Elektroantrieb

Einleitung
Allgemeines
Wie stark muss ein Antrieb sein?
Der Akku
Der Motor
Der Motorsteller
Die Verkabelung
Fluggewicht

Einleitung

• während die "Verbrenner" noch beim Tanken sind  ist der Elektroflieger schon in der Luft,
• der Elektromotor spring immer sofort an,
• eine Elektromodell bleibt deutlich sauberer als ein Verbrennermodell,

• kleinere Motorleistung,
• lange Zwangspausen zwischen den Flügen zum Laden der Akkus,

Allgemeines

Als Stromquelle werden hochstromfähige NiCd- oder NiMH-Akkus eingesetzt. Als Motoren stehen Gleich- und Drehstrommotoren zur Verfügung die von Motorreglern oder Motorstellern angesteuert werden.

Ein Elektroantrieb ist viel schwerer als ein gleichstarker Benzinantrieb. Deshalb muss man einen Elektroantrieb so leicht und dadurch leider auch so schwach wie möglich auslegen. Um überhaupt akzeptable Flugleistungen mit so einem Minimalantrieb zu erreichen, müssen alle Komponenten optimiert und aufeinander abgestimmt sein.

 Wie stark muss ein Antrieb sein?

Der Motor erzeugt die mechanische Leistung aus elektrischer Leistung "P", die er dem Flugakku entnimmt. Die elektrische Leistung ist das Produkt von elektrischer Spannung "U" und elektrischem Strom "I".

Leider arbeitet so ein Elektromotor nicht verlustfrei. Von der eingespeisten elektrischen Leistung werden nur ca. 65% ... 90% (je nach Motortyp) in mechanische Leistung umgewandelt. Der Rest erhitzt als Verlustwärme den Motor.

Die Leistung wird in der Einheit Watt [W] gemessen (1W = 1 Ns). Zum Fliegen sollte man pro Kilogramm Flugzeuggewicht etwa 100 W Antriebsleistung haben. Spaß macht das Fliegen wohl erst ab 150 W/kg, Geschwindigkeitsmodelle haben 200 W/kg und mehr. Dauersegler halten ihre Höhe bei ca. 10 W/kg.

Die elektrische Leistung in Watt [W] ist das Produkt aus Spannung [V] und Strom [A]. Für 150 W benötigt man bei einer Spannung von 8 V einen Strom von ca. 19 A. Damit ließe sich ein 1,5 kg schweres Modell in der Luft halten. (Kein Gedanke an Bodenstart oder agile Flugmanöver!) Ein typischer kleiner Flugakku (7 Zellen, 1400 mAh) kann diese Leistung für etwa 4 Minuten liefern. Mehr ist für den Anfang nicht drin.

Wer längere Flugzeiten und mehr Power für gute Manöver haben will, der sollte immer gleichzeitig in drei Richtungen arbeiten:

• Leichtbau, um das Fluggewicht zu reduzieren,
• gute aerodynamische Qualität, um die Verluste zu reduzieren,
• hochwertig aufgebaute elektrische Antriebsanlage , für hohen Wirkungsgrad,

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Der Akku

Benzin enthält bei gleichem Gewicht 200 mal so viel Energie wie ein NiCd-Akku.
Die Zahlen in der Tabelle entsprechen den mir bekannten Bestwerten. Nicht jede Zelle erreicht diese Werte. Der NiMH-Akku des Toyota-Prius kommt z.B. nur auf 46 Wh/kg, hier kam es offensichtlich mehr auf Robustheit und Langlebigkeit an, als auf maximalen Energiegehalt. Der lokale Toyota-Händler bestätigte mir, dass er noch nie einen solchen Akku ersetzen musste.
In der Entwicklung befinden sich Akku-Technologien mit einer Energiedichte von 250 ... 350 Wh/kg, die aber noch nicht marktreif sind.

