Velg riktig børsteløst

Hvordan velge riktig børsteløs?
Av Peter Brandt

Forord
Jeg får ofte spørsmål om motor og batterier når jeg er på flyplassen med mine elektrofly. Flere er interesserte og vil gjerne prøve, men finner det vanskelig å finne ut hvilken motor, propell, regulator og batteri som vil passe til det nye flyet. Jeg vil med dette prøve å gjøre valget litt enklere. Jeg vil begrense meg til å skrive om LiPo-batterier, ” outrunnere “, ” børsteløse ” regulatorer, og litt om propellvalg og kontaktmateriell.

LiPo batterier – egenskaper
LiPo batterier (litium/polymer) er en batteritype som benyttes i de fleste mobiltelefoner. De har høy energitetthet (typisk 110-150 Wh/kg) og holder ganske stabil spenning under belastning og utladning. Hver celle har en spenning på ca 4,2 V når den er 100 % full-ladet, og som synker jevnt til 3,7 V ved 20 % restlading. Spenningen synker gjerne 5-10% under belastning, mest når batteriet er kaldt og belastningen høy. Batteriet har noen begrensninger :

a. Det ødelegges, ” dør “, dersom det lades ut under 3V pr.celle.
b. Det ødelegges, kan eksplodere dersom det overlades over ca 4,5V.
c. Det eksploderer og brenner kraftig dersom det overbelastes mye f eks ved kortslutning.

LiPo batterier – lading
I praksis er LiPo batteriet problemfritt dersom en LiPo-lader og en celle-ballanserer benyttes. Lader/ballanserer sørger for at cellene lades likt, og at oppladingen stopper når cellene har nådd 4,2 V. Laderen lader opp batteriet til ca 90% kapasitet på ca 60 minutter. Deretter lader den meget forsiktig opp til 100% på de neste 15-30 min. Kapasiteten for batteriene angis med størrelsen ”C”, som er den strømmen batteriet kan gi i en time (=60 minutter).

LiPo batterier – dimensjonering
Fabrikantene angir også hvor mye batteriene tåler av kortvarig og langvarig belastning uten å ta skade. Typisk tåler batteriene 15 C ”kontinuerlig”, hvilket betyr full utladning på 4 minutter, og kortvarig opp mot det dobbelte, 30 C uten at skade oppstår. Ved oppladning med 1C er det ingen merkbar temperaturøkning i batteriet. Trolig ville det være mulig å lade batteriet mye raskere, men da øker også risikoen for katastrofal overlading. Batteriene er dyre, men varer lenge dersom de behandles riktig. 100-200 utladninger uten vesentlig tap av effekt er fullt mulig, men da må utladningene begrenses til max 8-10 C slik at temperaturen i cellene ikke blir for høy. En test viser at kapasiteten synker 4-7% etter 100 utladninger med 16 C (for et batteri som tåler 20C kontinuerlig utladning). Erfaring fra mobiltelefoner viser at levetiden er mye lengre ved lavere belastninger. Batteriet er følsomt for temperatur. Faller temperaturen under +10 grader gir det merkbart lavere spenning under belastning. Noen sekunder med ”full throttle” varmer batteriet til god driftstemperatur. Optimalt er en start-temperatur på 20-30 grader. Batteriene har som regel 2-5 seriekoblede celler med kapasitet 250 – 4000 mAh. Noen større batterier har også parallelkoblede celler (2p) for å tåle større strøm. Med 3 celler i serie vil batteriet gi 11,1 – 12,6 V ubelastet, tilsvarende ca 10-11V med full belastning. Utladning under 3,7 V/celle (ubelastet) , tilsv. 20% restkapasitet anbefales ikke da faren for ødeleggende dyputlading øker betydelig. Regulatorene har en sikkerhetsfunksjon som vil begrense strømuttaket når spenningen synker, men det er noe risikabelt å benytte denne til å styre batteriutnyttelsen. Enkeltceller kan overbelastes dersom ballanseringen ikke er perfekt, og det kan bli for lite resteffekt til å fly hjem. Det finnes en mengde forskjellige LiPo batterier å velge mellom. Viktigst er å velge batterier som har ballanseringsplugg, og som har tilstrekkelig kapasitet til å tåle strømmen som motoren trekker. Ballanseringsplugger finnes i minst 4 varianter, men det er som regel greit å finne overganger dersom pluggen ikke passer i ballanserer/lader. Batterier som tåler høy belastning, 25-30 C holder spenningen godt under belastning, men er som regel dyrere og tyngre enn batterier som tåler mindre; 12-20C. Dersom du ønsker lang levetid (og lang flytid) velger du batterier som tåler vesentlig mer belastning, 60-100%, mer enn max strømuttak fra motoren. Til en motor som trekker 18 A under full last bør du velge et 1800mAh/20C, eller et 1200mAh/30C batteri.

