Überarbeitungsstand: 8. 12. 2010

Der Prüfstand

Der Prüfstand besteht aus einer Wippe aus 10mm Alu-Vierkantrohr. Auf der einen Seite ist der Motor angebracht, auf der anderen Seite drückt der Arm auf eine Küchenwaage, wobei die Vibrationen durch ein Stück Schaumstoff gedämpft sind.
Die Stromversorgung erfolgt über das Netzgerät GWInstek SPS 1820 (Conrad Art. Nr. 511516). Spannung und maximaler Strom sind einstellbar, es liefert maximal 18V und maximal 20A.
Der Strom wird als Spannungsabfall am 0,01 Ohm Präzisionswiderstand (Conrad Art. Nr. 447323) gemessen.
Als Motorregler findet der 'Quax' BL-4428 Verwendung, er wird vom PC mittels des 'Motortest-UART-115kBaud.exe' Programmes von 'ufo-hans' angesteuert.
Die Erfassung der Messwerte erfolgt manuell.
Die Motortemperatur wird mittels eines Temperaturfühlers im Motorstator überwacht.



Der getestete Motor ist genauso montiert wie am Ausleger eines 'Baumarkt'-Kopters, um möglichst praxisgerechte Meßwerte zu erzielen.
Dies ist aber nur bei Schwebestrom gewährleistet, da nur bei diesem Strom auch ein Kopter sich relativ zur umgebenden Luft nicht bewegt.
Da bei Betrieb unterhalb des Schwebestroms der Kopter sinkt, nehme ich an, dass er dabei mehr Strom aufnimmt als im Versuchsaufbau hier, bei Betrieb oberhalb des Schwebestroms steigt der Kopter, daher nimmt er vmtl. weniger Strom auf, als hier am Teststand.

Die Tests verschiedener Motore sollen eine Entscheidungshilfe bieten, welcher Motor am besten für welchen Einsatzzweck geeignet ist.
Dabei spielt einmal hauptsächlich das Gewicht des Kopters eine Rolle. Ferner sollte der Motor genügend Leistungsreserven und einen hohen Wirkungsgrad haben. Jemand, der gerne dynamisch fliegt ('heizt') wird mehr Wert auf einen 'heissen' Motor legen, wer den Kopter für Kameraflüge verwendet, den wird der Wirkungsgrad besonders interessieren.

Weiters sollen die Tests zeigen, welcher Propeller am besten zum jeweiligen Motor passt und mit welcher Spannung der Motor am besten betrieben wird.

Wie gesagt, diese Tests können nur einen groben Anhaltspunkt geben, die endgültige Motorwahl wird wohl nach wie vor durch Ausprobieren verschiedener Motore am Kopter getroffen werden müssen.

Zusammenfassung der Testergebnisse

Hier sind sinnvolle Motor/Akku/Propeller-Kombinationen aufgelistet und wie hoch das Koptergesamtgewicht für die jeweilige Kombination in etwa höchstens sein soll.
Dabei habe ich angenommen, dass das Koptergewicht dem Schub bei 'Vollgas' (=180 Steps) mal 2,5 entspricht.

Die Testergebnisse im Detail

Die gesamten Ergebnisse meiner Tests habe ich in der Excel-Datei Testprotokolle_BL4428.xls zusammengefasst.
Diese Datei ist natürlich sehr umfangreich und dadurch unübersichtlich.

Zunächst einmal eine Erklärung der 'Testprotokolle_BL4428.xls':

In den ersten beiden Blättern, 'Aufgenommene Daten' habe ich die Messwerte eingetragen und einige Umrechnungen vorgenommen.



Die Überschriftszeilen beschreiben den getesteten Motor, bei welcher Spannung der Test erfolgte, mit welchem Propeller und das Gewicht des Motors incl. Propellermitnehmer und Propeller.

Die linke Spalte 'Step' gibt an, welcher Step-Wert im 'Motortest-UART-115kBaud.exe' eingestellt ist, 'A' sind die am Messgerät abgelesenen Ampere Motorstrom (abzüglich des Eigenverbrauchs des Motorreglers von etwa 30mA), 'g' ist der an der Küchenwaage abgelesene Schub in Gramm.

'W'sind die dabei verbrauchten Watt, also angelegte Spannung mal Ampere. Den Spannungsabfall an der Stromzuleitung und am Messwiderstand habe ich vernachlässigt, da dieser ja für alle Motoren bei der jeweiligen Amperezahl gleich ist.

'g/W' ist der Bruttowirkungsgrad, also Schub geteilt durch verbrauchte Leistung in Gramm pro Watt.

'g-Motg' ist der gemessene Schub reduziert um das Gewicht der Motor/Propeller-Kombination, also der Nettoschub. Der Sinn dahinter: ein stärkerer Motor liefert mehr Schub, ist aber auch schwerer, trägt also zum zu hebenden Koptergewicht mehr bei. Um nun vergleichbare Werte zwischen verschiedenen Motoren zu erhalten, verwende ich bei allen Vergleichen diesen Nettoschub.

'Ng/W' ist der Nettowirkungsgrad, also Nettoschub geteilt durch verbrauchte Leistung in Gramm pro Watt.

Unter dieser Tabelle sind noch die Werte zur Berechnung und Darstellung des empfohlenen Koptergewichtes in einigen Zellen zusammengefasst:

In der blauen Zelle '2,5' ist eingetragen, das wievielfache des Gesamtschubes das errechnete Koptergewicht haben soll.
Darunter in der gelben Zelle steht dieses errechnete Kopter-Gesamtgewicht.
In den beiden weissen Zellen darunter steht der aus dem Koptergewicht errechnete erforderliche Nettoschub eines Motors bei Schwebestrom.
Die grauen Zellen dienen noch der Darstellung der geraden Linien in den Diagrammen, welche das Nettokoptergewicht pro Motor darstellen.

