom erzeugt (Induktion - Dynamo)
Über die Stärke und Verlauf dieses Induktionsstromes kann ein kompliziertes Programm im Controller die Position des Rotors (in Bezug auf die Spulen im Gehäuse) sowie dessen Drehrichtung und Drehzahl ermitteln und daraus die passende Frequenz für den Drehstrom erzeugen.

2. Motorsteuerung mittels Sensoren:
Hier liefern kleine Sensoren im Inneren des Motors dem Controller alle nötigen Daten, um Position, Drehzahl und Drehrichtung des Rotors exakt zu ermitteln. Üblicherweise werden fünf Sensoren verwendet, sodass der Regler viel mehr Informationen über den Rotor erhält als über den Induktionsstrom einer einzigen Phase.

Einen bürstenlosen Motor über Sensoren zu steuern stellt daher an den Regler geringere Anforderungen und bringt dennoch exaktere Ergebnisse.
Andererseits sind manche sensorlosen Controller mittlerweile schon so ausgereift, dass man im Fahrbetrieb kaum einen Unterschied feststellen würde. Einzig beim Wegfahren wird der Unterschied deutlich; da ein stehender Rotor keine Induktionsspannung erzeugen kann, muss der Controller dem Rotor durch feine Strömstöße die den ihn hin und her rucken lassen seine aktuelle Position entlocken.
"Früher" - als es noch keine RC-Car spezifischen Controller gab - war dieses Rucken beim Anlaufen stark spürbar und wurde als "Cogging" bezeichnet.

Aber auch sensorgesteuerte Systeme haben einen Nachteil: sie sind auf Motoren angewiesen, denen Sensoren eingebaut wurden - und davon gibt es nicht allzuviele, zur Zeit vielleicht 4-5 (1:10) RC-Car taugliche Modelle.

Bei so vielen Einschränkungen fragt sich der Leser nun vielleicht; warum werden Brushless-Antriebe dann so gelobt?

Nun ist es dann wohl an der Zeit, die Vorteile dieser Motoren aufzuzählen!

• besserer Wirkungsgrad gegenüber Bürstenmotoren
• wesentlich höhere Spitzenleistungen bei gleicher oder kleinerer Baugröße möglich
• bis auf die Lager quasi wartungsfrei

Diese Vorteile resultieren einzig und allein aus dem Fehlen des Kollektors! - und jeder Vorteil für sich macht den Brushless-Antrieb im RC-Car für den Interessierten überlegenswert:

• Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet entweder längere Fahrzeit oder höhere Leistung.
• Wesentlich höhere Spitzenleistungen von kompakten Motoren eröffnen vor allem im Offroad-Bereich neue Dimensionen; der Brushless-Savage sollte als Demonstration genügen, aber auch Elektro- (4wd) Buggies profitieren ungemein von der höheren Leistung.
• Die Wartungsfreiheit zahlt sich vor allem für Fahrer aus, die ihre starken Motoren nicht regelmäßig warten können (kein Zugang zur nötigen Ausrüstung) oder wollen.

Technische Details bürstenloser Motoren und Controllersteuerungen
Testbericht zum Brushless Savage
Testbericht zum Academy SB-Sport als höchst brushless tauglicher 1:10 Buggy

So sind beispielsweise manche Tamiya Buggies (Baja Champ, Gravel Hound Tamiya XB Neo Scorcher mit aktuellen (4/2014) Kit-Preisen ab zirka 110 Euro) extrem robust, das Fahrwerk kommt allerdings nicht mit den möglichen Geschwindigkeiten kaum mehr zurecht.
Wettbewerbsmodelle andererseits sind bei den höheren Geschwindigkeiten weitaus unkritischer zu fahren, der kompromisslos auf Leichtbau getrimmte Antriebsstrang macht ihn jedoch u.U. anfälliger auf Verschleiß.

Somit gilt: der schärfste Motor ist für den "Normalbetrieb" (also abgesehen von Drag-Rennen und ähnlichem) stets die schlechteste Wahl. (auch wenn die "schnellen" Motoren einer Serie - ähnlich den Bürstenmotoren - nicht teurer sind als die "langsameren" Ausführungen)
Ein guter BL-Motor ist jener, der leistungsmäßig etwa einem starken Bürstenmotor mit 12-15 Windungen nahe kommt. Dieser bleibt gut kontrollierbar und seine Leistung lässt sich sich durch mehr Akkuspannung (8 Zellen 4/5 Sub-C nehmen beispielsweise den Platz einen 6 Zellen Sub C Stickpacks ein, die neuesten 4/5 Sub-C NiMH Zellen haben bereits eine Kapazität von 2200mAh) drastisch erhöhen.

