Timing Einstellung an E-Motoren im Modellbau
Immer wieder Timing!
...eine Zeitfrage..
Was ist Motor- Timing
In Foren heiß diskutiert und von Missverständnissen umwoben ist das Timing (von engl.: Time). Dieses Timing ist nichts weiter, als eine Zeiteinstellung, die proportional zur Position des Rotors (vom Motor) in Grad [°] angegeben wird. Das Timing bei E-Motoren entspricht in etwa der Funktion der Frühzündung/ Vorzündung beim Verbrenner. Die Timingeinstellung ist notwendig, um die Motorperformance zu optimieren. Bei falscher Einstellung kann jedoch auch Schaden am Motor entstehen.
E- Motoren sind sogenannte induktive Lasten. Schaltet der Regler Spannung auf eine Motorspule, so liegt zwar die Spannung sofort in voller Höhe an, der Strom fließt aber nicht sofort in voller Stärke, sondern er baut sich erst auf. Die volle Stromstärke liegt erst etwas später (zeitverzögert) an. Wird die Spannung auf die Motorspule wieder ausgeschaltet, dann fällt die Stromstärke erst allmählich ab. Der Stromfluss "hinkt" der Spannung immer ein wenig hinterher. Der Strom in der Spule erreicht also zu spät seine volle Stärke und fällt auch zu spät wieder auf null ab. Das vermindert die Motor- Leistung, da die Magnetfelder in den Spulen des Stators zu spät aufgebaut und auch zu spät wieder abgebaut werden. Die Magnetfelder der Spulen würden ohne eine Korrektur zeitlich nicht optimal zu den Magnetfeldern der gerade vorbeilaufenden Permanentmagnete passen.
Das kostet wie erwähnt Motorleistung, führt unter Umständen auch zu kreischenden Geräuschen des Motors, ja sogar zu Beschädigungen, da die im Rotor des Motors eingeklebten Neodymmagnete somit größeren Belastungen ausgesetzt sind und abgerissen werden könnten. Um diesen negativen Effekt auszugleichen und die beste Performance aus dem Motor zu holen, muss man die Spannung etwas früher auf die Spule schalten. So liegt die maximale Stromstärke und damit das volle Magnetfeld zum optimalen Zeitpunkt an. Wir bedienen wir uns also einer Art Frühzündung für Elektromotoren - das Motor- Timing.
Timingeinstellung erklärt
Wir stellen mit dem Timing ein, um wie viele Grad die Spannung "früher" auf die Spule geschaltet wird (bezogen auf eine Motorumdrehung von 360°), damit der Stromfluss zum exakt optimalen Zeitpunkt seinen Höhepunkt erreicht und auch rechtzeitig wieder stoppt. Das ist nicht ganz einfach. Der notwendige Zeitversatz hängt stark vom Typ des Motors ab.
In den beiden Diagrammen oben sind die Zusammenhänge dargestellt.
Die obere graue Linie stellt den optimalen Verlauf des Signals dar. Wenn der Strom genau innerhalb dieser Signalgrenzen durch die Spulen des Motors fließen würde, dann hätte der Motor den optimalen Wirkungsgrad.
Diese Schaltvorgänge passieren viele hundert Male im Verlauf einer einzigen Sekunde! Denn diese Motoren drehen sehr schnell.
Ohne Timing (rot hinterlegter Bereich)
Die blaue Linie zeigt den Spannungsverlauf an der Spule im Motor. Der Regler schaltet die Spannung auf die Spule und unverzüglich liegt die Spannung an der Spule an. Die Stromstärke jedoch, gekennzeichnet durch die rote Linie, steigt nun zeitverzögert an und erreicht erst kurze Zeit später ihren Höhepunkt. Das ist nicht optimal! Der Magnet im Motor läuft nun an der Rotorspule vorbei. Im Moment da der Regler die Spannung zur Spule wieder abschaltet, beginnt die Stromstärke zu sinken. Jedoch erst etwas zeitverzögert erreicht die Stromstärke den Wert NULL. Das ist ebenfalls nicht gut! Diese Verzögerungen kosten Leistung, da das Magnetfeld der Spule nicht ganz optimal zur Position der Magnete im Motor passt.
Die physikalischen Gesetze können wir leider nicht ändern. Wir können die Geschwindigkeit mit der der Stromfluss steigt oder fällt nicht ohne weiteres beeinflussen. Daher bedienen wir uns des Tricks mit dem Timing.
Mit Timing (grün hinterlegter Bereich)
Die Timingeinstellung sagt dem Regler, wie viele Grade (bezogen auf 360°=eine Umdrehung des Rotors), er die Spannung früher auf die Spule schalten soll. Im grün hinterlegten Bereich nach erfolgter Timingeinstellung ist zu sehen, wie der Regler die Spannung nun etwas früher auf die Spule schaltet. Die Stromstärke steigt daraufhin an und erreicht nun genau zum optimalen Zeitpunkt den höchsten Wert. Genauso schaltet der Regler nun die Spannung früher wieder ab. Die Stromstärke sinkt danach zeitverzögert, aber erreicht genau zum optimalen Zeitpunkt den Wert NULL.
