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Ein elektrischer Antrieb für F2B

Seit dem Herbst 2010 befasse ich mich mit dem Thema elektrischer Antriebe für Fessel-Kunstflugmodelle. Was ich in dieser kurzen Zeit gelernt habe, erscheint mir wichtig genug um es schon heute in einer ersten Version zusammenfassen.
Viele Inhalte zum Thema habe ich unter “Gettin all AMP’ed up“ auf dem sehr aktiven „Stunthanger“ Forum gefunden. Ganz besonders habe ich vom Austausch mit Norman Whittle profitiert. Norm fliegt seit einiger Zeit sehr erfolgreich seinen „Sultan“ mit elektrischem Antrieb und arbeitet dabei eng mit Paul Walker zusammen. Die Auslegung des Antriebes meiner „Signorina Elettra“ ist eine Kopie des Systems von Norman Whittle, dem ich an dieser Stelle für die bereitwillige und sehr kompetente Unterstützung herzlich danken möchte.
Auf der praktischen Seite habe ich mit vier verschieden Flugzeugen, vom einfachen Trainer bis hin zu einem speziell für E- Antrieb gebauten, grossen Kunstflugmodell, erste Erfahrungen gesammelt. Auf diese Art habe ich versucht, die erworbenen theoretischen Kenntnisse in die Praxis umzusetzen. Am Beispiel der „Signorina Elettra“ (Eine eigene Variante des Trivial Pursuit Special Edition) möchte ich im Folgenden auf die einzelnen Antriebskomponenten und deren Anwendung etwas näher eingehen.

Alle Beschreibungen und Aussagen, ausgenommen die technischen Daten, entsprechen meiner persönlichen Sicht der Dinge heute, im Januar 2011. Sie sind möglicherweise nicht allgemein gültig. Neue Erkenntnisse werden dazukommen und ich werde mich bemühen, die Inhalte wenn nötig zu aktualisieren.

Übersicht (Für Alle)
Ein vorgezogenes Fazit ...................................................... 2
Das Prinzip ......................................................................... 2
Was bewirkt die Regelung auf konstante Drehzahl?............ 2
Ist das Alles nicht zu kompliziert?...................................... 3
Gewicht und Kosten........................................................... 3
Hinweise zum Umbau konventioneller Flugzeuge ............. 4
Hinweise zum Flugbetrieb ................................................. 4
Die Resultate ..................................................................... 5

Technik im Detail (Nicht für Alle)
Der Motor ........................................................................... 6
Der Regler und seine Programmierung................................ 6
Der Timer ........................................................................... 11
Die Batterie ........................................................................ 12
Propeller ............................................................................ 13
Datenspeicher..................................................................... 14
Aussichten ......................................................................... 15
 

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- Übersicht -

Ein vorgezogenes Fazit
Die vor nur wenigen Jahren, nicht ohne Widerstand, erfolgte FAI Zulassung elektrischer Antriebe für die Kategorie F2B erweist sich als richtig. In kurzer Zeit und nur Dank der Verfügbarkeit hoch entwickelter Bauteile aus der R/C Modellflugindustrie, ist die Anwendung elektrischer Antriebe für F2B Modelle zu einer echten Alternative geworden. Damit ist eines der Ziele der Zulassung, sichtbarer Flugbetrieb nahe am Menschen, erreicht.
Die Laufeigenschaften der heute ab Lager verfügbaren Antriebe sind einem guten Verbrenner-Antrieb mindestens ebenbürtig und die operationelle Sicherheit, vor allem in Bezug auf die uneingeschränkte Reproduzierbarkeit der Leistungsabgabe, ist deutlich besser. Ein E-Antrieb läuft überall genauso gut wie im besten Einstellflug zu Hause. Auf Anhieb, immer. Diese Sicherheit ist, nach meiner heutigen Sicht der Dinge, von sehr grosser Bedeutung, denn sie allein ermöglicht die uneingeschränkte Konzentration des Piloten auf das Wesentliche, das Fliegen des Flugzeuges.

Das Prinzip
Ein elektrischer Antrieb für ein F2B Wettbewerbsmodell üblicher Grösse, d.h. ca. 43 qdm bei ca.1'800 Gr. Gewicht, besteht aus den vier folgenden Bauteilen:

