Flachdrahtmotoren erklärt: Was sie in einer Direct-Drive-Wheelbase verändern

Ein Flachdrahtmotor bildet seine Statorwicklungen aus rechteckigen Kupferleitern statt aus Runddraht, wodurch mehr Kupfer in jede Nut passt. Bei einer Direct-Drive-Wheelbase ändert das vor allem, wie viel Wärme der Motor bei einem bestimmten Drehmoment erzeugt und wie schnell er sie wieder abführt. Zusammen bestimmen diese beiden Faktoren maßgeblich, wie lange die Basis ein starkes Force-Feedback halten kann, bevor der thermische Schutz es herunterregelt. Dieser thermische Spielraum ist besonders wichtig, wenn Sie lange Langstreckenrennen fahren, Fahrzeuge mit hohen, anhaltenden Lenkkräften bewegen, eine insgesamt hohe Force-Feedback-Stärke verwenden oder in einem warmen Raum fahren. Derselbe Kupfervorteil ermöglicht es zudem, dass ein leichterer Motor ein bestimmtes Drehmoment liefert.

Was ist ein Flachdrahtmotor?

Der stationäre Teil eines Direct-Drive-Motors ist der Stator. Seine Nuten beherbergen die Kupferwicklungen, deren Magnetfeld den Rotor und damit die Lenkwelle dreht. Traditionell werden diese Nuten mit rundem Kupferdraht gewickelt.

Runde Drähte können einen Raum niemals vollständig ausfüllen. Egal wie eng die Spulen gewickelt sind, es bleiben Lücken zwischen den benachbarten Drähten, und jeder Strang trägt eine dünne Schicht aus Lackisolierung, um Kurzschlüsse zu vermeiden.

Ein Flachdrahtmotor ändert diese Geometrie. Sein Stator verwendet rechteckige Kupferleiter, die ebenfalls mit Lack beschichtet sind und wie Ziegel in einer Mauer übereinandergestapelt werden, wodurch der verfügbare Raum weitaus vollständiger ausgefüllt wird. Ingenieure nennen dies den Nutraumfaktor: der Anteil des Nutquerschnitts, der von Kupfer eingenommen wird, statt von Lücken oder Isolierung. Nach Berücksichtigung der Isolierung erreichen herkömmliche Runddrahtwicklungen typischerweise 50 bis 60 Prozent, während der Flachdrahtmotor von MOZA 72,5 Prozent erreicht.

Warum bedeutet mehr Kupfer weniger Hitze?

Der Motor in einer Direct-Drive-Wheelbase ist typischerweise ein Permanentmagnet-Servomotor, dessen Drehmoment dem Strom folgt, der durch die Wicklungen fließt. Wenn das Force-Feedback mehr Lenkwiderstand erfordert, liefern die Steuerelektroniken mehr Strom.

Dieser Strom, der durch den elektrischen Widerstand der Wicklungen fließt, erzeugt Wärme (Joulesche Wärme, geschrieben als I²R), und die Hitze wächst mit dem Quadrat des Stroms. Das doppelte Drehmoment erzeugt in den Wicklungen etwa viermal so schnell Wärme. Und da sich diese Wärme mit der Zeit ansammelt, führt die hohe Last, die Sie in einer langen, schnellen Kurve halten, zu einer weitaus stärkeren Erwärmung des Motors als kurze Randstein-Treffer mit demselben Spitzenwert.

Mehr Kupfer in dieselbe Nut zu packen, senkt den Widerstand der Wicklung bei gleicher Windungszahl, sodass bei der Erzeugung desselben Drehmoments weniger Energie als Wärme verloren geht.

Wie führt ein Flachdrahtmotor Wärme ab?

Ein Motor muss die erzeugte Wärme auch abführen können, indem er sie von der Kupferwicklung in den Statorkern und dann durch das Gehäuse an die Luft leitet.

Runde Drähte haben viel weniger Kontakt zueinander und zu den Nutwänden, und die unregelmäßigen Zwischenräume sind mit Luft oder Tränkharz gefüllt. Beides leitet Wärme weitaus schlechter als Kupfer, sodass diese Taschen wie eine isolierende Decke wirken, die den Übergang in den Statorkern verlangsamt.

Flache Leiter liegen bündig aneinander und haben einen großflächigen Kontakt zu den Nutwänden, wodurch ein kürzerer, besser leitender Pfad vom Kupfer in den Kern entsteht. Unter gleichen Bedingungen leitet der Flachdrahtmotor von MOZA Wärme 15 bis 20 Prozent besser ab als ein herkömmlicher Runddrahtmotor, sowohl in theoretischen Berechnungen als auch in physischen Tests.

Was verändert ein Flachdrahtmotor bei einer Direct-Drive-Wheelbase?

Anhaltendes Drehmoment und thermisches Fading

Eine Direct-Drive-Wheelbase überwacht oder schätzt typischerweise die Temperatur ihres Motors und der Elektronik, und wenn sich diese Temperatur einem Sicherheitsgrenzwert nähert, reduziert das Steuersystem den Strom. Weniger Strom bedeutet weniger Drehmoment, und Sie spüren dies als thermisches Fading. Nach einer Stunde Langstreckenrennen kann sich dieselbe schnelle Kurve am Lenkrad leichter anfühlen, Randstein-Stöße werden weicher und die Haftungsgrenze der Vorderachse wird schwerer zu lesen. Ein kühler laufender Motor hält seine Leistung länger, bevor die Elektronik den Strom drosselt: Bei den Flachdraht-Basen von MOZA sorgen die geringere Wärmeentwicklung in Kombination mit der besseren Wärmeabfuhr für ein minimales thermisches Fading, selbst bei ausgedehnten Sessions mit starkem Force-Feedback.

