Teil II - die Antriebsauslegung:

Obwohl
heute ein Elektroantrieb nichts wirklich Besonderes mehr darstellt, man denke nur an die Hotliner, Park- Schockflyer Szene etc., so gibt es trotzdem noch viele Bereiche, wo konservative Antriebe dominant sind. Auch in unserem Klub sind die meisten gehobenen Modelle noch immer mit konventionellen Antrieben versehen und so kam es, dass ich eines Tages unseren Michi, seines Zeichen F3A Pilot in der Wettbewerbsszene fragte, ob er an einem Gemeinschaftsprojekt, nämlich eine übliche F3A Maschine zu elektrifizieren, interessiert sei. Anfänglich noch mit ein wenig Mistrauen – ob denn das Ding auch genügend Power haben wird, um an Wettbewerben teilnehmen zu können – beschlossen wir dann dieses Projekt zu realisieren, denn Elektroantriebe haben doch einige Vorteile und diese sind:

Nachdem
Michi die Maschine erhalten hatte, begann ich mit einer ersten Abschätzung der Motorleistung, damit der Antriebsstrang dimensioniert werden konnte.
Um ein Kunstflugmodell zügig fliegen zu können, ist eine spezifische Leistung von mindestens 300W/kg notwendig. Bei einem Abfluggewicht von 5kg ist die Wellenleistung somit 1500W. Dividiert man diesen Wert durch den Motorwirkungsgrad von 0,9 (dieser Wert sollte auf jeden Fall mindestens erreicht werden, damit keine Temperaturprobleme auftreten und unnötige Akkukapazität mitgeschleppt werden muss) erhält man die Akkuleistung von 1670W. Die Verlustleistung ist in diesem Fall noch immer 170 Watt – dies ist mehr als ein 150Watt Lötkolben – man kann sich die Wärmeentwicklung sehr leicht vorstellen. Also Wirkungsgrad unbedingt beachten.
Aus Gewichtsgründen ist auch klar, dass heute nur mehr Lithiumionen Akkus bzw. Lithiumpolymer Akkus verwendet werden sollten. Den Akkuenergieinhalt erhält man, durch Berechnung des Energieverbrauches des F3A Flugprogramms. Das F3A Programm benötigt ca. 30 Steigflüge zu je ca. 130m Höhendifferenz (diese etwas höhere Annahme wurde deshalb gewählt, um die Horizontalflüge und Gegenwindeinflüsse einigermaßen zu berücksichtigen). Die Gesamtsteighöhe ist somit 3900m für ein gesamtes Flugprogramm. Multipliziert mit der Kraft des Modells von ca. 50N (5kg x 9,81 m/sec2) ergibt sich eine Energie von 191.295 Nm entsprechend 191.295 Ws oder 53Wh. Geht man von einem optimalen Gesamtwirkungsgrad (Akku, Controller, Kabeln und Stecker, Motor, Getriebe, Propeller und das Modell selbst) von 50% aus, dann muss der Akku mindestens 106Wh Energie liefern können. Nachdem die Energiedichte der LiPo Akkus unter Last ca. 120Wh/kg beträgt, würde unser Akkugewicht somit 883g betragen – kein schlechter Wert. Ein NiMH Akku hätte mit ca. 53Wh/kg um die 2000g.

Schwieriger
ist schon die Wahl des Motors, des Getriebes und des Controllers. Vor allem beim Motor steht man vor der Wahl; Außenläufer oder Innenläufer mit Getriebe. Nun, nachdem die spezifische Leistung hoch sein soll, kommt die Leistung bekanntlich aus der Drehzahl. Hier sind die Außenläufer eindeutig im Nachteil, denn bei Propellerdrehzahlen von 6000-7000 1/min, wird ein Motor schwer und voluminös, außerdem besitzen Außenläufer auch meist nur einen Wirkungsgrad zwischen 72% (Teillast ) bis max. 85% (Volllast). Also kommt ohnehin nur eine Innenläuferkonstruktion mit Getriebe in Frage. Nachdem im F3A Programm zu ca. 80% der Zeit im Teillastbetrieb geflogen wird, muss der Motor eben auch voll teillastfähig sein, also sehr geringe Wirbelstromverluste aufweisen. Dies wird heute durch Luftspulen mit fein segmentierten Rückschlussblechen sowie einem segmentierten Permanentmagnetrotor erzielt. Fündig wird man in der Edelschmiede Lehner. Bereits 1996 wurden die ersten Motoren in dieser Technik gefertigt und seither natürlich immer wieder weiterentwickelt. Das Besondere an diesen Motoren ist auch, dass es möglich ist den Motor von Dreieck auf Stern umzulöten. Damit kann der Motor in einem weiten Spannungsbereich eingesetzt werden und man hat mehr Spielraum für die exakte Anpassung des Propellers. Dazu hat Hans Lehner damals gleich den weltweit ersten sensorlosen Controller mitentwickelt. Das besondere dieses Controllers (Type 3095, d.h. max. 95A Laststrom) ist, dass in den Knüppelweg auch eine stufenlose elektronische Bremse integriert wurde. Und diese Kombination ist für einen F3A Antrieb nahezu ideal. Leichter ist schon die Auswahl des Getriebes, denn hier gibt es nach wie vor (leider) nur ein wirklich hochwertiges Produkt, nämlich dass von Andreas Reisenauer. Es handelt sich hier um ein Präzisionsgetriebe mit geringem Spiel und einer 6 mm Titanwelle. Die Qualität kann man auch hören, denn es ist mit Abstand das derzeit leiseste Planetengetriebe. Mit ca. 85g Gewicht und einem maximalen Leistungsdurchsatz von ca. 3,0kW, passt es für unsere Anwendung sehr gut.