Ein Akku muss seine Energie aber auch in kurzer Zeit abgeben können. Dazu muss er hochstromfähig sein. Da man an einem Nachmittag mehrere Flüge machen möchte, muss der Akku auch in kurzer Zeit aufladbar sein. Diese beiden Forderungen erfüllen leider die LithiumIonen-Akkus noch nicht. Aus diesem Grunde werden spezielle hochstromfähige NiCd- oder NiMH-Akkus verwendet.
Bei langsamen Kleinmodellen finden aber auch zunehmend LiPo-Zellen Anwendung.
NiCd-Zellen enthalten das Umweltgift Cadmium, und werden gemäß einer EU-Richtlinie ab 2008 vom Markt genommen. In den meisten Applikationen treten die NiMH-Zellen ihre Nachfolge an.

Brennstoffzellen sind noch nicht wirklich marktreif, die Industrie hat aber Prototypen für Notebooks in Erprobung, die bei 1 kg Gewicht 20 W Dauerleistung liefern. Vielleicht gibt es in wenigen Jahren kleine Brennstoffzellen mit 100 W Dauerleistung. Die hätten das Zeug, die NiCd-Akkus abzulösen.Vorher muss aber noch der Wirkungsgrad der Zellen erhöht werden. Gegenwärtig erzeugt eine Brennstoffzelle 4 mal so viel Wärme wie Strom.

Kapazität
Eine Lösung stellen zur Zeit hochstromfähige NiCd-Zellen dar. Die gibt es in Ausführungen von 500 mAh (Milliamperestunden) bis zu 3000 mAh.
Die [mAh]-Angabe ist die Kapazität des Akkus, sozusagen sein elektrisches Volumen. Ein Akku mit einer Kapazität von 1000 mAh kann eine Stunde lang einen Strom von 1000 mA ( =1A) liefern. Bei einem größeren Strom ist der Akku naturgemäß schneller leer, beim 20fachen Strom in einem 20tel der Zeit. Bei einem Laststrom von 20 A hält ein voll geladener 1000 mAh-Akku nur 3 Minuten, der größere 3000 mAh-Typ immerhin 9 Minuten.
Zellen mit einer höheren Kapazität haben natürlich auch ein höheres Gewicht, das zusätzlich in die Luft gebracht werden muss.

Spannung
Eine NiCd-Zelle hat im geladenen Zustand eine Spannung von ca. 1,25 V. Beim Entladen fällt die Spannung bis auf ca. 1,1 V ab. Ist 1 V erreicht, sollte man die Zelle nicht weiter entladen, ansonsten drohen bleibende Schäden. Die Zellen werden normalerweise in Akkupacks zusammengebaut, in denen alle Zellen hintereinandergeschaltet werden. Dadurch erhöht sich die Spannung, nicht aber die Kapazität gegenüber einer Einzelzelle.
Ein 7-Zellen-Akku hat eine Spannung von 8,75 V (leer 7,7 V) ein 12-Zellen-Akku schon 15 V (leer 13,2 V) ein großer 20-Zellen-Akku bringt's auf 25 V (leer 22 V).
Beim Start, wenn der Akku noch voll geladen ist, hat man die höchste Spannung und kann dem Motor die höchste Leistung zur Verfügung stellen. Beim Erreichen der Leerspannung schalten einige Motorsteller den Motor automatisch ab, der Pilot bemerkt aber ohnehin den plötzlichen Leistungszusammenbruch.

7-Zellen-Akkus lassen sich auf dem Flugplatz mit relativ billigen Ladegeräten und dem 12-V-Autoakku laden. Zum Laden größerer Akkus reichen die 12 V des Autoakkus aber nicht mehr aus. Die Spannung muss erste hochtransformiert werden. Ladegeräte, die das gut können, sind deutlich teurer. Hier wird man schon mal 400,- € los.

