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Richtige Motoren- und Regler- Wahl
...so wird ein Antrieb ausgelegt

RC-Helikopter Motoren und Regler berechnen und auslegen auf Heliblog.de
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Elektroantrieb - eine Kombination aus Regler, Motor und Akku

Zum Antrieb eines Elektrohelikopters gehören sowohl der Motor, der Flugregler sowie der Antriebs- Akku. Diese drei Komponenten müssen gut aufeinander abgestimmt sein, denn sie bilden ein Antriebssystem. Hier eine Übersicht mit einigen für die gesamte Konfiguration wichtigen Kenngrößen.

Antriebs- Akku

Der Antriebs- Akku ist der Energielieferant des Antriebssystems. Wichtige Kenngrößen eines Antriebs- Akkus sind

  • Spannung (ergibt sich aus der Zellenzahl und der Akkutype)
  • C- Belastung/ max. Stromstärke
  • Kapazität des Akku

Die Flugzeit hängt vom Energieinhalt des Akkus ab. Dieser ergibt sich aus der Kapazität des Akkus und der Akkuspannung. Höhere Spannung und höhere Kapazität ergeben einen höheren Energieinhalt. Die mögliche maximale Stromstärke wird durch die C-Klasse gekennzeichnet.

Elektromotor

Der Motor setzt die vom Akku über den Regler zugeführte elektrische Energie in Bewegung um. Wichtige Kenngrößen eines Elektromotors sind:

  • Betriebsspannungsbereich
  • Nennleistung/ Dauerleistung und Peakleistung
  • spezifische Drehzahl (kV)

Die Nenn- Leistung eines Motors richtet sich nach der zum Fliegen erforderlichen Leistung entsprechend dem Abfluggewicht des Helikopters oder auch dem gewünschten Flugstil und eventuell vorzuhaltenden Leistungsreserven. Sein Betriebsspannungsbereich muss zum Flugregler und dem verwendeten Akku passen. Die spezifische Drehzahl des Motors gibt an, wie viele Umdrehungen je Volt (kV) der Motor abgibt.

Bsp.: Ein Motor mit 510kV würde bei einer Regler- Ausgangsspannung von 10Volt mit 5100U/min drehen.

Die Rotorkopf- Drehzahl hängt auch von der Untersetzung (Getriebe/ Zähnezahl) des Helikopters ab.

Flugregler

Der Flugregler als Bindeglied zwischen Akku und Motor regelt die Spannung und damit die Drehzahl des Motors. Der Spannungsbereich des Flugreglers muss zur Akkuspannung passen. Seine Kenngrößen sind:

  • Spannung (LV bis 6S / HV über 6S)
  • Nennleistung (Stromstärke)

Heute kommen größtenteils Brushlessregler zum Einsatz. Diese besitzen drei zum Motor führende Kabel.

Die genaue Auslegung der Antriebskonfiguration richtet sich nach der erforderlichen Antriebsleistung. Die erforderliche Antriebsleistung ist, wie schon oben beschrieben, abhängig vom

Hier findest Du ein Tool mit dem du die Antriebskonfiguration berechnen kannst. E- Antriebsauslegung

Moderne Systeme werden mit Brushless Outrunner Motoren betrieben. Die in diesem Kapitel beschriebenen Überlegungen gelten aber genauso für Brushed Motoren und Innenläufermotoren.

Ein Modell mit dem man nur schweben möchte, benötigt weitaus weniger Leistung als ein Kunstflug- oder 3D- Helimodell.


Faustformel zur Antriebsauslegung

Als Faustformel gilt, dass ein Modellheli zum "sicheren Schweben", inklusive einer minimalen Leistungs- Reserve, eine Motor- Nennleistung von etwa 150 bis 200Watt je Kilogramm Abfluggewicht benötigt. Bei einem 3 kg schweren Modell sind das also 450Watt bis 600Watt. Dabei ist der genaue Wert natürlich abhängig von der Rotordrehzahl, dem Wirkungsgrad des Motors, und anderen Faktoren.

Soll nicht nur im Schwebflug geflogen werden, dann sind dementsprechend größere Antriebsleistungen nötig. Um harten 3D Kunstflug mit einem RC-Helikopter sicher fliegen zu können, wird ein Mehrfaches der Mindest- Schwebflugleistung benötigt. Ausreichende Leistungsreserven sind umso wichtiger, je härter der Flugstil ist!

Eine höhere Rotordrehzahl benötigt eine höhere Durchschnitts- Leistung des Antriebes, da bei höherer Rotordrehzahl der Luftwiderstand am Rotorblatt zunimmt und somit die Leistungsaufnahme des Motors steigt. Das Rotorblatt- Profil spielt hier ebenfalls eine Rolle, da es ausschlaggebend für den Luftwiderstand ist.


