E-Motor: Leistung - Spannung - Strom

[Baloo]

Hallo zusammen,

ich wende mich heute an die Experten unter euch, die sicher folgende Überlegung problemlos beantworten können:

In der Beschreibung der technischen Daten eines brushless Motors für Flugmodelle sind viele Einzelheiten (u.a. 14 Pole, 42 mm Durchmesser, Länge 52 mm, Leerlaufdrehzahlpro Volt = x kv) genannt, aber weder die zulässige Spannung noch der zulässige Strom. Angegeben ist aber eine max. Leistung (für 15 Sekunden) mit 1.000 Watt.
Meines Erachtens kann dieser Motor sinnvoll mit 4S, 5S oder 6S Lipo betrieben werden. Das würde bedeuten, dass ich bei voll geladenem Akku den Motor zwischen 40 und 60 A kurzfristig belasten dürfte.

Spannung	Zellen	Watt	Volt	Ampere
3,7	4	1.000	14,8	68
3,7	5	1.000	18,5	54
3,7	6	1.000	22,2	45
4,2	4	1.000	16,8	60
4,2	5	1.000	21,0	48
4,2	6	1.000	25,2	40

Ist es dem Motor egal, ob ich mich bei der Auswahl des Propellers (in der vorstehenden Beispielrechnung) auf eine höhere Spannung oder eine höhere Strombelastung festlege?

Ich hoffe, die Frage einigermaßen verständlich formuliert zu haben - ansonsten bitte nachfragen.

Gruß Bernhard

 

[Baloo]

E-Motor - Belastungsgrenze

Dass es überhaupt keine Antwort bzw. keinen Kommentar auf Fragen gibt, kommt hier doch eher selten vor.
Ist die Frage nicht verständlich - die Antwort zu einfach, oder zu speziell?

Ich stelle die Frage mal von einer anderen Seite:

Wie wird denn grundsätzlich die Belastungsgrenze eines Motors ermittelt, so dass sich am Ende die zulässige Spannung und/oder der zulässige Strom ergibt?

Gruß Bernhard

 

[Cleopatra024]

Motorenauswahl?

Hallo Bernhard,
ich bin weder Elektroniker noch Elektriker, ich kann Dir nur meinen Weg zeigen:

Ich rechne pro kg Fluggewicht mit 100W, dann fliegt es, mit 200W flott und mit/ab 300W auch senkrecht.
Dann lege ich fest, wieviel W ich im Maximum brauche bzw. wie lange mein Teil im Vollgasmodus fliegen soll, für meine Motorkisten reichen ca. 4 bis 5 Minuten vollauf, weil man ja eben nicht immer Vollgas fliegt. Das ergibt die Batteriegrösse.
Dann versuche ich abzuschätzen wie schnell der Vogel fliegen soll bei Vollgas, daraus errechne ich mir eine Steigung des Propellers und damit verbunden dann auch einen passenden Durchmesser in den gängigen Grössen, zB 10x6, 10x5, kleinere Steigungen nehme ich nicht, ich schaue, ob die Steigung min. 50% des Durchmessers beträgt, also zB nicht 9x9 oder 10x3 etc..
Dann hat jeder Motor eine spezifische Drehzahl in kV/1Volt, und jetzt schaue ich, ob die gewünschte Drehzahl damit erreichbar ist, ist sie zu gering, nehme ich statt 3S eben 4S und schaue ob das passt, oder 5S oder eben 6S usw., dh. ich taste mich an ein MEIN (!) Auslegungsoptimum heran.
Danach mache ich mindestens eine Werkstattmessung bezüglich Spannung (wird der Akku in die Knie gezwungen wegen zu hoher Stromaufnahme?) oder fackelt mir der Fahrtregler ab (wegen zu hohem Standstrom!)?
Und dann geht's aufs Flugfeld mit der nötigen Vorsicht und eingeschalteter Telemetrie.

Mit dem von Dir abgebildeten Schema kann ich nicht viel anfangen, es ist mir nicht schlüssig.
Es gibt viele Internetprogramme, die es noch viel besser können, zB e-Calc etc......
Und es gibt Fachleute hier im RCNnetwork, die es auch besser können, aber zur Zeit wohl nicht nicht wollen, weil Deine Fragestellung
zu pauschal (?) ist. Aber vielleicht gibt es jemanden, der meine Vorgehensweise zerzausen kann und dann wissen wir beide mehr....