Damit
fiel damals die Wahl auf einen LMT-Motor der Serie 1940 mit einem Getriebe 7:1 von Reisenauer. Die Leistung war gut, allerdings stellte sich später heraus, dass der 1940er Motor, bedingt durch sein geringes Volumen, viel zu warm wurde, obwohl ihm im Kurzzeitbetrieb (Hotliner) bis zu 3 KW abverlangt werden können. So bauten wir die nächst größere Type 2230 ein. Um genügend Energiereserve zu haben, verwendeten wir 12/3200mAh Kokam’s, was einem Energieinhalt von ca. 140Wh entsprach, außerdem konnte bei einer Lastspannung von ca. 42V auch der Strom auf moderate 54A gesenkt werden. Damit ergab sich eine Eingangsleistung von 2,1 bis 2,4kW, je nach Ladezustand. Multipliziert mit dem Wirkungsgrad von 93%, konnte der Propeller mit ca. 2,0 kW gefüttert werden. Bei einem Modellgewicht von nicht ganz 5kg ergibt das ca. 400W/kg und ist somit schon recht gut bepowert. Die Dimensionierung des Propellers ergibt sich aus der Fluggeschwindigkeit und der notwendigen Kraft (in unserem Fall ca. 70N Standzug). Die Propellerauswahl fiel somit auf einen Klapppropeller 20“ x 13“ von Freudenthaler; dieser hatte von allen mir zur Verfügung stehend Propellern den höchsten Wirkungsgrad und er hat ein sehr geringes Gewicht.
Die Flugleistung war mit dieser Konfiguration sehr gut und auch von der Flugzeit war das F3A Programm sehr gut zu absolvieren. Michi flog mit dieser Konfiguration auch einen Wettbewerb mit und alles schien seine Richtigkeit zu haben, zumindest was die Auslegung und Flugleistung des Antriebes anbelangt.

Leider
erlaubt das Reglement eine max. Akkuspannung von nur 42V und das eben als max. Ladespannung und nicht Lastspannung während des Betriebes; d.h. die Zellenzahl musste auf 10 reduziert werden. Damit fällt die Lastspannung auf ca. 33 – 34V ab, was bei gleich bleibender Motorleistung zwangsläufig eine Erhöhung des Motorstromes auf ca. 68A zur Folge hat. Warum hier die Lithiumakkus gegenüber den NiCd bzw. NiMH Akkus benachteiligt werden, ist nicht ganz verständlich, denn bei diesen dürfen 30 Zellen verwendet werden und multipliziert man dies mit 1,6V max. Ladespannung, dann kommt man auf 48V, was exakt 11,5 LiPo Zellen entsprechen würde. Offenbar wird hier die Kleinstspannungsverordnung (42V) sehr exakt als Maßstab genommen.

Hyper B5 Balancer von Intertronics Auf einer Platine sind jeweils 5 Balancer; d.h. mit 2 Stück, lässt sich ein 10 Zellen Akku balancieren. Grüne und rote LED's zeigen an, wann die Begrenzung einsetzt. 2A können max. bypassed werden.

Somit wurden aus dem Akku 2 Zellen entfernt, was allerdings auch eine Reduktion des Energieinhaltes von 140Wh auf 116Wh zur Folge hatte. Außerdem verursachte der jetzt höhere Motorstrom auch höhere Verluste, was insgesamt eine Reduktion der Flugzeit zur Folge hatte. Damit war kein befriedigendes F3A Programm mehr möglich (der Akku wird tief entladen und die Lebensdauer würde dadurch drastisch abnehmen), sondern nur mehr RC 3. Trotzdem wurde Michi mit dieser Befeuerung in der RC3 Klasse, niederösterreichischer Landesmeister; und das erstmals elektrisch.