Einfluss der Rotordrehzahl auf die Leistungsaufnahme

Ein Kurz- Test mit einem T-Rex 700E mit Standard- Außenläufer- Motor Align RCM-BL700MX im Governormode mit 12S Lipo und 5kg Abfluggewicht erbrachte die in der folgenden Tabelle aufgeführten Ergebnisse im Schwebflug. Der RC-Helikopter wurde dabei außerhalb des IGE (Bodeneffekt) mit langsamer Geschwindigkeit vor- und seitwärts als auch auf- und abwärts bewegt.

Ein 700er T-Rex schwebt schon bei Rotordrehzahlen von weniger als 1400U/min, welches einer wesentlich geringeren Leistungsaufnahme als den 191Watt/kg bei 1662U/min entsprochen hätte. Andere Tests wiederum belegen, dass man die Mindestleistung nicht unter 150Watt/kg Abfluggewicht bei reinem Schwebflug ansetzen sollte, um noch ausreichend Leistungsreserven zu haben.


Veränderung der Leistungsaufnahme des Motors bei unterschiedlichen Rotordrehzahlen

Testaufbau:

Modell: Align T-Rex 700E FBL,
FBL: Robbe HC3-SX
Motor: Align RCM-BL700MX Außenläufer/ Brushless
Akku: 2x Turnigy 6S 5.0, 5000mAh
Regler: Brushless Castle Creations Phoenix ICE 120 HV (V1) im Governormode mit fest eingestellter Drehzahl. Governor Gain wurde auf Medium (25) eingestellt.
Flugdauer in jeder Drehzahl: ~1Minute.

Rotordrehzahl Ø [U/min] Leistungs-Aufnahme Motor Ø [Watt] Strom-Aufnahme Motor min [A] Strom-Aufnahme Motor max [A] Ø Strom-Aufnahme Motor [A] Spezifische Leistungs-Aufnahme [W/kg]
1662 957 13,9 41,4 20,2 191
1757 1090 17,9 38,3 23,0 218
1856 1216 23,0 34,5 26,5 243
1957 1350 28,1 33,2 30,1 270

Wie man sehen kann, steigt die Leistungsaufnahme bei zunehmender Drehzahl. Allerdings sind die Stromspitzen bei höherer Drehzahl auch geringer, da geringere Pitch- Ausschläge benötigt werden um den RC-Helikopter auf Höhe zu halten. Diese Stromspitzen werden natürlich auch weniger, wenn Du Governor Gain auf Low stellst, aber dann reagiert der RC-Helikopter mit größeren Drehzahleinbrüchen auf Pitch Steuerbefehle.
(Governor Gain ist die Einstellung wie stark bzw. schnell der Regler Drehzahleinbrüche durch höhere Stromstärken ausbalancieren soll.)

Einen 700er kann man auch mit weniger als 1400U/min im Schwebflug bewegen. Dabei dürfte die durchschnittliche Stromaufnahme auf theoretische 120 bis 150 Watt im Schwebflug absinken.


Betriebsbereich des Motors und Leistungsreserven

Es ist davon auszugehen, dass der Helikopter bei niederer Drehzahl schon ab etwa 120 bis 150W/kg schwebt. Aber, wer möchte denn mit seinem Modell nur gerade so am Limit schweben?

Leistungsreserven sind nötig, ja sogar überlebenswichtig für den Heli. Es sind mindestens etwa 200 Watt/ kg Heligewicht nötig um wirklich fliegen zu können, wenngleich auch nur mit geringen Leistungsreserven. Leistungsreserven werden aber immer dann benötigt, wenn korrigierende Maßnahmen, ja sogar Rettungs- bzw. Abfangmanöver, notwendig sind. Umso mehr Leistungsreserven vorhanden sind, umso sicherer und komfortabler kann man mit dem RC-Helikopter fliegen. Fliegt man mit etwas höherer Kopfdrehzahl, liegt der RC-Helikopter auch satter in der Luft, was jedoch wiederum mehr Leistungsaufnahme bedeutet, wie oben in der Tabelle zu sehen ist.

Umso höher die Leistungsaufnahme des Antriebs ist, umso höher ist natürlich auch die Wärmeentwicklung im Regler und im Motor.

Es empfiehlt sich daher, den Regler dauerhaft nur mit 75 bis 90% der maximal möglichen Reglerleistung zu belasten. So sind immer noch ausreichend Leistungsreserven vorhanden, die dann abgerufen werden können, wenn sie benötigt werden.


