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Antriebsleistung

Damit ein Kopter möglichst schnell fliegen kann, braucht man hauptsächlich Leistung. Diese hängt bei Multikoptern von vier Komponenten ab: Akku, ESCs, Motoren und Propeller. Und zwar von allen vieren gleichermaßen.

Komponenten, die für Antriebsleistung sorgen

Die komplette Antriebskette besteht bei einem Bürstenlosen Elektromotor aus der Stromquelle (Akku), dem Regler, dem Motor und dem Popeller. Das schwächste Glied in dieser Kette gibt die maximale Leistung vor. Alles was darüber hinaus geht, wird entweder begrenzt oder führt zu Überlastungsproblemen.

Akku

Der Antrieb des Kopters kann nur so viel Energie umsetzen, wie der Akku zur Verfügung stellt. Damit sich die Werte unterschiedlicher Akkus vergleichen lassen, muss man leider ein bisschen rechnen, da die Angaben grundsätzlich im Verhältnis zu Kapazität und Spannung stehen. Die maximale Leistung erfährt man, indem man C-Rating, Kapazität und Spannung multipliziert.

Ein typischer Slow-Fly 3S Akku mit 15C und 5,2Ah liefert demnach 11,1V * (15 * 5,2)A = 865,8W Dauerlast. Ein Race-Akku 4S, 45C, 1,6Ah schafft 1036,8W. Das ist zwar etwas mehr, aber nicht so extrem viel, wie man beim ersten Blick auf die C-Ratings erwarten könnte.

Das erklärt auch, warum große Kamerakopter mit 15C wunderbar auskommen: Die wenigsten Kopter brauchen 500W zum Schweben. Beim FPV-Race in der 250er Klasse sind 1000W Spitzenleistung aber bei weitem zu wenig, um mit fortgeschrittenen Kontrahenten mithalten zu können.

Ein typisches Missverständnis ist, dass die Spannung nur die Spitzenleistung beeinflusst und die Kapazität lediglich in Flugzeit resultiert. Die Spitzenleistung ergibt sich aus der o.g. Multiplikation und die Flugzeit ist ebenfalls ein komplexeres Thema, das nicht nur von einem einzigen Parameter abhängt. Viele Slow-Flyer haben sehr hohe Spannungen (8S und mehr), aber Ladungsmengen unter 5Ah. Ausschlaggebend ist nicht die Kapazität (bzw. Ladungsmenge) in Ah, sondern die verfügbare Energie, also Kapazität mit Nennspannung multipliziert.

Bei schnellen Flügen, die den Akku dauerhaft stark fordern, spielt zusätzlich noch das C-Rating eine Rolle. Ist dieses zu gering, bricht die Spannung ein, auch wenn Akku eigentlich noch reichlich Energie übrig hat. Das kann durchaus so weit gehen, dass der Akku im Flug 3,4V Zellspannung unterschreitet, aber danach in Ruhe sich auf 3,8V erholt. In der Praxis bedeutet das in dem Fall ungefähr eine Halbierung der Flugzeit, abgesehen davon, dass die Leistung schon nach einem beherzten Start nicht optimal sein dürfte, wenn der Akku dermaßen unterdimentioniert ist.

Motorregler

Die für Brushless-Motoren zwingend notwendigen Regler leiten die komplette Energie durch, die der Motor umsetzt. Je nach Wirkungsgrad gibt der Regler dabei eine gewisse Verlustleistung in Form von Wärme von sich. Da die Bauteile nicht beliebig heiß werden dürfen, muss die Leistung deswegen entsprechend begrenzt werden.

Die maximale Leistung wird normalerweise klar angegeben. Oftmals steht sie sogar schon in der Bezeichnung. Die meisten Regler gibt es in mehreren Varianten mit unterschiedlicher Belastbarkeit. Die schwächeren sind insofern nicht grundsätzlich uninteressant, als dass sie oft etwas leichter sind und manchmal ist auch der Preis geringer.

Es bringt keinen Leistungszuwachs, maßlos überdimensionierte Regler zu verbauen. Die Motoren nehmen unter Vollast so viel Strom auf, wie es ihrer Charakteristik entspricht. Solange der Regler das liefern kann, bremst er das System nicht aus. Die Motoren gewinnen aber nicht nicht magisch an Leistung dazu, wenn die Bezeichnung der ESCs 90A sagt und die Motoren nur 30A brauchen.