Das Timing ist also eine Art Frühzündung beim Brushless Elektroantrieb.
Timing Abhängigkeiten
Das Timing hängt im Wesentlichen von der Polzahl, also der Anzahl der Magnete ab. Aber auch die Induktivität des Motors und die Betriebsspannung haben Einfluss auf darauf.
Weniger Pole verlangen nach geringeren Timingwerten. Bei 2-4 Polern sind 0-5° die Faustregel, bei 12-16 poligen Außenläufern können das schon mal bis 30° sein. Die Motorenhersteller geben meistens Timingempfehlungen zu ihren Motoren.
In Foren findet man auch Informationen, manchmal widersprechen sich die Informationen auch.
Grundregel zur Motor- Timing Einstellung
Mit den vom Hersteller empfohlenen Timingeinstellungen beginnen - Langsam herantasten - Schrittweise erhöhen. Mit etwas höheren, als den vom Hersteller des Reglers empfohlenen Werten kann man von Fall zu Fall etwas bessere Eigenschaften des Antriebes erzielen. Zu hohe Timingwerte hingegen bringen lediglich eine geringere Energieeffizienz, somit eine größere Temperaturentwicklung im Motor, kürzere Akkulaufzeiten und keine weiteren Vorteile! Mit höheren Timingwerten sinkt die effektive Motorspannung und die relative Drehzahl (kV) steigt. Wie viel, das hängt nicht nur vom Motor, sondern auch vom Regler und dessen Einstellungen ab.
Als Faustregel gilt folgender Zusammenhang:
geringe Timingwerte -> geringere Stromstärke -> weniger Leistung -> geringere spezifische Motordrehzahl -> bessere Energieeffizienz -> weniger Hitzeentwicklung im Motor -> längere Akkulaufzeit
höhere Timingwerte -> höhere Stromstärke -> mehr Motorleistung -> höhere spezifische Motordrehzahl -> geringere Energieeffizienz -> mehr Hitzeentwicklung im Motor -> kürzere Akkulaufzeit
Wann sind höhere Timingwerte nützlich
Wer mit der Performance seiner Regler- Motorkombi zufrieden ist, hat keinen Grund etwas am Timing zu verändern. Dennoch gibt es manchmal Gründe, die für höhere Timingwerte sprechen. Dabei geht Probieren meistens über Studieren. Macht ein hochpoliger Außenläufer (und nur der Motor, nicht das Getriebe) z. Bsp. kreischende Geräusche, kann manchmal ein höherer Timingwert Abhilfe schaffen. Auch um mehr Leistung und höheres Drehmoment aus dem Motor heraus zu kitzeln bedient man sich höherer Timingwerte. Bei der Einstellung ist aber Fingerspitzengefühl gefragt. Denn nur ein Teil des durch höhere Timingwerte erzielten Mehrverbrauches an elektrischer Energie geht tatsächlich in Mehrleistung des Motors über. Ein großer Teil der mehr verbrauchten Energie geht nämlich in Form von Wärmeenergie im Motor verloren. Also bei Verstellung der Timingwerte nach oben immer auf die Motortemperatur achten.
Allen Leichtsinnigen sei an dieser Stelle eine Warnung ausgesprochen. Die Akkulaufzeit verkürzt sich natürlich teilweise drastisch! In manchen Fällen sind sogar bis 20% weniger Flugzeit drin. Daher ist Vorsicht oberstes Gebot.
Auto Timing/ Shift Timing
Moderne Elektronik im modernen Regler hilft uns hier entscheidend und nimmt uns diese Arbeit zumindest teilweise ab. Beim Einschalten des Reglers ermittelt dieser die Induktivität das Motors und stellt dann das richtige Timing automatisch ein. Diese automatische Timingeinstellung passt in den allermeisten Fällen, auf jeden Fall funktioniert sie. Für ein entsprechendes Feintuning gibt es bei modernen Reglern meist eine Funktion namens "Shift"-Timing. Hier sind dem Benutzer Möglichkeiten gegeben eine Abweichung zu dem vom Regler automatisch ermittelten Timing einzustellen. Hat der Regler beispielsweise 15° als Auto- Timing berechnet und man gibt als Shift Timing -5° ein, dann ist das reale Timing = 15° -5° = 10°!
Ein nicht optimales Timing ist manchmal gekennzeichnet durch ein "Kreischen" des Motors. Wenn man dann das Shift Timing geringfügig verändert, wird man sehen, ob das Geräusch besser oder schlechter wird. Hier geht Probieren über Studieren. Allerdings ist Vorsicht geboten und man sollte immer nur kleine Schritte machen. In vielen Internetforen findet man nützliche Tipps bezüglich der speziellen Hardware und den Auswirkungen von Veränderungen des Timings.
