Relais/SSR: Wicklungsanzapfung Brushless Motor schalten

[Roland R. (loudspeaker)]

Für ein Wettbewerbsfahrzeug im Modellmaßsstab baue ich gerade den 
Antriebsstrang auf.
Das Fahrzeug soll aus einer begrenzten Energiequelle (7VDC, 4A Dauer 
|7VDC 20A Kurzzeitig) in begrenzter Zeit möglichst oft einen dynamschen 
Rundkurs abfahren.

Die grüne Linie im Diagramm beschreibt den Anteil des nach Drezahl 
gewichteten Energieverbrauches. Also wird knapp 50% der Energie in 
Drehzahlbereichen von <50% Wirkungsgrad investiert.

Um die Wirkungsgrade im unteren Drehzahlbereich zu erhöhen wird der 
Modellbau-Brushless-Motor mit einer Wicklungsanzapfung versehen 
(insgesamt also 6 Motoranschlüsse) und eine kürzere Übersetzung gewählt. 
So entsteht ein schaltbares "Getriebe" mit dem 1. Gang an den 
Anschlüssen 1UVW und den 2.Gang an 2UVW.

Versorgt wird der Motor via Modellbauregler. Dieser Regler muss nun 
abwechselnd auf 3 der 6 Motorspulen geschalten werden.

Diese soll möglichst energiesparend (Spule und Kontaktwiderstand des 
Schalters) passieren. Also wenn möglich bistabil (engl latching), sodass 
nur für das Schalten Energie aufgewandt werden muss, nicht aber für das 
Halten.Geschalten wird etwa 2x pro 10 Sekunden. und ~ 250 Mal pro Tag. 
Je leichter desto besser. Unser Fahrzeug wiegt insgesamt 1kg, daher 
spielt das Gewicht des Schalters auch eine Rolle.

Ich habe mich nach bistabilen 3xUM-Relais auf 5-7V DC Spulenspannung 
umgesehen, aber wenig gefunden, die AC (Syncronmotor) und Ströme bis 14A 
(maximaler Motorstrom) schalten können.

Durch die Suchfunktion habe ich im Forum habe ich einige Beiträge über 
SSR (SolidStateRelais) gefunden und fand sie auch hilfreich, jedoch habe 
ich nichts hilfreiches über SSRs mit 3xUM (engl 3PDT)-Funktion gefunden. 
Zusätzlich müssten diese eine Non-Zero Switch-Funktion haben.

Leider kenne ich mich mit Relais und SSR recht wenig aus und wäre sehr 
dankbar für Tipps, wie ich den Motor richtig schalten kann.

loudspeaker

[Stephan H. (Gast)]

Roland Romano schrieb:
> So entsteht ein schaltbares "Getriebe" mit dem 1. Gang an den
> Anschlüssen 1UVW und den 2.Gang an 2UVW.

Verstehe ich recht:
- kein echtes Getriebe
- vorhandenes Getriebe wird mit kürzer Übersetzung ausgelegt
- Schnellgang über 2UVW (die Anzapfung)
- Langsamgang über 1UVW

Damit das was bringt muss der Motor an sich niedriger drehen und auch 
größer ausgelegt werden. Ansonsten steht im Schnellgang deutlich weniger 
Leistung zur Verfügung.
Größerer Motor bedeutet wiederum mehr Verluste. Lohnt der Ansatz?

[oszi40 (Gast)]

Stephan H. schrieb:
> - Schnellgang über 2UVW (die Anzapfung)

Ganz einfach wirds wohl nicht und ob Deine Motorwicklung das 
temperaturmäßig verkraftet? Einige Pedelecs haben auch mit Überhitzung 
zu kämpfen. Mein Idee wäre daher an Pedelec-Front mal nach geeigneten 
Teilen/Schaltungen zu suchen.

[Roland R. (loudspeaker)]

Danke für die Antworten.

Stephan H. schrieb:
> Damit das was bringt muss der Motor an sich niedriger drehen und auch
> größer ausgelegt werden. Ansonsten steht im Schnellgang deutlich weniger
> Leistung zur Verfügung.
Gibt es vielleicht ein Missverständnis, was "kürzere Übersetzung"
bedeutet? Vielleicht kannst du das näher ausführen, was du meinst? - ich
versuche mal blind darauf zu antworten:
Die Drehzahlen vom Wirkungsgradoptimum bei ~10-11.000 rpm schiebe ich
mit der kürzeren mechanischen Übersetzung nach links in die Region von
7000 rpm.
Alle Wirkungsgrade bleiben gleich (eta der Übersetzung ändert sich
etwas, aber kaum merkbar)
Ich fahre also mit der kleineren Übersetzung und der Original-Wicklung
eine langsamere Geschwindigkeit, diese dafür im höheren, effizienteren
Drehzahlbereich.
Durch das Umschalten auf den Motor mit weniger Wicklungen dreht dieser
schneller und ich kann eine höhere Geschwindigkeit erreichen als mit dem
"langsamen" Motor (nun die gleiche Geschwindigkeit wie mit dem
Originalmotor an der alten, längeren Übersetzung). Nun aber auch mit
guten Wirkungsgraden, da der untere Drehzahlbereich vom langsamen Motor
(der im unteren Drehzahlbereich effizienter ist) abgedeckt wird.
> Größerer Motor bedeutet wiederum mehr Verluste. Lohnt der Ansatz?
Ein größerer Motor heißt nicht automatisch mehr Verluste insgesamt. das 
kommt stark auf den Betriebspunkt an.

oszi40 schrieb:
> Ganz einfach wirds wohl nicht und ob Deine Motorwicklung das
> temperaturmäßig verkraftet? ...

Danke für den Tipp. Motorwicklung passt; für beste Effizienz betreiben
wir einen 250Wp-Motor bei eben 7V und 4A Dauer, also ~30W.

> Mein Idee wäre daher an Pedelec-Front mal nach geeigneten
> Teilen/Schaltungen zu suchen.
Pedelec-Teile sind leider weit zu schwer und haben in der Regel keine
Wicklungsumschaltung.

