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Der Elektromotor

DIE BERECHNUNG DES ELEKTRISCHEN ANTRIEBS MIT DER "WATT PRO KILO"-REGEL


Es besteht mittlerweile kein Zweifel mehr daran, dass der Elektromotor endgültig als Alternative zum Verbrenner auf unseren Flugplätzen angekommen ist – egal, ob es sich um ein kleines Modell der 2,5ccm Klasse oder ein Großmodell jenseits der 100ccm handelt. Trotz oder gerade wegen dieser ständig wachsenden Verfügbarkeit von Elektrosystemen, welche den Verbrennern in Punkto Leistung und Zuverlässigkeit in nichts mehr nachstehen bzw. diese sogar übertreffen, ergeben sich immer wieder Fragen, wenn es darum geht, den richtigen Antriebsstrang bestehend aus Motor, Regler, Luftschraube und Akkupack für ein Modell auszuwählen.

DER ERSTE SCHRITT


Der Erste Schritt zum Erfolg ist dabei zunächst festzulegen, welche Leistung für das zu „elektrifizierende“ Modell überhaupt benötigt wird, um die gewünschte Flugleistung zu erzielen. Diese Leistung wird in Watt definiert, wobei 1 PS gleich 746 Watt sind. Ein Watt wird durch die Multiplikation von Volt und Ampere definiert, so ergeben beispielsweise 10 Volt x 10 Ampere 100 Watt.

Um nun die erforderliche Leistung zu errechnen, gibt es die sogenannte “Watt pro Kilo”-Regel, bei der das Gesamtfluggewicht inkl. Antriebsstrang und Akku als Basis genommen wird:

  • 110-160 Watt pro Kilo: Dies ist die Minderleistung, um das Modell überhaupt flugfähig zu machen. Ideal ist dieser Wert für kleine Schaummodelle wie Slow- und Parkflyer.
  • 160-200 Watt pro Kilo: Hochdeckertrainer und langsam fliegende vorbildgetreue Modelle
  • 200-250 Watt pro Kilo: Klassische Kunstflugmodelle und schneller fliegende vorbildgetreue Modelle
  • 250-290 Watt pro Kilo: Fortgeschrittene Kunstflug- und Hochgeschwindigkeitsmodelle
  • 290-330 Watt pro Kilo: 3D Kunstflugmodelle mit niederer Flächenbelastung und Impellermodelle
  • über 330 Watt pro Kilo: Kunstflugmodelle mit unlimitierter Leistung
Diese Richtwerte haben wir auf Basis unseres Sortiments von bürstenlosen E-Flite Motoren entwickelt; die Ergebnisse können aufgrund der unterschiedlichen Wirkungsgrade anderer Hersteller und unterschiedlicher Propellergrößen und -wirkungsgrade variieren. Dennoch bieten sie eine solide Grundlage für die Berechnung eines Antriebs für jedes beliebige Modell.

Später setzen wir diese Theorie in die Praxis um und berechnen den Antrieb zwei unserer beliebtesten Modelle, dem Ultra Stick 30cc und „The Beast 60e“ – bevor wir aber loslegen, gilt es, noch ein paar grundlegende Dinge über die Akteure in unserem Antriebsstrang zu lernen.


DER MOTOR


Der Elektromotor Die meisten Hersteller geben in den technischen Daten ihrer Motoren die Anzahl der Zellen, die Dauerstrombelastung und die kurzzeitige Höchststrombelastung an. Aus diesen Werten kann man die Leistung errechnen, welche der Motor auf Dauer und kurzzeitig liefern kann, ohne Schaden zu nehmen:

  • Durchschnittsspannung der Zellen x Anzahl der Zellen x Dauerstrombelastung = Dauereingangsleistung in Watt
  • Durchschnittsspannung der Zellen x Anzahl der Zellen x Höchststrombelastung = Höchsteingangsleistung in Watt

DER AKKUPACK


Der Lipo-Akkupack Lithium-Polymere-Zellen haben eine Nennspannung von 3,7V. Voll aufgeladen liegt sie bei 4,2V, die Entladegrenze, bevor sie Schaden nehmen, liegt bei etwa 3,3V. Unter Last geht die Spannung der Zellen zurück und so hat es sich bewährt, für die Berechnung des Antriebs einen eher niederen Wert anzunehmen: Sicherheitshalber gehen wir dann immer von 3,3V pro Zelle aus – das ist der niedrigste Wert, den man mit dem LiPo-Akkupack noch fliegen kann.