Die Flugsaison 2005
ist damit zu Ende, doch wir haben schon neue Pläne für das Jahr 2006 und hoffentlich haben wir über die Wintermonate genügend Zeit, damit wir diese auch realisieren können.

Abschließend
soll auch noch kurz die Kostenseite betrachtet werden. Nun, dass ein Verbrennerantrieb geringere Anschaffungskosten verursacht, ist außer Zweifel, denn die Material- und Arbeitszeitkosten sind im Vergleich zum Elektroantrieb wesentlich geringer, außerdem kostet der Tank praktisch nichts. Trotzdem sieht die Sache schon wieder ganz anders aus, wenn auch die Energiekosten, sprich die Spritkosten in die Gesamtkostenberechnung einfliesen.

Die nachfolgende Tabelle soll hier einen groben Überblick vermitteln.

Die Kosten
für die Startbox sind in etwa gleich wie die eines Ladegerätes und wurden daher nicht berücksichtigt.
Wir sehen, dass ab ca. 170 Flügen bei den derzeitigen Akkukosten der Elektroantrieb bereits günstiger ist, als der Verbrennerantrieb. So gesehen spricht auch von der Kostenseite alles für den Elektroantrieb, vor allem bei Vielfliegern. Die Akkulebensdauer wird von den Herstellern mit 400 bis 600 Zyklen angegeben (dann ist nur mehr 80% der Kapazität vorhanden); praktisch kann man bei unseren Hochstromanwendungen wahrscheinlich von ca. 200 – 300 Zyklen ausgehen. Aus Lebensdauergründen sollte der Akku nur zu 80% entladen werden.
Ein allerdings sehr interessanter Wert ist der Energieverbrauch pro Flug. Wir sehen, dass ein Antrieb mit Methanolverbrennungsmotor einen ca. 10 fachen Energieverbrauch aufweist wie derjenige mit einem Elektromotor. Der Grund ist eben der sehr schlechte Wirkungsgrad von ca. 10% (und das sind schon hochqualitative Viertaktmotore, bei Zweitaktmotoren liegt der Wert bei ca.4-5%) und mit steigender Drehzahl nimmt dieser sogar noch ab. Insgesamt spart ein Elektroantrieb bei 170 Flügen mehr als 61 Liter Spritäquivalent ein. So gesehen, sind Elektroantriebe extrem gute "Futterverwerter" und sollten daher auch aus Resourcengründen bevorzugt werden. Somit können wir auch im Kleinen unseren Beitrag zum Umweltschutz leisten.

Eine sinnvolle Primärenergiequelle
für den Elektroantrieb ist natürlich die Sonne. Da die meisten modernen Klubs ohnehin schon eine Photovoltaikanlage besitzen, ist die Energieversorgung daher kein Problem. Auf gar keinen Fall sollte man den Autoakku in Betracht ziehen, denn pro Ladung werden einem 12V Autoakku ca. 14Ah bei 11-12A Laststrom entnommen. Ein 88Ah Akku wäre bei einer so hohen Belastung nach 4-5 Ladungen bereits soweit leer, das man das Starten eines PKW vergessen kann.
Wir sehen also, dass unser Hobby mit Elektroantrieb ein sehr umweltfreundliches ist. Auch von der Akkuseite gesehen, sind Lithiumakkus auf Polymerbasis relativ unbedenklich, da Lithium eben kein Schwermetall sondern im Gegenteil sogar das leichteste ist. Auf der +Pol Seite wird derzeit noch das teure Kobalt verwendet – zukünftig wird es allerdings durch das billigere Eisen ersetzt, das auch unproblematisch ist. Außerdem wird damit auch die Zyklenzahl um den Faktor 2 bis 3 zunehmen. Den größten Anteil nimmt allerdings der Aluminiumwickel ein und der ist ebenfalls unproblematisch und wieder recyclebar.
Abschließend soll nur bemerkt werden, dass am Akkusektor noch viel zu erwarten ist; dasselbe gilt auch für die Motoren. Momentan sind Elektroflugmotoren bis 11 kW bei einem Gewicht von ca. 1500g am Markt erhältlich. Damit sind sie bereits wesentlich leichter als große Verbrennungsmotore. Auch Großmodelle oder Segelschleppmaschinen mit einem Gesamtgewicht von bis zu 40kg sind damit leicht zu elektrifizieren. Was diese Entwicklung für die F3A Szene bedeutet, ist klar: Eine noch höhere spezifische Leistung. Die Frage ist nur: Ist eine spez.Leistung von über 500-600W/kg noch sinnvoll? Die zukunftige Entwicklung wird uns die Anwort geben.