• Einem elektrischen 3-Phasen Drehstrom-Motor, aufgebaut als sogenannter Aussenläufer, ohne Getriebe. Die benötigte Dauerleistung des Motors liegt bei einer Grössenordnung von ca. 600 Watt, bzw. bei ungefähr 0.82 PS.
• Einem Umformer und Leistungssteller, dem „Regler“. Er soll mit einem Dauerstrom von bis zu 75 Ampere belastbar sein und wandelt die von der Batterie gelieferte Gleichspannung in Drehstrom um. Gleichzeitig steuert der Regler die Leistungsabgabe des Motors, indem er die vom Empfänger der Fernsteuerung kommenden Signale für die Stellung des Gashebels in geeigneter Form verarbeitet. Bei der Anwendung eines herkömmlichen R/C Reglers für Fesselflug fehlen diese Signale. Sie müssen deswegen mit einem separaten Baustein erzeugt werden.
• Der Timer. Er erzeugt die vom Regler benötigten, am Timer einstellbaren, Gashebel-Signale. Weitere Funktionen des Timers sind die Startverzögerung und die Laufzeit des Motors. Die Startsequenz wird mit einer kleinen Drucktaste gestartet. (roter Drucknopf)
• Der Batterie. Eingesetzt werden Lipo Batterien, bestehend aus 3 - 6 hintereinander (in Serie) geschalteten Zellen, bzw. mit einer Nennspannung von 11.1 - 22.2 Volt. Die benötigte Kapazität der Batterie liegt, je nach Nennspannung, zwischen 3’300 mA/h (bei 11.1 V) und 1'650 mA/h (bei 22.2V). Die Batterie wird so ausgelegt, dass sie für gerade einen Flug ausreicht und dabei nicht mehr als 75% ihrer Kapazität verbraucht wird.

Was bewirkt die Regelung auf konstante Drehzahl?
Für F2B Anwendungen benötigen wir einen Regler welcher in der Lage ist, jede definierte Drehzahl von selbst einzuhalten und zwar, innerhalb bestimmter Grenzen, unabhängig von der Belastung des Motors. Diese Funktion, sie wird auch „Heli Mode“ oder „Governing“ genannt führt zu einem, dem klassischen 4-2-4 Verhalten eines ST.60 nicht unähnlichen, Leistungseinsatz. Wie bei einem gut abgestimmten Verbrenner-System wird die Leistung immer dann erhöht, wenn die Drehzahl abfällt, bzw. sie wird reduziert, wenn sich die Drehzahl erhöht.

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Beim Übergang in den senkrechten Steigflug, also wenn das Gewicht des Modells den Motor mehr belastet und deswegen die Drehzahl zurückgeht, erhöht der Regler die Leistung so lange bis die Solldrehzahl wieder anliegt. Nach dem Durchflug des Zenits passiert das Gleiche, nur jetzt in umgekehrter Weise, d.h. der Regler reduziert die Leistung soweit wie nötig. Das Gleiche passiert bei Gegen- bzw. Rückenwind und bei Seitenwind in den Loopings. Der Regelvorgang ist sehr schnell und als solcher vom Piloten nicht wahrnehmbar.
Diese interessante Grafik, erfasst mittels eines im Regler eingebauten Datenspeichers, zeigt den im Flug gemessenen Verlauf der Motorleistung beim Durchfliegen eines einfachen Wingovers:

Auf der horizontalen Achse ist die Zeit in Sekunden dargestellt: Das einfache Wingover Manöver dauert vom Zeitpunkt 1569.4 sec bis zum Zeitpunkt 1573.0 sec. also 3.6 sec. In diesem Zeitraum erhöht der Regler, um die Drehzahl konstant zu halten, den Strom von 32 A auf 45 Ampere. Das heisst, dass die Motorleistung während dem Steigflug zum Zenit des Wingovers um 40% erhöht, bzw. im folgenden Sturzflug um den gleichen Prozentsatz reduziert wird. Praktisch verzögerungsfrei, vollautomatisch und bei jedem Flug auf die genau gleiche Weise. Und zwar auch dann, wenn eine andere Fluggeschwindigkeit (Drehzahl) vorgewählt wird. Bei jeder Temperatur, bei jedem Luftdruck und an jedem Ort. Immer auf Anhieb, ohne „Einstellflug“.

Ob das meine PA’s auch so gut können? Gut möglich, vielleicht sogar besser. Die Frage ist allerdings nicht schlüssig zu beantworten, weil mir keine entsprechenden Messungen bekannt sind…

Ist das Alles nicht zu kompliziert?
Die Anwendung der (fast) “plug and play“ Komponenten ist völlig unkritisch und von jedermann problemlos in kurzer Zeit zu erlernen. Wenn das nicht so wäre, dann hätten sich elektrische Antriebe in der grossen R/C Welt kaum so rasch und umfassend durchgesetzt.
Alles was braucht, ist ein Computer mit Internetzugang und, unbescheidenerweise behauptet, diesen Bericht. Kenntnisse in Elektrotechnik bzw. Elektronik werden nicht benötigt. Einige Grundkenntnisse in Englisch sowie, und dies vor allem, Freude am Entdecken und ein gesunde Portion Neugier, sind jedoch sehr hilfreich. Was die Handhabung und den Einbau der Komponenten betrifft, so steht jedes auf Elektroflug spezialisierte Fachgeschäft sicher gerne und kompetent mit Rat und Tat zur Seite. Dies insbesondere dann, wenn nicht unbedingt alle Komponenten direkt in China beschafft wurden…

Gewicht und Kosten
Das ist heute kein Problem mehr. Der komplette Antriebsstrang meiner „Signorina Elettra“ wiegt 678 Gramm, das sind, wenn ich einen zu ¾ gefüllten Treibstofftank annehme, 80 Gramm weniger als der PA .75 Pipe Antrieb im roten Trivial Pursuit von 2010.
Alle elektrischen Antriebskomponenten der S.E. zusammen kosten Fr. 545.- bzw. 436.- €. inkl. eine Batterie und inkl. einem 12 V Ladegerät für den Anschluss am Auto. Jede weitere Batterie, für effizientes Training braucht es vielleicht 4 - 6 Stück, kostet Fr. 59.- / 48.- €. Wenn ich mit einer Batterie nur gerade 30 Entlade/Ladezyklen erreiche, ist sie bereits amortisiert. Wobei ich davon ausgehe, 250 Zyklen zu erreichen.