Anders sieht die Sache bei BL-Modellen im Maßstab 1/8 und darüber aus - da es sich hier um Verbrennermodelle gehandelt hat, will man hier meist einfach nur pure Leistung um (fast) jeden Preis.
Die folgende Auflistung berücksichtigt somit ausschließlich Elektromodelle im Maßstab 1:10.

Relevante Baugrößen für den Einsatz im 1:10 Car

LMT Basic Serie (www.lehner-motoren.com) Info: Die Basic Serie der Fa. LMT sind Motoren, die sich einerseits durch ihren günstigen Preis, andererseits durch ihre kompakte 540er "kurz" Bauweise auszeichnen. Die Motoren besitzen allerdings nur einen Monosegment-Rotor, wodurch sie generell eher wärmer werden als andere BL-Motoren und den Controller auch etwas mehr belasten. Beim Befestigen der Motoren muss die maximale Einschraubtiefe von 3mm genau eingehalten werden, da die Schraube sonst die Wicklung zerstört! Kompatiblität: Sehr gut - der Motor ist kürzer als ein 540er Bürstenmotor und besitzt eine mit 16mm ausreichend lange Motorwelle, die in manchen Fällen (z.B. Losi Triple X Modelle) etwas gekürzt werden muss. Der Motor kann ohne Probleme in alle RC-Cars mit 540er Motor eingebaut werden. Anmerkungen: Kabeldurchführungen mit Silikon abdichten beim Einsatz im 2WD Offroader unbedingt für einen Staubschutz des hinteren Motorlagers sorgen! 3,5mm Anschlussbuchsen Für 1/10 Monster Trucks (z.B. E-Maxx) gibt es die Basic-XL Serie, diese Motoren sind etwas länger und für gängige 1/10 Buggies und Tourenwagen völlig ungeeignet Empfohlene Typen: (6 Zellen, nach rechts: schneller) Basic 4200, Basic 5300

Flanschplatte um die 15xx Serie an 540er Motorplatten befestigen zu können LMT 15xx  Serie (www.lehner-motoren.com) Info: Die 15xx Serie der Fa. LMT sind Motoren in 480er Baugröße. Sie besitzen einen 10fach segmentierten kleinen Rotor der sich optimal für Buggies und Tourenwagen eignet. Durch den Segmentrotor haben die Motoren einen hohen Teillastwirkungsgrad und erwärmen sich im Betrieb mit adäquater Übersetzung kaum. Die Motoren besitzen fix am Gehäuse montierte 3,5mm Anschlussbuchsen und lassen sich wahlweise in Stern- oder Dreiecksschaltung betreiben (Sternschaltung ergibt einen Motor der etwa die 1,7fache Windungszahl hat) Kompatibilität: Schlecht - die Motoren der Baureihe 1525 und 1530 sind relativ lang und besitzen leider nur eine 12mm lange Welle. Zum Befestigen ist entweder eine Adapterplatte (von LMT) erforderlich, oder die Motorhalterung muss neu gebohrt werden. (Lochabstand 19 statt 25mm) Die Adapterplatte die in den meisten Fällen wohl zum Einsatz kommen wird verkürzt die effektive Wellenlänge auf etwa 10mm - ohne dass diese Motoren über die typische Lagerausbuchtung der Bürstenmotoren verfügen. Anmerkungen: beim Einsatz im 2WD Offroader unbedingt für einen Staubschutz des hinteren Motorlagers sorgen! 3,5mm Anschlussbuchsen Der Motor wird mit M2,5 Schrauben an der Adapterplatte (oder modifizierten Motorhalterung) befestigt. Die maximale Einschraubtiefe beträgt dabei 2,5mm, sonst werden die Wicklungen beschädigt. Empfohlene Typen: (6 Zellen, nach rechts: schneller) 1525-9, 1525-8, 1525-7, 1530-8

