Wie man den Wirkungsgrad von bürstenlosen Motoren und Propellern misst

Von Charles Blouin

Video-Tutorial

Das Testen Ihrer Motoren und Propeller ist die effektivste Möglichkeit, die Leistung zu bewerten und Verbesserungsmöglichkeiten in Ihrem Design zu finden.

So können Sie die Effizienz verbessern, was sich direkt in einer höheren Reichweite, Flugzeit, Nutzlastkapazität und mehr niederschlägt.

In diesem Artikel behandeln wir sowohl das Wie als auch das Warum des Testens von Motoren und Propellern.

Inhaltsverzeichnis

1. Warum sollten Sie Ihre Motoren und Propeller testen?
2. Welche Parameter sollte ich messen?
1. Effizienz des bürstenlosen Motors
2. Effizienz des Propellers
3. Gesamtsystemeffizienz
3. Wie man Motoren und Propeller mit einem Schubprüfstand testet
4. Testverfahren für statische Tests
5. Wie man die Effizienzergebnisse verwendet

Warum sollten Sie Ihre Motoren und Propeller testen?

Sie müssen sich zunächst fragen: Was sind Ihre Bedürfnisse oder die Ihres Endanwenders? Diese Frage ist wichtig, da sie Ihnen hilft zu erkennen, welche Parameter Sie optimieren müssen. 

• Möchten Sie länger fliegen, um ununterbrochen länger zu filmen?
• Möchten Sie eine größere Nutzlast tragen?
• Benötigen Sie mehr Schub und Leistung, um schneller zu fliegen oder die Handhabung bei starkem Wind zu verbessern?
• Haben Sie Probleme mit Überhitzung und Ihre Anwendung erfordert eine Minimierung der Ausfallrate?

Die endgültige Wahl des Antriebssystems hängt nicht nur von der Flugzelle und der Nutzlast ab, sondern auch von Ihrer Anwendung.

Welche Parameter sollte ich messen?

Effizienz des bürstenlosen Motors

Abbildung 1: NTM Propdrive 35-30 bürstenloser Motor und Quantum 13-4 Carbonfaserpropeller

Um einen Motor vollständig zu charakterisieren und seine Effizienz zu bestimmen, müssen Sie die folgenden Parameter messen.

• Spannung (V)
• Stromstärke (A)
• Gashebel-Eingang (%)
• Motorlast oder Drehmoment (Nm)
• Drehzahl (U/min)

• Mechanische Leistung (Watt) = Drehmoment (Nm) * Drehzahl (rad/s)
• Elektrische Leistung (Watt) = Spannung (V) * Stromstärke (A)
• Motoreffizienz = Mechanische Leistung / Elektrische Leistung

Die Ausgangsdrehzahl ist eine Funktion des Gashebels in % und der Last bzw. des Drehmoments in Nm. Wenn Sie einen Motor vollständig charakterisieren möchten, müssen Sie ihn mit mehreren Eingangsspannungen und unterschiedlichen Lasten testen. Der Gashebel wird über den Controller verändert, und die Last wird über den Typ und die Größe des Propellers verändert.

Weiterführende Literatur: Wie bürstenlose Motoren funktionieren und wie man sie testet

Effizienz des Propellers

Um die Effizienz des Propellers zu ermitteln, müssen Sie die folgenden Parameter messen:

• Drehzahl (U/min)
• Drehmoment (Nm)
• Schub (g)

Diese Parameter ermöglichen es Ihnen, Folgendes zu bestimmen:

• Mechanische Leistung (Watt) = Drehmoment (Nm) * Drehzahl (rad/s) ← gleich wie beim Motor
• Effizienz des Propellers (g/Watt) = Schub (g) / Mechanische Leistung (Watt)

Beachten Sie, dass die mechanische Leistung für Motor und Propeller identisch ist. Das liegt daran, dass die gesamte mechanische Ausgangsleistung des Motors in den Propeller fließt, da dieser direkt mit der Motorwelle gekoppelt ist.

Gesamtsystemeffizienz

Die Gesamteffizienz Ihres Systems hängt davon ab, wie gut Motor und Propeller zusammenarbeiten. Selbst mit einem Motor und Propeller, die für sich allein genommen hocheffizient sind, kann Ihr System sehr ineffizient sein, wenn die beiden Teile nicht gut aufeinander abgestimmt sind.