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Hinweise zum Umbau konventioneller Flugzeuge
Der für einen guten Motorlauf sehr stabil ausgeführte Rumpfaufbau eines konventionellen Flugzeuges kann bei elektrischem Antrieb etwas leichter gehalten werden. Auch beim nachträglichen Umbau eines vorhandenen Fliegers lässt so Gewicht einsparen.

• Um den Trimmzustand durch den Umbau nicht zu verändern, ist es notwendig vor dem Umbau den Tank zu ¾ zu füllen und so die Lage des Schwerpunktes, auf +/- 2 mm genau, zu vermessen.
• Motorbalken und schwere Spanten können entfernt werden. An ihre Stelle tritt ein 3 mm Kopfspant, bestehend aus 5-fach Sperrholz, zur Heckmontage des Elektromotors.
• Zur direkten Kühlung des Motors kann ein kleinerer (und leichterer) Elektrospinner montiert werden. So bleibt ein ringförmiger Luftspalt zur Kühlung des Rotors offen.

• Der Regler wird so eingebaut, dass er zwar gut gekühlt wird, aber vor Spritzwasser geschützt ist.
• Beim Einbau des Timers ist darauf zu achten, dass der 6-polige Anschluss von Aussen zugänglichbleibt. Auch der Timer und die Start/Stop Taste sind vor Spritzwasser zu schützen. Die Start/Stop Taste wird versenkt eingebaut, um so vor versehentlicher Betätigung gut geschützt zu sein.
• Die Batterie wird so eingebaut, dass die vor dem Umbau vermessene Lage des Schwerpunktes exakt erhalten bleibt. Der Wechsel der Batterie sollte von oben möglich sein und die Länge der Kabel zwischen Batterie und Regler sollte weniger als 30 cm betragen.

Hinweise zum Flugbetrieb

• Batterie erst unmittelbar vor dem Start einsetzen und anstecken.
• Sicherstellen, dass nur mit 100% geladenen Akkus gestartet wird. Bei Unsicherheit Batterie nachmessen (Geeignete Instrumente gibt im Fachhandel)
• Beim Anstecken der Batterie zählt der Regler die Zellen und piepst für jede erkannte Zelle einmal  (Bei 5S; Startmelodie und danach 5 Piepser) Mitzählen; Wird eine Zelle nicht erkannt (ein Pieps fehlt), nicht starten, Batterie wechseln.
• Ist die Batterie korrekt mit dem Regler verbunden, so ertönt alle 20 sec ein kurzer Warnpieps. Er zeigt an, dass alle Systeme scharf sind.
• Startverzögerung nicht unter 30“ einstellen.
• Startsequenz durch kurzes Drücken der Start/Stop Taste einleiten. Vorsicht, der Regler quittiert den Startbefehl mit einem kurzen Drehen des Propellers.
• Auf Gras sollte der Start mit einem Helfer erfolgen. Dieser hält das Modell fest bis der Motor hochgelaufen ist und gibt es dann auf Zeichen des Piloten frei.
• Bei Unsicherkeit oder Zwischenfällen wird die Startsequenz und/oder in laufender Motor durch kurzes Drücken der Start/Stop Taste abgebrochen, bzw. der Motor abgestellt. Dies muss allen Helfern mitgeteilt und demonstriert werden.
• Eine abgebrochene Startsequenz und/oder ein abgestellter Motor kann nicht erneut gestartet werden. Dafür muss zuerst die Batterie aus- und wieder angesteckt werden.
• 5 sec vor dem programmierten Abstellen des Motors nimmt der Regler für einen ganz kurzen Moment die Leistung zurück und zeigt so das bevorstehende Abstellen an.

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Die Resultate

• Elektrische Antriebe für F2B Modelle sind auf jeder Stufe wettbewerbsfähig.
• E-Antriebe sind im Betriebe einfacher und, vor allem, genauer reproduzierbar einsetzbar.
• E-Antriebe sind nicht schwerer und im Betrieb billiger als moderne Verbrenner Systeme.
• Fast alle der benötigten Komponenten sind im lokalen Fachhandel zu günstigen Preisen zu bekommen.
• F2B spezifische Bauteile werden benötigt. Diese sind bei verschiedenen Herstellern ab Lager lieferbar.
• E-Antriebe können, auf Grund der sehr viel grösseren Anzahl an Bauteilen, eine höhere, statistische Ausfallrate haben.