Outrunner – børsteløs motor
En ”outrunner” er en trefase synkron-motor, med permanent magnetisering. Magnetene er festet i en ring/sylinder som roterer rundt viklingene. På svensk heter den ”borstløs motor med roterande mantel”. Ettersom viklingene står stille behøves det ikke børster til strømoverføring. Motorene har høyt dreiemoment, vibrasjonsfri gange, og vanligvis stor ytelse i forhold til vekt og størrelse sammenlignet med forbrenningsmotorer. En outrunner med en ytelse på 1hk/736W har en diameter på 40-50 mm, en lengde på 45-60 mm og veier 280-380g. En tilsvarende forbrenningsmotor, ”60-size”/10ccm er 2-3 ganger så stor og tung. Tar vi med vekt og volum av batterier og regulator for outrunneren kommer vi opp i ca 1000g, som tilsvarer forbrenningsmotoren med litt fuel. Ettersom outrunneren er vibrasjonfri kan motorfestene bygges vesentlig lettere enn for forbrenningsmotoren. Foruten mål og vekt er det to tall som beskriver outrunneren: kv og maks strøm (Ampere). Outrunneren har et turtall som øker proporsjonalt med batterispenningen, og kv-tallet sier hvor mye. Vanlige verdier for kv er mellom 300 for store motorer, 1200 for ”park-flyers”, 2000 for innendørs, og over 4000 for heli og ductfan. En motor med en kv på 1100 vil ha et turtall (ubelastet) på 1100 x 8 = 8800 rpm med en 2-cellers LiPo på 8V, eller 1100 x 12 = 13200 med en 3-celler/12V LiPo. Spenning og turtall synker litt, 5-20%, dersom motoren belastes med en stor propell. Til gjengjeld øker strømmen mye. Produsentene angir hvor mye strøm motoren tåler. Noen motorer vil kortvarig kunne gi økt effekt med høy strømstyrke før viklingen går varm. Noen produsenter er svært optimistiske i sine angivelser av max strøm. Kvaliteten på regulatoren har også en viss betydning for virkningsgraden for motoren. En god motor med en god regulator og en passende propell vil kunne gjøre om 75-90% av effekten fra batteriet til akseleffekt på propellen. Resten, 10-25% blir til varme. Derfor må motor og regulator ha tilstrekkelig kjøling for å unngå overoppheting.

Eksempler på motorer:

ESC – hastighetsregulator ”brushless”
Regulatoren, ESC (Electronic Speed Controller) gjør om likestrøm fra batteriet til trefase vekselstrøm med varierende frekvens og styrke slik at motoren drar propellen med en effekt du styrer med throttle-spaken på din radiosender. Den skal ha en sikkerhetsfunksjon som hindrer at LiPo-cellene lades ut for mye, og et lydsignal som forteller at den har fått strøm slik at du må passe deg for propellen. Enkelte regulatorer har en oppstartings-sekvens som kjører motoren opp i max hastighet første gang throttle kjøres opp høyere enn tomgang. Da er det viktig at throttle-spaken kjøres helt opp, ellers vil det være umulig å styre motoreffekten. Propellen må ikke være for stor, ellers vil regulatoren kutte eller brenne opp pga for høy strøm. De fleste regulatorer kan programmeres til myk-start, propell-stopp (for folde-propellere) etc. De fleste regulatorer for inntil 40 A har også en BEC-funksjon. Dette er en regulator som gir strøm til radioutstyret fra motorbatteriet. Strømmen leveres gjennom regulatorens servo-ledning, og har begrensninger når det gjelder antall servoer som bør henges på. ESC’en produserer radio-støy. Større regulatorer har derfor oftest ikke BEC, men derimot en optisk kobling mot mottakeren for å unngå at radiosystemet ikke forstyrres. Et separat mottakerbatteri må da benyttes. Regulatoren må velges ut fra max strøm til motoren og spenningen på batteriet. Dersom BEC-funksjonen skal benyttes må denne tåle belastningen fra servoene.