[Felix W. (felixw)]

Ich denke ihr setzt an der falschen Stelle an. Eure Verluste sinken bei 
höheren Drehzahlen. Das ist ungewöhnlich. Anstatt den Motor zu frisieren 
schlage ich vor den Modellbauregler Aufmerksamkeit zu schenken.
a) Die Ansteuerung der Motorphasen spezielle für eure Verwendung 
optimieren (Mosfets der B6 Brück im Motorregler unabhängig voneinander 
nach Nach Lage und benötigtem Drehmoment schalten) (mit altem Getriebe)
b) Einen Hochsetzsteller verwenden und die Versorgungsspannung am 
Motorregler bei Bedarf für hohe Geschwindigkeiten erhöhen (mit neuem 
Getriebe)

Grüße Felix

[Klaus (Gast)]

Roland Romano schrieb:
> Das Fahrzeug soll aus einer begrenzten Energiequelle (7VDC, 4A Dauer
> |7VDC 20A Kurzzeitig) in begrenzter Zeit möglichst oft einen dynamschen
> Rundkurs abfahren.

Bei den kleinen Spannungen verbrennt ihr wahrscheinlich viel an den 
unvermeidlichen Widerständen der Versorgung, angefangen beim 
Innenwiderstand des Akkus, den Kabeln, Schaltern, Sicherungen, 
Leiterbahnen, Lötstellen, den ohmschen Widerständen des Motors und den 
RDSon der FETs. Ich würd erstmal die Vergungsspannung kräftig erhöhen 
und den Strom entsprechend vermindern.

MfG Klaus

[Stephan H. (Gast)]

Roland Romano schrieb:
> Die Drehzahlen vom Wirkungsgradoptimum bei ~10-11.000 rpm schiebe ich
> mit der kürzeren mechanischen Übersetzung nach links in die Region von
> 7000 rpm.

Roland Romano schrieb:
> Ich fahre also mit der kleineren Übersetzung und der Original-Wicklung
> eine langsamere Geschwindigkeit, diese dafür im höheren, effizienteren
> Drehzahlbereich.

Ok, ich hatte es dann richtig verstanden.
Das mit dem an sich langsammer drehen war natüprlich Quatsch. Ihr ändert 
ja die mechanische Übersetzung.

Roland Romano schrieb:
> Danke für den Tipp. Motorwicklung passt; für beste Effizienz betreiben
> wir einen 250Wp-Motor bei eben 7V und 4A Dauer, also ~30W.

Der sollte dann auch bei "halbierter" Wicklung noch reichen.
Ich würde aber auch eher bei Betriebsspannung und Steller ansetzen.
Evtl. auch beim Motor: Ihr kommt bei max-Drehzahl ja kaum am 
Wirkungsgrad-Maximum (so bei 25% des Nennstroms) vom Motor an. Und der 
Wirkungsgrad ist dann normalerweise bis deutlich über 50% des Nennstroms 
sehr gut. Unter 15-20% des Nennstroms ist der dagegen eher mau.
Größere Motoren müssen zwar nicht zwangsläufig mehr Leerlaufverluste 
haben, meistens ist es aber so.

[Roland R. (loudspeaker)]

Felix W. schrieb:
> Ich denke ihr setzt an der falschen Stelle an. Eure Verluste sinken bei
> höheren Drehzahlen. Das ist ungewöhnlich.
Nein ist es nicht. Wenn du einen BL-Motor bei Nennspannung unterhalb der 
Drehzahl mit dem optimalen Wirkungsgrad betreibst, so steigen die 
ohmschen Verluste, der Wirkungsgrad sinkt.

Felix W. schrieb:
> Mosfets der B6 Brück im Motorregler unabhängig voneinander
> nach Nach Lage und benötigtem Drehmoment schalten
Kannst du genauer beschreiben, was du meinst? Modellbauregler schalten 
ja in Abhängigkeit der Rotorlage (inkl. einstellbarem Timing) und passen 
den Tastgrad an den Motorphasen dem über das Servokabel vorgegeben Wert 
an.

Klaus schrieb:
> Bei den kleinen Spannungen verbrennt ihr wahrscheinlich viel an den
> unvermeidlichen Widerständen der Versorgung, ...
Ganz richtig. insbesondere wenn es um starke Beschleunigungen in den 
unteren Drehzahlbereichen geht, dann dominieren dort die ohmschen 
Verluste. Diese kann man durch Widerstandsreduktion begegnen -> machen 
wir im gesamten Antriebsstrang.

Felix W. schrieb:
> Einen Hochsetzsteller verwenden ....
Klaus schrieb:
> Ich würd erstmal die Vergungsspannung kräftig erhöhen
> und den Strom entsprechend vermindern.
Danke für die Tipps, einen BoostConverter haben wir bereits in Betracht 
gezogen. Damit keine Verzögerung bei der Beschleunigung entsteht müsste 
dieser aber ohne oder nur mit kleinem Speicher vorm Regler arbeiten. 
Somit müsst er die Pmax des Motors schalten können und wäre leider zu 
groß und schwer, um ihn verwenden zu können. Unser Fahrzeug wiegt knapp 
1kg.
Zusätzlich müsste der höhere Leerlaufstrom (wg. höherer Drehzahl) auch 
hochgesetzt werden und verursacht somit ein Vielfaches an 
Leerlaufverlusten. Diese könnte man verkleinern, indem man einen Motor 
mit niedrigerem Kv wählt. Niedriges Kv bedeutet aber mehr Wicklungen -> 
Motorwiderstand steigt. -> Gewicht steigt.