Dies sind subjektive und persönliche Meinungen, gewonnen aus noch geringer Erfahrung. Sie gelten zum jetzigen Zeitpunkt für mich und sind nicht in jedem Fall auf Andere übertragbar. Einzelne Aussagen können sich als unrichtig erweisen.

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- Technik im Detail -

Der Motor
Im Leistungsbereich bis ca. 800 Watt (1 PS), und bei Drehzahlen in der Grössenordnung bis ca.12'000 U/min, sind bürstenlose Drehstrommotore, aufgebaut als Aussenläufer ohne Getriebe, für unsere Zwecke gut geeignet. Solche Motore werden vom Fachhandel in grosser Auswahl angeboten. Auf Grund der mechanischen Belastung, insbesondere durch die Kreiselkräfte der Luftschraube beim Fliegen harten Ecken, ist es wichtig ein mechanisch hochwertig konstruiertes Produkt, ausgerüstet mit Kugellagern eines namhaften Herstellers, einzusetzen. Dies nicht zuletzt deswegen, weil der Motor mit Hilfe eines Heckmontage-Sets eingebaut wird, was zu erhöhter Belastung der Lager führt. Aussenläufer Motere werden durch diese Kennwerte definiert:

• Durchmesser und Länge des, nicht drehenden, Stators: z.B. 28 mm Durchmesser und 26 mm Länge = 2826
• Anzahl Windungen: beispielsweise 12.
• Spezifische Drehzahl Kv (auch: RPM/V): z.B. 760. Das bedeutet, dass der Motor, ohne Propeller, pro Volt (V) angelegter Spannung 760 U/min dreht. Bei 18.5 Volt ergibt das 14'060 U/m. Unter Last ist dieser Wert erheblich (ca. 30%) kleiner. Der Kv Wert muss deswegen so gewählt werden, dass die minimale Batteriespannung von 3.2 Volt pro Zelle ausreicht um die benötigte Drehzahl (mit Propeller!) sicher zu erreichen.
• Maximaler Strom: Ausgedrückt in Ampere (A) über eine bestimmte Zeit: z.B. 35 A / 30 sec.
• Anzahl Pole: z.B.14 Dieser Wert ist für die Programmierung des Reglers von Bedeutung

Hier die Daten des Motors der „Signorina Elettra“

Hersteller AXI   Typ 2826 / 12   Kv 760   Polzahl 14   Max. Strom 37 A / 30 sec   Gewicht 210 Gramm Inkl. Heckmontage-Set & Kabel Preis Fr. 139.- www.eflight.ch Heckmontage-Set RMS 2820 AXI Preis Fr. 26.-

Beim Einbau des Motors ist sicherzustellen, dass er mit reichlich Kühlluft umströmt wird. Die Betriebstemperatur, gemessen am rotierenden Teil, darf 85° C nie überschreiten. Hier ist Vorsicht geb oten, denn bei zu hohen Temperaturen kann die Verklebung der sehr starken Permanentmagnete im Rotor Schaden nehmen. Dies kann bei ausgedehnten Standläufen ohne Propeller und/oder bei blockierter Welle sehr rasch geschehen. Der mechanische Aufbau der Motore ist kritisch, ich würde vom Zerlegen ohne spezielle Vorrichtungen und Werkzeuge und von eigenen Reparaturversuchen unbedingt abraten.

VORSICHT: Die Motore, auch wenn sie gar nicht so aussehen, entwickeln ganz erhebliche Kräfte und beschleunigen unter Umständen in Sekundenbruchteilen auf volle Leistung. Darin liegt ein erhebliches Gefährdungspotential! Die Verbindung mit einem Regler und einer Batterie (Auch wenn diese entladen ist) darf nur dann erfolgen, wenn der Motor genauso stabil wie ein kräftiger Verbrenner eingebaut ist und wenn der Propellerstrahl keinen Schaden anrichten kann.

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Der Regler und seine Programmierung
Bürstenlose Motore benötigen 3-phasigen Drehstrom. Um diesen aus der Gleichspannung der Batterie zu erzeugen, wird ein elektronischer Umformer benötigt. Weil dieser gleichzeitig zur Regelung der abgegeben Leistung dient, heisst er Regler oder engl. Electronic Speed Controller ESC.

Moderne Regler sind sehr anspruchsvolle Hi-Tech Bausteine welche auf kleinstem Raum nicht nur beachtliche Leistungen steuern, sondern deren Funktionalitäten darüber hinaus dank intergrierten Computern weitgehend frei programmierbar sind. Alle Regler haben diese Anschlüsse:

• 2 sehr dicke Kabel zur Verbindung mit der Batterie; Rot = Pluspol Schwarz = Minuspol.
• 1 dünnes, dreiadriges Kabel mit Flachstecker für den Anschluss am Empfänger der R/C Anlage, bzw. des Timers im Fesselflug. („Servokabel“)
• 3 dicke Kabel, weiss, rot, schwarz, zur Verbindung mit dem Motor.