VG Werner

 

[S_a_S]

Die 1000W-Angabe kommt aus einem angenommenen Motorwirkungsgrad, der zu entsprechender Abwärme führt.
Mit der Spannung steigt die Drehzahl linear, bei einer Luftschraube als Last aber die erforderliche Leistung mit der dritten Potenz zur Drehzahl.
Und für ein Modell/Propeller ist sowohl Schub als auch Strahlgeschwindigkeit relevant, um mit vernünftigem Luftschraubenwirkungsgrad arbeiten zu können.
Wenn der Motor völlig fehlangepasst an die Last ist, sinkt der Wirkungsgrad und damit steigt die Heizleistung, von daher ist die von Dir dargestellte Tabelle eher theoretischer Art. Im Zweifelsfall muss da sonst noch ein Getriebe dazwischen.

Und die 4,2V hast Du nur direkt nach dem Laden ohne Last

Grüße Stefan

 

[Jonas Kessler]

Ist es dem Motor egal, ob ich mich bei der Auswahl des Propellers (in der vorstehenden Beispielrechnung) auf eine höhere Spannung oder eine höhere Strombelastung festlege?

Servus Bernhard,

Deine Frage ist so ganz ohne Kontext des anzutreibenden Gerätes etwas wenig griffig für Modellbauer.
Grundsätzlich kannst du die Leistung über höhere Spannungen oder über höhere Ströme erreichen, ja. Je höher der Strom, desto größer die Verlustleistung, daher wird man versuchen, Ströme eher niedrig zu halten. Ist also "nicht egal".

Der Propeller muss auch zum Modell passen, nicht nur zum Motor. Und der Propeller muss die Drehzahl auch aushalten können.

Die Belastungsgrenze eines Motors richtet sich (vereinfacht) nach
a) Dicke der Wicklungen = Maximalstrom
b) Wärmeabfuhr und Wärmekapazität = Maximale (Verlust-) Leistung
c) Drehzahlfestigkeit = Zellenzahl

Die angegebene Tabelle ist nicht sehr hilfreich. Normalerweise ist eine Angabe des maximalen Dauerstroms das beste Kriterium.
Zudem ist für seriöse Motoren auch ein Strombereich angegeben, in dem der Wirkungsgrad vertretbar ist. Zu wenig Strom ist ja auch schlecht, weil der Motor dann unnötig teuer und schwer ist, ohne sein Potenzial auszunutzen.

 

[Baloo]

Hallo Werner, Stefan und Jonas,
vielen Dank, dass ihr euch die Zeit genommen habt, und euch mit meiner (mehr theoretischen) Fragestellung auseinandergesetzt habt. Durch die Tabelle habe ich die eigentliche Fragestellung etwas verkompliziert und mit dem Hinweis auf die Propellerauswahl noch mehr Verwirrung gestiftet - aber jeder hat mir auf seine Weise geholfen.

Die von Werner beschriebene Vorgehensweise wende ich mit eigenen Messungen vor dem Erstflug und bei Änderungen in ähnlicher Weise an.

Stefan weist auf die Abwärme in Bezug auf den Wirkungsgrad hin, der vom Hersteller in meinem Fall nicht genannt wird.

Wie Jonas bemerkt, könnte eher ein höherer Strom nachteilig sein wobei auf die Wärmeabfuhr zu achten ist. Dass die Drahtstärke der Wicklung die Belastbarkeit beeinflusst hatte ich bereits vermutet.

Die von den Händlern genannten Leistungsangaben kann ich nicht immer nachvollziehen und manchmal widersprechen sie sich. In einem Fall habe ich einen Motor auch schon zurückgegeben, dessen Angaben (4S: 13x8 - 42A, 13x11 - 50A, 15x8 - 60A) mit meiner Messung (4S: 13,5x6 - 56,4A) deutlich auseinander lag.

Gruß Bernhard

 

[Papa14]

Wie wird denn grundsätzlich die Belastungsgrenze eines Motors ermittelt, so dass sich am Ende die zulässige Spannung und/oder der zulässige Strom ergibt?

Empirisch.

Ja, klar, mit der Antwort kann keiner so richtig etwas anfangen. Die Hersteller werden kaum dutzende Motoren auf den Prüfstand stellen und so lange traktieren, bis sie in Rauch aufgehen. Die limitiernden Faktoren sind natürlich die Qualtiät der Wicklung, der Lager und der Magneten. Manch eine Chinaklingel hat bei hoher Wärmeentwicklung schon ihre Magneten abgeworfen (was mitunter zu Blockade und damit extrem hohen Strömen führt, das lässt den Regler verschmoren und uU das BEC, was zu einem Totalverlust führt).

