Motor - Propellergröße und bestmöglicher Wirkungsgrad?

[PoWl]

Hi,

ich werde irgendwann mal einen kleinen Quadrocopter bauen aber eine Frage beschäftigt mich schon seit langem:

Wie muss ich meine Motor-Rotor Kombination auslegen damit das ganze möglichst effizient ist?

Bitte korrigiert mich wenn was falsch ist:

Ich hab irgendwo mal gelesen, dass der Motor bei der Hälfte seiner Nenndrehzahl den höchsten Wirkungsgrad hat, das Schaubild des Wirkungsgrad sieht so ungefär aus wie eine umgedrehte Parabel. D.h., da wird zwar am meisten Strom verbraucht aber auch der größte Teil davon in mechanische Energie umgesetzt. Wobei die Nenndrehzahl ja auch wieder von der Spannung abhängt, mit der man den Motor füttert. Die dem Motor maximal zumutbare Spannung (und damit maximal zumutbare Leistung) hängt wiederum von der thermischen Belastbarkeit des Motor ab und hat im Dauerbetrieb eine bauartbedingte feste Grenze, da nimmt man dann wohl die Herstellerangabe.

Ein zu großes Rotorblatt sorgt nun dafür, dass der Motor es garnicht schafft auf seine halbe Nenndrehzahl zu kommen. Selbst wenn man die Spannung erhöht, steigt zwar die Kraft aber auch die Nenndrehzahl.. proportional?

Ein zu kleines Rotorblatt hat zur Folge, dass der Motor über seine halbe Nenndrehzahl hinausschießt und wieder ineffizient arbeitet. Was auch wieder nicht gut ist.

D.h. ich brauche zum passenden Motor nur das richtige Rotorblatt, und schon arbeitet er bei allen Spannungen mit maximaler effizienz und die Schubkraft kann maximal groß werden bei möglichst geringer Motorgröße. Ja?

Wie finde ich das passende Rotorblatt zu meinem Motor oder umgekehrt, den passenden Motor zu meinen Rotorblättern? Abgesehen von Ausprobieren?

Macht es einen Unterschied, ob ich einen großen Rotor nehme, der eine langsame Drehzahl erfordert und diesen vom Motor mit einem geeignet übersetzten Getriebe antreibe? (abgesehen von den Verlusten) Oder einen kleinen Rotor, der direkt am Motor hängt und einfach nur schneller dreht. Erzeuge ich so mit der gleichen elektrischen Energie den gleichen Auftrieb?

Was macht bürstenlose Motoren gegenüber den normalen so effizient? Ist es nur die Tatsache, dass sie keine Bürsten haben, die auf den Kollektor drücken, welche diesen somit bremsen?

lg PoWl

[wkrug]

Ich komm nicht aus der Hubschrauber Liga, fliege aber Flächenmodelle.

Prinzipiell haben Luftschrauben größeren Durchmessers einen besseren Wirkungsgrad. Wichtig für Dich dürfte dabei der erzeugte Standschub sein, der bei einer bestimmten Drehzahl erreicht wird.
Es ist aber auch so, das Luftschrauben mit gleichen Durchmesser und Steigungswerten von unterschiedlichen Herstellern auch unterschiedliche Wirkungsgrade haben. Ich hab die APC Elektro Propeller als geeignet empfunden - Achtung nicht die Verbrenner Typen nehmen - zu schwer.
Ein wichtiger Parameter wäre der n100 Wert, also die Drehzahl, bei der die Luftschraube 100W benötigt. Leider geben nur die allerwenigsten Hersteller diesen Wert an.

Bürstenmotoren sind eigentlich immer Innenläufer.
Diese Motoren haben gerade bei hohen Drehzahlen ihren maximalen Wirkungsgrad. Da man aber auch das Gewicht so eines Motors mitschleppen muß, nimmt man in Kauf den Motor aussehalb seines maximalen Wirkungsgrades mit eigentlich zu niedrigen Drehzahlen bei zu hohem Strom zu betreiben.
Oft hat dann eine Kombination aus Bürstenmotor, Getriebe, größere Luftschraube einen besseren Gesamtwirkungsgrad als ein Direktantrieb, obwohl das Getriebe natürlich auch Verluste bringt.

Bei bürstenlosen Aussenläufern sieht das nun ganz anders aus.
Die Magnete sitzen weit ausserhalb des Drehpunktes und können somit ein sehr hohes Drehmoment im Vergleich zu Innenläufern ( Bürstenlose und auch Bürstenmotoren ) entwickeln.

Da die Drehzahlen des maximalen Wirkungsgrades dabei viel niedriger sind als bei Bürstenmotoren, kriegt man dabei ein viel bessere Propelleranpassung hin, als bei Innenläufern.

