Verlustleistung Antriebsstrang

[boernhard]

Liebe Gemeinde,

zunächst möchte ich mich und mein Boot vorstellen: ich bin Mittdreißiger, wohne am nördlichen Harz-Rand und seit einigen Tagen Besitzer einer gebrauchten einmotorigen Hobbyking Genesis. Diese ist vom Vorbesitzer mit einer H&M 4,75mm Flexwelle und einem selbst gebauten gekühlten Motorhalter ausgestattet worden. Dazu habe ich mir eine Spannzange gekauft (5mm Motorwelle auf 4,75mm Flexwelle) und will das ganze zunächst mit vorhandenen Teilen langsam steigernd motorisieren. Zunächst ein Roxxy 3656-06 (1800kv) an 4S, dann Roxxy 3688-04 (1280kv) an 6S, später KB45XL bzw Leopard. Regler ist ein 125A/2-7S China-Regler. Props stehen mir Graupner 2317 in 40/42/45/48/51 mm zur Verfügung (am Anfang sind natürlich nur die kleinen sinnvoll). Gemessen wird Temperatur/Drehzahl per Spektrum DX2S Telemetrie, I_max/U_min/P_max per Turnigy Watt Meter, und V_max per Holux GPS.

Nun die Frage: bei meinem vorherigen Boot (Magin One mit starrer Welle) ist die Schraube ein bisschen nachgelaufen, wenn ich (auf dem Bootsständer) kurz Gas gegeben habe. Beim jetzigen Boot steht Schraube/Welle/Motor sofort. Hat die Flexwelle einen zu hohen Reibungsverlust? Die Idee wäre, den Verlust der Welle zu messen: mit bzw. ohne angeschlossene Welle langsam bis auf max Drehzahl beschleunigen, Aufnahmeleistung per Watt Meter ablesen, dann rechnen: P(Motor_mit_Welle) - P(Motor_ohne_Welle) = Verlustleistung_Antriebsstrang. Nur: wie hoch darf diese sein?

Danke schonmal für die Hilfe. Es kommen bestimmt noch viele weitere Fragen.

Björn

[Sika]

Du kannst einfach den Strom messen: Leerlauf des Motors ohne Kupplung und dann eingebaut im Boot mit Welle. Gute Motoren der Größe mit 1800 U/V sollten an 4s im Bereich um 1.5A Leerlaufstrom liegen (bei softem Timing gemessen), bis 2.5A ist sicherlich noch ok.

Zur Effizenzbestimmung kann man den doppelten Leerlaufstrom ins Verhältnis zum Betriebsstrom (geschätzt 30A als Betriebspunkt bei Eta-Max) setzen. 2x 1.5A zu 30A wären dann 3A/30A = 10% Verlust, also hätte der Motor ca. 90% max. Wirkungsgrad.

Die Welle sollte entsprechend möglichst wenig Strom zusätzlich verbrauchen. Optimal verbaute Flexwellen kommen vermutlich in den Bereich um 0.2-0.5A. Das wären dann ca. 1-3% Verlust. Wenn die Flexwelle starr ist und z.B. in einem S-Bogen liegt, dann können es aber auch schnell 2-3A sein. Das wären dann 10% zusätzlicher Verlust, der dir für den Vortrieb des Bootes fehlt. Ganz nebenbei wären das auch 3A*15V = 45W, die an Wärme in der Welle enstehen. Das ist die Heizleistung eines mittleren Lötkolbens.

Jörg

[Hans]

Hallo und willkommen, Björn.

Den Weg zu den Vergleichsmessungen hast Du ja bereits korrekt beschrieben, jedoch habe ich ein Problem mit dem fettgedruckten Teil.


