siehe auch: FlugZeit, Einsteigertipps

Antriebstheorie

Hier soll auf die wichtigsten Themen des MikroKopter-Antriebs eingegangen werden.

Leistung

• Die mechanische Leistung des Motors ist P = Drehzahl * Drehmoment (vollständige Formel mit Einheiten)

• Die elektrische Leistung des Motors ist P = Spannung * Wirkstrom (Wechselstrom)
• Die elektrische Leistung der gesamten Antriebseinheit ist P = Batteriespannung * Eingangsstrom BL-Regler (Gleichstrom)

Sollte man sich merken

• Bei einem Motor ist
• Spannung ~ Drehzahl
• Strom ~ Drehmoment

Warum brauchen wir Leistung zum Schweben?

Weil wir eine gewisse Masse an Luft nach unten beschleunigen müssen, um die nötige Kraft zu erhalten. (Stichwort: Standschub)

Elektrische Verluste

Die elektrischen Verluste sind bei höherem Strom größer. Das hängt zum einen mit dem ohmschen Widerstand der Motoren zusammen (der Verlust steigt quadratisch mit dem Strom: Verlust = I² * R). Zum anderen sinken die Verluste im BL-Regler, weil da die Verluste hauptsächlich durch die Dioden produziert werden (Verlust = I * 0,7V) Weitere Verluste (Ohmscher Widerstand in Leitungen und Akku) sinken auch bei steigender Spannung.

Elektrischer Wirkungsgrad

Bei einem 16V-Akku ist der Wirkungsgrad der Regler / Motorkombination besser als bei einem 12V-Akku.

Wenn der an 16V die gleiche Leistung umsetzt, benötigt er weniger Strom bei höherer Spannung (P = U * I)

Die Motor/Propeller-Kombination muss dann aber auch für 16V dimensioniert sein (siehe unten)

Hinweis: ein geladener 4s-Lipo hat etwa 16V und ein 3s-Lipo ca. 12V

Leistungsdurchsatz des BL-Reglers

Ein BL-Regler kann mehr Leistung durchsetzen, wenn er mit höherer Spannung betrieben wird.

Beispiel

Die BL-Ctrl kann mit 20A Spitze und 10A Dauer betrieben werden.

• Bei 3s ergibt sich 240W Spitze und 120W Dauer pro Motor
• Bei 4s ergibt sich 320W Spitze und 160W Dauer pro Motor
• Bei 6s ergibt sich 480W Spitze und 240W Dauer pro Motor

Sollte man sich merken

Höherer Strom bedeutet höhere Verluste und mehr Probleme mit der magnetischen Kompassmessung.

Höhere Spannung bedeutet weniger Strom und damit weniger Verluste und weniger magnetische Störungen aber auch mehr Gewicht durch die zusätzlichen LiPo-Zellen

Propeller

Es gibt bei den Propellern zwei Angaben: Durchmesser und Steigung in Zoll

Die Steigung gibt an, wieviel er sich theoretisch pro Umdrehung nach oben bewegen könnte.

Sollte man sich merken

Ein kleiner Propeller benötigt für den selben Schub mehr Drehzahl bei kleinerem Drehmoment als ein grosser.

Trägheit

Wichtig für uns ist auch besonders das Gewicht (genauer: Massenträgheitsmoment) Schwere Propeller sind für unsere Anwendung schlecht geeignet, weil der MK die Drehzahl schnell ändern können muss.

Motoren

Sie setzen Spannung * Strom in Drehzahl * Drehmoment um.

Motorleistung

Gibt an, wieviel Leistung der Motor umsetzen kann.

UPM/V

Drehzahl (in Umdrehungen pro Minute) pro Volt. Die Angabe ist eher ein Richtwert und kann von Hersteller zu Hersteller stark unterschiedlich sein.

Beispiel: Wenn ich den Motor mit 1000 UPM/V mit 5V versorgen würde, würde er sich mit 5000UPM drehen (ohne Propeller). Erhöhe ich nun die Spannung auf 10V, dreht er sich dann mit 10000 UPM.