Ich würd einfach mal die Propellerempfehlung des Motorenherstellers als Ausgangspunkt wählen und zwar den Typ mit dem größeren Durchmesser bei weniger Steigung, da es Dir ja nicht auf die Strahlgeschwindigkeit ankommt, sondern auf den Standschub.

[PoWl]

Ach, die abgegebene mechanische Leistung eines Motors hatte diese Parabelform. Stimmt, der Wirkungsgrad ist besser bei Nenndrehzahl.

Puh das ist doch komplizierter als ich dachte. Macht es einen Unterschied ob ich eine große Luftschraube nehme mit kleinem Motor und Getriebe oder ob ich eine kleine Luftschraube mit kleinem Motor und Direktantrieb nehme, die dann einfach schneller dreht und auf diese Weise genausoviel Schub erzeugt wie die größere. Die Luftschraube muss dann halt so gewählt werden, dass der Motor auf der gleichen Drehzahl wie mit der Getriebevariante dreht und mechanisch dann nicht einfach unterbeansprucht ist.

Bei meinem kleinen RC-Helikopter ist auch ein Getriebe drin, der Motor ist recht klein.

Die angestrebte Propellergröße beläuft sich übrigens einmal auf so 10cm und einmal auf 5cm (fürs andere Modell). Stimmt, Standschub ist dann das, was ich brauche. Wo kann ich denn solche Propeller beziehen? Wie läuft das mit den passenden Bohrungen, kann man die selbst reinbohren oder gibts verschiedene Aufnahmen? Diese Mini-Motoren haben ja teilweise recht unterschiedlich dicke Achsen.

lg PoWl

[Willa]

wkrug hat die wichstigsten Punkte genannt: Vom aerodynamischen Aspekt her solltest du immer auf die größtmögliche Luftschraube mit möglichst kleiner Steigung zurückgreifen. Tragflächen mit hoher Spannweite und geringem Anstellwinkel haben das beste Auftrieb / Widerstand Verhältnis. Wichtig ist auch die Qualität der Luftschraube, APC-E hat wie bereits erwähnt einen sehr guten Ruf. Allerdings kommen bei nem Quadrocopter noch andere Faktoren hinzu: Um vernünftig regeln zu können kann man den Motor nicht bei Nenndrehzal betreiben, denn dann wäre die verfügbare Regelreserve zu gering. Der Motor wird also immer mit eigentlich zu geringer Drehzahl betrieben. Außerdem eignen sich APC-E nicht sehr gut zur Regelung: Sie haben ein zu hohes Massenträgheitsmoment (zu "schwer"). Die Plastik GWS Luftschrauben sind für die Reglung besser, für die aerodynamische Effektivität aber nicht. Außerdem empfehlen sich für eine gute Regelung möglichst kleine Luftschrauben, da diese prinzipiell ein kleineres Massenträgheitsmoment aufweisen. Die Regelung ist aber meistens der schwierige Punkt bei einem Quadrocopter. Effektivität spielt weniger eine Rolle, fliegt er dir nicht lange genug musst du halt nen größeren Akku einbauen....
Du siehst also, das ganze ist ein totaler Kompromiss. Wenn du effektiv (wenig Energie pro in der Luft verbrachte Zeit) fliegen willst nimm einen Hubschrauber oder noch besser ein Flugzeug...

[wkrug]

Macht es einen Unterschied ob ich eine große Luftschraube nehme mit kleinem Motor und Getriebe oder ob ich eine kleine Luftschraube mit kleinem Motor und Direktantrieb nehme, die dann einfach schneller dreht und auf diese Weise genausoviel Schub erzeugt wie die größere

Das kommt wirklich auf den Motor an.
Hat der eine sehr hohe Nenndrehzahl wird die Getriebevariante einen besseren Wirkungsgrad haben.
Nimmst Du einen Brushless Aussenläufer hat der ohne Getriebe sicher einen besseren Gesamtwirkungsgrad.
Das mit dem Masse Trägheitsmoment ist so auch richtig.

Bei Luftschrauben um die 10cm sind die GWS sicher eine leichte Lösung.
Die Teile werden dann mit einem sog. Propsaver direkt mit einem dicken Gummi auf den Motor "geschnallt".

Beziehen kannst Du die Luftschrauben und auch Motoren bei den verschiedenen Modellbauversendern.
Beispiele:
Causemann: http://www.handlaunchglider.de/
Lethmate: http://www.modellbau-letmathe.de/
Lipoly: http://www.lipoly.de/
Mamo: http://mamo-modelltechnik.de/
MZ: http://www.mz-modellbau.de/
MH: http://www.yellow-bl.de/
torcman: http://www.yellow-bl.de/
Oder bei Großversendern wie:
Höllein: http://www.hoellein.com/
Schweighofer: http://www.der-schweighofer.at/
Eine Übersicht über Modellbauversender findest Du auf unserer Linkseite:
http://www.toeging.lednet.de/flieger/links/links.htm