Multikopter "Mythen" - Testreihe

Hallo zusammen
Im Multikopterbereich existieren ja viele Mythen, Theorien und Halbwissen. Den Anstoss, einige dieser Dinge aufzuklären, hat mir letztendlich dieser Thread gegeben.

Edit: Eine schöner formatierte Version dieser Testreihe gibt es hier


[size=+1]Inhalt:[/size]

1. Testsetup
2. Koaxkopter sind ineffizient!
3. Die Akkupannung hat einen Einfluss auf die Effizienz
4. SimonK Regler führen zu 15% Effizienzverlust
5. Ausbalancierte Propeller = längeren Flugzeit
6. Verschiedene Propellergrössen und ihre Auswirkungen
7. Verschiedene Propellerformen und ihre Auswirkungen



[size=+1]1. Testsetup[/size]
- Regler: f20a Simonk & unbekannter 45 A Regler
- Motoren: NTM28/26 1000kv
- Propeller: Carbon 10x5
- Propellerabstand Koax: 6.8 cm

Beachte: Die Daten – vor allem bei der Koax-Anordnung – können je nach Setup unterschiedlich ausfallen. Meine Tests sind weder allgemeingültig noch 100% exakt.



[size=+1]2. Koaxkopter sind ineffizient[/size]

Wie man in der Grafik sieht, trifft das in meinem Fall absolut nicht zu.
Mögliche Begründung: Die Last pro Motor ist geringer, was zu mehr Effizienz führt.

Was man aber beachten muss: Der Schub & die elektrische Leistung der Koaxanordnung teilt sich auf zwei Motoren auf. Möchte man dies bereinigen, kann man bei der Koax-Anordnung Schub und Leistung halbieren, um das Ganze „pro Motor“ zu berechnen.

Hier liegt die Koaxanordnung nun ganz knapp hinter der Flat Anordnung. Leider reichen meine Daten nur bis 250g Schub, weswegen eine abschliessende Beurteilung schwer ist.
Mögliche Begründung: Pro Motor gerechnet schneidet die Koax-Bauweise schlechter ab, da sich die Motoren jeweils gegenseitig negativ beeinflussen.
Mythos falsch



[size=+1]3. Die Akkupannung hat einen Einfluss auf die Effizienz [/size]

Was in dem Anfangs verlinkten Thread auch ein Thema war: Beeinflusst die Akkuspannung die Effizienz?

Tatsächlich: Die benötigte elektrische Leistung wird umso grösser, je höher die Spannung ist!
Mögliche Begründung:
Der Regler gibt immer die volle Spannung an die Motoren ab – im Teillastbereich wird das Signal einfach zerhackt. Bei hoher Spannung muss entsprechend mehr zerhackt werden, es fliesst in diesen kurzen Phasen aber ein höherer Strom – die Effizienz sinkt.
Mythos richtig



[size=+1]4. SimonK Regler führen zu 15% Effizienzverlusten[/size]

Diese Behauptung habe ich schon mehrmals in Foren gelesen - sind Regler mit SimonK Firmware tatsächlich eine solche Effizienzkatastrophe?

Stimmt ganz klar nicht - die SimonK Regler waren in meinem Versuch nur ganz knapp hinter dem "normalen" Regler, was aber auch Messungenauigkeiten sein könnten. Von 15% weniger Effizienz ist nichts zu sehen.
Mögliche Begründung: Die höhere Taktrate von SimonK beeinflusst den Wirkungsgrad nur minimal. Auch möglich ist aber, dass mit hochwertigen Nicht-SimonK tatsächlich noch etwas mehr Strom eingespart werden könnte! Da ich aber sowohl billig-SimonK als auch billige nicht-SimonK Regler verwendet habe, scheint mir das durchaus ein fairer Vergleich zu sein.
Mythos falsch



[size=+1]5. Ausbalancierte Propeller führen zu längeren Flugzeiten[/size]

Okay, das ist nicht unbedingt etwas, wovon man öfters hört und liest. Es hat mich aber persönlich interessiert, ob durch Ausbalancieren die Effizienz gesteigert werden kann. Und tatsächlich:

Es scheint, als ob vor allem bei höheren Drehzahlen eine Unwucht das ein oder andere Gramm an Leistung schluckt!
Mögliche Begründung: Bei unbalancierten Propellern/Motoren wird die elektrische Leistung nicht nur in Schub und Abwärme, sondern auch in Bewegungsenergie der Vibrationen umgewandelt.
Mythos richtig



[size=+1]6. Verschiedene Propellergrössen und ihre Auswirkungen[/size]
Zum Test stehen: 12'', 10'' und 7''.