Sollte man sich merken Bei großen Propellern benötigt man wenig UPM/V Bei hoher Versorgungsspannung benötigt man auch weniger UPM/V

Gegenspannung

Ein sich drehender Motor erzeugt wie ein Generator eine Gegenspannung. Diese wirkt der angelegten Spannung entgegen. Betreibt man einen Motor ohne Propeller, so erzeugt er im Idealfall soviel Gegenspannung, wie von außen angelegt ist. Die Spannungen heben sich auf und deshalb wird der Strom zu Null. Wird der Motor abgebremst, erzeugt er weniger Gegenspannung als angelegte Spannung und der Strom ist um so höher, je stärker er gebremst wird.

Baugröße und Gewicht

Größere Motoren können mehr Leistung durchsetzen als kleinere. Das hängt damit zusammen, dass mehr Kupfer, Eisen und Magnete verbaut sind.

Motorwicklungen

Je mehr Windungen auf einen Pol aufgebracht sind, desto weniger UPM/V hat der Motor. Wenn man sich die Wicklungen der Motoren betrachtet, kann man damit rechnen, dass ein Motor mit hohem Füllgrad (es ist möglichst viel Kupfer auf die Pole aufgebracht) einen höheren Wirkungsgrad hat, als ein Motor mit geringerem Füllgrad. Der Hersteller verwendet einen höheren Drahtdurchmesser, wenn er die Windungszahlen verringert, sodass der Füllgrad wieder möglichst hoch ist. (Das Parallelschalten von mehreren Drähten hat die selbe Wirkung)

BL-Regler

Der BL-Regler wandelt die Gleichspannung der Batterie in Wechselspannung um, die der BL-Motor braucht.

Einstellbare Leistung

Der BL-Regler "zerhackt" die Batteriespannung mittels einer PWM und senkt damit im Mittel die Motorspannung. Es stellen sich damit eine Drehzahl und ein Schub ein, die im wesentlichen von der Propellergröße und der UPM/V abhängen.

Eingangsstrom <-> Ausgangsstrom

Der Eingangsstrom (Gleichstrom) des BL-Reglers ist ein direktes Maß für die aufgenommene Wirkleistung. P = I * Ubatt

Jetzt wird es knifflig:

Anhand des Eingangsstromes kann man nicht ohne weiteres auf den Phasenstrom des Motors schließen.

Der Phasenstrom kann um ein Vielfaches höher sein, als der Eingangsstrom des BL-Reglers.

Das hängt damit zusammen:

Die Eingangsleistung des BL-Reglers ist Eingangsstrom * Eingangsspannung

Die Ausgangsleistung des BL-Reglers ist Ausgangsstrom * Ausgangsspannung.

Dabei hängt die Ausgangsspannung von der Gegenspannung des Motors ab (hohe UPM/V = niedrige Gegenspannung)

Eingangsleistung ist immer gleich Ausgangsleistung.

Einfaches Beispiel (vereinfacht)

Ein BL-Regler wird mit einer PWM von 10% betrieben.

Der Eingangsstrom des BL-Reglers ist 1A bei 10V. Die Leistung ist also 10W.

Der Motor hat eine zu hohe UPM/V oder einen zu grossen Propeller und erzeugt mit seiner Drehzahl nur eine Gegenspannung von 1V.

Folglich muss der Phasenstrom 10A betragen, weil der Motor schließlich 10W umsetzt.

In 1.2 haben wir gelernt, dass hoher Strom hohe Verluste bedeuten.