DER REGLER


Der richtige Regler hängt von der erforderlichen Stromstärke ab. Dabei muss man natürlich bedenken, dass der Regler nicht nur die Dauerbelastung, sondern auch die Höchstbelastung abdecken muss, um bei Stromspitzen nicht Schaden zu nehmen. Hat man also in seinem Antriebskonzept eine Dauerstrombelastung von 30 Ampere, jedoch eine Spitzenstromstärke von 45 Ampere eingeplant, so genügt es nicht, einen 40-Ampere-Regler einzubauen „weil man ja ohnehin nie Vollgas fliegt“: In einem solchen Fall sollte unbedingt ein 50-Ampere-Regler verbaut werden.


BEISPIELRECHNUNG 1: ULTRASTICK 30CC


Der Ultrastick 30cc: vom Verbrenner zum Elektromotor Aber zurück zu unserem Beispiel: Unser Hangar 9 Ultra Stick 30cc hat ein geplantes Abfluggewicht von 5,5kg. Der Ultra Stick 30ccm kann als Schulterdecker-, also Hochdeckertrainer definiert werden, sodass wir von einer geplanten Leistung von etwa 160W pro Kilogramm ausgehen, um eine vernünftige Flugleistung zu erzielen. Daraus errechnet sich eine erforderliche Leistung von etwa 880W.

Als Motor bietet sich damit der E-Flite 160 an. Wir haben bereits definiert, dass man die Dauerleistung eines Motors durch die Multiplikation der LiPo-Spannung und der Stromaufnahme errechnen kann. Dieser Motor liefert damit rechnerisch an einem 6S Pack (3,3Vx6=19,8V) bei einer Dauerstromaufnahme von 60A eine Leistung von 1188W. Damit sind wir mit einer leichten Reserve genau im Zielkorridor.

Aber welchen Propeller, Regler und Akkupack brauchen wir jetzt noch dazu? Beginnen wir mit dem Propeller: Die empfohlene Luftschraube für den Power 160 ist eine 20x10 Luftschraube. Mit dieser zieht der Motor bei 6S unter Vollast 38,7A (38,7Ax19,8V= 766W) und liefert dabei einen Standschub von 4.870g und eine Pitchgeschwindigkeit von 72km/h (www.drivecalc.de). Da der Motor aber mehr Strom verträgt und der Standschub für unseren Stick ausreichend ist, erhöhen wir die Steigung bei der Luftschraube, um etwas mehr Geschwindigkeit zu erreichen. Mit einer 20x12 steigt der Motorstrom auf 44,6A (44,6Ax19,8V=883W) an, der Standschub auf 5.700g und die Pitchgeschwindigkeit auf 85km/h. Damit haben wir einen guten Ausganspunkt für unser Ultrastick.

Wichtig ist natürlich, dass die ausgewählte Batterie nicht nur die benötigte Stromstärke liefern kann, sondern uns auch noch eine vernünftige Flugzeit garantiert. Der Power 160 nimmt bei Vollast 44.6A auf. Natürlich fliegt man nicht immer nur mit Vollgas, die Erfahrung hat aber gezeigt, dass es Sinn macht, einen Antrieb auf 5 Minuten Volllast auszulegen. Damit kann man mit etwas Gasmanagement die Laufzeit ohne weiteres auf 8-10 Minuten ausdehnen. Bei 5 Minuten Volllast „verbraucht“ der Motor 3.700mAh (44,6A*0,083h). Um etwas Reserve zu haben und den Pack nicht komplett zu entleeren rechnen wir die benötigte Energie x 1,2. Daraus folgt 3.700mAh x 1,2 = 4.440mAh. Wir suchen also einen 6S Akkupack mit 4.500 mAh. Grundsätzlich würde hier ein Akkupack mit einer Entladerate von 20C genügen (4,5A x 20C = 90A), wir empfehlen jedoch unsere Dymond LiPo Packs mit einer Entladerate >30C für eine noch bessere Performance.

Schlussendlich benötigen wir nun noch einen passenden Regler. Die Eckdaten haben wir ja bereits errechnet, der Regler muss mindestens 44,6A Belastung standhalten können. Um auf der sicheren Seite zu sein, empfehlen wir immer den nächstgrößeren Regler zu nehmen. In diesem Fall wäre das ein Regler mit 75A.


