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E-Motor

Der Motor ist das Herzstück jedes Autos und sollte daher auch immer entsprechend gepflegt werden. Motoren gibt es auf dem Markt wie Sand am Meer. Die Qualitätsunterschiede sind jedoch enorm. Auf dieser Seite erkläre ich den Aufbau und die Funktion der so genannten Modified-Motoren, deren Wartungs- und Pflegemöglichkeiten, technische Hintergründe und vieles mehr.

Der Aufbau

Ein Motor, wie er im RC-Car-Bereich eingesetzt wird, besteht aus vielen Einzelkomponenten (siehe Bild). Das sind im einzelnen das Gehäuse mit den Dauermagneten, dem eigentlichen Anker (Rotor) mit Wicklung und Kollektor, dem Lagerschild bzw. Motorkopf, den Kohlen bzw. Bürsten, den Motorfedern, diversen Distanzstücken und schließlich dem Befestigungsring. Die wichtigsten dieser Bestandteile werde ich nun im Einzelnen erläutern.

Anker

Auf dem Anker befindet sich die eigentliche Motorwicklung. Diese ist entscheidendes Merkmal für die Höhe der Motorleistung. Es gibt Motoren mit 6 bis ca. 27turns (mehr geht natürlich immer). Das bedeutet nichts anderes, als das bei einem 6turn Motor 6 Drähte aufgewickelt sind, während es z.B. bei einem 17turn Motor eben 17 Drähte sind. Je weniger Turns ein Motor hat, desto höher ist seine Drehzahl und die entsprechend abgegebene Leistung. Allerdings sinkt bei weniger Turns auch der Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von zugeführter zu abgegebener Leistung. Er wird meist in % angegeben. Hat ein Motor beispielsweise einen Wirkungsgrad von 0,80 (80%), so wandelt er 80% seiner aufgenommenen elektrischen Leistung in mechanische Rotation um (Drehzahl an der Welle). Aber nun wieder zurück zu den Wicklungen, da nicht nur die Anzahl der Wicklungen einen Einfluss auf die Motorcharakteristik hat. Die Drahtstärke (Durchmesser des gewickelten Drahtes) spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Je stärker der Draht, desto mehr Strom fließt durch ihn hindurch, was zu einem größeren Magnetfeld führt. Bei einem Motor mit wenigen Windungen kann meist ein "dickerer" Draht verwendet werden als z.B. bei einem 24turn Motor. Ein weiterer Punkt sind die Anzahl der Wicklungen, denn oft wird nicht nur mit einem Draht gewickelt, sondern gleich mit 2, 3, 4 oder noch mehr. Dies führt uns dann zu den Bezeichnungen 10x3, 12x2 usw. Bei einem 12x2 wurden also mit zwei Drähten 12mal gewickelt. Die Anzahl der Wicklungen hat jedoch lange nicht so große Auswirkungen als die Anzahl der Windungen. Bei Mehrfach-Wicklungen erhöht sich aufgrund der verminderten Wirbelstromverlusten die Drehzahl, wobei sich der Wirkungsgrad meist auch etwas verbessert. Die Wicklungen werden auf den Kollektorplatten (3 an der Zahl) fest gelötet. Der Kollektor stellt das Element dar, der den Strom von den Kohlen übertragen bekommt (dazu später mehr). Für einen runderen Lauf des Rotors wird dieser nach erfolgtem Wickeln noch ausgewuchtet (grüner Klecks auf der Wicklungsoberseite oder Bohrungen im Ankerkern). Als zusätzliches Unterscheidungsmerkmal gibt es maschinengewickelte und handgewickelte Anker. Handgewickelte Motoren sind teurer, jedoch das Geld wert. Diese Motoren gehen deutlich besser und die Wicklungen reißen nicht so schnell. Bei billigen maschinengewickelten Ankern werden die Drähte meist nur punktgeschweißt. Bei entsprechender Beanspruchung (volle Drehzahl und entsprechende Motortemperatur) reißen diese Wicklungen gerne auf was zum Totalschaden des Motors führen kann.

