Antriebs Kalkulation mit eCalc

Antriebs Kalkulation mit eCalc

Im Hinterkopf sollte man behalten das es sich hierbei um doch recht grobe Richtwerte handelt. Abweichungen von 10% sind möglich. Es wird auch gemunkelt das eCalk sehr konservativ bei der Berechnung vorgeht, und immer Reserven einkalkuliert. Schauen wir mal ob wir diese Erfahrungen bestätigen können.

Warum starte ich mich Hacker Motoren? Weil es damit - gerade für einen unerfahrenen Anfänger - am einfachsten ist! Die Motoren sind schon gut vorsortiert nach Coptergewicht, was eine erste Auswahl erleichtert.

Für die Berechnung eines Setup wollen folgende Parameter unter einen Hut gebracht und aufeinander abgestimmt werden:

• Akku
• Steller
• Motor
• Propeller

Im Ergebnis möchte man eine akzeptable Flugzeit, und einen möglichst großen Wirkungsgrad, wobei das Eine mit dem Anderen zusammen hängt.

Es hat ein bisschen gedauert bis ich mit dem Programm warm geworden bin. Die verschiedenen Parameter beeinflussen alle die wichtigen Ausgangsgrößen. Es braucht einfach eine Zeit bis man die Zusammenhänge erkennt. Jetzt hab ich erstmalig mal ne halbwegs brauchbare Rechnung mit eCalc   hinbekommen:

Rechnung 1#

• Motoren Hacker A30 24M-UAV   (680Kv, 350W)
• Regler UAV-Control pro 40 Opto 
• Propeller APC Slowfly 12x3,8   - Durchmesser 30,48 cm
• Akku 6000mAh (35/50C), 4s 2p

eCalc errechnet daraus für ein Startgewicht von 3,88 kg Flugzeiten zwischen 7.1 Minuten (Vollgas) und 14 Minuten (Schweben) und ne Regleröffnung von 66% bei normaler Entladung.

Flugzeiten in Minuten (vollgas / mittel / schweben) = 7.1 / 8.5 / 14.3 Regleröffnung (schweben) = 66% Leistung in Watt (optimal / maximum / schweben)  =  207 /  241 / 103 Wirkungsgrad in % (optimal / maximum / schweben) = 84.5 / 84.3 / 79.5 Abfluggewicht in Gramm = 1400 + 2486 = 3886 Maximale Zuladung in Gramm = 968

Das Gewicht ist zu niedrig angesetzt, aber  14 Minuten schweben ist schon ganz stattlich. Aber braucht das unser Kameralifer wirklich? Eine Regleröffnung von 66% ist auch eher schlecht. Optimal sollte die Regleröffnung beim Schweben - das ist der Moment in dem der Copter abhebt -  bei 30-40% maximal 50% liegen. 60% ist schon grenzwertig. Schließlich wird der Copter ja vom Bordrechner stabil gehalten… das bedeutet das er zum Beispiel auch bei Wind seine Position hält. Das erfordert Spielraum für den Regler, und wir selber wollen ja auch sinnvoll steuernd eingreifen können. Je mehr Zuladekapazität man haben möchte desto niedriger sollte die Regleröffnung angesetzt sein.

Die gewünschte Flugzeit ist natürlich ein wichtiger Parameter. Man sollte sich also überlegen ob man  einen  agilen Flieger baut der eher in der Nähe von Vollgas betrieben wird, oder einen Cameralifter bei dem es  darauf ankommt  zu schweben, und somit die Flugzeiten eher in Richtung der Schwebeflugzeit tendieren.

Also machen wir eine neue Rechnung.

Rechnung 2#

• Motoren Hacker A30 24M-UAV   (680Kv, 350W)
• Regler UAV-Control pro 40 Opto 
• Propeller XOAR 13x4   - Durchmesser 33,02 cm
• Akku 5000mAh (45/60C), 4s 2p

Flugzeiten in Minuten (vollgas / mittel / schweben) = 4.6 / 5.7 / 10.9 Regleröffnung (schweben) = 58% Leistung in Watt (optimal / maximum / schweben)  =  207 /  306 / 112.6 Wirkungsgrad in % (optimal / maximum / schweben) = 84.5 / 83.0 / 80.7 Abfluggewicht in Gramm = 2000 + 2380 = 4380 Maximale Zuladung in Gramm = 1652

Damit kommen wir bei einem Gewicht von 2000g auf eine Regleröffnung von 58%. Schweben können wir damit 10,9 Minuten und Vollgas fliegen 4,6 Minuten. Die durchschnittliche Flugzeit beträgt 5,6 Minuten. Wenn wir das Gewicht des Copters von 2000g auf 1700g reduzieren  könnten wir die Regleröffnung auf 52 % drücken.

Jetzt gibt es diesen Motor auch in einer Variante für 5s Lipos. Schauen wir uns mal den Unterschied an.