Eksempler på regulatorer:

Valg av motor og regulator – dimensjonering
Effekten til og fra elektromotorer måles vanligvis i watt, W. Ettersom det krever spesielt utstyr for å måle effekten på motorakselen, eller effekten tilført motoren fra regulatoren, nøyer vi oss med å måle effekten tilført regulatoren. Vi kan enkelt måle strøm og spenning i batteriledningene, og effekten (W) er da strøm, ampere (A) ganger spenning, volt (V). En motor som får 39 A fra et batteri på 10 V har derfor en tilført effekt på 39 x 10 = 390 W. Effekten som kreves for å fly avhenger først og fremst av flyvekten. Elektromotoren med en passende propell gir en trekk-kraft på ca 1000 g med en tilført effekt på 200 W. For 3D fly er det vanlig med 300-400 W/kg flyvekt. Dette gir god fart rett opp. For skala-modeller kan 100 W/kg gi tilstrekkelig skyv til akseptabel take-off . Eksempelvis vil vi velge en motor på ca 120 W til en 3D-modell på 0,4 kg flyvekt. I denne vektklassen passer 3-cellers LiPo best. Med en batterispenning på 10 V (under full last) vil strømuttaket bli 12 A for å gi 120 W. Velger vi en 20C LiPo bør denne ikke belastes med mer enn ca 10 C dersom flytid og batterilevetid skal bli bra. For 120W motor må vi da ha et batteri på minst 1200 mAh. Regulatoren må tåle 12A med god margin, f eks 18A.

Fig. 2 Strøm/turtall for AXI 2212/26 ved 10,0 V (=3S LiPo), med forskjellige propeller. Når strømmen øker med 55%, fra 9 til 14 A synker turtallet bare 10%, fra 7700 til 6900 RPM. Turtallet ved max kont. belastning, 12 A, er ca 7100 RPM, som er 77 % av teoretisk turtall på (kv x U) 920 x 10 = 9200 RPM

Fig. 3 Svart kurve :
Strøm/turtall for AXI 4120/18 ved 17,0 V (= 5s LiPo), med forskjellige propeller.
Når strømmen øker med 100%, fra 25 til 50 A synker turtallet bare 9%,
fra 7800 til 7100 RPM. Turtallet ved max kont. belastning, 55 A, er ca 7000 RPM,
som er 80 % av teoretisk turtall på (kv x U) 515 x 17 = 8755 RPM

Fig. 3 Rød kurve :
Strøm/turtall for Kontronik KORA TOP 20-14W ved 17,0 V (= 5s LiPo), med forskjellige propeller

Når strømmen øker med 55%, fra 9 til 14 A synker turtallet bare 10%,
fra 7700 til 6900 RPM. Turtallet ved max kont. belastning, 12 A, er ca 7100 RPM,
som er 77 % av teoretisk turtall på (kv x U) 920 x 10 = 9200 RPM

For å finne riktig motor og propell må vi inn i motorfabrikantenes tabeller. Her finner vi vanligvis data om strøm, turtall, og trekk-kraft for forskjellige kombinasjoner av motorer, batterier og propeller. Motorer finnes i varianter med forskjellige kv. For motorer som skal tåle 12 A er kv vanligvis på 900 -2000 rpm/V. Med en batterispenning på 10 V vil dette tilsvare turtall (ubelastet) på 9 000-20 000 rpm. Turtallet synker en del, 5-20% under belastning, slik at vi kan få ned mot 6 000-16 000 rpm når vi setter på en propell. Men selv 16 000 rpm er svært mye, og for 3-cellers LiPo bør ikke kv være høyere enn ca 1500, ellers må vi benytte små, støyende, lite effektive propeller for å unngå for høy strøm i motoren.