Die Idee wäre, den Verlust der Welle zu messen: mit bzw. ohne angeschlossene Welle langsam bis auf max Drehzahl beschleunigen, Aufnahmeleistung per Watt Meter ablesen, dann rechnen: P(Motor_mit_Welle) - P(Motor_ohne_Welle) = Verlustleistung_Antriebsstrang.
Bei solchen Messungen setze ich niemals die nominale Zellenzahl ein, sondern nur die kleinstmögliche, um Überschreitungen der Maximaldrehzahl zu vermeiden, was eine Beschädigung des Stellers und/oder des Motors bewirken könnte.


Beim jetzigen Boot steht Schraube/Welle/Motor sofort.
Ursache dafür kann auch sein, dass am Steller versehentlich die Motorbremse aktiviert wurde.

Gruß Hans

[boernhard]

Danke zunächst an Euch beide.

@Jörg: okay, ich werde den Leerlaufstrom mit und ohne Welle messen. 2-3A bzw. 10% sind schon mal ein Anhaltspunkt, den es zu unterbieten gilt. Die Welle liegt eigentlich in einem sauberen Bogen, kein S; es könnte aber theoretisch sein, dass Welle und Motor nicht 100% in einer Flucht stehen, oder dass der Motor nicht präzise rund läuft. Bin halt Anfänger und das Material ist gebraucht. Die Leistungsberechnung werde ich machen -> logisch, dass ich kaum über die Welle 200W oder so los werden kann.

@Hans: der aktuelle Motor (Roxxy 3656-06) hat 1800kv und ist von 10-24V zugelassen. Bisher habe ich ihn an 4S (26640 rpm) gefahren, werde den Test dann wohl mit 3S machen (19980 rpm). Zur Motorbremse: man kann den Regler zwar über die Fernbedienung programmieren, aber nicht die aktuell programmierten Werte auslesen. Ich werde den Wert also zur Sicherheit überschreiben. Allerdings: ohne die Welle läuft er ja nach, also sollte die Motorbremse nicht aktiv sein.

Anmerkung am Rande: Mir ist klar, dass der Motor für die Genesis (92cm Kat, 3kg fahrfertig) viel zu klein ist. Das soll auch nur ein erster Test sein. Vom 3688-04 an 6S (nominal fast die doppelte Leistung) verspreche ich mir schon mehr.

Ich melde mich wieder mit Zahlen.
Björn

[Schnute]

Prüf mal nach, ob die Propellernabe ca. 1mm Abstand zum Strut hat. Wenn sie dort anlegt, wird der Motor gebremst. Ist die Welle vernünftig geölt/gefettet?

Gruß Stefan

[boernhard]

@Stefan: zwischen Propeller bzw Druckplatte und Strut ist ca. 1mm Luft.

[Schnute]

Dann trenne Motor und Welle an der Kupplung und drehe die Welle von Hand lose durch. Wenn das leichtgängig ist und keine Geräusche macht ist alles ok!! Dann lohnt sich eine Verlustmessung nicht. Wenn der Regler durch fehlerhafte Programmierung (Bremse) ausfällt, kann es auch noch Unterschiede im Gewicht des Rotors des Motors geben. Mehr Masse läuft länger nach als weniger. Ich würde aber auch eher auf eine programmierte Bremse tippen, zumindest wenn der Motor sehr hart abstoppt!


Gruß Stefan

[Schnute]

Ach ja, habe ich jetzt erst gelesen, der 3656 ist ein kleiner, leichter Zweipoler. Der wird nicht großartig weiterdrehen, außerdem solltest du dir möglichst sofort einen größeren Motor einbauen. Die Genesis ist, glaube ich, ca. 85cm lang, und wenn einmotorig, zu groß und zu schwer diesen Motor. Auch an nur 4s.


Gruß Stefan

[boernhard]

Soooo, jetzt habe ich ein paar Daten. Alles getestet mit halb geladenem 3S akku, 11.4V, 2200mAh 40-50C.