Da diese Teile eine gemeinsame Verbindung (die Welle) haben, wird die Gesamtsystemeffizienz wie folgt ausgedrückt:

Systemeffizienz (g/Watt) = Effizienz des Propellers (g/Watt) * Motoreffizienz

wobei die Systemeffizienz in Gramm pro Watt elektrischer Leistung angegeben wird. Die Änderung des Motors, des Propellers oder sogar der Wechsel zu einem anderen ESC trägt alle dazu bei, die Systemeffizienz zu verändern.

Darüber hinaus ist der Effizienzwert nur für einen bestimmten Befehlseingang und eine mechanische Last gültig. In der Praxis bedeutet dies, dass Sie Ihren Motor über einen Bereich von Befehlseingängen und mit verschiedenen Propellern (um die mechanische Last zu variieren) testen müssen, um eine vollständige Effizienzcharakterisierung zu erhalten.

Wie man Motoren und Propeller mit einem Schubprüfstand testet

Zusammenfassend lässt sich sagen: Um die Effizienz von Motor und Propeller zu ermitteln, müssen Sie Spannung, Stromstärke, Drehmoment, Schub und Motordrehzahl gleichzeitig aufzeichnen. Durch die Kombination dieser Messwerte können Sie die elektrische und mechanische Leistung ermitteln, die wiederum die Effizienzergebnisse liefern.

Die einfachste und effektivste Möglichkeit, diese Tests durchzuführen, ist ein Schubprüfstand, ein Gerät, das speziell für die Charakterisierung von Motoren und Propellern entwickelt wurde.

Wir haben den Schubprüfstand der Serie 1585 (5 kgf/ 2 Nm) verwendet, um die unten besprochenen Daten zu sammeln, bieten aber auch Schubprüfstände an, die bis zu 500 kgf messen.

Weiterführende Literatur: Warum Sie die Motoren und Propeller Ihrer Drohne testen sollten

Testverfahren für statische Tests

In diesem Artikel werden wir nur statische Tests behandeln (wir sprechen nicht über dynamische Tests, die Winkelbeschleunigung, die Schätzung des Strombruchmoments usw. beinhalten…).

Bevor Sie mit Ihren Tests beginnen, empfehlen wir:

• Installieren Sie Ihren Propeller in Pusher-Konfiguration, um Bodeneffekte mit der Motorhalterung zu reduzieren
• Halten Sie einen angemessenen Abstand zwischen dem Propeller und anderen Objekten ein, um ebenfalls Bodeneffekte zu vermeiden
• Stellen Sie sicher, dass alle Sicherheitsmaßnahmen getroffen sind, um die Personen im Raum zu schützen
• Konfigurieren Sie Ihren Schubprüfstand so, dass er das System automatisch abschaltet, sollte ein Parameter seinen sicheren Grenzwert überschreiten

Ein einfacher, aber effektiver Test besteht darin, den Gashebel in kleinen Schritten hochzufahren und nach jedem Schritt eine Messung aufzunehmen. Lassen Sie das System vor der Messung bei jedem Schritt einige Sekunden lang stabilisieren.

Im Video am Anfang des Artikels zeigen wir, wie wir den Gashebel manuell in 10 Schritten von 0 auf 100 % variiert haben. Dieses Verfahren hätte auch mit der automatisierten Testfunktion der RCbenchmark-Software durchgeführt werden können, die in einem anderen Tutorial behandelt wird.

Weiterführende Literatur: Wie man einen bürstenlosen Motor auswucht

Wie man die Effizienzergebnisse verwendet

Sie können Ihre Ausgangsdaten mit jeder beliebigen Plotting-Software analysieren. Nachfolgend finden Sie ein Beispiel für ein Diagramm, das wir mit den Daten aus der oben verlinkten CSV-Datei erstellt haben.

Hier haben wir den Propellerschub und die mechanische Effizienz verglichen, um zu sehen, bei welchen Punkten unser Antriebssystem am effizientesten arbeitet.

Sie könnten diese Daten dann mit Daten aus anderen Tests vergleichen, die dasselbe Protokoll, aber unterschiedliche Propeller verwenden, um den effizientesten für Ihren Motor zu finden.

Für weitere Beispiele für die Arten von Analysen, die Sie mit diesen Daten durchführen können, sehen Sie sich unsere Artikel über Motor- und Propellertests an.

Fazit