Hacker C40S Serie (www.hackerbrushless.com) Info: Die Hacker C40 Serie wurde speziell für den Einsatz im 1/10 RC-Car gebaut: die Motoren verfügen über einen langen Rotor mit kleinem Durchmesser, einem Gehäuse mit integrierten Kühlrippen, einer angeschliffenen 16mm langen Welle und seitlich herausgeführten Anschlussdrähten. Obwohl die Motoren intern der Baugröße 480 entsprechen, so haben sie dennoch einen 25mm Befestigungslochkreis sodass die Montage keinerlei Probleme bereitet. Die Motoren sind sehr einfach zu zerlegen. Kompatiblität: Gut - das einzige "Manko" der C40S Serie ist das mit mehr als 50mm relativ lange Gehäuse. Es entspricht zwar einem 540er Bürstenmotoren, (540er "lang") aber aufgrund der größeren Brushless-Controller herrscht vor allem in Modellen mit Mittelkardan, wo der Motor in Längsrichtung verbaut ist notorischer Platzmangel. Anmerkungen: die C40 L Serie ist nochmals um 10mm länger und macht eigentlich nur in 1/10 Stadium oder Monster Trucks Sinn, wo viel Drehmoment gefordert ist Das Lager am Motorkopf kann durch die eingerückte Bauweise ganz einfach mit etwas Klebeband abgedeckt werden. Empfohlene Typen: (6 Zellen, nach rechts: schneller) C40-10S, C40-8S

Kontronik TWIST Serie (www.kontronik.com) Info: Die Twist Serie von Kontronik ist der Hacker C40S Serie sehr ähnlich - gleiche Abmessungen, ebenfalls ins Gehäuse gefräste Kühlrippen. Der Rotor entspricht der 480er "lang" Bauweise und ist 3fach segementiert. Die Welle ist allerdings nur 12mm lang - ohne die für Bürstenmotoren übliche Lagerausbuchtung. Die Kabel werden seitlich aus dem Motor geführt, das hintere Lager ist durch einen Aufkleber vollständig vor Staub geschützt. Kompatiblität: Gut - bis auf die wohl gerade noch ausreichend lange Welle und das relativ lange Gehäuse (540er "lang") Anmerkungen: die Motoren werden mit dem 4mm Silberkontakt Stecksystem geliefert. Empfohlene Typen: (6 Zellen, nach rechts: schneller) Twist 42, Twist 47, Twist 55

Plettenberg HP220 Car Serie (www.plettenberg-motoren.com) Info: Die HP220 Car Serie besteht aus 3 Motoren; Indoor II, Shadow und Extreme. Anders als die meisten brushless Car-Motoren handelt es sich bei den Plettenberg Motoren um 4(6) Poler mit Eisenkernspulen, was höhere Anforderungen an den Controller stellt (am besten mit Schulze Controller kombinieren) Durch die Eisenkernspulen besitzen die Motoren ein Rastmoment wodurch sie sich im Fahrbetrieb eher wie ein Bürstenmotor als ein Verbrenner anfühlen (Motorbremse) Der Rotor hat einen relativ großen Durchmesser von 22mm Die Kabel werden seitlich aus dem Gehäuse geführt, der Motor lässt sich leicht zerlegen. Kompatiblität: Durchschnittlich - bis auf den "Extreme" entsprechen die Motoren alle der Baugröße 540 "kurz" womit der Einbau in alle gängigen Chassis kein Problem darstellen sollte. Große Probleme wird allerdings die nur 10mm lange Motorwelle machen - in manchen Modellen, bei denen das Ritzel mit dem Zahnkranz voran montiert wird bzw. in Modellen mit Mittelkardan (generell dicke Motorplatte!) wird sich der Einbau als schwierig bzw. extrem aufwändig gestallten. Empfohlene Typen: (6 Zellen, nach rechts: schneller) Indoor II, Extreme, Shadow

Anmerkungen: Alle hier gelisteten Motoren sind ausschließlich mit sensorlosen Controllern zu betreiben "Kompatibilität" beschreibt lediglich ob es generell zu Montageproblemen kommen kann. Dadurch, dass sich die meisten Motoren nicht an 540er Normabmessungen halten, kann ein Motor in einem Modell nur mit größtem Aufwand in einem anderen völlig problemlos verbaut werden - auf keinen Fall soll dies eine Bewertung des Motors darstellen! "empfohlene Typen" - kursiv geschrieben bedeutet, dass der Motor schon an 6 Zellen sehr stark und schnell wird - für alle, die ausschließlich mit 6 Zellen fahren wollen.