Wie man sehr gut sieht, nimmt die Effizienz zusammen mit der Propellergrösse ab.
Mögliche Begründung: Je kleiner der Propeller, desto kleiner ist die von ihm überstrichene Fläche. Da der Umfang (Randverwirblungen) proportional zum Radius ansteigt, die Fläche aber quadratisch, werden Randverwirblungen umso grösser je kleiner der Propeller ist.

Dazu kommt, dass grosse Propeller grosse Luftmassen auf geringe Geschwindigkeiten beschleunigen. Kleine Propeller beschleunigen kleine Luftmassen auf hohe Geschwindigkeiten. Obwohl der Impuls p=m*v bei beiden gleih ist, ist die Energie beim grossen Propeller viel geringer - denn die Luftgeschwindigkeit steht in der Formel für kinetische Energie im Quadrat. E=m*v^2/2.

Weiter ist der Zeitraum, der zwischen dem passieren beider Rotorblätter vergeht, bei kleinen Propellern auch deutlich kleiner - Verwirblungen durch die Propellerblätter werden relevanter, die Effektivität sinkt.


[size=+1]7. Verschiedene Propellerformen und ihre Auswirkungen[/size]

Momentan gibt es hauptsächlich zwei Propellerformen auf dem Markt: Jene der "slowfly-propeller" und der Graupner-Eprop-Style. Bei dem "Carbon 10'' " handelt es sich um einen Eprop-style Propeller, der Cfk-Verstärkte (im Diagramm "gfk") ist ein Slow-fly Propeller.

Der Slow-fly-Propeller ist leicht Effizienter. Doch wie sieht es mit dem Schub aus?

Der "slow-fly-style" Propeller schafft es, rund 110g mehr an Schub zu produzieren! Das ist immerhin ein Unterschied von mehr als 15%.
Mögliche Begründung: Die Effizienz der Propeller ist relativ ähnlich, da beide 10'' gross sind. Der Slowfly ist leicht effektiver, da er etwas breiter ist - es gibt weniger Verwirblungen, der Luftstorm wird gleichmässiger. Zudem ist das "Flügel-Prinzip" - also die typische Rundung - bei Slowflypropellern ausgeprägter. Da die E-prop-style Propeller gleichmässig an Durchmesser abnehmen, sind sie im äusseren Bereich relativ dünn. Die Geschwindigkeit des Propellerblattes ist aber um so höher, je weiter gemessen wird: Die breitere Fläche des Slowflypropellers im äusseren Bereich führt dazu, dass mehr Luft "mitgerissen" wird; der maximal-Schub wird grösser.



Grüsse,
Christian



P.s. Ich habe die g/W Angabe als Effizienz verwendet. Das ist physikalisch gesehen nicht ganz korrekt,
ist hier aber nicht weiter wichtig
P.p.s Eine schlaue Fomatierung in diesem Forum hinzukriegen ist echt mühsam. Ein brauchbarer Editor oder so etwas wäre eine super Neuerung

Tolle Arbeit !

Evtl. kann man das hier auch noch mit verwenden:

http://fpv-community.de/showthread....romverbrauch-Propeller-in-10-quot-und-11-quot


Und ich komme in einigen Punkten zu ähnlichen Ergebnissen - allerdings sehe ich das mit der mechanischen Leistung, die beim Gewicht eigentlich gleich bleiben muss, und dem tatsächlichen Strombedarf doch etwas anders.


Meins ist nicht so schön formatiert, aber vielleicht dennoch hilfreich.