Energie
Die Energie des Akkus ist sozusagen die Tankfüllung des Elektrofliegers. Die in einem Akku gespeicherte Energie ist das Produkt aus Kapazität und Spannung. Ein 7-Zellen-Akku aus 1000mAh-Zellen bringt es auf eine gespeicherte Energie von 8,75 V x 1000mAh = 8,75 Wh (Wattstunden) Soll ein Modell von 1kg-Gewicht mit diesem Akku fliegen, so braucht der Motor dafür wenigstens 100 W. Der Akku kann diese Leistung in diesem Beispiel für maximal

Gewicht
Der Akku ist das schwerste Teil des Elektroflugzeugs. Eine Zelle wiegt ca. 50g (ein 20 Zellen-Akku folglich 1 kg). Einen beträchtlichen Teil der im Akku gespeicherten Energie wird benötigt, um den Akku in die Luft zu bringen. Wenn man die 100-W/kg-Regel nur auf das Gewicht der Akkus anwendet, so ergibt sich, dass ein Akku nur genug Energie enthält, um sein eigenes Gewicht ca. 30 Minuten fliegen zu lassen. Da so ein Flugzeug aber auch noch Rumpf, Flächen Motor usw. enthält, ist mit heutigen Mitteln eine Motorlaufzeit über 15 Minuten Science-fiction. Aber 5 bis 8 Minuten sind erreichbar.

Der schwere Akku ist bei harten Landungen besonders gefährlich, da er sich mit Schwung durch den filigrane Leichtbau eines Elektroflugzeugs arbeitet. Diesem zerstörerischen Wirken kann durch Rampen vorgebeugt werden, die dem Akku beim Aufprall einen unschädlicheren Weg nach außen weisen.

Der Akku bestimmt den Schwerpunkt des Modells. Da er regelmäßig aus- und eingebaut wird neigen manche Modellbauer dazu, ihn etwas leger zu befestigen. Falls sich der Akku dann im Flug verschiebt, ist das Fiasko vorprogrammiert.

Innenwiderstand
Jeder Akku hat einen sogenannten Innenwiderstand Ri, das ist ein Wert, der die inneren Verlust beim Entladen beschreibt. Der Innenwiderstand wird in Ohm gemessen, und bewirkt, dass mit steigendem Stromfluss die Akkuspannung sinkt.
Eine Zelle mit einem Innenwiderstand von 0,01 Ohm hat im geladenen Zustand z.B. eine Spannung von 1,25 V. Entlädt man sie mit einem Strom von 10 A, so fällt über dem Innenwiderstand eine Spannung von

ab. Diese Spannung fehlt an der Zellenspannung, so dass für den Antrieb des Flugzeugs von dieser Zelle nur 1,15 V zur Verfügung stehen. Da in einem Akkupack alle Zellen und damit auch alle Innenwiderstände in Reihe geschaltet sind, hat ein Akkupack aus 7 solchen Zellen bei 10 A nicht 8,75 sondern nur 8,05 V. Bei 20 A bricht die Spannung des voll geladenen Akkus auf nur 7,35 V zusammen. Gleichzeitig verbrät der Akku 28 W Leistung, die er in Wärme umwandelt. Diese Leistung fehlt dem Motor, der nur noch 147 W anstatt 175 Watt bekommt.

Für einen Flugakku ist ein kleiner Innenwiderstand also von besonderer Bedeutung.

Typen
Gut bewährt haben sich die Sanyo-Hochstromzellen, die es mit einer Kapazität von 1400 mAh, 1700 mAh, 2000 mAh und 3000 mAh gibt. Die 500 mAh-Typen können verwendet werden, wenn die Motorströme unter 10 A bleiben. Man muss übrigens mit Preisen von bis zu 5,- € pro Zelle rechnen. Ein Akkupack ist da schon eine kleine Wertanlage. Eine pflegliche Behandlung des Akkus (kein Überladen, kein Überlasten) macht sich dann durch eine lange Lebensdauer bezahlt.

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Der Motor

Motoren mit Bürsten (Kollektor)
Das sind normale Gleichstrommotore. Je nach Leistung und Qualität kann man hier zwischen 5,- € und 200,- € bezahlen.
Es gibt als Standardgrößen die 400er und die 600er Motoren, sowie gestreckte Ausführungen (z.B. 480 oder 660) die ein höheres Drehmoment liefern.
400er Motoren haben einen Durchmesser von ca. 28 mm bei einer Länge von ca. 38 mm und einem Gewicht von ca. 75 Gramm.
600er Motoren haben einen Durchmesser von ca. 36 mm bei einer Länge von ca. 57 mm und einem Gewicht von ca. 200 Gramm.