Beispiel: im optimalen Betriebspunkt (7V, 5,5A) haben wir derzeit etwa 
6W Leerlaufverluste (7Vx0,9A) und 5W ohmsche Verluste
wenn ich im selben Drehzahlbereich bleiben will, dann kann ich einen 
Motor mit weniger Kv verwenden. nehmen wir den Faktor 1,5 für alle 
Motorgrößen (Ri, Kv, I0) als Rechenbeispiel.
aus 7V und 5,5A werden 10,5V und 3,7A
mit einem niedrigeren Kv sinkt mein Leerlaufstrom auf 0,6A (kleines Kv 
steigert Km), ich muss diese 0,6A allerdings von 7V hochstellen, also 
habe ich im 7V-Niveau weiterhin 0,9A als Leerlaufstrom.
Meine Ohmschen Verluste bleiben bei 5 W (Ri größer, aber kleiner Strom)

nunja. wie man sieht ändert eine reine Umstellung auf weniger Strom, 
mehr Spannung nicht grundlegend etwas, sondern hebt nur den 
Spitzenwirkungsgrad (ein E-Motor in einem Fahrzeug wird selten an einem 
einzigen Betriebspunkt gefahren)

Wirkliche Verbesserungen sind nur durch wesentlich größere Motoren 
möglich. (mehr Kupfer heißt weniger Widerstand) Da sind aber auch 
Grenzen aufgrund des Gewichtes und irgendwann nehmen auch die 
Leerlaufverluste weiter zu.

Stephan H. schrieb:
> Ihr kommt bei max-Drehzahl ja kaum am
> Wirkungsgrad-Maximum (so bei 25% des Nennstroms) vom Motor an.
doch. und sogar ziemlich genau. Beim Wirkungsgrad muss man auch Kabel, 
regler etc. berücksichtigen, und bei
0,150 Ohm Innenwiderstand, 1780 rpm/V Drehzahlkonstante, 6,9V 
Betriebsspannung und 0,9A Leerlaufstrom ist einfach nicht mehr als 75% 
eta drinnen.

Stephan H. schrieb:
> Größere Motoren müssen zwar nicht zwangsläufig mehr Leerlaufverluste
> haben, meistens ist es aber so.
bei kleinen Modellbaumotoren wie wir sie verwenden ist es genau 
umgekehrt. Viele dieser Motoren erzeugen ihre Leistungen über sehr hohe 
Drehzahlen. Dadurch steigen die Leerlaufverluste in die 50Watt oder 
mehr!
Wir konnten dem entgegenwirken, indem wir einen größeren Motor gewählt 
haben, der mehr Windungen hat und konnten so die Leerlaufverluste auf 5W 
drücken.
Wenn man den Motor noch größer Macht und noch niedrigere Kv angeht, so 
steigen die Verluste wieder durch größere Lager/Bauform bzw. machen die 
niedrigeren kV eine längere Übersetzung nötig, was die ohmschen Verluste 
in die Höhe treibt.

In der Zwischenzeit habe ich einen Testaufbau mit drei kleinen 
Kippschaltern 1xUM gemacht. j´Jeder kann 6A und 125VAC. die Kontakte 
schalten zuverlässig, auch unter Last von 10A. Der nächste Schritt wird 
sein, die Schalter zu zerlegen und Kontakte anzuschauen bzw. deren 
Kontaktwiderstand zu messen.

Leider kamen bisher kaum Vorschläge zum Schalten der Phasen. Falls die 
mechanschen Schalter gut funktionieren, bleiben wir vielleicht dabei. 
leicht und günstig sind sie jedenfalls.

loudspeaker

[Stephan H. (Gast)]

Roland R. schrieb:
>> Ich denke ihr setzt an der falschen Stelle an. Eure Verluste sinken bei
>> höheren Drehzahlen. Das ist ungewöhnlich.
> Nein ist es nicht. Wenn du einen BL-Motor bei Nennspannung unterhalb der
> Drehzahl mit dem optimalen Wirkungsgrad betreibst, so steigen die
> ohmschen Verluste, der Wirkungsgrad sinkt.

Das ist klar. Nur müsste dann die Stromaufnahme und die Wirkleistung 
erst mal deutlich sichtbar ansteigen. Strom für die halbe Drehzahl (bei 
gleicher Spannung) so auf das 5-fache. Das seh ich nur ansatzweise im 
Bereich von 10-11 kUPM.

Erklärbar wird das ganze erst durch die PWM im Regler. Ergibt zusammen 
mit der Motorinduktivität einen Tiefsetzsteller:

Ohmscher Widerstand ca. 0.2 Ohm. (aus 5W ohmsche Verluste bei optimalem 
Betrieb)
40W bei 6000Upm wären 5,7A@7V oder 6,5W.
PWM 60% on macht ca. 9,5A in den Motorwicklungen. Wären dann 18W ohmsch.
Passt in etwa zu deinen Messungen.

.. und hat mich selber überrascht. Die Wicklungsumschaltung oder ein 
echtes Getriebe sind wohl der einzige Weg auch bei halb geöffnetem 
Regler nen guten Wirkungsgrad zu erreichen.
Alternativ: kleinerer Wicklungswiderstand

Roland R. schrieb:
>> Bei den kleinen Spannungen verbrennt ihr wahrscheinlich viel an den
>> unvermeidlichen Widerständen der Versorgung, ...
> Ganz richtig. insbesondere wenn es um starke Beschleunigungen in den
> unteren Drehzahlbereichen geht, dann dominieren dort die ohmschen
> Verluste. Diese kann man durch Widerstandsreduktion begegnen -> machen
> wir im gesamten Antriebsstrang.

Scheint mir hauptsächlich im Motor (und auch im Regler) zu liegen. Die 
Zuleitungsverluste dürften kaum relevant sein (bzw. mindestens unter 
9000 UPM fallend sein).


P.S.: Die mechanische Leistung im Diagramm ist an der Welle gemessen und 
nicht irgendwie aus Leerlaufmessung, Lastmessung und Datenblättern 
ausgerechnet, richtig?

[loudspeaker (Gast)]

Stephan H. schrieb:
> Erklärbar wird das ganze erst durch die PWM im Regler. Ergibt zusammen
> mit der Motorinduktivität einen Tiefsetzsteller:

> Ohmscher Widerstand ca. 0.2 Ohm. (aus 5W ohmsche Verluste bei optimalem
> Betrieb)
> 40W bei 6000Upm wären 5,7A@7V oder 6,5W.
> PWM 60% on macht ca. 9,5A in den Motorwicklungen. Wären dann 18W ohmsch.
> Passt in etwa zu deinen Messungen.

da hast du einen guten Punkt getroffen. Während des Rennens variiert die 
Gasstellung ja laufend. Diese hab ich nicht mitgemessen :/ - Das ist 
wichtig und werde ich bei der nächsten Messfahrt verkabeln. Danke.

