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Datenquelle

Das Leistungsdiagramm des NEWTOR 4109 (von der Köhler Wbsite)

Die Spannungskurve ist bei 32V aufgenommen, und geht vom Vollastbetrieb aus. Daher ist bei der Auswahl des Motors zu berücksichtigen, daß nur die Maximalwerte abgelesen werden können. Aussagen über die Flugzeit, oder den Wirkungsgrad im Teillastbetrieb könne dem Diagramm nicht entnommen werden.
 

Die Auslegung:

Die Rotordrehzahl des Helis soll in etwa bei 1000/min liegen. Dieser Wert wird von vielen Benziner fliegern angegeben, deren Helis zwischen 7 und 9 kg wiegen. Damit ich möglichst Strom sparen kann, und damit die Motordrehzahl des 4109 optimal ausgenutzt wird habe ich die Kopfdrehzahl auf 970/min festgelegt.

Nach dem obigen Diagramm kann man bei 9700/min (Getriebe = 10:1) einen Strom von ca 25A ablesen. Das ist für Vollast natürlich recht knapp, aber das Diagramm geht auch von 32V Betriebsspannung aus. Die 3000er Zellen bringen bei diesen relativ geringen Belastungen aber deutlich mehr als 1V/Zelle. Daher kann man das Diagramm für das Ende der Flugzeit (Akku fast leer) als Annäherung benutzen.
 

Leistungsbetrachtung der BO105 mit Newtor 2710:
 
Wert Berechnung Ergebnis
Gewicht M gemessen 6.2 kg
Stromaufnahme I gemessen 16 A
Spannung U 30 * 1.1 V 33 V
Leistung P 33V * 16A 528 W
Leistungsdichte L 528W / 6.2 kg 85 W/kg
Energieinhalt E 2 A*h * 60 min/h 120 A*min
Flugzeit T 120 A*min / 16A 7.5 min = 450 sec

Zurückgerechnet für die größere Maschine ergibt sich:
 
Wert Berechnung Ergebnis
Leistungsdichte L von obiger Berechnung übernommen 85 W/kg
Gewicht M gemessen 7,5 kg
Leistung P 85 W/kg * 7.5 kg 637.5W
Spannung U 32 * 1.15 V 36.8 V
Stromaufnahme I 637.5 W / 36.8 V 17.3 A
Energieinhalt E 3 A*h * 60min/h 180 A*min
Flugzeit T 180 A*min / 17.3 A 10.4 min = 624 sec

Diese Berechnung stimmt fast auf die Sekunde genau mit der Praxis überein.

Das bedeutet, daß ein Leitungsbedarf von ca. 85 W/kg für Helis dieser Größenklasse und Auslegung erforderlich ist. Mit diesen Angaben läßt sich leicht errechnen, wie sich ein bestimmtes Zusatzgewicht auf die Flugzeit auswirkt. Die Rechnung kann selbstverständlich nicht allgemeingültig gemacht werden, sondern muß für jeden Heli extra ausgeführt werden.
 
 
 
Formel für die Errechnung der Flugzeit
T = E * U  / ( L * M ) )
Ein Zusatzgewicht von 1000g wirkt sich wie folgt aus:
 

großer Jetranger

T = 180 A*min * 36.8V / ( 85 W/kg * (7.5 kg + 1.0 kg) )

T =  6624 V*A*min  / 722 W = 9.17 min = 550 sec

Der Zeitverlust beträgt also 624 sec - 550 sec = 74 sec.
 
 

Bo 105

T = 120 A*min * 33 V / (85 W/kg * (6.2 kg + 1.0 kg) )

T = 3960 V*A*min /  612W =  6.5 min = 388 sec

Hier ist der Zeitverlust 450 sec - 388 sec = 62 sec
 
 

Es fällt auf, daß die Werte sich nur wenig unterscheiden, betrachtet man es jedoch im Vergleich zur Gesamtflugzeit, ist die Relation genau umgekehrt. Die Flugzeit der Bo wäre dann mit 6.5 min für meine Begriffe schon etwas arg kurz, während der Jetranger mit 9.2 Minuten immer noch gut dabei wäre. Ein interessantes Rechenbeispiel ergibt sich für die Verwendung von anderen Akkupacks, s.B. wenn man 2 Stück der 3Ah Packs nehmen würde:

T = 360 A*min * 36.8V /( 85 W/kg * (7.5 kg + 2.6 kg) )

T = 13248 V*A*min /  858.5 W = 15.4 min = 924 sec.

Das wären 5 min mehr als mit einem Pack. Eigentlich enttäuschend, wenn man bedenkt, daß
jetzt die doppelte Energiemenge mitgenommen und verbraucht wird. Eine solche Erweiterung würde sich meiner Ansicht nach nicht rentieren.

Viel interessanter ist die Verwendung von 3Ah NiMh Akkus, wenn zwei Stück parallel geschaltet werden. Diese müssen dann nur ca. die Hälfte des Stromes liefern.

T = 360 A*min * 36V / (85 W/kg * (4.9 + 3.84 kg) )

T = 13248 V*A*min / 742.9 W = 17.8 min = 1070 sec. ( träum :-) )

Der Stromfluß wäre in dieser Konfiguration ca 20A, so daß jeder Akku nur ca 10A liefern müsste. Diese Kombination ist also technisch machbar, auch das Gewicht scheint noch recht vertretbar. Ich werde es wohl eines tages testen, wenn die Zellen verfügbar sind.
 

Leistungsbetrachtung

Da ich nicht mit einer auf Flugzeit optimierten Gurke durch die Gegend eiern will sollte der Heli eine entsprechende Leistungsreserve besitzen. Hier zeigt sich die eigentliche Stärke des E-Antriebes. Die Spitzenleistung eines E-Antriebes passt sich fast von selbst an die Bedürfnisse an. Dazu muss bei der Auslegung nur darauf geachtet werden, daß der Maximalstrombedarf den Motor nicht ruiniert. Der große Köhler 4109 hat einen Maximalstrom von 60A. Die Maximalleistung beträgt also

60A * 32V = 1920W

Das genügt für superflotten Steigflug. Man benötigt also keine unterschiedlichen Auslegungen für verschiedene Flugmentalität. Die Flugzeit sinkt aber selbstverständlich mit solchen extremen Manövern ab. Anhand des Motordiagrammes läßt sich erkennen, daß in diesem Falle die Drehzahl bereits leicht einbricht. Für einen HH Kreisel stellt das jedoch kein Problem dar.
 

Fazit:

In einem bestimmten Bereich ist der Flugzeitgewinn durch Zuladung mit Akkus erheblich. Wird das Gewicht zu hoch, rentiert sich das nicht mehr. Hier müsste man auf die nächst größere Helisorte zurückgreifen (2m) um wieder in einen lohnenden Bereich zu gelangen.
Leistung steht durch den E-Antrieb massig zur Verfügung

Und hier nun ein kleines JAVA Applet, das die obige Formel implementiert