Welche spezifische Motorleistung für welchen Flugstil

Ausgehend von dieser Überlegung gilt, dass man als Minimum eine Motorleistung von etwa 200 bis 300 Watt/kg Heligewicht zur Verfügung haben sollte - wohlgemerkt nur für komfortablen und sicheren Schwebe- und Rundflug. Für Kunstflug sollte schon etwas mehr Leistung zur Verfügung stehen. Ich empfehle für leichten Kunstflug mindestens 350 bis 400W/ kg bereitzustellen. Für 3D gelten natürlich keine Grenzen nach oben. Ab etwa 500W/kg fängt der echte 3D Spaß an. Mit serienmäßig verfügbaren Motorisierungen von bis über 1000W/kg steht dem Hardcore 3D- Spaß antriebsmäßig gar nichts mehr im Wege. Diese Leistungsklassen bieten Reserven ohne Ende. Nur mit Kanonen auf Spatzen schießen ist noch protziger!

Natürlich gehen die Meinungen bezüglich dieser Thematik auseinander. Ich denke mir aber, dass es nichts schlimmeres gibt, als ständig das Gefühl zu haben, untermotorisiert zu sein - ganz zu schweigen vom hohen Risiko eines starken Drehzahlverlustes bei eventuellen Rettungsmanövern, die vielleicht auch bei einem Scale Modell mal notwendig sein werden, für das normalerweise ein nicht allzu kräftiger Antrieb erforderlich ist.


LV (Low Voltage) oder HV (High Voltage)

Höhere Betriebsspannungen sind wenn möglich immer vorzuziehen sind. Das hat seine Begründung in den physikalischen Gesetzmäßigkeiten der elektrischen Leistung. Die elektrische Leistung errechnet sich aus Stromstärke multipliziert mit der Spannung. Verdopple ich die Spannung, dann habe ich mit halbierter Stromstärke die gleiche Leistung.


Als LV (Low Voltage) werden Systeme im Betrieb bis 6S Lipo, also etwa bis 25Volt bezeichnet. Alles was darüber hinausgeht trägt die Bezeichnung HV (High Voltage). Es gibt HV Regler und Motoren, die für den Betrieb mit bis zu 14S Lipo und damit jenseits der 50Volt Grenze ausgelegt sind. HV gehört zumindest im Hochleistungsbereich die Zukunft!

Hohe Stromstärken sind auch für die Akkubestückung eher von Nachteil. Das fängt schon damit an, dass Du tiefer in die Tasche greifen musst wenn du einen Akku in einer C-Klasse höher anschaffst. Bei geringerer Stromstärke erwärmen sich die Akkus auch weniger. Nachteil bei Wahl einer höheren Betriebsspannung ist natürlich der höhere Anschaffungspreis für das Equipment. Das gilt ganz besondere für den Umstieg vom LV in den HV- Bereich.

Eine Regel gilt aber immer. Ein System sollte nach Möglichkeit immer mit der maximal möglichen Spannung betrieben werden. Wenn also z. Bsp. Regler und Motor den Betrieb mit 6S Lipos erlauben, dann solltest Du auch 6S Lipo verwenden und nicht auf 5S oder sogar 4S ausweichen, nur weil die Akkus weniger kosten. Hast Du einen Motor und einen Regler, die 8S bis 12S Lipos unterstützen, dann sollte die Entscheidung immer auf 12S fallen, zumindest dann, wenn noch keine Akkus vorhanden sind und diese erst angeschafft werden müssen. Ein dementsprechend höherer Preis rechtfertigt sich später auf jeden Fall.


Zusammenhang zwischen Akku Kapazität, Betriebsspannung und Flugzeit

Eigentlich ist es ganz einfach, aber ich will es noch einmal ansprechen. Ein Akku mit höherer Kapazität (sprich Milliamperestunden = so viele Milliampere müssen eine Stunde lang fließen, um den Akku ganz zu entladen) ermöglicht eine längere Flugzeit. Eine längere Flugzeit wird auch möglich wenn man die Betriebsspannung erhöht (bei gleicher Kapazität des Akkus), bzw. Akkus mit höherer Zellenzahl einsetzt.

Beispiel Flugzeitverdopplung:

Eine theoretische Flugzeitverdopplung bekommst Du, wenn Du statt eines 6S Akkus mit 2500mAh einen 6S Akku mit 5000mAh einsetzt. Bei 25A Stromstärke reicht der 2500mAh Akku genau 6 Minuten, der 5000mAh Akku genau 12 Minuten. Das Gewicht des Akkus wird sich allerdings auch verdoppeln, daher wird die Flugzeit nicht doppelt so lang sein, das ist klar!

Eine theoretische Flugzeitverdopplung bekommst Du jedoch genauso, wenn Du statt eines "6S 2500mAh Akku" einen mit "12S 2500mAh" einsetzt! Das Gewicht des Akkus verdoppelt sich natürlich ebenfalls.


E- Antriebsauslegung


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