Der für 1/10 RC-Cars im Moment wohl am besten geeignete Controller wird von Schulze Elektronik gefertigt und nennt sich U-Force 75 bzw. das schwächere U-Force 50 Modell.
Der Controller bietet alles, was moderne Wettbewerbs-Bürstenregler bieten; Umfangreiche Steuerparameter, Spritzwasserschutz und sehr feine Regelbarkeit.
Der U-Force ist für Brushless-Verhältnisse ein relativ kompakter Controller (Grundfläche etwa 38x52 mm) und kann auch Bürstenmotoren regeln. Dass das alles seinen Preis hat, brauche ich wohl nicht extra zu erwähnen... mir war es den finanziellen Aufwand wert.

Testbericht zum Schulze U-Force 75

Wem der Preis doch zu hoch ist, der kann sich bei Hacker umsehen; deren Master Car (Sport/Competition) Serie ist zwar ein wenig größer und bietet weniger Einstellungsmöglichkeiten, die Controller arbeiten dennoch sehr gut zu einem deutlich niedrigeren Preis.
Hacker arbeitet zur Zeit an einem neuen Regler der ähnliche Features wie der Schulze U-Force bieten soll.

Natürlich kann man auch auf RC-Car taugliche Flugcontroller zurückgreifen und kommt dadurch meist etwas günstiger davon.
Allerdings werden diese Controller nur in Schrumpfschlauch verpackt mit seitlich herausgeführten Kabeln. Das erschwert die Montage und bietet weitaus weniger Schutz für den Controller als ein solides Kunststoffgehäuse.
Zudem zeigen die Controller selbst im "RC-Car Modus" ein gewissen Cogging beim Anfahren und eine geringere Regelempfindlichkeit. Fix voreingestellte Brems- und Beschleunigungsparameter wirken sich ebenfalls nicht gerade positiv auf das Fahrgefühl aus - lieber nochmals 50-100€ auf einen Top Car-Controller sparen, es zahlt sich wirklich aus! (das zumindest meine Erfahrung)

Wem die Kosten für ein sensorloses BL-Set zu hoch sind oder wer sich angesichts der Kompatiblitätsproblemen mancher Motoren nicht mehr sicher ist, was er kaufen soll, für den gibt es dennoch bürstenlose Alternativen: Novak Electronics bietet mit dem SS5800 ein Set samt Motor und Regler an. Die Motorleistung entspricht an 6 Zellen etwa einem Bürstenmotor mit 13-14 Windungen, betrieben werden kann das SS5800 mit bis zu 7 Zellen (wobei die Leistung um etwa 30% steigen dürfte) Leider scheinen die Regler manchmal bereits defekt ausgeliefert zu werden oder in den ersten paar Betriebsminuten kaputt zu gehen. Der SS5800 Motor besitzt die Abmessungen eines Standard 540er Bürstenmotors, die lange Motorwelle ist abgeflacht. Der Regler selbst ist zwar nicht so leistungsfähig wie seine sensorlosen Car-Pendantd (zZ. Schulze U-Force und Master Car Serie) er ist dafür mit einer Grundfläche von etwa 34x45 mm relativ kompakt.

Auch LRP Electronics entwickelt zusammen mit Reedy ein sensorgesteuertes Brushless Set welches in den nächsten Monaten erhältlich sein dürfte. Leistungsmäßig dürfte dieses Set doch merkbar über dem SS5800 von Novak angesiedelt sein - der (aktuelle) Preis liegt jedoch sogar noch über dem eines U-Force 75 & Plettenberg HP220 Car (wohl das teuerste sinnvolle BL-Setup für 1/10 Modelle)
Egal jedoch für welche Version man sich nun entscheidet - Bürstenlose Motoren stellen leistungsstarke Antriebe dar. Gute Akkus (Markenpacks von Sanyo oder GP, keine No-Names, "Billigpacks" und ähnliches) und ein widerstandsarmes Gold- oder Silberstecksystem sind "must-haves" für den Brushless-Fahrer. Hier geht es nicht darum, ob die Stecker schmelzen oder die Akkus kaputt gehen, sondern einfach um die Belastung, der der Regler ausgesetzt ist - der kann nämlich durch minderwertige Akkuzellen oder Tamiyastecker zerstört werden!