Propelldiagram

En annen måte å velge motor på er å ta utgangspunkt i hvor mye trekk-kraft vi ønsker. Det finnes en del data for propeller som viser trekk-kraft ved forskjellige turtall og effekt. Eksempelvis vil en APC/E 15 x 8” gi 2700 g trekk-kraft ved 6000 rpm og ca 550 W (200W/kg). Vil vi kjøre med 3-cellers LiPo med 10 volt får vi en strøm på 550W/10V= 55A. Altså må vi ha en regulator som tåler 55 A med god margin, gjerne 70-80 A, men den behøver ikke tåle mer enn 12,6 volt som er max spenning fra 3S LiPo. Motoren må også tåle 55 A. 6000rpm/10V= 600kv, men ettersom vi kan forvente 10-20% lavere turtall ved full belastning finner vi en motor med en kv på mellom 650 og 700. Batteriet bør være på stort nok til å klare 55A ved 10C, altså 5500 mAh. En slik motor er ikke lett å finne. Motorer som tåler så høy strøm har vanligvis lavere kv. Eksempelvis har en Axi en motor med en kv på 660 rpm/V. Med 3 celler(10V) har denne et turtall på bare ca 5700 rpm, noe som gir ca 2300 g trekk-kraft og ca 40 A strømforbruk. Dersom vi synes dette blir vel høy strøm kan vi heller benytte et 5S batteri med 17 volt (belastet). Strømmen blir da 550W/17V= 32A. Regulatoren bør tåle minst 40 A og 5LiPo (=21V). Motoren skal ha en kv tilsvarende 7600rpm/17V= 447, tillagt 10-20% gir kv 500 – 540 rpm/V. Den må også klare en strøm på 32 A. Se kurvene over for eksempler.

Propellvalg
I motsetning til forbrenningsmotoren øker ikke outrunnerens turtall noe særlig når belastningen reduseres etter hvert som flyet øker hastigheten. Motoren med 7600 rpm på bakken vil kunne gå opp i ca 8000 rpm ved normal flyhastighet. Med en propell med 7” = 18cm stigning (pitch) vil dette være 8000 rpm x 0,18 m = 1440m/min, tilsvarende 86,4km/h. Korrigert med 15% for propellslipp blir topphastigheten 73 km/h. Ettersom elektromotoren ikke behøver svinghjul slik som forbrenningsmotorene kan det benyttes spinklere og mer effektive propellere på elektromotorene. For de minste motorene finnes det ”slow-fly” propellere. Disse er ikke beregnet for høye turtall. ”E”-propellene tåler normalt den effekten elektromotorer kan levere. Det finnes også propellere med stillbar stigning, noe som gjør det lett å tilpasse propellen til motoren, men disse propellene tåler begrenset effekt. Propellere med liten stigning (pitch), eks 10”x 4”, gir best trekk-kraft ved take-off og hovring, men krever høyt turtall og mye effekt (strøm) dersom fly-hastigheten ikke er langsom. Normalt vil en stigning tilsvarende halvparten av diameteren, eks 10”x 5”, være et godt kompromiss. For høyere hastigheter kan større stigning være nødvendig, og stigning tilsvarende diameteren er fullt mulig, eks 8” x 8” dersom høy toppfart er målet.

Motormontasje
Outrunnere kan monteres med ”frontmontasje” når akslingen stikker ut gjennom den faste delen av motoren. Pass på at ikke skruene blir for lange da de ellers lett kan skade ledningene inne i motoren. En annen, vanlig måte å montere på er bakmontasje. Vær klar over at avstanden mellom propell og motorfester da blir stor, slik at en eventuell uballanse i propellen vil medføre svært store belastninger på motorfestene. Disse må derfor være solide og stabile. En del motorer kan bygges om slik at du kan velge mellom front- eller bak-montasje. Da må akslingen som regel forskyves, eller snues. Dette kan være vanskelig da akslingen ofte sitter godt fast.