Ich kann mich nur den allgemeinen Antworten hier anschließen. Der Einsatzzweck spielt eine große Rolle, in einem E-Segler mit den typischen Einsschaltzeiten von 10-15 Sekunden kann man den Motor schon mal im roten Bereich bewegen. Das mache ich auch, dann muss aber genügen Kühlung vorhanden sein, dann hat der Antrieb (und der Regler) in den Segelphase Gelegenheit zum Abkühlen.

Grundsätzlich kannst du die Leistung über höhere Spannungen oder über höhere Ströme erreichen, ja. Je höher der Strom, desto größer die Verlustleistung, daher wird man versuchen, Ströme eher niedrig zu halten. Ist also "nicht egal".
...
Zu wenig Strom ist ja auch schlecht, weil der Motor dann unnötig teuer und schwer ist, ohne sein Potenzial auszunutzen.

So sehe ich das auch.

Es gibt viele Internetprogramme, die es noch viel besser können, zB e-Calc etc

Leider ist der Output sehr oft unbrauchbar, weil sehr oft die benötigten Basisdaten von Regler, Motor und Propeller nicht vorliegen. Wenn das gerechnete Ergebnis 25-30% daneben liegen, kann man die Berechnung vergessen.

Bei jedem Motor sollte irgendeine Leistungsangabe mit Zellenanzahl und Propellergröße vorliegen. Von da weg kann man sich weiter vortasten, wenn man mehr Standschub möchte, kann man einen größeren Prop mit weniger Steigung probieren. Standschub kann man mit der Kofferwaage messen, die Tromaufnahme mit Telemetrie.

 

[S_a_S]

Bernhard,
schau Dir mal die typische Kennlinie eines (kleinen) Motors an (für eine definierte Spannung):

Ohne Last ist die Drehzahl [N] maximal, aber die abgegebene Leistung [P] (Drehzahl x Drehmoment) Null. Mit Last steigt der Strom proportional und die Drehzahl fällt proportional. Bei halber Drehzahl ist das Leistungsmaximum, auch wenn das Drehmoment bis zum Stillstand weiter zunimmt. Aber bei Stillstand ist die abgegebene Leistung auch wieder Null.

Jetzt ist da noch der Wirkungsgrad [EFF] eingezeichnet. Bei Leerlauf ist durch die Reibung und durch andere Verluste bereits ein Leerlaufstrom zu sehen. Dazu kommen die Widerstandsverluste, die proportional zum Strom sind. Der Wirkungsgrad ist die abgegebene Leistung geteilt durch die aufgenommene elektrische Leistung (Strom x Spannung) - und bei maximaler mechanischer Leistung ist der Wirkungsgrad schon bei unter 50%.

Bei höheren Spannungen steigt die Leerlaufdrehzahl und der Stillstandsstrom (Innenwiderstand), der prinzipielle Verlauf bleibt ähnlich (muss aber auch berechnet/vermessen werden)

Auch die Luftschraube hat eine Kennlinie von aufgenommener mechanischer Leistung über die Drehzahl (bzw. Widerstandsmoment über Drehzahl) - allerdings dann auch noch abhängig von der Fluggeschwindigkeit.
Ziel sollte also sein, den Arbeitspunkt - das ist da wo sich Lastmoment und Antriebsmoment schneiden - in den Bereich zu setzen, wo der Wirkungsgrad noch akzeptabel ist (etwa 80% Leerlaufdrehzahl). Wobei das wegen der sich ändernden Fluggeschwindigkeit dann wieder eher ein Arbeitsbereich ist.

Zur Temperatur / Überlast findet sich in der Roxxy-Antriebs-Fibel auf S. 13 ein Diagramm. Hier spielt aber auch die Kühlung durch den Propeller eine wesentliche Rolle. Und gilt nur für den Motor mit seinen Masseverhältnissen. In derselben Fibel ist auf S. 23 noch ein Diagramm, das vielleicht Deine Frage nach den Zellen beantwortet (auch da exemplarisch für einen Motor angegeben). Auch ein paar Luftschraubenkennlinien auf S. 10 - allerdings nicht auf Drehzahl bezogen sondern Schub/Geschwindigkeit bei konstantem Strom. Und auf S. 29 die Vorgehensweise, die sich mit den weiter oben genannten Vorschlägen gut deckt.