BEISPIELRECHNUNG 2: THE BEAST 60E


The Beast 60e: vom Verbrenner zum Elektromotor Spielen wir das Beispiel nochmals durch, diesmal jedoch mit einem 3D Modell. Hierfür eignet sich das Modell „The Beast 60e“: Der Kunstflugdoppeldecker hat eine Spannweite von 1.450mm und einem Flächeninhalt von 71dm². Das Abfluggewicht liegt bei ca. 4,35kg. Nun geht es darum, einen Antrieb zu finden, der möglichst viel Standschub für 3D Figuren liefert, ohne dabei zu viele Kompromisse an die Geschwindigkeit zu machen.

Laut der Watt pro Kilo Regel suchen wir also einen Antriebsstrang mit etwa 1.435W. Das „60e“ im Modellname ist schon ein Hinweis auf den passenden Motor. Früher hieß .60, dass das Modell für einen .60cuin(10ccm)-Verbrennungsmotor ausgelegt wurde, heute bedeutet es, dass ein Motor mit äquivalenten Leistungsdaten zum Antrieb benötigt wird. Wir haben unsere Motoren-Nomenklatur entsprechend gewählt, dass man leicht den passenden Motor findet, und so gibt es in unserem Programm auch einen Power 60 Motor, der mit dem richtigen Antriebsstrang der Leistung eines 10ccm Motors entspricht.

Mit dem Power 60 (470KV) als Ausgangspunkt starten wir mit der größten empfohlenen Luftschraube für diesen Motor, der APC 17x7E. An einem 6S LiPo Pack zieht der Motor mit dieser Luftschraube bei Volllast 84,49 Ampere, das sind 4,49A über der Maximalbelastung des Motors. Wir reduzieren also die Steigung auf 17x6E und sehen, dass die maximale Stromstärke nun auf 75,67A sinkt und wir im grünen Bereich für kurze Vollgaspassagen liegen.

Mit der 17x6E beträgt der Standschub knapp 5.900g, womit das Schub-/Gewichtverhältnis von 1:1,36 beträgt – das genügt für die meisten 3D Figuren. Die elektrische Leistung liegt damit bei (19,8Vx75,67A) 1.498W. Denken wir jetzt an unsere ursprüngliche „Watt pro Kilo“-Regel, dann ergibt sich für den „The Beast 60e“ ein Leistungswert von 344W/kg – unser Biest wird zu einem „Flugmodell mit unlimitierter Leistung“. Bei 75,67 Ampere greifen wir wieder auf den nächsthöheren Regler zurück, in diesem Fall einen Regler mit mind. 80A Dauerleistung: wie unser Pro Switchmode Brushless Regler 80A.

Welcher Akku eignet sich dafür? Um 5 Minuten Vollgas zu fliegen, bräuchte es einen LiPo mit mind. 6.200mAh. In Wahrheit fliegt man mit einem 3D Modell aber kaum Vollgas und nutzt maximal Gasstöße, um Figuren auszufliegen. Je nach Flugstil würde deshalb ein 4.500mAh oder 5.000mAh LiPo für ein 10 Minuten Kunstflugprogramm völlig genügen. Um das Maximum an Energie aus dem LiPo-Pack zu holen, sollte hier auf einen Pack mit mindesten 45C zurückgegriffen werden.

FAZIT


Die „Watt pro Kilo“-Regel ist eine gute und praktikable Basis zur Berechnung der Antriebsauslegung eines Flugmodells. Mit der errechneten notwendigen Leistung gewinnt man eine solide Basis, um sich auf die Suche nach dem passenden Antriebsstrang zu machen.

Wurde der passende Motor ermittelt (empfohlene LiPo Spannung x möglicher Dauerbelastung), ist es ein leichtes, die passende Luftschraube und den passenden Regler zu finden. Hilfreich sind dabei Online-Berechnungstools wie ECalc.ch, bei denen auch bereits einige hundert Komponenten mit Datenblätter hinterlegt sind.

Ein so zusammengestellter elektrischer Antrieb garantiert damit nicht nur die gewünschten Flugeigenschaften für Ihr Modell, sondern auch eine zuverlässige, saubere und kraftvolle Alternative zum Verbrennungsmotor.