Gehäuse mit Lagerschild

Im Gehäuse sind die so genannten Dauermagnete angebracht. Je stärker diese Magnete sind, desto mehr Kraft kann ein Motor aufbringen. Wozu diese überhaupt benötigt werden, seht ihr weiter unten im Abschnitt "Funktion eines E-Motors". Der Anker wird im Gehäuse gelagert (meist mit Kugellagern). Das Lagerschild wird zum Schluss auf das Gehäuse aufgesetzt und mit Hilfe zweier Schrauben und dem Befestigungsring fixiert. Die Position des Lagerschildes hat ebenfalls Einfluss auf die Motoreigenschaften. Damit verstellt man nämlich das so genannte "Timing". Dazu ist meist eine kleine Kerbe und eine Skalierung angebracht. Das Timing beeinflusst direkt die Leistungskurve des Motors, d.h. bei welcher Drehzahl der Motor sein maximales Drehmoment aufbringt. Die Einstellung des Timings wird vom Hersteller auf eine optimale Position am Motorprüfstand eingestellt. Je mehr Timing man gibt, desto höher dreht der Motor, desto schlechter ist jedoch sein Drehmoment, also seine Kraftentfaltung. Auch im Lagerschild befindet sich ein Kugellager zur Aufnahme des Ankers. Oft sind auch die Entstörkondensatoren im Lagerschild eingelassen. Auf dem Lagerschild befindet sich dann auch der Kohlenschacht, durch den die Kohle auf den Kollektor geführt wird.

Motorkohle und Motorfeder

Wie schon erwähnt, haben die Motorkohlen die Aufgabe den Strom auf den Kollektor des Motors zu übertragen. Angepresst werden die Kohlen durch entsprechende Motorfedern. Beide Komponenten (Kohle und Feder) haben wiederum Einfluss auf die Motorleistung. Kohlen unterscheidet man in ihrer Härte. Je härter eine Kohle ist, desto mehr Top-Speed hat man. Den Nachteil den man dadurch hat ist ein höherer Kollektorverschleiß. Dabei wird die Kollektoroberfläche unrund und bekommt leichte Riefen. Der Motor verliert mit der Zeit drastisch an Leistung und muss abgedreht werden (dazu später mehr). Weichere Kohlen bringen hingegen mehr Drehmoment, verschleißen jedoch auch schneller. Von daher gilt es auch hier wieder einen Kompromiß zu finden. Das gleiche Problem hat man bei der Wahl der Federn. Harte Federn bringen mehr Drehmoment, aber weniger Top-Speed, weiche Federn hingegen mehr Top-Speed aber weniger Drehmoment. Nun könnte man jedoch davon ausgehen, dass man auf engen und winkligen Kursen mit weichen Kohlen und harten Federn (und somit maximales Drehmoment) die besten Karten hat. Das stimmt zwar; die Frage ist nur wie lange. Weiche Kohlen verschleißen sehr schnell und können beim Einsatz von harten Federn innerhalb von wenigen Akkus verschlissen sein. Viel Spaß beim reinigen des Motors...

Pflege und Wartung

Zur Pflege und Wartung eines Motors gibt es jede Menge Wässerchen und Wundermittel welche die Leistung des Motors erhöhen sollen. Meiner Meinung nach ist das nur Geldmacherei. Ein vollkommen ausreichendes Reinigungsspray ist Bremsenreiniger aus dem Baumarkt. Damit kann man in kürzester Zeit sämtlichen Kohlenstaub aus dem Motorgehäuse ausspülen (vor allem bei Stock-Motoren die man nicht öffnen kann bzw. darf). Bei Modified-Motoren sollte man sich jedoch die Zeit nehmen und den Motor öffnen und behutsam reinigen. Ein einfacher, trockener und sauberer Lappen und ein Paar Wattestäbchen reichen für eine Standardreinigung vollkommen aus. Ist jedoch der Kollektor angegriffen (Kollektorbrand), sollte man ihn abdrehen (siehe Abschnitt Kollektordrehbank). Ein Tropfen Öl an die Kugellager kann manchmal Wunder bewirken. Außerdem sollte der Kohlenschacht immer in einwandfreiem Zustand sein, damit die Kohle sauber und gerade geführt werden kann.