Obwohl durchaus für den Betrieb im rauen Feld konzipiert, gibt es einige allgemeine Regeln zu beachten:

• Die Länge der Kabel vom Regler zur Batterie soll nicht grösser als ca. 30 cm sein. Bei sehr langen Zuleitungen können Störimpulse im Kabel der Stromversorgung zu Fehlfunktionen des Reglers führen. (Die Länge der Motorkabel spielt keine Rolle)
• Regler nie an die Batterie anschliessen, wenn das Servokabel nicht am Empfänger (bei F2; am Timer) angeschlossen ist.
• VORSICHT: Falsches Anschliessen der Stromversorgung, bzw. vertauschte Polarität (auf Farbe achten) zerstört den Regler.
• Den Regler immer so einbauen, dass er auf allen Seiten reichlich mit Kühlluft umströmt wird. Dabei aber auch auf Schutz vor Spritzwasser achten.
• Der Regler, bzw. die Kühlflächen darauf, dürfen nie wärmer als 100°C werden. (Siehe Data Logging)
• Regler gut befestigen, am Einfachsten indem die Batterie- und/oder Motorkabel nahe am Regler mit Kabelklemmen im Rumpf fixiert werden. Lose herumhängende Kabel können Kontaktprobleme verursachen.

Die wichtigsten Kenndaten von Reglern sind:

Maximaler Strom: In Ampere (A), gemessen zwischen Batterie und Regler. Dauerstrom und/oder kurzfristiger (30 sec.) Spitzenstrom. Für F2B Anwendung reicht eine Dauerlastfestigkeit von 50 - 75 A.

Spannungsbereich: Oft angegeben in Anzahl LiPo Zellen (zu je 3.7 V pro Zelle). Für uns geeignet ist ein Bereich von 3 - 8 Lipos oder 11.1 bis 29.6 Volt.

„Heli Mode“ oder engl. „Governor Mode“: In dieser Betriebsart hält der Regler die vom Empfänger (bei F2B vom Timer) vorgegebene Motordrehzahl konstant. Diese Funktion, sie wird nicht von allen Reglern angeboten, ist für F2B unverzichtbar.

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Einige Fabrikate (Jeti, Castle Creations Phoenix) verfügen über eingebaute Datenspeicher. Diese registrieren während dem Flug eine mehr oder weniger umfangreiche Anzahl von Betriebsdaten und ermöglichen so nach der Landung die sorgfältige Analyse der Abläufe und Funktionen. Bei Phoenix wird dazu der nicht mit der Batterie verbundene Regler über das Servokabel und die Phoenix Castle Link Schnittstelle mit einem PC verbunden. Die Firma Castle Creations hat in das Betriebssystem der Baureihe Phoenix ICE einige Funktionen speziell für Fesselflug eingebaut. Details dazu siehe:

http://www.castlecreations.com/products/phoenix_ice.html

Hersteller Castle Creations   Typ Phoenix ICE lite 75 A   Max. Dauerstrom 75 A Bei sehr guter Kühlung Spannungsbereich 14 - 34 V 4 – 8 Lipos Max. Strom 37 A / 30 sec   Governor Mode Ja   Datenspeicher ja Alle relevanten Werte Programmierbar Sehr weitgehend Via PC Schnittstelle Gewicht 95 Gramm Inkl. Kabel Preis Fr. 145.- www.eflight.ch Schnittstelle Castle Phoenix Link USB, für Windows XP   Preis Fr. 26.-

Hier sind die Daten des Reglers in „Signorina Elettra“:

Alle modernen Regler sind für die vielfältigsten Aufgaben und Anwendungen vom Anwender programmierbar. Für Fesselflug Anwendungen, und für die Ansteuerung mit dem FM-9 Timer (siehe dort), kann der Phoenix ICE lite Regler auf zwei verschiedene Arten konfiguriert werden:

1.) Betrieb mit im Feld frei wählbarer Drehzahl. Dafür wird der Regler am PC zu Hause konfiguriert und die gewünschte Drehzahl im Feld mit dem FM-9 Programmiergerät eingegeben. Der FM-9 Timer ist in der Lage, die Funktion der Leistungsregelung im Phoenix Regler nachzubilden, bzw. zu emulieren.

2.) Betrieb mit 3 vorkonfigurierten Drehzahlen. Hier werden zu Hause drei verschiedene Drehzahlen vorprogrammiert und im Feld mittels des FM-9 Programmiergerätws angewählt. Die Emulation des Reglers im Timer entfällt, es wird lediglich Drehzahl No. 1, 2 oder 3 gewählt.