-ghost-

Tolle Sache! Es geht doch nichts über Messwerte. Aus diesem Grund war noch vor dem Copterbau mein Motorteststand fertig. Auch wenn die Messwerte nicht exakt sind, so kann man wenigstens vergleichen.

Ich kann vielleicht zu Punkt 6 etwas beitragen. Um zu schweben beschleunigt der Kopter nach dem Impulsgesetz Luft nach unten.
Große Propeller beschleunigen große Luftmassen mit auf geringe Geschwindigkeiten. Kleine Propeller beschleunigen kleine Luftmassen auf hohe geschwindigkeit. Der Impuls p= m*v der beiden ist gleich, die benötigte Energie ist aber beim großen Propeller viel geringer, da die erhöhte Luftgeschwindigkeit in der Formel für die kinetische Energie im Quadrat steht. E=m*v²/2 wenn ich mich richtig erinnere. Deswegen sind große Propeller vom Wirkungsgrad immer zu bevorzugen.

5 Sterne, gute Arbeit.

Wunsch Mythen
-Alle ESCs mit UBEC verbinden führt zum Durchbrennen der FC
-USB und LiPo führt zum Durchbrennen der FC

zu punkt 6. auch wenn ich noch keine methode gefunden habe ums genau zu messen / nachzuweisen, glaube ich das die formel "je größer die latte desto effizienter" beim copter nicht wirklich gilt. was an der werkbank im standschub nähmlich nicht gemessen wird, ist die energie die nötig ist um die großen latten schnell zu be und entschleunigen. was beim copter permanent stärker oder schwächer passiert. selbst wenn man bei windstille auf der stelle schwebt wird in jeder sekunde an jedem motor mehrfach in alle richtungen geregelt. und hier heißt es dann je größer die latte desto träger also "je größer die latte desto geringer die regel effizienz"

so ist es wahrscheinlich immer copter und flugstiel abhängig mit welchem propeller man am besten dran ist.


gruß

Felix

Hey Felix, Du hast doch alles in der Hand um es mal zu messen, mit dem PWM Logger?! Also der loggt ja die Motoroutputs, wenn ich mich richtig erinnere. Das kann man auf dem Teststand mal "replayen"; im Vergleich dazu flatline-Mittelwert-PWM; und dazu ne Leistungs/Verbrauchsmessung.

Weiterhin geistert in meinem Kopf die These rum, dass ein optimal eingestellter Copter (PIDs betreffend) eben mit diesem PWMLog erkennbar ist; sich nämlich durch eine besonders geringe mittlere (quadratische) Abweichung der Messreihen auszeichnet. Beleg steht noch aus...

ja aber genau da ist auch das problem. man kann immer nur die motor/esc/propeller combi messen, die man auch geflogen ist. weil mit nem anderen motor oder propeller änderst sich ja wieder das komplette verhalten.

jo denke das stimmt. je glatter die gas signale, desto geringer der verbrauch. und desto stimmiger sind die PID's



gruß

Felix

Hallo zusammen,
Vielen Dank für das positive Feedback

@Ghost: Was meinst du mit "allerdings sehe ich das mit der mechanischen Leistung, die beim Gewicht eigentlich gleich bleiben muss, und dem tatsächlichen Strombedarf doch etwas anders." ?


@Tomesen: Super, so eine Erklärung habe ich gesucht, das hört sich auf jeden Fall logisch an! Das werde ich auf jeden Fall noch ergänzen.


@Sandrodadon: Das mit dem USB & Lipo ist leider etwas zu teuer zum einfach mal so testen Aaaaber das mit den ESC lässt sich wohl einrichten (nur vorab: Wenn die ESCs lineare BECs verwenden und nicht übermässig viel Strom gezogen wird, müsste es eigentlich problemlos funktionieren).
Hat sonst noch jemand Ideen für solche Mythen? Koaxsetup mit oben kleinerer Propeller als unten ist auf jeden Fall noch etwas, das ich testen werde.