OHNE Welle:
Stromstärke maximal (bei abruptem Vollgas): 3,0A
Stromstärke nach dem Anlaufen, im Vollgas: 1,5-1,8A
Maximal zulässige Dauer-Stromstärke 47A, davon wären 2x 1,5-1,8A = 6,4-7,7%, also Effizienz 92,3-93,6%, scheint ein bisschen viel; bei den von Jörg geschätzten 30A als "Betriebspunkt bei Eta-max" wären das 88-90% Effizienz; gut geschätzt, denn bei Robbe (http://www.robbe.de/roxxy-bl-inrunner-3656-06.html) erreicht der Motor maximal 89% Effizienz bei 30k rpm.

MIT Welle:
Stromstärke 6,5A (dummerweise weiss ich nicht mehr ob beim Anlaufen oder danach). Beim Anlaufen wäre ja eine höhere Stromstärke zu erwarten, da Spannzange, Welle und Schraube ein gewisses Gewicht haben und erstmal auf Drehzahl gebracht werden wollen. Da fällt mir ein, ich hatte eine 40er Schraube montiert, die wird auch für eine gewisse Luftbewegung sorgen und damit für einen gewissen Strom. Wenns nach dem Anlaufen war, würde die Welle 5A Verlust machen, das wären 57 Watt :jaw: und bei 4S entsprechend mehr. Ich sehe schmelzende Teile vor meinem inneren Auge.

Wie auch immer, die Verlustleistung ist so oder so zu hoch.
Die ganze Fuhre vibriert dann auch ziemlich stark. Ich werde also mal die Welle fetten und versuchen, alles ein bisschen genauer auszurichten, dann nochmal messen, diesmal mit Welle, ohne Schraube, und die Stromstärke bei erreichter Drehzahl, nicht beim Anlaufen.
Danke nochmal für die Tipps. Ich melde mich wieder mit mehr Daten.
Björn

[Sika]

1. Das "2x Leerlaufstrom" war die extreme Kurzfassung der Wirkungsgradberechnung von E-Motoren. Hintergrund ist, dass im Punkt des maximalen Wirkungsgrads die Leerlaufverluste (Ub * I0) genau gleich den ohmschen Verlusten (Ri * Ie^2) sind.

Ub= Betriebsspannung
I0= Leerlaufstrom
Ri= Innenwiderstand des Motors
Ie= Betriebsstrom bei max. Wirkungsgrad

Daraus ergibt sich: Ie = SQRT(I0 * Ub/Ri) als der Strom bei max. Wirkungsgrad.

Für den max. Wirkungsgrad bedeutet das: Eta = [1 - 2*I0/Ie] * 100%

Das sind natürlich Überschlagsrechnungen, die von einigen Vereinfachungen ausgehen (z.B. dass die Leerlaufverluste konstant sind), aber für eine recht gute Abschätzung der Güte eines Motors reicht es aus.

Dass diese Angaben mit denen von robbe übereinstimmen, ist eher Zufall - Zufall deshalb, weil üblicherweise die Angaben der Hersteller eher gewürfelt sind.

2. Deine Angaben zum Leerlaufstrom mit Welle belegen sicherlich deine ursprüngliche Vermutung, dass die Welle deutlich zu schwergängig läuft.

Jörg

[MiSt]

Die Welle ist offenbar erheblich zu schwergängig, wobei ich die oben erwähnten 0,wenig A Erhöhung für relativ optimistisch halte. 4,xA sind aber indiskutabel. Ich würde es auch lieber sehen, daß nicht absolute Werte angesetzt werden, zielführender ist eine Relation zum Leerlaufstrom des "nackten" Motors, denn es kommt extrem auf die Drehmomentkonstante des Motors an. Ich strebe dabei maximal 50% Leerlaufstromerhöhung an, das wären hier also maximal 2,5A leer - das klappt auch i.d.R. und läßt sich fallweise weit unterbieten.