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„Signorina Elettra“ fliegt mit Variante 1.) „Governor High“ und FM-9 Einstellung „ESC Mode New Phoenix High“. Dafür wurde der von der Batterie getrennte Regler mit Hilfe des auf dem PC vorher installierten Programms „Castle Link“ und der zugehörigen Schnittstelle wie folgt konfiguriert:

Castle Bezeichnung Einstellung Bemerkung       Firmware V3.26 (Beta) Castle Betriebsystem, Version Throttle   Leistungsregelung Vehicle Control Line Betriebsart Fesselflug Throttle Type Governor Mode Konstante Drehzahl Governor Mode Setting Governor High Gas-Emulation via FM-9 Timer Governor Gain Custom 7 Steilheit der Drehzahl-Regelfunktion Initial Spool Up Rate High (8) Hochlaufgeschwindigkeit beim Start Head Speed Change Rate Medium (5) Reaktionsgeschwindigkeit auf Gasänderung Brake   Bremse Brake Strength 100 % Wirksamkeit der Bremse Brake Delay 0,4 sec Verzögerung der Bremse Brake Ramp fast Steilheit der Bremsfunktion (schnell) Cutoffs   Sicherheits- Abschaltungen Cut-off Voltage Auto-Lipo Spannungsüberwachung Auto-Lipo Volts/Cell 3.2 Volts/Cell Schwellwert der Sicherheitsabschaltung Current Limiting Sensitive Strombegrenzung* Cutoff Type Hard Cutoff Art des Abschaltens bei zu hohem Strom Motor   Motor Anste3uerung Motor Start Power Medium (59) Motzorleistung am Anfang des Hochlaufens Motor Timing Custom (4) Motor “Frühzündung”** Direction Reverse Drehrichtung*** PWM Rate 8 Khz Ansteuerfrequenz des Motors**** Other   Weitere Einstellungen Power-On Beep Enabled System piepst alle 20 sec wenn scharf BEC voltage 5.0 V Stromversorgung Empfänger, bzw. Timer Logging   Datgen Aufzeichnung Sample Frequency 5 Sample / sec Registriert alle Werte 5 x sec / 15 Min. Download Logged Data   Löscht den Datenspeicher Settings Control Update Konfiguriert den Regeler wie eingestellt   Defaults Stell Einstellungen auf std. ab Werk zurück

* Beim Blockieren der Motorwelle steigt der Strom sehr schnell auf kritische Werte an. Die Einstellung „Sensitive“ soll Schäden an der Elektronik verhüten.

** Der Phoenix ICE Regler bestimmt den optimalen Grad der „Frühzündung“ eines angeschlossenen Motors vollautomatisch. Die Automatik arbeitet mit verschiedeneren, einstellbaren Kennfeldern. Für den AXI 2826/12 hat sich die Einstellung „Custom (7)“ gut bewährt.

*** Die Drehrichtung kann auch durch das Vertauschen von zwei der drei Motoranschlüsse umgekehrt werden.

**** Die Faustregel zur Bestimmung der Ansteuerfrequenz lautet: (Kv des Motors x Anzahl Pole x Nennspannung) dividiert durch 20, abgerundet auf den nächst niedrigen PWM Wert. Hier: (760 x 14 x 20) / 18.5 = 9'842 bzw. 8 Khz. Die Einstellung der Motor-Ansteuerfrequenz (PWM Rate) 8 Khz hat sich für den AXI 2826/12 bewährt. Die an gleicher Stelle wählbare Einstellung „Outrunner“ (Aussenläufer) wird für diesen Motor nicht empfohlen.

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Hier noch ein alternativer Vorschlag zur Konfiguration des Reglers für die Betriebsart 2.) „Set RPM“:

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Der Timer
Um dem Regler anzusteuern benötigen die Fesselflieger ein besonderes Bauteil, welches passende Signale erzeugt und diese über das 3-adrige Servokabel an den Regler schickt. Dafür ist der etwas untertrieben „Timer“ genannte Baustein vorgesehen. Er wird, auch über das Servokabel, vom Regler mit Strom versorgt. Der von mir eingesetzte, direkt programmierbare Timer FM-9 von Wilbert Hubin besteht aus einem IC Baustein und einer extern zu montierenden Start/Stop Drucktaste. Er wiegt ca. 10 Gramm und kostet 12 $, plus Versand.

Zur Programmierung des FM-9 Timers im Feld benötigt man das FM-9 Programmiergerät.

Um den ausgeschalteten FM-9 Programmer in Betrieb zu nehmen, wird der Servostecker vom Timer abgezogen (Verbindung Batterie-Regler getrennt!) und die 6-adrige Verbindung zum Programmer angesteckt. Die rote Markierung ist rechts. Jetzt wird die Start/Stop Taste gedrückt gehalten und gleichzeitig der Programmer eingeschaltet. Danach die Start/Stop Taste wieder loslassen. Die Botschaft „ FM-9 Progr: Press OK to continue“ erscheint und zeigt an, dass der Computer des Programmers gestartet wurde. Bestätigen mit der Taste OK und weiteren Anweisungen folgen. Nicht vergessen; Nach der Programmierung den Hauptschalter ausschalten. Eine herkömmliche 9 Volt Ersatzbatterie für den Programmer gehört ins Werkzeug.