Kollektordrehbank

Kollektordrehbänke gibt es von vielen Herstellern. Prinzipiell gibt es auch keine großen Qualitätsunterschiede. Für die Qualität der Kollektoroberfläche ist einzig und alleine die Meißelart und die Drehzahl beim Abdrehen entscheidend. Bei den Meißeln gibt es die Standard Hartmetallmeißel und die erheblich besseren aber auch extrem teuren Diamantmeißel. Aber wozu überhaupt abdrehen? Nach einigen Akkus (vor allem bei hochdrehenden Modified-Motoren) wird der Kollektor schwarz (Kollektorbrand, entstanden durch den Kohlenabrieb am Kollektor) und der Übergangswiderstand zwischen Kollektor und Kohle erhöht sich. Außerdem wird der Kollektor unrund, was zu einem Springen der Kohlen führen kann. Infolge des höheren Widerstandes verringert sich der Strom, wodurch die Drehzahl des Motors sinkt. Wie man im Bild erkennen kann, wird bei Drehbänken für Modified-Motore der Anker ausgebaut, in einer Vorrichtung gelagert und über einen Motor und einen Gummiriemen auf Drehzahl gebracht. Mit einer speziellen Schwalbenschwanzführung kann nun der Meißel in X und in Y-Richtung genauestens bewegt werden. Beim Abdrehvorgang sollte man möglichst gleichmäßig und in kleinen Schritten vorgehen, also immer ein zehntel mm zustellen und langsam hin- und zurück bewegen, bis die Kollektoroberfläche keinerlei Riffen aufweist. Die Kollektoroberfläche sollte dann wie neu sein. Nach erfolgtem Abdrehen muss man die 3 Rillen zwischen den Kollektorplatten gründlich reinigen, da sich beim Abdrehen gerne ein paar Späne ablagern. Dazu kann man ein Bastlermesser verwenden. Oder ganz einfach ein Stück Papier mehrmals falten und durch die Rille ziehen.

Funktion eines E-Motors

Die Dauermagnete am Inneren des Gehäuses bauen ein Magnetfeld auf (Ständerfeld). Durch die Wicklung des Ankers fließt ein Strom, welcher ein weiteres Feld erzeugt, das so genannte Läuferfeld. Die momentane Feldachse des Läuferfeldes richtet sich immer nach der festen Feldachse des Ständerfeldes aus. Dadurch ergibt sich eine Drehbewegung (Ausrichtung) des Ankers. Da nun die Stromrichtung mit Hilfe des Kommutators (Kollektors) gewechselt wird, stehen nun beide Feldachsen 180° zueinander. Durch die Schwungmasse dreht sich der Anker jedoch etwas weiter und kann sich nun wieder ausrichten. Es kommt zu einer kompletten Drehbewegung des Ankers. Der Strom der durch die Ankerwicklung fließt, wird von den Kohlen auf den Kollektor übertragen. Der rote Punkt in der Zeichnung rechts steht für einen Stromfluss aus dem Leiter hinaus (aus der Zeichenebene), das Kreuz für einen Stromfluss in den Leiter hinein. Das Ständerfeld (Feldlinien) weicht dem Läuferfeld aus, woraus sich die gezeichneten Kräfte ergeben (man kann sich die Feldlinien wie Gummibänder vorstellen, die in gezeichneter Position gestraft werden). Dies führt zu der erwähnten Ausrichtung bzw. Drehbewegung.