Das ist der Grund, weshalb sich BL-Regler mit falscher Motor/Propeller-Kombination stark erhitzen -> Der Ausgangsstrom ist ggf. viel zu hoch

LiPo

Bei den Lipos sind folgende Eigenschaften wichtig:

• Spannung. 3s = 3*4V = 12V im geladenen Zustand (11,1V unter Last)
• Kapazität in mAh. Ein 2200mAh-Lipo liefert 2,2A für eine Stunde und 4,4A für 30min

• Maximalstrom in C. 2200/20C bedeutet 20 * 2,2A = 44A

• Gewicht

Motortest

Mit einem kleinen Aufbau kann man Motoren leicht testen.

Bestehend aus:

• Motorhalter
• Digitale Küchenwaage
• Testmotor mit Test-Propeller (der Motor bläst nach oben)

• BL-Regler (wird über das Koptertool "MotorTest" angesteuert)

• Strommesszange (gibt es bei Reichelt)
• Lipo

Nun lässt man den Motor langsam hochlaufen und notiert in 0,5A-Schritten den Schub [g]. Aus der Tabelle erzeugt man mit Excel eine Kennlinie.

Interpretation der Kennlinien

Im Kapitel FlugZeit wird beschrieben, wie man anhand der Kennlinie die Flugdauer ermittelt.

Hier mal Beispiele zu Motorkennlinien:

Messung verschiedener Motoren und Propeller mit 16V (4s-Lipo)

Messung verschiedener Motoren und Propeller mit 24V (6s-Lipo)

Hinweis: Die hier verwendeten Propeller sind wahrscheinlich zu schwer für ein gutes Regelverhalten und nicht am MK getestet

Kennlinie: Gesamtstrom über Nutzlast

Das Problem im Vergleich verschiedener Motoren in den Diagrammen ist, dass sie sehr unterschiedliches Gewicht haben können.

Deshalb ist das Abfluggewicht hier in dieser Kennlinie berücksichtigt (in den Schubwerten also bereits abgezogen):

Man erkennt:

• Links unten (bei 0A) das Abfluggewicht
• Schwebestrom (dort, wo die Nutzlast-Skala auf 0g steht)
• Lipo-Strom (untere Skala) bei entsprechender Zuladung
• BL-Ctrl-Strom (obere Skala) bei entsprechender Zuladung

Messung verschiedener Motoren und Propeller mit 16V (4s-Lipo)

Richtige Dimensionierung

Beim MK muss also die Kombination von Lipo + Motor + Propeller gut dimensioniert sein.

Richtlinien:

• der Propeller sollte möglichst leicht sein (geringe Trägheit)
• die Kombination sollte im Schwebezustand möglichst viel Schub bei geringem Strom machen

• es muss genügend Regel-Reserve vorhanden sein --> möglichst: Maximalschub = 2 * Schwebeschub (besser 3 * Schwebeschub)

• bei Vollgas dürfen weder Motor, BL-Regler noch Lipo überlastet werden

Fazit

Optimal ist eine Motor/Propeller-Kombination, die bei Vollgas moderaten Strom zieht und den gewünschten Maximalschub von 2 * Schwebeschub liefert.

"Moderater Strom" bedeutet, dass Lipo und BL-Regler auch bei Vollast nicht überlastet werden.

Bei einem Quadro mit 2200/20C-Lipo wäre also eine Motor-Propeller-Kombination optimal, die auch bei Vollgas 11A nicht überschreitet. Dabei sollte auch mit Nutzlast der Strom pro Motor 5A nicht überschreiten.

Beispiel: Man kann einen Roxxy 2827/34(35) betreiben mit:

3S-Akku und 12"-Propellern oder

4S-Akku und 10"-Propellern

Dabei ist die 4S-Kombination effizienter, weil sie mit mehr Spannung betrieben wird.

Generell gilt: Wird Motor oder BL-Ctrl schnell sehr heiss (gegen 100°C) - ist irgendwas nicht in Ordnung.

Wird ein BL-Ctrl-Regler mit nicht abgestimmter Motor, Propeller , Lipo - Kombination betrieben, kann dies zu Überlastung und leztendlich auch zur Zerstörung der Bl-Ctrl (z.B. Shunt brennt durch) führen.

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• KategorieMotoren