Hitze ist der Hauptfaktor, der das Dauerdrehmoment eines Motors (das Drehmoment, das er kontinuierlich halten kann) begrenzt, daher erlaubt weniger Hitze pro Drehmomenteinheit einem Motor gleicher Größe, mehr Leistung nachhaltig zu erbringen. Starkes Drehmoment über zig Minuten zu halten, ist einer der Hauptgründe, warum MOZA seine Ultra-Serie auf Flachdrahtmotoren aufbaut. Die Ultra-Basen sind entsprechend nach Dauerdrehmoment und nicht nach Spitzenwert bewertet: 16 Nm für die MOZA R16 Ultra, 21 Nm für die MOZA R21 Ultra und 25 Nm für die MOZA R25 Ultra.

Drehmomentdichte

Da jede Nut mehr Kupfer enthält, erzeugt ein Flachdrahtmotor ein gegebenes Drehmoment bei geringerer Größe und weniger Gewicht. Wie viel von diesem Vorteil in einen leichteren Motor gegenüber mehr thermischem Spielraum fließt, ist eine Designentscheidung. Im Vergleich zu einem Nicht-Flachdrahtmotor mit ähnlicher Leistung weist der Flachdrahtmotor von MOZA einen um 41,94 Prozent besseren Wert bei der Drehmoment-Gewichts-Dichte auf: ähnliches Drehmoment bei leichterem Design. Dieser leichtere Motor reduziert das Gewicht der fertigen Basis, was den Einbau, Transport und die Integration in eine größere Bandbreite von Setups erleichtert. Bei der MOZA R25 Ultra bedeutet das 25 Nm Dauerdrehmoment bei einer 9,1 kg schweren Basis.

Was ein Flachdrahtmotor nicht verändert

• Force-Feedback-Charakter. Die Wicklungsart allein bestimmt diesen nicht. Das Detailreichtum und die Reaktionsfähigkeit, die Sie spüren, entstehen durch das Gesamtsystem: die physikalische Ausgabe der Simulation, der Force-Feedback-Algorithmus der Wheelbase und dessen Abstimmung, die Steuerelektronik, die diese Befehle in Strom umwandelt, das magnetische Design des Motors und die Mechanik der Basis. Ein Flachdrahtmotor, der von einem schlecht abgestimmten Algorithmus gesteuert wird, liefert einfach nur länger ein schlecht abgestimmtes Force-Feedback. Bei der MOZA R16 Ultra ist diese Abstimmungsschicht der NexGen Force Feedback Algorithm U1.

• Thermischer Schutz. Der Motor erhitzt sich immer noch, wenn er gefordert wird. Deshalb kombiniert eine Flachdraht-Basis wie die MOZA R21 Ultra ihren Motor weiterhin mit Echtzeit-Temperaturüberwachung und Drehmomentregelung. Die Wicklung reduziert auch nicht die in der Antriebselektronik erzeugte Wärme. Die thermische Grenze wird lediglich nach hinten verschoben, nicht aufgehoben.

• Wo sich nie Wärme aufbaut. Wenn Ihre Sessions kurz und Ihre Force-Feedback-Stärke moderat sind, erreicht der Motor möglicherweise nie seine thermische Grenze, und Sie werden den Unterschied wahrscheinlich nicht bemerken.

Warum sind Flachdrahtmotoren im Sim-Racing noch selten?

Rechteckige Leiter sind bei Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen und Hochgeschwindigkeitszügen etabliert, wo sie wegen ihrer strukturellen Steifigkeit, Leistungsdichte, Effizienz und thermischen Leistung geschätzt werden. Ihr bekanntester Nachteil, zusätzliche Verluste, die bei hoher elektrischer Frequenz entstehen, betrifft vor allem Motoren von Elektrofahrzeugen im Hochgeschwindigkeitsbereich. Ein Wheelbase-Motor arbeitet jedoch bei niedriger Geschwindigkeit und dreht ein Lenkrad statt eines Antriebsstrangs. Was Flachdraht in der Sim-Racing-Hardware unüblich macht, ist vor allem der Produktionsaufwand.

Die Produktion von Flachdraht erfordert enge Maßtoleranzen bei den rechteckigen Leitern, eine präzise Positionierung während der Montage und bei segmentierten Designs exaktes Schweißen an den Wicklungsköpfen. Die scharfen Kanten der rechteckigen Leiter belasten die Lackisolierung zudem stärker als runder Draht. Um dies zuverlässig zu tun, sind präzise, automatisierte Anlagen erforderlich, und rechteckiger Draht kostet typischerweise mehr als Runddraht. MOZAs eigene automatisierte Flachdraht-Motorfertigungslinie, mit speziell für Sim-Racing-Wheelbases optimierten Prozessen, macht die Technologie hier erst praktikabel.

Eine Frage der Konsistenz über die Zeit

Ein Flachdrahtmotor hält starkes Force-Feedback länger verfügbar. Wie sich dieses Force-Feedback anfühlt, hängt nach wie vor vom Rest der Wheelbase ab. Wenn Sie eine Wheelbase wählen, ist die Wicklungsgeometrie ein Hinweis darauf, wie nah das Lenkgefühl und die Details in Ihrer letzten Runde an dem liegen, was Sie in der ersten gespürt haben.