Das zweite Blatt, 'Steps' ist ein Diagramm, in dem für alle getesteten Motor/Propeller/Spannungs-Kombinationen die Kurven 'Nettoschub in Gramm' über 'Steps' eingetragen ist.

Im dritten Blatt, dem Diagramm 'eta' ist der Nettowirkungsgrad über dem Nettoschub dargestellt.

Diese beiden Diagramme sind natürlich vollkommen unübersichtlich und so nicht zu verwenden. Sie sind dazu gedacht, aus ihnen die interessierenden Kurven zu extrahieren. Dies geschieht am besten, indem man die Diagramme in ein neues Blatt kopiert und dann alle nicht interessierenden Kurven löscht:
Man kopiert ein Blatt, indem man die 'Strg'-Taste gedrückt hält, mit der Maus auf die Lasche des Blattes zeigt, die linke Maustaste gedrückt hält und mit der Maus nach rechts fährt, ein kleines Blatt-Symbol mit einem + erscheint. Am Zielort die Maustaste loslassen.
Kurven löschen: rechter Mausklick an eine leere Stelle des Diagramms, -> Datenquelle... . Den Reiter 'Reihe' wählen und alle nicht gewünschten Reihen löschen.

Auf diese Weise entstanden alle weiteren Diagramme die einzelnen Motoren betreffend.

Wenn man bestimmte Motorkurven miteinander vergleichen will ist es am besten, wie oben beschrieben durch Kopieren ein neues Diagrammblatt zu erzeugen und alle nicht interessierenden Kurven zu löschen.

In keinem der beiden von mir gewählten Kurventypen erscheint die Stromaufnahme in Ampere. Dies deshalb, weil sie ja implizit in den 'verbrauchten Watt' enthalten ist. Wenn man die Stromaufnahme wissen will, schaut man am besten in die entsprechende Tabelle im Blatt 'Aufgenommene Daten'.

Was sagen mir nun eigentlich die Diagramme?

In den Diagrammen 'Nettoschub über Steps' sieht man, wie 'bissig' ein Motor auf den Gasknüppel reagiert. Je steiler die Kurve desto bissiger der Motor, desto direkter hängt der Kopter am Gasknüppel und desto besser greift die Lageregelung.
Die waagrechte Linie des Nettokoptergewichtes pro Motor sollte bei etwa 100 Steps oder weniger geschnitten werden.

In den Diagrammen 'Nettowirkungsgrad' sieht man, wie effizient der Motor bei einem gewissen Schub arbeitet. Der Nettowirkungsgrad soll natürlich möglichst hoch sein und idealerweise sollte das Maximum der Kurve bei der senkrechten Linie des Nettokoptergewichtes pro Motor sein.

Hier noch ein Vergleich des 'Quax' BL-4428 Reglers mit dem umgebauten TowerPro 18A:



Der BL-4428 Regler ergibt im interessanten mittleren Leistungsbereich ('Schwebestrom') fast 10% mehr Schub bei gleichem Strom.

Folgende Kenngrößen sind für die Auswahl eines Propellers wichtig:

• Schub in Zusammenhang mit einem bestimmten Motor
• Wirkungsgrad
• Massenträgheit
• mechanische Stabilität
• Gewicht

Motor und Propeller müssen aufeinander abgestimmt sein. Ist der Propeller zu klein, kann der Motor seine volle Kraft nicht entfalten, ist der Propeller zu groß, wird der Motor überlastet. Ein grober Richtwert ist, dass der Motor bei längerem Vollgas (180 'Steps') schon heiß (80-100°C) wird. Das ist bei einem Quadrokopter kein Problem, da ja Vollgasschübe immer nur kurze Zeit dauern.

Beim Wirkungsgrad ist der Wert bei Schwebegas natürlich am interessantesten, weil der Kopter sich ja hauptsächlich in diesem Betriebszustand befindet.

Eine geringe Massenträgheit des Propellers ist sehr wesentlich, um schnelle Drehzahländerungen realisieren zu können. Dies bedingt natürlich auch eine geringe Masse des Propellers.

Ein leichter Propeller hat natürlich andererseits eine geringere mechanische Festigkeit. Hier gilt es, einen Kompromiß zu finden. Der EPP1045 z.B. ist wesentlich leichter als der APC10x4,7. Diese beiden Propeller erzeugen in etwa denselben Schub. Daher wird das Regelverhalten des Kopters mit dem EPP1045 besser sein als mit dem APC10x4,7. Allerdings berichten einige Kopterpiloten, dass der EPP1045 bei Koptern über einem Gesamtgewicht von 1kg zu plötzlichem Bruch neigt.

In dieser Excel-Tabelle habe ich verschiedene Propeller (EPP, APC, Graupner) am AXI 2217/20-Motor getestet. Interessant ist hier zu sehen, dass die EPP- und APC-Propeller in etwa denselben Schub erzeugen, während die Graupner-Propeller relativ zu ihrer Größe einen geringeren Schub entwicklen. Ein 11"-Graupner-Propeller entspricht also etwa einem 10" EPP oder APC. Der Wirkungsgrad der Graupner-Propeller sinkt bei höheren Drehzahlen aber nicht so stark wie der der EPP- und APC-Propeller.