Rechnung 3#

• Motoren Hacker A30 30M-UAV   (550Kv, 350W)
• Regler UAV-Control pro 40 Opto 
• Propeller XOAR 13x4   - Durchmesser 33,02 cm
• Akku 5000mAh (45/60C), 5s 2p

Der größere Lipo schlägt mit 270g Mehrgewicht gegenüber der anderen Rechnung zu Buche.  Es ergibt sich aber eine leicht bessere Regleröffnung von 57%. Insgesamt fällt ein leicht verbesserter Wirkungsgrad auf, bei leicht verbesserten Flugzeiten (5,1 min, 6,5 min, 12,6 min). Der Motor ist beim Maximum mit 347,1 Watt elektrischer Leistung knapp unterhalb des Motorlimits  von 350 W. Da ist nicht mehr viel Spielraum.

Flugzeiten in Minuten (vollgas / mittel / schweben) = 5.1 / 6.5 / 12.6 Regleröffnung (schweben) = 57% Leistung in Watt (optimal / maximum / schweben)  =  244 /  347 / 123 Wirkungsgrad in % (optimal / maximum / schweben) = 85.6 / 84.5 / 81.3 Abfluggewicht in Gramm = 2000 + 2677 = 4677 Maximale Zuladung in Gramm = 1906

Auch hier könnten wir die Regleröffnung durch Gewichtsreduktion auf 50% trimmen, aber eine Gewichtsreduktion ist erstmal eher schwierig da auch die 2kg schon knapp bemessen sind.  Eine Idee wäre jetzt die Motoren eine Leistungsklasse größer zu wählen damit die Regleröffnung auf  50% ruscht. Mal schauen was dann passiert.

Rechnung 4#

• Motoren Hacker A30 28L-UAV   (450Kv, 500W)
• Regler UAV-Control pro 40 Opto 
• Propeller XOAR 14x4   - Durchmesser 35,56 cm
• Akku 4000mAh 35/50C), 6s 2p

Alternative: Tiger MT3515  , Luftschrauben Graupner  G-Sonic.

Die Motoren sind mit 170g pro Stück eine ganze Ecke schwerer, bringen aber statt 350 Watt 500 Watt. Um das mehr an Leistung abrufen zu können dürfen die Propeller größer gewählt werden, und ggfs. auch der Akku um auf einigermaßen vernünftige Flugzeiten zu kommen.  Das zusätzliche Gewicht des Akkus und der Motoren wirkt sich negativ auf die Gesamtbilanz aus. Größer ist nicht immer besser. Das Abfluggewicht durchschlägt locker  die magische 5kg Grenze. Mit nem bisschen fummeln kommt man aber auf akzeptable Werte:

Flugzeiten in Minuten (vollgas / mittel / schweben) = 4.2 / 5.5 / 12.2 Regleröffnung (schweben) = 50% Leistung in Watt (optimal / maximum / schweben)  =  269 /  393 / 121 Wirkungsgrad in % (optimal / maximum / schweben) = 86,4 / 85,1 / 80,6 Abfluggewicht in Gramm = 2000 + 2864 = 4864 Maximale Zuladung in Gramm = 2805

Für einen solchen Copter werden in verschieden Foren Motoren mit maximal 400kv an 6s, Propeller ab 15 Zoll mit wenig Steigung (15x4) empfohlen. Und dann muss natürlich das Gewicht optimiert werden. So weit neben diesen Spezifikationen liegen wir mit unserem Ansatz nicht.

Wir favorisieren Rechnung 4 weil mit diesem Setup einfach mehr Leistungsreserven zur Verfügung stehen. Wahrscheinlich hab ich noch 1000 Sachen übersehen aber ich bin hoffnungsvoll das es damit erstmal klappt, und genug Potential zum optimieren vorhanden ist.

Amerkungen zum Y6 Layout#

Die Kalkulation mit eCalc berücksichtigt nicht die Besonderheiten des Y6 Layoutes, bei der jeweils 2 Antriebe übereinander montiert werden. Der obere Antrieb arbeitet dabei als Vorstufe, und bläßt die Luft in den darunter liegenden 2. Antrieb der dadurch entlastet wird, was  Effizienzverluste bis zu 50% zur Folge haben kann. Es gibt Erfahrungswerte das man diese Verluste stark reduziert in dem man oben Luftschrauben mit 10 bis 20% geringerem Durchmesser anbringt.

Siehe auch multicpoter-berechnungen-stromkreislauf (ganz unten).

CHECK: Bei der Gelegenheit sollten wir auch prüfen , ob die Ausleger lang genug sind. Zu kurze Ausleger können in Verbindung mit großen Propellern zu einem unruhigen Flugverhalten führen, da die Propeller gegenseitig Turbulenzen verursachen.

TODO: Aufgrund der großen Propeller müssen die Landebeine mehr in Richtung Zentralplatte montiert werden. Durch den dann schmaleren Stand kann der Copter bei der Landung leichter kippen, was nicht gut für die unteren Antriebe ist. Deshalb werden wir neue Landebeine konstruieren, die dieses Problem umgehen.

eCalc Alternativen#

Ps. Ich sehe gerade (01.04.2014): eCalc ist jetzt kostenpflichtig. Schade aber auch verständlich. Ich werde mich dennoch mal auf die Suche nach Alternativen begeben.

Ausserdem gibt es noch:

• www.drivecalc.de 
• www.slkelectronics.com/ecalc 
• … Wenn du einen Rechner kennst, sind wir dankbar für eine Nachricht in den Comments. :-)