> .. und hat mich selber überrascht. Die Wicklungsumschaltung oder ein
> echtes Getriebe sind wohl der einzige Weg auch bei halb geöffnetem
> Regler nen guten Wirkungsgrad zu erreichen.
> Alternativ: kleinerer Wicklungswiderstand

ja, zu dem Schluss bin ich auch gekommen. alternativ könnte man auch die 
Versorgungsspannung variieren, aber das kommt für uns gewichtsmäßig 
nicht in Frage.
auch ein kleiner Wicklungswiderstand hilft hier nur nur mit einem sehr 
kleinen Hebel. Damit die Ohmschen Verluste nicht explodieren muss man 
irgendwann in den Strombegrenzerbetrieb wechseln. Ab da sinkt die mech. 
Leistung linear bis zum Stillstand.
Um die verluste so klein zu halten und die Effizienz so hoch zu halten, 
wie man sie mit Wicklungsumschaltung erreicht müsste man den 
Innenwiderstand extrem klein gestalten, was einen extrem schweren Motor 
mit sich bringt.

> Scheint mir hauptsächlich im Motor (und auch im Regler) zu liegen. Die
> Zuleitungsverluste dürften kaum relevant sein (bzw. mindestens unter
> 9000 UPM fallend sein).
Ich habe (noch) Steckverbindungen zwischen Motor und Regler drinnen. 
diese machen auch einige mOhm aus. Der Regler für diese Dummy-Fahrt aus 
dem Diagramm war auch ein Reely 30A regler mit vergleichsweise hohem 
RDSon. Da liegst du wahrscheinlich richtig.
Die Zuleitung ist sicher auch nicht zu unterschätzen, denn hier war 
Lipo+Datenlogger+Adapter+Reglerstecker (=Tamiya :/) verbaut, was sicher 
die Zuleitungsverluste maximiert hat.
ToDo also: Testfahrt mit reduziertem Widerstand in allen Verbindungen 
und Gasstellung mitloggen.

> P.S.: Die mechanische Leistung im Diagramm ist an der Welle gemessen und
> nicht irgendwie aus Leerlaufmessung, Lastmessung und Datenblättern
> ausgerechnet, richtig?
der Motor wurde am Prüfstand mit diesem Regler-Setup getestet. die 
komplette Kennlinie. Darauf aufbauend mit Ri,Kv und I0 eine Kennlinie 
gebastelt, die ziemlich genau diesem Motor entspricht.

Bei der Testfahrt selbst konnte ich die Wellenleistung (natürlich) nicht 
messen (Maßstab 1:10) und musste sie anhand der Kennlinie berechnen.
Der Teillastbetrieb ging dabei allerdings verloren, da dies nicht 
mitgeloggt wurde. Daher ist obiges Diagramm verfälscht und muss mit 
neuer Messfahrt neu erstellt werden.

Danke für die Tipps, Leute. Es freut mich, dass manche die 
Motorentechnik echt durchschauen und so kompetente Hinweise geben 
können. Die helfen echt weiter!

[Stephan H. (Gast)]

loudspeaker schrieb:
> Die Zuleitung ist sicher auch nicht zu unterschätzen, denn hier war
> Lipo+Datenlogger+Adapter+Reglerstecker (=Tamiya :/) verbaut, was sicher
> die Zuleitungsverluste maximiert hat.

So viel kanns auch nicht sein.

Motor @ Optimum
- 34W Gesamtleistungsaufnahme (inkl. Regler) = 7V, 4,85A
- bei 5W ohmschen Verlusten an dem Punkt ist das ein Gesamtwiderstand 
von 0.21Ohm

0.15Ohm hat die Wicklung (mit/ohne Leitverlusten im Regler erst mal 
egal); bleiben max. 60 mOhm für die Zuleitungskonstruktion.
Verhältnis 3:1

Die gemessenen 40W Leistungsaufnahme bei 6000Upm wären 5,7A@7V auf der 
Zuleitung, oder 1.95W.
Durch die PWM von 60% werdens in der Motorwicklung/den Regler-Fets 9,5A. 
Bei 150mOhm sind das 13,5W.
Verhältnis 7:1

Variable Versorgungsspannung bringt auch nicht soo viel. Für das 
derzeitige Drehmoment/die Leistung bei z.B. 6000UPM braucht der Motor 
halt die 9,5A und hat mit dem Wicklungswiderstand auch die 13,5 
Verluste.

Du könntest lediglich die Verluste im Regler (häufigere Schaltvorgänge) 
reduzieren.
Die kommen zu obiger Rechnung bei halboffenem Regler nämlich noch dazu. 
Und da gibt's gute und schlechte Regler.

Hier mal ein Eindruck: 
http://www.umfc-gnas.at/mediabase/docs/Dokument-18.pdf
In dem Test war die Last immer ein Propeller, niedrigere Drehzahl ist da 
immer niedrigeres Drehmoment und weniger Motorstrom (halbe Drehzahl = 
1/8 Leistung).
Der Gaslevel wird so grob mit dem generierten Schub zusammenpassen (50% 
Gas = 50% Schub = 70.7% Drehzahl).

[Roland R. (loudspeaker)]

Danke für die Ausführungen, Stephan. wie gesagt sehr hilfreich.

Den Bereich der Teillast habe ich bisher noch nicht näher betrachtet, 
aber das verlinkte Doc hat mich auf zwei Ideen gebracht, die ich mit 
Datenlogger und Prüfstand verifizieren kann.

Durch die Wicklungsanzapfung umschiffe ich diesen Bereich elegant, da 
ich mehr Zeit in Vollast fahren kann und den Strombegrenzer-Betrieb (in 
Gedanken durch Nachlassen der Gasstellung) eher vermeiden kann.