Kontakter og ledninger
Til sammenkoblingen av ESC, batteri og motor benyttes solide, myke ledninger med godt tverrsnitt. For 55A må ledningen være minst 2,5 kvmm. Det er ikke vanlig å ha bryter mellom batteri og ESC, men kontakter som er greie å koble til/fra. Dersom koblingen mellom batteri og ESC ikke kan åpnes uten å skru av vingen, kan det være lurt å ha føre ledningen via en link, en kort ledning med plugger, på utsiden av flykroppen slik at strømmen kan brytes ved å åpne/fjerne linken. Jeg benytter ”Deans Ultra” kontakter mellom batteri og ESC. Disse tåler mer enn 55A, og kan ikke stikkes sammen feil. Men de er ikke billige, og det er lett å skade dem med for mye varme når ledningene skal loddes på. Da blir de vanskelige å stikke sammen og åpne. Andre muligheter er sylindriske gull/sølv-kontakter i 3,0, 3,5, eller 4mm diameter. Disse tåler strømmen, men vil kunne byttes om dersom du ikke velger forskjellig dimensjon på pluss og minus-polene. Det vil i så fall ganske sikkert ødelegge regulatoren. Der er særdeles viktig at kontaktene på batteriet er slik at de ikke kan kortslutte. Jeg vil anbefale å benytte hun-kontakter på begge poler og krympestrømpe som går litt forbi kanten på metallhylsen. Bruker du en Dean’s kontakt eller lignende unngås problemer med forbytting eller kortslutning av batteriledningene. Laderen må utstyres med samme type kontakter som ESC (dersom du ikke lader gjennom ballanseringspluggen). For mindre motorer finnes det andre plugger, f. eks JST. Mellom motor og ESC benyttes svært ofte 3,5 mm gull-kontakter. Går motoren feil vei er det enkelt å bytte om to av ledningene. Legg ledningene til motoren slik at den ikke subber i rotoren på motoren. Gnisser rotoren seg gjennom isolasjonen får du garantert problemer. I første omgang får du radiostøy, senere går kanskje regulatoren heden.

Plassering av utstyr
ESC må monteres slik at den har god kjøling, samtidig som den må hindres fra å slenge rundt inne i flykroppen. Den blir fort meget varm, særlig hvis du flyr med 70-90 % effektuttak. Batteriet må festes godt. Påkjenningene under flyvning og harde landinger kan godt komme opp i 20 G. Et 300-grams batteri belaster da festene med 6 kg, og det bør de tåle. Vær oppmerksom på at regulatoren lager en masse radiostøy som brer seg til motor og batteri. Plasser derfor mottaker og antenne lengst mulig vekk fra batterier, regulator, motor og ledningene til disse

De vanligste feilene :

1. For stor propell.
Dette vil gi varmgang i motor og regulator. For enkelte regulatorer (Kontronik m fl) vil overbelastningssikringen slå av regulatoren i oppstartfasen. Enkelte motorprodusenter (bl a Axi) har propellanbefalinger som vil medføre overoppheting på få sekunder. Det går likevel an å fly med disse propellene, men da må regulatoren ha solid overkapasitet, og full effekt bare anvendes meget kortvarig, eller mens flyet har stor fart. For 3D med motoreffekt minst 300W/kg og propell med lav stigning (i forhold til flyfarten) går dette som regel bra.

2. For svak regulator
Dette vil medføre at regulatoren brenner opp (dersom den ikke har overbelastningssikring). Strømmen ved max effekt bør måles før første flytur. Lån et tang-amperemeter (for likestrøm/DC) dersom du ikke har eget.

Sikkerhet
Selv et lite fly kan gjøre ganske stor skade dersom det drar av gårde med full motor. Husk at motoren kan begynne å gå når som helst når batteriet er tilkoblet. Litt radiostøy eller en feil i regulatoren er nok. De større outrunnerene er kapable til å ødelegge vesentlig mer enn forbrenningsmotorer av samme størrelse. De har mer roterende masse og kan kortvarig produsere meget høyt dreiemoment. De drar seg lett ut av motorfestene dersom propellen holdes igjen. Når strømmen er tilkoblet skal de behandles med samme respekt som en forbrenningsmotor som er i gang.

HAPPY LANDINGS !

Hilsen Peter