@Ronco: Dazu ist mir folgendes in den Sinn gekommen:
1. Wenn ich mich nicht komplett irre, sieht der Zusammenhang von Leistung - Rotorfläche gemäss Strahlentheorie (vereinfachtes Modell zur Rotorberechnung) so aus:

Das bedeutet, dass die benötigte Leistung bei grösseren Propellern immer kleiner ist (keine Ahnung in welchem Bereich wir uns mit 5-15'' Propellern bewegen, das herauszufinden wäre auch sehr interessant).

2. Grössere Propeller gehen immer Hand in Hand mit grösseren Motoren: Grössere Motoren (Pancakes) haben auch deutlich mehr Power, um den Motor zu beschleunigen.

3. Grössere Propeller = Mehr (Luft-)Widerstand. Das heisst, sie bremsen schneller ab als kleinere, was man auch als Regelvorteil sehen könnte.

4. Die mögliche Regelgeschwindigkeit ist auch sehr Abhängig von der Masse(nträgheit), dementsprechend müssten leichte Carbonpropeller Effizienter laufen als schwerere Plastikprops.

Das wäre an sich etwas interessantes zum Austesten. Ich kann dir aber garantieren, dass bei grösseren Props (selbe Bauform) garantiert längere Flugzeiten resultieren werden - wenn auch der Unterschied gemäss deiner Theorie (die ich so unterstütze) nicht mehr gleich gross sein wird wie auf dem Teststand. Aber eben, ein Versuch würde mehr zeigen - ein weiterer Mythos, den es aufzuklären gilt Punkt 4. wird aber nicht messbar sein aufgrund der Messabweichungen wie Wind, nicht sehr präzises Wattmeter usw.
To do für irgendwann in nächster Zeit: Zwei Propeller auf dem Teststand durchmessen. Dann den Stromverbrauch im Schwebeflug kontrollieren, evtl mit Zusatzgewichten.

Grüsse

Kurzer Einwand zu Mythos 3 und 4

3. Der Mythos besagt nicht das Spannung einen Einfluss hat, sondern das Höhere Spannung besser ist, da der Strom geringer ist
Der Mythos wäre Widerlegt, ist eher Auslegungssache, aber nicht unerheblich
Ein Schöner Vergleich wäre es aber noch, wenn du entsprechende Motoren hättest, die bei 2s, 3s und 4s entsprechend annähernd gleiche Drehzahlen aufweisen würden, um einen Vergleich anstellen zu können, ob ein System mit Höherer Spannung nur einen Geringeren Strom aufweist, oder durch Geringere Spannungsverluste im Kabel auch Effizienter ist.
Also wenn wir einen 1000kv für 3s nehmen, und dann entsprechend ein 750 kv für 4s und 1480 für 2s

4. Das SimonK im Standschub Effizienter ist haben wir auch gemessen (ich war bei Ghost dabei) der gleiche Effekt wie bei großen Props trifft aber auch hierbei zu, nicht der Standdrehzahl macht den Größten Teil der Leistung aus, sondern das ändern der Drehzahl

Leider Fehlte uns da auch Teilweise die Zeit/Hardware um alles testen zu können

Interesannt wäre es noch zu testen, ob Senkrechte und Waagerechte Montage der Motoren beim Test einen Messbare Beeinflussung haben

im deteil will ich dazu mal ein kleines video machen. es kommt nämlich wirklich auf das drehmoment des motors an. wenn man z.b einen 3110 mit 470KV an eine 16" latte macht, dreht und reagiert der die bei weitem nicht so schnell wie wen man sie an z.b einen 4012 480KV nimmt. das problem ist halt das das drehmoment schwer zu messen ist und bei den motoren nicht angegeben wird.
hier schlägt dann nämlich der wiederstand des motors zu. hattes vorhin mal kurz mit besagten motoren laufen.. und der 4012 zieht an 4s mit 16" 30A der 3110 mal grade 16A obwohl da nur 10KV unterschied sind.

also wenn ich die woche zeit habe mach ich mal ein paar messungen


gruß

Felix

Hi Camper,

zu 3: Stimmt schon! Wobei dieser Mythos (hohe Spannung = besser) prinzipiell schon richtig ist, wenn die Regleröffnung durch die höhere Spannung nicht tiefer wird (Also 3s--> 4s lohnt sich nur, wenn man den zusätzlichen Schub mit zusätzlichem Akkugewicht ausgleicht)! Vielleicht werde ich den Mythos noch ändern, und den Text leicht anpassen.
Das mit den Motoren ist eine gute Idee- ich hätte da 530kv vs. 1000kv am Start. Problem ist nur, dass die einen Pancakes sind, die anderen nicht - wenn die Motorbauform komplett verschieden ist, wird ein Vergleich recht schwer.