In unserem Fahrezeug tritt der Teillastbetrieb auch meist bei 
niedrigerer Drehzahl und geringerem Moment (Zwischengas in Kurvenfahrt) 
aber auch bei niedriger Drehzahl und hohen Momenten (Beschleunigungen) 
auf. Zu welchen Teilen am Gesamtenergieverbrauch kann ich erst nach 
neuerlicher Messung sagen. stay tuned :)

[Stephan H. (Gast)]

loudspeaker schrieb:
> der Motor wurde am Prüfstand mit diesem Regler-Setup getestet. die
> komplette Kennlinie. Darauf aufbauend mit Ri,Kv und I0 eine Kennlinie
> gebastelt, die ziemlich genau diesem Motor entspricht.
>
> Bei der Testfahrt selbst konnte ich die Wellenleistung (natürlich) nicht
> messen (Maßstab 1:10) und musste sie anhand der Kennlinie berechnen.

Hmm. Was habt Ihr in welchem Setup gemessen? Was ist wie berechnet und 
was ist im Diagramm genau dargestellt?

Messung Motorkennlinie
- Leerlaufstrom?
- Strom bei unterschiedlichen Belastungen (mech.)?
- Spannung vmtl. immer 7V?
- Regler immer auf Vollgas oder auch gedrosselt?

Messung im Betrieb
- Gesamtstrom?
- Motorstrom nach dem Regler?
- Akkuspannung?
- Drehzahl?

Diagramm
- Stromkurven schauen so aus als hättet ihr den Gesamtstrom nach 
aktuellem Wirkungsgrad auf mech./Verlust aufgeteilt und dann gemittelt.
- Die Kreuze versteh ich gar nicht. Warum gibt's da Ausreißer z.B. bei 
6kUPM bis fast an null? Nach den Stromkurven hätte ich vermutet ihr 
macht Drehzahl > Eta, aber dann müssten die Kreuze doch auf einer 
glatten Kurve liegen, oder?

kurzum: Wie kommt ihr auf den aktuellen Wirkungsgrad?
Von der Drehzahl nicht sinnvoll, da Fehler beim Beschleunigen/Bremsen.
Vom Gesamtstrom auch nicht sinnvoll, da dito. und die echte Spannung am 
Motor und der echte Motorstrom vmtl. nicht erfasst.

So als Anregung:

Einen virtuellen Sternpunkt am Motor bilden (3*4,7k + Kondensator) und 
die echte Motor-Betriebsspannung (x2) mitloggen. Das sollte einfacher 
sein und bessere Daten liefern als das Steuersignal für den Regler.

Dann den Motor an den Prüfstand und Kennlinie Regler+Motor bei 
verschiedenen Regleröffnungen (echten Motor-Betriebsspannungen) 
ermitteln.
Die Behandlung des implizierten Tiefsetzsteller mag ich grad nicht 
durchdenken, ist aber wichtig und die direkte Messung wäre am besten. 
Auch der Eingangskondensator am Regler kann das Ergebnis verfälschen.
Die Differenzierung zwischen 6.5V Akkuspannung=Motorspannung und 7V 
Akkuspannung mit 6.5V Motorspannung (Regleröffnung) dabei nicht 
vergessen. Akkuspannung wäre dabei genauer noch Regler-Eingangsspannung, 
ist aber vmtl. nicht relevant.

Dann halt auf die Strecke. Ich denke das beste Wirkungsgrad-Matching zur 
Motor-Kennlinie bekommst du über die echte Motorspannung (implizierter 
Tiefsetzsteller) und den echten Motorstrom (hilfsweise berechnet aus 
Gesamtstrom, Akkuspannung, Motorspannung und Reglerkennlinie).

Ich vermute das Diagramm sieht dann deutlich anders aus. Eine 
Darstellung nach Motorspannung (= Ziel-Drehzahl) auf der X-Achse wäre 
vmtl. passend.
Wenn die Motor-Regler-Charakteristik erst mal korrekt abgebildet ist 
kann man auch besser beurteilen was sinnvoll ist.

Eine zeitliche Darstellung über eine Runde würde bestimmt auch helfen.

[Roland R. (loudspeaker)]

Stephan H. schrieb:
> Eine zeitliche Darstellung über eine Runde würde bestimmt auch helfen.
dies gleich zuerst. anbei eine Rundkursskizze und ein Rundenverlauf. 
Ganz unten im Diagramm habe ich die Kurven und Geraden inetwa markiert.

Du hast da einige gute Punkte dargelegt, Stefan, die ich im Detail 
durchgehen möchte; alles kann ich dir heute mangels Wissen (noch) nicht 
beantworten. Vielleicht kannst du mir da auf die Sprünge helfen.

Stephan H. schrieb:
> Messung Motorkennlinie
> - Leerlaufstrom?
> - Strom bei unterschiedlichen Belastungen (mech.)?
> - Spannung vmtl. immer 7V?
> - Regler immer auf Vollgas oder auch gedrosselt?

- Ja, Leerlaufstrom gemessen.
- Strom wurde bei unterschiedlichen Momenten und daher Drehzahlen 
gemessen.
mit einem Aufbau dieser Art (siehe Anhang Teststand)
- Versorgungsspannung 7V, ja.
- Regler auf Vollgas
Die Kennlinien waren sehr gut reproduzierbar und passten gut in die 
berechneten Kennlinien. (einfache Modellierung mit Ubat = rpm/Kv + 
Ri*Ibat)

Stephan H. schrieb:
> Messung im Betrieb
> - Gesamtstrom?
> - Motorstrom nach dem Regler?
> - Akkuspannung?
> - Drehzahl?

- Gesamtstrom am Reglereingang (EagleTree Datenlogger)
- Motorstrom nach dem Regler nicht gemessen
- Akkuspannung am Reglereingang gemessen
- Drehzahl mit Sensor an einer Motorphase gemessen.

Stephan H. schrieb:
> - Stromkurven schauen so aus als hättet ihr den Gesamtstrom nach
> aktuellem Wirkungsgrad auf mech./Verlust aufgeteilt und dann gemittelt.
.... was natürlich nur bei Teillast gemacht werden darf. Daher stimmt 
das Diagramm so nicht mehr. Das war eine wichtige Erkenntnis gestern!