Mit dem FM-9 Programmer können diese Funktionen in den Speicher des FM-9 Timers geladen werden:

Anzeige Funktion Bereich Flight Time Motor Laufzeit ab Ende Hochlauf bis Stop. 1’00” - 9’59” Delay Startverzögerung bis Hochlauf 2“ - 99“ ESC Mode Phoenix New High Für Phoenix Governor High Betieb * (Für “Signorina Elettra”) 7’300 - 11’990 U/min ESC Mode Throttle mode Feste Leistungseinstellung 15% - 100% ESC Mode compen throttle Leistungseinstellung ** 59% - 91% ESC Mode Phoenix High RPM Für Phoenix Governor High Betrieb *** 8’040 - 12’880 U/min ESC Mode Phoenix Set RPM Für Betrieb mit 3 programmierten Drehzahlen No. 1 - No. 3 ESC Mode Schulze F2B low Für Schulze F2B Regler, niedriger Bereich 7'340 -12'040 U/min ESC Mode Jeti Spin Für Regler Jeti Spin 8'490 -10'470 U/min ESC Mode Hacker High X 30 Für Regler Hacker X30, hoher Bereich 8'070 -13'050 U/min

* Für Phoenix Betriebsystem grösser als 3.20
** Mit autom. Ausgleich des Spannungsabfalls der Batterie (einstellbar)
*** Für Phoenix Betriebssystem bis 3.20

Auch der FM-9 Programmer ist bei Will Hubin whubin@kent.edu zu bekommen. Er kostet 85 $, plus Versand.

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Die Batterie
Lipo Akkus bestehen aus einer Anzahl einzelner, hintereinander (in Serie) geschalteter Zellen. Jede Zelle gibt eine Gleichspannung im Bereich von 3.0 - 4.5 Volt, je nach Ladezustand, ab. Als mittlere Nennspannung wird 3.7 Volt pro Zelle angenommen. Die Anzahl Zellen wird mit einer Zahl, gefolgt vom Buchstaben S (für Serieschaltung) angegeben: 3s bedeutet somit 3 in Serie (hintereinander) geschaltete Zellen. Die Nennspannung eines in Serie geschalteten Akkus ist also gleich der Anzahl Zellen mal 3.7. Je grösser die Nennspannung, desto geringer wird die Strombelastung des Reglers und des Motors. Allerdings wird das Verhältnis von Gewicht zu Kapazität der Akkus mit zunehmender Zellenzahl ungünstiger.

Die Leistungsfähigkeit oder Kapazität eines Akkus wird in mA/h ausgedrückt. Der Wert 3000 mA/h bedeutet, beispielsweise, dass die Batterie während einer Stunde einen Strom von 3'000 mA, bzw. 3 Ampere, abgeben kann. Oder eben während 1/10 Stunde 30 Ampere. Dies ist ein theoretischer Grenzwert, er darf in der Praxis zu höchstens 75 % ausgenützt werden.

Grössere Akkus können auch aus nebeneinander (parallel) geschalteten Serie Paketen bestehen. Dies wird dann durch den Buchstaben P angezeigt: 5S2P bedeutet dann 2 parallel geschaltete 5er Serie Blöcke (für F2 weniger aktuell)

Für den Betrieb von Lipo Akkus gelten diese Regeln:

• Strombelastung nicht höher als der aufgedruckte C-Wert (Max. Entladestrom in Ampere ist gleich Kapazität dividiert durch 1000, mal C).
• Aufgedruckte Kapazität zu nicht mehr als 75 % beanspruchen.
• Kurzschlüsse, zum Beispiel beim Anlöten der Stecker, unbedingt vermeiden.
• Beim Einbau auf Luftkühlung achten. Nicht in Schaumstoff o.ä. einwickeln.
• Ausschliesslich moderne, computerisierte Lipo Ladegeräte einsetzen.
• Nicht unter 3.2 Volt pro Zelle entladen.
• Nicht über 4.5 Volt pro Zelle laden.
• Ladestrom so gering wie möglich, typischerweise das 1 - 2 fache der Kapazität. (Max. Ladestrom in Ampere ist gleich Kapazität dividiert durch 1000, mal 1 - 2).
• Nie unbeaufsichtigt laden.
• Teilgeladen lagern, in feuerfesten Lipo Taschen, bei ca. 50% der Kapazität.

Werden diese Vorschriften strikt beachtet, so ist sicherer Betrieb gewährleistet und eine Lebensdauer von ca. 250 Entlade/Ladezyklen erreichbar. Das Ende der Lebensdauer ist dann erreicht, wenn beim Laden weniger als 80% der ursprünglichen Kapazität erreicht werden. Dann ist die Batterie fachgerecht zu entsorgen. VORSICHT: Ein entladener oder defekter Akku kann bei Kurzschluss einen gefährlich hohen Stromfluss verursachen!