Zu 4: Ich könnte einmal versuchen, den Motor fix zu montieren, dann mit Servotester im "test-modus" (also langsam von 0 auf Vollgas und zurück) laufen lassen, für, sagen wir mal zwei Minuten. Danach die verbrauchte Kapazität mit/ohne SimonK vergleichen. Das ist aber auch nicht direkt praxisnah, da auf dem Kopter wohl schnellere Signalwechsel häufiger sind, dafür vor allem im Mittelbereich des Reglers.

MfG

Edit: Mit all den neuen Ideen scheint es wohl, als ob ich einen etwas präziseren Messtand bauen muss Mit Sperrholz und Bohrungen "nach Gefühl" ist die Genauigkeit natürlich nicht top.

Im Prinzip hilft zu 4 wirklich nur eine Fertig geschriebene Testreihe, meine hatte mal Vorgeschlagen es sollte ein entsprechendes Programm für ein Arduino geschrieben werden, bei mir happert es leider an der Unkenntnis, mit einigen schnellen und langsamen Lastwechseln, so könnte man schon ein Vergleich ziehen, ein Echter Vergleich ist ja nicht Möglich, da da auch Coptergewicht, Wetter usw mit einfließt

Hi Felix,

Ich denke, das ist genau was man erwarten kann: Grösserer Motordurchmesser --> Magnete weiter ausssen; Hebel grösser = mehr Drehmoment.

Interessante Frage: Wie wird bei Bl-Motoren das Drehmoment beeinflusst (AUSSER mit Motordurchmesser)? Leider kenne ich mich damit nicht wirklich aus, aber ich meinte es gäbe zwei Möglichkeiten:
1. Mehr Windungen--> Magnetfeld grösser = mehr Kraft
2. Dickere Windungen --> Mehr Strom kann fliessen; max. Drehmoment steigt. Man "verliert" aber Platz weil zwischen dicken Kabeln mehr Leerraum entsteht(Deshalb eher 2 dünne Kabel parallel als ein dickes).

Wenn ich keinen Denkfehler mache, müsste 1. dazu führen, dass der Motor effizient ist und bei gegebenem Strom (bspw. 1A) mehr Drehmoment entwickelt als Motor 2. Dafür erreicht Motor 2 weit heftigere Vollgaswerte. Richtig so?


Grüsse



Edit @camper: Wäre es evtl eine Idee, per Schalter von 0--> Vollgas zu schalten und dies z.B. im Sekundentakt? Wobei es wiederum schwer wäre, dies manuell zu machen :/

Also das einfachste wäre zu fliegen ...

Gerade bei großen Propellern unterschätzt man wie "eigenstabil" diese sind, schon alleine die Massenträgheit und die Kreiselkräfte der großen Propeller stabilisieren den Kopter.

Wenn man hier optimieren will gibt es ein ganz einfaches Hilfsmittel, nämlich die Temperatur der Motoren zu messen. Alles was nicht in den Propeller geht muss über den Motor oder den Regler in Form von Hitze abgegeben werden. Hier gibt es zum Teil dramatische Unterschiede zwischen den Motoren. Das beste (positive) Beispiel ist der (oftmals belächelte) HK NX4006 mit 530KV. Wenn ich damit an dessen Leistungsgrenze fliege (ca 1kg/Motor) haben die Wicklungen nicht mehr als 10° über Umgebung, hier kommt kein Tiger/Multistar/... mit. Man darf auch nicht vergessen der Motor hat nur 60gr, kenne keinen anderen Motor (mit annähern 60gr) der ähnliche Leistung hinbekommt. (Das dessen Propelleraufnahme blöd ist brauchen wir nicht diskutieren).