Stephan H. schrieb:
> - Die Kreuze versteh ich gar nicht. Warum gibt's da Ausreißer z.B. bei
> 6kUPM bis fast an null? Nach den Stromkurven hätte ich vermutet ihr
> macht Drehzahl > Eta, aber dann müssten die Kreuze doch auf einer
> glatten Kurve liegen, oder?
Wenn wir immer Volllast fahren, dann hast du Recht. Der Teillast-Betrieb 
erzeugt aber komplett andere Wirkungsgrade und somit keine glatte Kurve.

Stephan H. schrieb:
> kurzum: Wie kommt ihr auf den aktuellen Wirkungsgrad?
> Von der Drehzahl nicht sinnvoll, da Fehler beim Beschleunigen/Bremsen.
> Vom Gesamtstrom auch nicht sinnvoll, da dito. und die echte Spannung am
> Motor und der echte Motorstrom vmtl. nicht erfasst.
Folgende Formel ist hinterlegt:
Wirkungsgrad = Pmech/Pel = n*M / Umess*Imess = n*Imess*Km / Umess*Imess
Km = Drehmomentkonstante in Nm/A
Somit sieht man in den Daten auch die Fehler von Beschleunigung und 
Bremsen.
Die echte Motorspannung und der echte Motorstrom wurde wie du richtig 
sagst nicht erfasst und ist in der Teillast sicher ein anderer als in 
der Messung :/

Ich würde gerne die echten Motorwerte ermitteln, um das Diagramm richtig 
darzustellen und dann richtig zu entscheiden. Dazu stehen mir 
Standard-Elektronikbauteile und ein Arduino mit ATMega328 sowie ein 
EagleTree Logger zur Verfügung
Du schreibst:

> Einen virtuellen Sternpunkt am Motor bilden (3*4,7k + Kondensator) und
> die echte Motor-Betriebsspannung (x2) mitloggen. Das sollte einfacher
> sein und bessere Daten liefern als das Steuersignal für den Regler.

Den Sternpunkt kann ich leicht nachbilden, den Kondensator (47µF z.B. 
hab ich da) hänge ich zwischen Sternpunkt und Minuspol der Batterie, um 
das Potential zu stablisieren. Und dann die Spannung der Phasen vom 
Sternpunkt aus messen?
Einfacher ist das nicht, denn das Regler-Steuersignal kann ich am Logger 
anstecken und automatisch loggen. Genauer aber jedenfalls.

Wenn ich dann gleichzeitig die Reglereingangsspannung, 
Reglereingangsstrom und Drehzahl messe, so kann ich auf den Motorstrom 
rückschließen. Damit dann auch auf den Wirkungsgrad rückschließen, wenn 
mir die Motorwirkungsgrade bei anderen Versorgungsspannungen bekannt 
sind, oder?

Wie wesentlich sind die Teillastverluste an Reglern im mittleren 
Preissegment insgesamt? laut Literatur sind diese im Vergleich zum 
Motorwirkungsgrad eher zweitrangig. Wenn dies den Wirkungsgrad nicht 
wesentlich verzerrt würde ich die Ermittlung der Regler-Kennlinie aus 
Zeitgründen gerne auslassen. Wie schätzt du das ein?

[Stephan H. (Gast)]

Roland R. schrieb:
> In der Zwischenzeit habe ich einen Testaufbau mit drei kleinen
> Kippschaltern 1xUM gemacht. j´Jeder kann 6A und 125VAC. die Kontakte
> schalten zuverlässig, auch unter Last von 10A. Der nächste Schritt wird
> sein, die Schalter zu zerlegen und Kontakte anzuschauen bzw. deren
> Kontaktwiderstand zu messen.
>
> Leider kamen bisher kaum Vorschläge zum Schalten der Phasen. Falls die
> mechanschen Schalter gut funktionieren, bleiben wir vielleicht dabei.
> leicht und günstig sind sie jedenfalls.

Miss mal den Kontaktwiderstand der Schalter, bzw. von gesunden 
Beispiel-Relais. (realistische 4A durchjagen und Spannungsabfall messen)

2*Kontaktwiderstand + Widerstand der verkürzten Wicklung könnte höher 
liegen als die volle Wicklung ohne Relais. + höhere Leerlaufverluste 
durch höhere Nenndrehzahl > schlechterer Wirkungsgrad.

Im 60% Szenario (5,7A@7V, 9,5A@Motor) bringts ziemlich sicher was, auch 
wenn Kontaktwiderstände + höhere Leerlaufverluste nen guten Teil 
wegfressen.

Dann noch das zusätzliche Gewicht durch die Relais, da ist dann auch 
schnell der schwerere Motor drin...
Freilaufdioden gehen nicht, Snubber bringt im 2. Gang laufend Verluste 
(2. Wicklungsteil ist Generator), ohne bringt schnellen 
Kontaktverschleiß.
Der Motor hat Sensoren? Ansonsten kommt die Kummutierung evtl. beim 
Umschalten/Prellen manchmal komplett durcheinander.
Manch ein sensored Regler mag eine Umschaltung auch gar nicht vertragen.

Standard-SSR für 50Hz werden ziemlich sicher auch nicht funktionieren. 
Es müssten schon 6*2 antiserielle Mosfets sein - mit floatendem 
Source-Potential. Auch die bringen natürlich wieder etwas Verluste 
(mindestens 4 Fets im Strompfad). Bräuchte vmtl. auch einen Snubber was 
auch Verluste bringt.

Versorgungsspannung variieren ist auch so ne Sache. Zusätzliche Verluste 
im Boost/Buck/Sepic-Wandler, und gängige ESCs werden das kaum 
tolerieren. Unter so 6V funktionieren die dann gar nimmer 
(Gate-Aufsteuerung, MC-Versorgung, ...).

Ein speziell entwickelter Regler könnte sicher ein paar der Mosfets 
sparen, Versorgungsspannungsänderungen tolerieren, die optimale 
PWM-Frequenz für euch haben, ...
Ist aber auf Monatssicht (Vollzeit) bei weitem nicht machbar.