Bei 4,75mm Flex habe ich schon oft recht enges Teflonrohr gesehen, das ist Quatsch. Das Teflon darf ruhig reichlich Spiel haben, eigentlich soll die Welle da eh gar nicht dauernd anlaufen, im Idealfall frei fliegen. Für 3,2mm Flex ist 4.0mm Innendurchmesser das Minimum, 5.0mm funktioniert auch. Entsprechend sollte Rohr für 4.7mm innen 6.0mm oder mehr haben.

Das Problem ist nämlich, daß die dickere Welle beim Anlaufen an das Teflon auch mehr Leistung vernichtet als die dünnere (Reibkraft hat mehr Hebelarm).

Was das "fetten" angeht, so hat jeder seine eigene Meinung dazu. Meine besagt, daß Fett zum Dichten zwischen die beiden Lager des Struts gehört, aber nicht an die Flex. Optimal ruhig laufen Flexen, wenn sie vor der Fahrt mit WD40 oder Caramba beträufelt werden. ich mache das immer mit einer Spritze + Kanüle. Dann hört auch das Gekeische auf, das Flexwellen im Leerlauf manchmal machen.

Wenn alles rappelt, so ist die Flex vermutlich nicht in einem gleichmäßigen Bogen verlegt. Andere gängige Ursachen sind unrunde Kupplungen oder nicht abgefangene Stevenrohrenden.

Eine gut laufende Flex ist praktisch geräuschlos (wie auch eine gut laufende starre Welle oder Federstahlwelle). Das ist machbar!

[boernhard]

Bin am Wochenende endlich zum Testen gekommen.

Zunächst habe ich Antriebswelle/Motor neu justiert, Strut etwas nach unten (hat so bei mir weniger Reibung). Leerlaufstrom 3A, also (s.o.) nicht perfekt, aber vertretbar. Strut wird etwas warm.

Motor ist immer noch 3656-06 an 4S (2x2S Turnigy 5000mAh 20-30C Hardcase) mit 40er Graupner K Prop.

Ab auf den Teich. Boot kommt kaum ins Gleiten, Motor dreht hoch. Ans Ufer, Deckel auf, Rauch kommt raus! Unklar woher. Daten: 21 km/h, max. Stromaufnahme 33A/526W.

Die Klemmzange hatte sich gelöst..... Die Reibungswärme hatte Schmierstoffe verdampfen lassen, daher der Rauch. Zum Glück nicht schlimmes... Puh...

Am nächsten Tag mit gleichem Setup wieder aufn Teich - schöööööön :-) Etwas langsam, aber macht Spaß. Daten: 52,1 km/h; 67,2A, 1001W, minimalspannung 14,9V. Wassertemperatur 4°C, Motor innen 45°C, Achse 40°C, Regler 37°C, Akkus 34°C.

Der Motor ist ausgelegt für 47A Dauerstrom und 69A maximal. Man sieht also, dass er ganz schön ackern muss. Einen größeren Prop wollte ich dann auch nicht probieren. Im Moment ist die Genesis in der Werft und wird auf 3688-04 und 6S umgebaut. Der Leopard 4082-1500 ist auch angekommen, der muss noch warten...

Neues Problem: Wasser im Boot. Aber:
* Tauchtest in der Badewanne: dicht.
* Mit Spritze durch WaKü gespritzt: dicht.
Woher kommt das Wasser? Ich habe die Strut im Verdacht. Wie dichtet man den Übergang Stevenrohr/Strut ab? Kann mir jemand helfen?

Grüße
Björn

[Hans]

Neues Problem: Wasser im Boot. Aber:
* Tauchtest in der Badewanne: dicht.
* Mit Spritze durch WaKü gespritzt: dicht.
Woher kommt das Wasser? Ich habe die Strut im Verdacht. Wie dichtet man den Übergang Stevenrohr/Strut ab? Kann mir jemand helfen?
Guckstu hier, Björn. http://www.rc-raceboats.de/forum/showthread.php?14695-Wasser-in-meiner-AgiS&p=114121&viewfull=1#post114121

Gruß Hans