Grüße Stefan

 

[Baloo]

Hallo Stefan,
so langsam verstehe ich die Zusammenhänge, muss mich aber noch weiter einlesen. Die Antriebs-Fibel von Roxxy kannte ich nicht, aber die Beschreibungen dort sind verständlich dargestellt.

Genau diese Informationen hatte ich erhofft - vielen Dank für deine Erklärungen und den Link.

Gruß Bernhard

 

[chris2f4u]

Hallo Bernhard,

im Grunde beklage ich das auch, dass Hersteller allenfalls grob passende Angaben bereitstellen.
Warum ist mir ein Rätsel, mir fällt dazu nur der Umsatz ein, wenn jeder mehrere verschiedene Propeller kaufen muss......

Die Berechnungsprogramme kannste in die Tonne kloppen.
Die Basis dieser Programme sind Messdaten die User dort eingeben. Ist dein Motor und Prop zwischen zwei Messdaten, ist die Abweichung so groß dass das Ergebnis unbrauchbar dick neben der Realität liegt.
Teilweise sind die Daten auch uralt (früher wurde noch alles am Boden gemessen, nicht in der Luft).
Und wer kann schon auch brauchbar exakte Daten erheben?
Hab´s schonmal rausgehauen: E-Calc verlangt Geld für (recht grobe) Daten die die User hochladen..... *** (editiert)

Heutzutage gibt es sehr viele Propeller für Elektro, das war nicht immer so.
Also wenn da steht Motor xy kann an 4S Propeller 15x8, dann muss da auch stehen WELCHER 15x8.
Es gibt schlanke Blätter, breite Blätter, dicke Profile, dünne......

Und es ist ein großer Unterschied an Volt und Ampere mit vollem Akku oder fast leer.
Bei meinem F5J sind es beim ersten Steigflug 550 Watt, beim letzten 450....mit 65C Akku.
Mit einem schwächeren Akku liegen 450 bis 400W an....mit 40C Akku.
Bei 15° Außentemperatur geben die Akkus auch viel weniger ab als bei 25°.

D.h. es gibt nicht nur den einen Wert, sondern eher einen Maximalwert der nach kurzer Zeit schon nicht mehr zu erreichen ist im Flug.
Ergo kannst du auch Kurzzeitig mehr vom Motor verlangen als auf dem Papier steht.....immer auf gute Kühlung achten.

Mit Telemetrie und einem Regler der Strom messen kann kannste super duper Propeller finden....in der Luft messen.....
Und man kann viel spielen, wie z.B. den Strom begrenzen, so dass den ganzen Flug über die gleiche Leistung (W) anliegt.
Oder die max. Ampere des Motors einprogrammieren als Begrenzung....man kann sehr viel Sicherheit "einbauen".

Gruß Chris

 

[Baloo]

Nachdem ich mich heute den ganzen Nachmittag mit der Antriebs-Fibel beschäftigt habe weiß ich, dass ich (eigentlich) nichts weiß.
Man ist aber nicht zu alt, um noch dazu zu lernen.

Gruß Bernhard

 

[Rüdiger]

Mit dem Drive Calculator konnte ich bisher meine Antriebe recht genau bestimmen. Kost nix, gibt nix zu meckern.

cu,

Rüdiger

 

[Papa14]

im Grunde beklage ich das auch, dass Hersteller allenfalls grob passende Angaben bereitstellen.
...
Die Berechnungsprogramme kannste in die Tonne kloppen.
...
Also wenn da steht Motor xy kann an 4S Propeller 15x8, dann muss da auch stehen WELCHER 15x8.
Es gibt schlanke Blätter, breite Blätter, dicke Profile, dünne......

Ich möchte den Beitrag von Chris vollinhaltlich unterschreiben.

Am ehesten kann man sich noch an den Angaben von A. Reisenauer orientieren. Die sind aber sehr GM-lastig und es gibt mittlerweile so viele verschiedene Versionen (neu-alt-nochälter, Scale, Scale-alt, Scale-neu), dass man da auch keinen Durchblick mehr halt.

Die Angaben von z.B. Hacker sind da nur mehr rudimentär, da gibt es maximal 2-3 Angabe mit verschiedener Anzahl von Zellen mit jeweils einem Prop (und das ist fast immer ein RFM). Auf meine Mail Anfrage, ob alternativen Messdaten vorliegen, gabs nur die lapidate Antwort "Nö, hamma nicht". Mit ein Grund, warum ich noch keinen Hacker gekauft habe.