Ich würde:
- Messdaten prüfen/verbessern
- Relevanz des Modellgewichts für die Performance klären
- Optionen zur Wicklungsumschaltung neu bewerten (Gewicht, Stabilität, 
Wirkungsgrad)
- alternative Regler suchen
- alternative Motoren wechseln

[Stephan H. (Gast)]

Roland R. schrieb:
> anbei eine Rundkursskizze und ein Rundenverlauf.
> Ganz unten im Diagramm habe ich die Kurven und Geraden in etwa markiert.

Danke. Das schaut schon mal ganz plausibel aus.

Roland R. schrieb:
> Strom wurde bei unterschiedlichen Momenten und daher Drehzahlen
> gemessen.

Ok. Ist Standard. Die Drehzahl ändert sich dabei aber nur relativ wenig. 
Auf halbe Leerlaufdrehzahl runtergebremst wird er langsam geben. (7V 
Betriebsspannung, 3,5V innere Spannung mach gute 23A Strom)

Roland R. schrieb:
> Wirkungsgrad = Pmech/Pel = n*M / Umess*Imess = n*Imess*Km / Umess*Imess

Passt so nicht zum Diagramm. Imess kürzt sich raus und der Wirkungsgrad 
wäre (bei konstanter Spannung) konstant.
Die Formel könnte aus der einfachsten "Drehmoment aus Strom"-Formel 
weiterentwickelt sein. Die nimmt aber einen konstanten Wirkungsgrad an 
;)

Das müsste eher so sein:
Pmech = Konstante  innere Spannung   (Strom - Leerlaufstrom @ 
aktueller Drehzahl)
Strom ist der Motorstrom, nicht der Akkustrom. Innere Spannung ist "im 
Motor", praktisch die Klemmenspannung - R*Motorstrom.

Pmech = a*(Umotorklemme - R*Imotor) * (Imotor - Ileerlauf@n)
oder:
Pmech = a*(n/kv) * (Imotor - Ileerlauf@11000/n)

Der Leerlaufstrom bei der aktuellen Drehzahl ist in der letzten 
Gleichung halt nur grob.

Roland R. schrieb:
> Den Sternpunkt kann ich leicht nachbilden, den Kondensator (47µF z.B.
> hab ich da) hänge ich zwischen Sternpunkt und Minuspol der Batterie, um
> das Potential zu stablisieren. Und dann die Spannung der Phasen vom
> Sternpunkt aus messen?
> Einfacher ist das nicht, denn das Regler-Steuersignal kann ich am Logger
> anstecken und automatisch loggen. Genauer aber jedenfalls.

So in etwa. Nur den Kondensator halt über Widerstände an die 3 Phasen.
Das beste wäre den Motorstrom zu messen. Dann bräuchtest du die Spannung 
gar nicht, bzw. nur um den Regler besser zu beobachten. (siehe oben)

Praktisch gebaut hab ich das alles aber auch noch nicht ...

Probier gerne das Reglersignal. Da ist halt wieder die Frage wieviel % 
Reglersignal welche Motorspannung bedeutet, wie schnell der Regler das 
Signal weitergibt und wie direkt er das macht (Sprung/Rampe).

Roland R. schrieb:
> Wenn ich dann gleichzeitig die Reglereingangsspannung,
> Reglereingangsstrom und Drehzahl messe, so kann ich auf den Motorstrom
> rückschließen. Damit dann auch auf den Wirkungsgrad rückschließen, wenn
> mir die Motorwirkungsgrade bei anderen Versorgungsspannungen bekannt
> sind, oder?

Das wär der Plan. Oder noch besser eben den Motorstrom messen.
Die Kennlinie wird vmtl. schon taugen.

[loudspeaker (Gast)]

Stephan H. schrieb:
> Ich würde:
> - Messdaten prüfen/verbessern
> - Relevanz des Modellgewichts für die Performance klären
> - Optionen zur Wicklungsumschaltung neu bewerten (Gewicht, Stabilität,
> Wirkungsgrad)
> - alternative Regler suchen
> - alternative Motoren wechseln

guter Plan.
Eines kann ich schon jetzt beantworten: Das Modellgewicht zählt mit der 
verfügbaren Energiemenge und dem Wirkungsgrad des Antriebsstranges zu 
den Top 3 Auslegungskriterien.

Stephan H. schrieb:
> Roland R. schrieb:
>> Wirkungsgrad = Pmech/Pel = n*M / Umess*Imess = n*Imess*Km / Umess*Imess
> Passt so nicht zum Diagramm.
Richtig, da habe ich die Formel falsch abgetippt. So steht sie 
tatsächlich im xls:
(I) Wirkungsgrad = Pmech/Pel  =  n*M / Umess*Imess
=   n*(Imess-I0)*Km / Umess*Imess
I0 haben wir derzeit als konstant drinnen, wäre aber besser ihn in 
Abhängigkeit der Drehzahl zu ermitteln oder linear anzunehmen, wie du 
richtig schreibst.

Den Wirkungsgradabfall nach links erkläre ich mir so:
Bei niedrigeren Drehzahlen war der Pilot angewiesen, "langsam Gas zu 
geben", um durch Teillastbetrieb den Motorstrom zu begrenzen.
In der Formel (I) oben wird dies aber nicht berücksichtigt, denn der 
Datenlogger misst Batteriespannung und Reglerstrom. Nur bei Vollast darf 
man den Reglerstrom als (fast) Motorstrom annehmen.
Daher wurde der Motorstrom systematisch unterschätzt, daher auch das 
Motormoment komplett falsch.
Bei Vollast und höheren Geschwindigkeiten (rechts im Diagramm) passen 
die Werte meiner Meinung nach, nur weiter links dann nicht mehr.

"Wer Mist misst, misst Mist" bewahrheitet sich mal wieder ...