Motor

Je höher die kV-Zahl, desto stärker das Bestreben des Motors, eine höhere Drehzahl zu erreichen. Das impliziert, dass der Motor einen höheren Stromfluss verursacht, weil er entsprechend stärker gegen den Widerstand des Propellers arbeitet. Deswegen haben gleichgroße Motoren mit höheren Kv-Werten eher thermische Probleme als welche mit einer niedrigeren Zahl.

Aus diesem Grund kommen Motoren mit kleiner Kv-Zahl auch oftmals mit höherer Spannung zurecht. Ein Motor mit 2700rpm/V an 3S liefert etwas weniger Spitzenleistung als einer mit 2100rpm/V an 4S. Zugleich ist der Stromfluss bei gleicher Leistung geringer, wenn die Spannung höher ist. Das kann in manchen Fällen zur Gewichtsersparnis ausgenutzt werden, da ein geringerer Kabelquerschnitt benötigt wird. Wenn man Richtung Spitzenleistung arbeitet, wird das aber die Ausnahme sein.

Die Leistungsgrenze für Motoren ergibt sich wie bei den Reglern daraus, dass Wärme abgeführt werden muss. Es gibt diverse Faktoren, die beeinflussen, wie viel Wärme im Motor entsteht. Der Propeller spielt eine große Rolle. Je größer der Durchmesser und je mehr Blätter, desto stärker arbeitet er gegen den Motor. Da dieser das Bestreben hat, dies auszugleichen, arbeitet er stärker. Es fließt mehr Strom durch die Spulen und somit werden diese heißer als bei kleineren Propellern.

Theoretisch könnte eine noch so kleiner Elektromotor beliebig viel leisten. Das Problem ist nur, dass er dabei verglüht. Größere Motoren haben grundsätzlich mehr Wärmekapazität und Motoren, die für dauerhaft hohe Lasten ausgelegt sind, sollten ein ausgefeiltes Kühlsystem haben. In meinen Augen ist es ein Erkennungsmerkmal für qualitativ hochwertige Motoren, wenn der Hersteller angibt, wie viel (Wärme-)Leistung dauerhaft abgeführt werden kann. Dann lässt sich mithilfe einer Testbench und einem Amperemeter recht einfach bestimmen, welche Propeller bis zu welcher Spannung mit den jeweiligen Motoren ein lastfestes Antriebssystem ergeben.

Propeller

Propeller sind komplex und haben diverse Eigenschaften, die sich auch auf die effektive Antriebsleistung niederschlagen. Modelle mit großem Durchmesser bringen prinzipiell mehr Schub als kleinere. Ansonsten verteilen Anstellwinkel und Anzahl der Blätter die Leistung auf spezifische Drehzahlbereiche. Dazu habe ich bereits einen ausführlicheren Artikel verfasst.

Leistungsgewicht

Damit sich die Antriebsleistung eines Kopters durchsetzen kann, sollte der Kopter so leicht wie möglich sein. Damit er zuverlässig und lastfest wird, baut man ihn aber tendenziell schwerer (größere Motoren, dickere Kabel und stärkere ESCs). Um einen guten Kompomiss aus beidem zu erreichen, bleibt einem leider manchmal nichts anderes übrig, als diverse Kombinationen auszuprobieren und die tatsächlichen Werte (v.a. Strom und Temperatur) nachzumessen, denn man findet leider nicht immer alle Informationen zu allen erwerblichen Komponenten. Wer also einen Spitzenkopter bauen möchte, sollte sich darauf einstellen, mal wieder einiges mehr an Material zu bestellen, als man eigentlich braucht.

Fazit

Die optimale Antriebsleistung aus einem Kopter-Eigenbau herauszukitzeln ist nicht ganz so trivial, wie man zunächst denken könnte. Einfach das größte von allem zu nehmen klappt in diesem Hobby mal wieder nicht und man ist zum Einarbeiten und Ausprobieren verdonnert. Und genau das macht einen besonderen Reiz aus, der dem Selbstbauen eine sportliche Note gibt. Wenn dann am Ende ein Kopter entsteht, der mit seiner Performance seinesgleichen sucht, macht das Fliegen auch nochmal mehr Spaß.

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