Motorwelle: mache Motoren besitzen wie die Bürstenmotoren eine abgeflachte Welle, die meisten jedoch eine runde. Es ist nicht nötig, zur sicheren Ritzelmontage im 1/10er Bereich diese Wellen anzuschleifen. Die Ritzelschrauben müssen mit gutem Werkzeug und unter Verwendung von blauer (mittelfester) Schraubensicherung angezogen werden, dann hält das Ritzel auf beiden Wellentypen zuverlässig

Lager: Viele Brushless Motoren besitzen relativ ungeschützte Lager am Motorkopf. Vor allem in 2WD Offroadern gilt es diese Lager zu schützen - sei es durch Luftballonüberzüge oder Spraydosenkappen... Denn; Schmutz dringt hier schnell ein, das Entfernen gestalltet sich wegen der geschlossenen Bauweise aber als nicht immer einfach.

Anschlusskabel: Die Anschlusskabel sind relativ steif da es sich hier um die verdrillten Wicklungen handelt. Werden die Kabel mehrmals hin und her gebogen, so werden sie an der Knickstelle schnell weicher - ACHTUNG! Obwohl meine Tests an kaputten BL-Motoren zeigten, dass die Anschlussdrähte selbst durch exzessives Hin und Her biegen nicht abreißen, kann es hier dennoch zur Beschädigung kommen, was den Widerstand einzelner Phasen erhöht und der Motor daraufhin möglicherweise nicht mehr richtig lauffähig ist. Deshalb in Modellen mit relativ frei liegendem Motor (wiederum die 2wd Offroader) stets dafür sorgen, dass die Drähte durch eine Kabelbinderschlaufe oder ähnlichem gut aber nicht zu fest gehalten werden.

Controllermontage: Bei den Schulze und Hacker Controllern im Kunststoffgehäuse gibt es keinerlei Probleme, die kann man einfach mit doppelseitigem Klebeband am Chassis befestigen. Bei Controllern in Schrumpfschlauchverpackung sollte man jedoch vorsichtiger vorgehen! Es bieten sich zwei möglichkeiten an:

• Den Regler mit 2 Kabelbinder sichern, die um die Anschlusskabel (Akku, Motor) gelegt und mit Schaumstoff gepolstert werden - gut geeignet z.B. um den Regler an einem Oberdeck zu montieren
• Den Schrumpfschlauch vom Regler entfernen und neu einschrumpfen. Diesmal mit einer ABS oder Lexanplatte mit der Grundfläche des Reglers. Nun hat der Regler eine ebene Unterseite und kann ebenfalls mit doppelseitigem Klebeband montiert werden.

Controllereinstellungen: Wenn der Controller die Beschleunigungskraft (Hochlaufzeit) und Bremszeit (Zeit in der der Controller die Motorbremse von 0 auf 100% erhöht) variieren kann (beim Schulze U-Force z.B. mit PC über das RS-232 Schnittstellenkabel) dann empfehlen sich folgende Werte:

Anmerkungen:

• Die Werte stellen die Maximalwerte dar, die in Bezug auf mechanische und elektrische Belastung noch Sinn machen. Abhängig vom Streckenlayout und dem Untergrund kann es sinnvoll sein, die Zeiten zugunsten der Fahrbarkeit weiter zu erhöhen!
• Bei manchen Modellen, Buggies mit "weichen" Antriebsknochen (Tamiya) bzw. Kunststoffwellen oder eindeutig filigran gehaltenem Antriebsstrang sollten die Steuerzeiten ebenfalls zugunsten der Haltbarkeit erhöht werden (bzw. das Modell entsprechend getuned werden)
• Je kleiner die Beschleunigungszeit gewählt wird, desto stärker werden Motor, Controller und vor allem Akku belastet. Controller mit Spannungsüberwachung (Schulze U-Force, Kontronik Jazz, Hacker Car-Serie) drosseln die Beschleunigungskraft automatisch, wenn die Spannung zu stark einbricht.
• Obwohl es auf den ersten Blick nicht logisch erscheint, so verschleißt der Antriebsstrang mit "vernünftig" gewählten Steuerzeiten weitaus weniger als mit einem Bürstenmotor, obwohl die Leistung über der eines Bürstenmotors liegt. Zwei Ursachen sind hier ausschlaggebend: das geringere Anlaufdrehmoment eines Brushless sowie dessen kleinerer und viel leichterer Rotor, der dem Antriebsstrang weniger Trägheit entgegenstellt.