Nach heutigem Stand (Januar 2011) fliegt meine „Signorina Elettra“ mit diesen, für den Energieverbrauch relevanten, Eckwerten:

Die Aufzeichnung der Flugdaten zeigt, dass ich, bei einer Nennspannung von 18.5 Volt (5 Zellen), dafür ca. 1'900 mA/h Batteriekapazität verbrauche. Der Strom in Horizontalflug liegt bei ca. 25 A und die kurzen Stromspitzen in Manövern erreichen 35 A. Um Batterie und Regler nicht übermässig zu belasten, setze ich ein 5 Zellen Akku (18.5 V) mit einer maximalen Kapazität von 2'600 mA/h ein. Diese Batterie ist maximal mit 25 C, also mit 2’600/1000 x 25 = 65 A, belastbar, wiegt 330 Gramm und kostet Fr. 59.- (DesirePower V6 SP 2600 mA/h 5S1P bei www.eflight.ch)

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Propeller
Die speziell für elektrische Antriebe entwickelten APC E Luftschrauben zeichnen sich durch einen recht hohen Wirkungsgrad aus. Darüber hinaus sind sie leicht und fast überall im Fachhandel günstig zu erwerben. In letzter Zeit haben einige Piloten herausgefunden, dass Auswirkungen von Drehmoment und Kreiselkraft auf den Leinenzug in bestimmten Manövern dann von Vorteil ist, wenn die Luftschraube links herum läuft. Um diesen Effekt auszunutzen verwenden sie deshalb sogenannte „Pusher“ also linkslaufende Propeller. APC stellt davon eine ganze Reihe unter der Bezeichnung Thin E (für Elektro) und P (für Pusher) her. Diese sind zwar nicht überall vorrätig, können aber per Sonderbestellung von jedem Fachhändler beschafft werden.

Siehe auch unter: http://www.apcprop.com/pindex.asp

Zwei Dinge gilt es zu beachten

• Die Bohrung der APC E (Thin Electric) Propeller ist nicht mittig. Sie ist um ca.1 mm Durchmesser grösser als die Motorwelle aufzubohren. Die genaue Zentrierung geschieht danach durch das Einlegen eines passenden Ringes in die Eindrehung auf der Rückseite des Propellers. Solche Ringe liegen jedem E Propeller bei, sie werden mit einem Tropfen Sekundenkleber gesichert.
• Die Nabe der dünnen E Propeller ist eher knapp dimensioniert. APC empfiehlt deswegen eine bestimmte Drehzahl nicht zu überschreiten. Die Grenzdrehzahl berechnet sich so: 145'000 dividiert durch den Durchmesser in Zoll. Für eine 13 Zoll Luftschraube ergibt sich ein Grenzwert von 11'153 U/min.

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Datenspeicherung
Die Regler der Phoenix Baureihe von Castle Creations enthalten einen Datenspeicher (Data Logger) Dessen Funktionen sind vom Anwender frei programmierbar. Um die während dem Flug gespeicherten Werte auszulesen, wird der im Modell eingebaute Regler über das 3-adrige Servokabel mit einer passenden Schnittstelle und mit einem PC verbunden.

Diese Schnittstelle ist im Fachhandel erhältlich und das zur graphischen Darstellung der Werte benötigte Programm kann von der Castle Website kostenlos heruntergeladen und installiert werden. Diese Werte können erfasst und ausgewertet werden:

Bezeichnung Runktion Einheit       Battery voltage Batteriespannung Volt Battery Ripple Kurze Spannungseinbrüche Volt Battery Current Batteriestrom Ampere  Controller Temperature Regler Temperatur * °C controller Input Throttle Leistungseinstellung % Controller Motor Power Output Motorleistung Watt Motor RPM Drehzahl ** U/min

* Im Grafikprogramm der Software „Castle Creations Data Log“ muss dazu unter „View“ die Anzeige auf „Celsius“ umgeschaltet werden. Die maximal zulässige Temperatur beträgt 100°C.

** Im Grafikprogramm müssen dafür, unter „Edit“, die Polzahl, der Kv Wert und die Getriebeübersetzung des Motors abgespeichert werden.

Hier das Beispiel einer Darstellung von geregelter Drehzahl und nachgeführtem Strom über die Zeit eines ganzen Fluges.

Abgebildet ist ein Versuchsflug eines 2'300 Gramm Modelles mit einem sehr (zu-) starken Antrieb, bei dem ein 15“ x 6“ 2-Blatt APC E Propeller mit 8'000 U/min drehte. Stromquelle war ein 4-Zellen (4S) 14.8 V Akku mit 4’000 mA/h. Bei genauem Hinsehen ist jedes einzelne F2B Manöver allein auf Grund des Stromflusses, bzw. der momentanen Leistung (Strom x Spannung), identifizierbar.

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Aussichten
Mit grossem Interesse verfolge ich die Arbeiten verschiedener Kameraden zum Thema adaptive Leistungsregelung für F2B Antriebe. Fähige Köpfe wie Igor Burger, Wolfgang Nieuwkamp, Kim Doherty, Wilbert Hubin und Andere befassen sich sehr ernsthaft mit den nicht ganz einfachen Aspekten dieser Thematik. Es ist anzunehmen, dass ihre Anstrengungen in absehbarer Zeit zu weiteren Fortschritten führen werden.

Was eigentlich bedeutet, dass es heute an der Zeit wäre, auf den Zug aufzuspringen…

24. Januar 2011
Peter Germann
peterdgermann@bluewin.ch

P.S. Was noch nicht richtig funktionieren will, ist die Simulation des ST .60 Sound. Dazu bleibt aber anzufügen, dass die Summe aller Vorteile heute doch erheblich grösser als dieser klare Nachteil ist.

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