Jeder Hersteller liefert eine eigene Palette von Motoren mit 400er und 600er Abmaßen, die aber alle unterschiedliche Kennwerte haben. Der Hersteller gibt normalerweise die Nennspannung und die Leerlaufdrehzahl an.
Es gibt darüberhinaus Hochleistungsmotore, die aber auch entsprechend teurer sind. Wer schwere Modelle bauen will, kommt um diese aber kaum herum.

Nennspannung
Jeder Motor ist für den Betrieb an einem Akkupack mit einer bestimmten Zellenzahl konstruiert. Der Hersteller rechnet dabei mit 1,2 V/Zelle. Ein Motor mit einer Nennspannung von 7,2 V ist also für ein 6-Zellen-Pack gedacht. Eine Zelle mehr schadet normalerweise nicht, auch wenn dabei der Motor etwas über seiner Sollspannung betrieben wird. Übertreibt man es mit der Akkuspannung aber, so steigen die Funkstörungen durch das Bürstenfeuer des Motors, und schließlich stirbt der Motor an Überlast. Z. B. können die Kontaktfedern des Kollektors ausglühen.

Leerlaufdrehzahl
Das ist die Drehzahl, die der Motor bei Nennspannung ohne Last (d.h. natürlich auch ohne Luftschraube) erreicht. Da der Motor so nur sein eigenes inneres "Dreh-Widerstands-Moment" überwinden muss, ist eine hohe Leerlaufdrehzahl ein Zeichen für geringe innere Verluste des Motors.

Bürstenfeuer
Das Bürstenfeuer am Kollektor des Motors führt zu hochfrequenten Signalen, die die Fernsteuerung stören können. Deshalb muss man verhindern, das die Störstrahlung den Motor verlässt.
Dazu ist das Gehäuse mit Masse zu verbinden, und die Motorkabel sind unmittelbar am Motor mit Entstörkondensatoren abzublocken.

bürstenlose Motoren
Das sind Drehstrommotore, die durch die fehlenden Kollektoren geringere Verluste haben. Dafür brauchen sie einen speziellen Motorsteller, der aus der Gleichspannung des Akkus eine drehstromähnliche Spannung für den Motor kreiert. Bei Motor und Motorsteller fehlen Billigangebote. Die Produkte der profilierten Markenhersteller sind zwar von hoher Qualität, schlagen aber schon bei mittleren Leistungen mit 250,- € (Motor + Steller) zu Buche.
Fast alle bürstenlosen Motoren erreichen ihre Leistung durch hohe Drehzahl bei kleinem Drehmoment. Das bedeutet, das die Motoren weniger Kraft haben als herkömmliche Motoren und dieses Manko mit hoher Drehfreude kompensieren. Für einen Impeller ist das kein Problem, wer aber eine normale Luftschraube antreiben will, der wird oft nicht um ein Untersetzungsgetriebe zwischen Motor und Luftschraube herumkommen. Das treibt den Preis weiter nach oben und frisst einen Teil des besseren Wirkungsgrads wieder auf.
Bürstenlose Motore mit relativ hohem Drehmoment (geeignet für Direktantrieb) sind die Außenläufer wie z.B. der NEWTOR.

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Der Motorsteller

Strombelastung
Im Betrieb fließt der gesamte Motorstrom durch den Motorsteller. Das geht natürlich nicht verlustfrei. Da Motorsteller nicht oder kaum gekühlt werden, sind sie für einen Maximalstrom ausgelegt, den sie für wenige Minuten ungekühlt überstehen können ohne Schaden zu nehmen.
Viele Hersteller geben für ihre Steller einen Maximalstrom und einen Dauerstrom an. Wie lang der Regler den Maximalstrom übersteht ist von Hersteller zu Hersteller und für jeden Anwendungszweck verschieden. Manchmal ist der Maximalstrom nur für 5 Sekunden zugelassen. Die Datenblätter der Hersteller sind genau zu lesen, denn ein doppelter Strom bedeutet eine vervierfachte Verlustleistung und den Tot des Stellers.