Du hast mir mit deinen Inputs schon sehr geholfen, ich habe sie ein 
bisschen modifiziert und mit Größen versehen, die ich auch praktisch 
messen kann. Der Motorstrom wird schwer, da ich nichtmehr zum Sternpunkt 
dazukomme. Daher Motorspannung.
> (II)  Pmech = (n/kv) * (Iphase - Ileerlauf@11000/n)
> (III) Iphase= Iakku * Uakku/Uphase

somit werde ich die Testfahrten nocheinmal machen.
Akkuspannung, Akkustrom, Drehzahl, Leerlaufstrom, Phasenspannung und 
Regleröffnung (Servosignal) messen. Die Regleröffnung nur als Redundanz.

dann in diese Gleichungen aus (II) und (III) einsetzen:
> (IV)  Pmech = (n/kv) * (Iakku*Uakku/Uphase - Ileerlauf@11000/n)
> (V)   Pel = Uphase * Iakku*Uakku/Uphase

So, jetzt stellt sich die Frage nach der Umsetzung. Beim Überlegen fiel 
mir auf, dass mein ATM328 nur Spannungen von 0-5V messen kann.

Nun kam mir die Idee, auf einen Sternpunkt zu verzichten und einfach zum 
Minuspol der Batterie als Referenz zu messen. Zwischen Phase und 
Referenz bräuchte ich einen Spannungsteiler, der mir die 7V auf 5V 
übersetzt.

Somit müsste ich am µC-Pin einen solchen Spannungsverlauf an den 3 
Phasen messen können.
https://www.mikrocontroller.net/articles/Datei:BLDC_Spannungs_Diagramm.png

Referenz werde ich an den Minuspol der Batterie klemmen.
* Akkuspannung mittels Spannungsteiler von 7V auf 5V übersetzten.
* Akkustrom mit ACS712-20A in der Minusleitung messen (Stromsensor bis 
20A)
* Drehzahl mithilfe des EagleTree-RPM-Sensors einlesen 
(http://diydrones.com/xn/detail/705844:Comment:678893)
* Leerlaufstrom ... selbsterklärend
* Phasenspannung mit Spannungsteiler messen.

So gesehen halte ich das ganze für machbar, habe aber noch Unklarbeiten 
bezüglich der Signalverarbeitung:
*Wie oft soll ich die Spannung abtasten? mit 16MHz geht das nicht 
unendlich oft.
*Brauche ich eine RC-Kombination, um die Regler-PWM auszublenden? wenn 
ja, welche Bauteilgrößen?
*Ich werde alle 3 Phasenspannungen in Referenz zum -Pol der Batterie 
messen; wie komme ich da am besten zu meinem Uphase?

[Stephan H. (Gast)]

loudspeaker schrieb:
> *Ich werde alle 3 Phasenspannungen in Referenz zum -Pol der Batterie
> messen; wie komme ich da am besten zu meinem Uphase?

Ne, ich würd den "virtuellen Sternpunkt nehmen". so wie in dem Artikel 
den du Schon gefunden hast:
https://www.mikrocontroller.net/articles/Datei:BLDC_BEMF_schaltung.png
Ausgang "Mittel"

Ergebnis: 
https://www.mikrocontroller.net/articles/Datei:BLDC_Oszillogramm_BEMF_richtig.png 
(Cyan-Kurve)
Der braucht auf jeden Fall einen Tiefpass. Mit etwas Glück reicht die 
Genauigkeit nach kräftigem RC-Filtern.

Abtastfrequenz musste ausprobieren. Einfach mal mit dem Oszi schauen wie 
schnell sich Spannung bei Wechseln Voll-/Halbgas ändert.
1-2kHz sollten auch mit digitalem Filtern reichen. Der Regler bekommt ja 
nur alle 20ms ein Update von der Fernbedienung.

loudspeaker schrieb:
> (I) Wirkungsgrad = Pmech/Pel  =  n*M / Umess*Imess
> =   n*(Imess-I0)*Km / Umess*Imess

Ok. Das erklärt die Wirkungsgrade nahe null. Die sind dann beim 
Abbremsen entstanden.



Aber:

Im Ausgangsdiagramm waren bei teiloffenem Regler der Motorstrom immer zu 
niedrig und die Leerlaufverluste zu hoch angenommen.
Damit stellt sich jetzt mit den bekannten Rechengrundlagen und -fehlern 
aber ganz schnell die Frage nach dem Sinn der Wicklungsumschaltung.

Kleine Beispielrechnung:

Leerlauf: 0.9A@7V und 12kUPM, kv=1780
11k: lt. Diagram Pmech ca. 23W, Pv ca. 11W
6k: lt. Diagram Pmech ca. 12W, Pv ca. 21W (wieder andere Werte als 
weiter oben, aber das Diagramm ist so verwackelt)
Km mit 0.00053 angenommen

Pmech alte Rechnung
11k: gegenprobe stimmt, 23W
6k: 6000*(4.71-0.9)*0.00053 = 12W, stimmt auch

Pmech neue Rechnung (6k)
Pel 33W, Akkustrom 4.71A, Tastgrad geschätzt 70%, Motorstrom 6.73A
6000*(6.73A-0.45A)*0.00053 = 20W, Pv wäre damit 13W und der Wirkungsgrad 
kaum schlechter als bei 11k

Die Tastgradannahme noch überprüft: 70% > 4.9V Motorspannung, innere 
Spannung = 3.4V, Spannungsabfall an Ri = 6.73A*0.15Ohm=1V
Stimmt nicht ganz, Tastgrad müsste etwas niedriger sein, damit sind 
Motorstrom, Pmech und Wirkungsgrad sogar noch höher.

Allerdings müsste man noch so 3W Verluste für den teiloffenen Regler 
ansetzen, die lassen sich aber nicht vermeiden wenn man nicht immer 
Vollgas fährt.
In dem weiter oben verlinkten Test fiel der Wirkungsgrad von 100% Gas zu 
95% Gas um 10% und mehr.

Das ganze passt aber zu den Wirkungsgradkennlinien die ich so kenne: 
Steiler Anstieg bis zum Optimum und dann langsammes Fallen (nur Prozente 
für den doppelten Strom als im Optimum).