Wenn ich hier noch etwas "generelleren" Senf dazu geben darf ...
Habe gelernt, das "Standschub" allein nicht unbedingt etwas zu ungenau ist, z.B. ist der "netto" Schub interessant, also
Schub-Motor/Propeller/ESC Gewicht.
Was hilft ein "effizienterer" Propeller, wenn dieser deutlich schwerer ist, was hilft ein "effizienterer" Motor, wenn dessen Gewicht die paar % wieder auffängt.

Ein größerer Propeller bedingt einen "längeren Hebel", daher ist es natürlich niemals möglich mit einem 14" Prop ähnlich effizient zu sein wie mit einem 28" Prop bei gleichem Gewicht. Natürlich kann aber ein kleiner Prop bei entsprechend weniger Gewicht ähnlich effizien (in gr/W) wie ein großer Bruder.

Doppelte Propellergröße kann das 4fache Gewicht bei gleicher Effizient heben.

Also ein X8 mit 14" Propellern und 5kg AUW ist vergleichbar mit einem X8 mit 28" Propellern und 20kg AUW.

Schaffe ich es z.B. die Propellergröße zu verdoppeln, bei nur doppeltem Gewicht (andere Verhältnisse bleiben gleich), dann rauscht es im Flugzeitwald ...

Das Propellergewicht skaliert ebenfalls richtig mit, also 14" ca 25gr->28" ca 100gr. D.h. die Verhältnisse bleiben konstant.

lg Ferdl

Hi Ferdel,
Guter Punkt, das hat definitiv etwas!


So eine Erfahrung durfte ich auch schon machen: Kopter mit 10'' 1000kv fliegt (gleicher Akku) etwa gleich lange wie 13'' 530Kv. Der grössere läuft zwar effizienter (im g/w Sinne), dafür ist er schwerer. Oft ist es aber so, dass man bei dem grösseren 13'' problemlos noch einen Akku draufwerfen kann, wodurch die Flugzeit sagen wir mal um 75% zunimmt. Beim kleineren 10'' sackt dann aber die Effizienz in den Keller und ein zweiter Akku bringt vllt. noch 25% Flugzeit.
--> "Nur" effizientere Motoren bringt wenig, wenn man sich aber den Vorteil einer schwereren und effizienteren Kombo (=mehr Nutzlast[Akku]) zu Nutze macht, bringt es definitiv längere Flugzeiten!

Da bin ich mir ehrlich gesagt gerade nicht ganz sicher. Ich meine, ob da jetzt 100g Schub in 10 oder in 20cm Entfernung von der Propellermitte erzeugt wird - es bleibt 100g?!


Das mit dem 14'' 5Kg und 28'' 20Kg macht sinn, denn die Rotorfläche ist auch genau vier mal grösser.

Das mit dem Hebel ist im übertragenen Sinn gemeint ...

Zur Verdeutlichung, was ich sagen will:
Alle vier Gewichte sind gleich schwer. Das Ding in der Mitte ist eine Waage(symbolisch für den Schub, den du am Motor messen kannst), das Quer darauf ein Propeller. Nun stellst du entweder die roten oder die blauen Gewichte auf den Propeller - die Waage wird immer denselben Wert anzeigen, unabhängig davon, wo die Gewichte stehen!

Edit: Okay, im übertragenen Sinne- ich kann mir ehrlich gesagt nichts darunter vorstellen

Je größer der Propeller, desto mehr "Luft" auf die er sich stützen kann ...

Je länger der Hebel, desto weniger Kraft brauche ich.
Je mehr Luft ("um sich abzustützen"), desto weniger Energie brauche ich.

lg Ferdl

habe mal die sachen dazu die ich weiss zusammen gefasst http://fpv-community.de/showthread.php?52727-BLDC-Motor-u-Bl-Steller-Tatsachen-)

das hilft beim schweben aber stört beim "fliegen" ist deshalb nicht nur positive zu sehen... denke ich

gruß

Felix