Bremse
Eine Klappluftschraube klappt ohne besondere Hilfsmittel bei abgeschaltetem Motor nicht zusammen. Die Zentrifugalkraft der durch den Fahrtwind gedrehten Luftschraube wirkt stärker als der Luftwiderstand. Somit wirkt bei abgeschaltetem Motor die weiterdrehende Luftschraube wie eine Luftbremse. Das will man normalerweise aber nicht.
Eine Lösung ist die Motorbremse. Das ist ein zusätzlicher Transistor im Motorsteller, der den abgestellten Motor kurzschließt. Dadurch dreht sich der Motor so schwer, dass er stehen bleibt. Nun kann der Fahrtwind die Klappluftschraube anklappen.
Der Bremstransistor muss die vom Motor (der wie ein Windgenerator wirkt) erzeugte Elektroenergie in Wärme wandeln. Die damit verbundene Erhitzung kann er nur für kurze Zeit überleben. Klappt bei eingeschaltetem Bremstransistor die Luftschraube nicht in kurzer Zeit zusammen - warum auch immer - stirbt der Bremstransistor.

BEC
Wenn man einen großen Flugakku eingebaut hat, wozu dann noch einen Empfängerakku mitnehmen? Viele Motorsteller besitzen einen BEC-Ausgang, an dem sie eine stabilisierte 5 V-Spannung für Empfänger und Rudermaschinen bereitstellen. Diese Spannung wird aus der Spannung des Flugakkus gewonnen. Das bringt vor allem bei kleinen Modellen einen Gewichtsvorteil, hat aber auch Nachteile.

Ein 6-Zellen-Akku kann im Flug eigentlich bis zu ca. 6,5 V ausgelutscht werden. Dann wird es aber schwierig noch sichere 5 V für den Empfänger bereitzustellen. Viele Motorsteller gehen dann auf Sicherheit und schalten den Motor vorzeitig ab. Wenn im Akkupack eine kranke Zelle ist, deren Spannung vorzeitig zusammenbricht, kann ein Flug mit BEC sehr kurz sein, obwohl alle anderen Zellen im Akku noch voll sind.

Ein 12-Zellen-Akku bringt es auf 15 V. Um 5-V zu erzeugen wird im Motorregler meist ein analoger Längsregelschaltkreis verwendet. Um aus 15 V eine Spannung von 5 V bei einem Strom von 500 mA zu erzeugen, verbrät so ein Regler 5 W in Wärme. Da ist der BEC-Regler schnell der heißeste Chip im Motorsteller. Bei größeren Zellenzahlen wird deshalb auf BEC besser verzichtet.

Optokoppler
Wer mit viel Leistung fliegt hat oft einen separaten Empfängerakku. Der Hochleistungsantrieb erzeugt im Stromkreis des Antriebsakkus Störungen, die man vom Empfängerstromkreis fern halten sollte. Deshalb empfiehlt sich dann ein Optokoppler, mit dem die Motorsteuersignale vom Empfänger in den Motorsteller eingekoppelt werden.
Es ist einzusehen, dass ein Motorsteller nur entweder über BEC oder Optokoppler verfügen kann.

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Die Verkabelung

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Fluggewicht

Ein Antrieb aus einem 7-Zellen-Akku (1000 mAh), Motorsteller und Motor wiegt etwa 500 Gramm. Sie können mit 100 ... 150 W für maximal 3 Minuten arbeiten. Damit liegt das maximale Abfluggewicht bei 1 kg (150 W/kg).
Der Modellbauer ist gefordert, den Rest des Flugzeugs mit ca. 500 Gramm zusammenzubauen. Das könnte dann z.B ein kleiner Styropor-Flieger mit 80 cm Spannweite oder ein 1-Meter-Motorsegler sein.

Heiße Geräte brauchen einen besseren Antrieb. Mit z.B. 12-Zellen (1400 mAh) steigt das Gewicht des Antriebs auf 800 Gramm an, es können aber bis zu 600 W umgesetzt werden. Da darf das Abfluggewicht durchaus 2,5 kg betragen. Es bleiben also 1,5 ... 2 kg für das eigentliche Flugzeug.

Wie man einen Elektroantrieb "berechnet" ist hier beschrieben

autor: sprut
erstellt: 08.08.2001
letzte Änderung: 06.09.2006