Was außerdem mit eine Rolle spielt, ist das verwendete Mittelstück. Damit verändern sich die Leistungsdaten, aber nicht linear zu einem vergleichsweise größeren (oder kleineren) Prop (nimmt man ein größeres Mittelstück, dann wird zwar der Propellerkreis größer, aber die Blätter bleiben gleich schlank/schmal).

 

[Peter Stöhr]

Ich möchte den Beitrag von Chris vollinhaltlich unterschreiben.

Am ehesten kann man sich noch an den Angaben von A. Reisenauer orientieren. Die sind aber sehr GM-lastig und es gibt mittlerweile so viele verschiedene Versionen (neu-alt-nochälter, Scale, Scale-alt, Scale-neu), dass man da auch keinen Durchblick mehr halt.

Die Angaben von z.B. Hacker sind da nur mehr rudimentär, da gibt es maximal 2-3 Angabe mit verschiedener Anzahl von Zellen mit jeweils einem Prop (und das ist fast immer ein RFM). Auf meine Mail Anfrage, ob alternativen Messdaten vorliegen, gabs nur die lapidate Antwort "Nö, hamma nicht". Mit ein Grund, warum ich noch keinen Hacker gekauft habe.

Was außerdem mit eine Rolle spielt, ist das verwendete Mittelstück. Damit verändern sich die Leistungsdaten, aber nicht linear zu einem vergleichsweise größeren (oder kleineren) Prop (nimmt man ein größeres Mittelstück, dann wird zwar der Propellerkreis größer, aber die Blätter bleiben gleich schlank/schmal).

Hallo Peter,

du beschreibst da doch selber schon warum du von Hacker die Antwort "Nö, hamma nicht" bekommen hast. Es gibt einfach zu viele mögliche Kombinationen aus Luftschrauben-Hersteller, Luftschrauben-Parameter (Steigung & Durchmesser), Blattform, Mittelstück, ... als dass man das auch nur annähernd vollständig auflisten könnte. Und wenn man dann die Daten für den Standschub bekommt kann man die eh in die Tonne treten, denn im Flug ist "fast alles wieder anders" ;-)
Meine Lehre ist, wenn es drauf ankommt und man Regler und Motor "an die Grenze belastet", muss man seine Kombination halt live messen. Dank on board Telemetrie und der Möglichkeit die Daten zu speichern ist das auch kein Hexenwerk mehr.

Klar, wenn man jetzt 42-high-end CFK Klapppropeller/Mittelstück Varianten ausprobieren will geht es ziemlich ins Geld, speziell wenn man diese Messungen für unterschiedlichste Modelltypen machen will/muss. Aber wenn man mal ehrlich ist, für die "üblichen verdächtigen Kombinationen" bekommt man schon hinreichend genaue Erfahrungswerte aus dem Internet/rc-network. Dann muss man vielleicht nur noch in den sauren Apfel beißen und diese Kombinationen für sich austesten. Und mit etwas Glück hat man die entsprechenden Luftschrauben ja noch von den vorherigen Anpassungen eh im Schub der Werkbank.

Im Zweifel nehme ich Motor und Regler "eins größer" und bin dann von der Belastung her auf der sichereren Seite.

Viele Grüße
Peter

 

[Papa14]

Klar, wenn man jetzt 42-high-end CFK Klapppropeller/Mittelstück Varianten ausprobieren will geht es ziemlich ins Geld, speziell wenn man diese Messungen für unterschiedlichste Modelltypen machen will/muss.

Hallo Peter,

genau das ist der springende Punkt. Diese "Live-Tests" habe ich schon hinter mir, mein Vorrat an teuren CFK Props ist angewachsen.

Ich denke, es wäre nicht zu viel verlangt, wenn man als Hersteller (oder Distributor) 2-3 Standard-Vorschläge machen würde. Es würde auch schon reichen, wenn der Hersteller Kombinationen veröffentlichen würden, die von Anwendern gepostet werden. Jeder zweite Kistenschieber bietet auf seiner Plattform eine Möglichkeit zur Bewertung an, da könnten die Käufer ihre Ehrfahrung posten. Das wäre doch mal für Hacker eine echte Innovation!

 

[Rüdiger]

Vielleicht sollte man mal den Helmut Schenk lesen, mglw. wird man dann mit dem anscheinend unbekannten Wesen der Luftschraube vertrauter und würde nicht so sehr auf höchstem Niveau jammern

Handgeschriebenen Gruss,

Rüdiger