Antrieb

Für Modellhubschrauber werden verschiedene Arten von Antrieben verwendet.

Elektromotoren

Bürstenmotoren

(=Brushed engine)

Gleichstrommaschinen

Bürstenlose Motoren

(=Brushless engine)

Ein bürstenloser Motor besteht in seiner einfachsten Form aus einem Stator mit dreiphasiger Wicklung sowie den sich bewegenden Rotor(Anker) zumeist bestehend aus Permanentmagneten.

Er erhält über einen BL-Regler den Strom. Der beidseitig gelagerte Drehstrom-Läufer hat keine galvanische Verbindung mit der Ständerwicklung, er enthält einen oder mehrere Magneten. Das Magnetfeld des Läufers hat das Bestreben, dem Drehfeld in der Statorwicklung zu folgen, d.h. der Läufer dreht sich mit annähernd der gleichen Geschwindigkeit wie das Ständerdrehfeld.

Der größte Vorteil bürstenloser Motoren besteht darin, dass er keine Kohlebürsten benötigt, die verschleissen, Wärme entwickeln und Störungen verursachen können. Bürstenlose Motoren verwerten die ihnen zur Verfügung gestellte Energie deutlich besser als Bürstenmotoren. Sie sind verschleissarm und äusserst robust.

Vorteile

• lange Lebensdauer und wartungsarm da keine Bürsten vorhanden sind.
• Läufer ist spannungslos
• vergleichsweise hoher Wirkungsgrad
• nahezu konstante Drehzahl, mit und ohne Belastung
• relativ geringe Produktionskosten
• tauglich für hohe Drehzahlen
• kurzzeitig stark überlastbar

Nachteile

• gesonderte Elektronik (frequenzumrichter) zur Ansteuerung benötigt
• drei Außenleiter sind zur Versorgung notwendig

Für Brushless Motoren gibt unterschiedliche Bauformen:

Außenläufer

Innenläufer

Innenläufer

Bei einem Innenläufer ist die Konstellation genau umgekehrt.

Der Rotor(Anker) also die Permanentmagnete befindet sich im Inneren und werden von den Wicklungen in Form des Stators umschlossen.

Verbrennungsmotoren

Mit Verbrennungsmotoren sind Motoren gemeint, die mindestens einen, durch Explosionen angetriebenen Kolben besitzen. Man unterscheidet zwischen 2-Takt- und 4-Takt-Motoren, sowie dem verwendeten Treibstoff.

4-Takt

Im Gegensatz zum 2-Takt-Motor benötigt der 4-Takt-Motor für einen Verbrennungszyklus 2 komplette Umdrehungen. Der Aufbau ist etwas anders als beim 2-Takt-Motor. Der 4-Takt-Motor besteht im Wesentlichen aus Kolben mit Pleuelstange, Zylinder, Kurbelgehäuse mit Kurbelwelle und Ventiltrieb. Das Wirkungsprinzip wurde von Nikolaus Otto um 1865 entwickelt und ist auch heute noch gültig.

Der Ottomotor ist ein Hubkolbenmotor, der die Auf- und Abbewegung des Kolbens über eine am Kolben befestigte Pleuelstange auf die Kurbelwelle überträgt.

Die vier Arbeitstakte bestehen aus:

Erster Takt:

Ansaugen des Benzin-Luftgemisches des Vergasers durch das Einlassventil bei geschlossenem Auslassventil. Der Kolben bewegt sich nach unten.

Zweiter Takt:

Der sich nach oben bewegende Kolben verdichtet bei geschlossenen Ventilen das Gas und erwärmt es hierbei.

Dritter Takt:

Beide Ventile sind geschlossen. Im Moment der größten Verdichtung (wenige Winkelgrad vor dem oberen Totpunkt (OT)) wird das Benzin-Luft-Gemisch durch die Zündkerze gezündet. Durch die explosionsartige Verbrennung wird der Kolben nach unten gedrückt, es wird an ihm Arbeit verrichtet.

Vierter Takt:

Die verbrannten Abgase werden durch das geöffnete Auslassventil durch den sich nach oben bewegenden Kolben ausgestoßen.

Zu bemerken ist noch, dass sich die Kurbelwelle zweimal dreht, um alle 4 Takte zu durchlaufen.

Der Viertaktmotor zeichnet sich vor allem durch eine größere Leistungsausbeute als der 2-Takt-Motor aus. Er benötigt keine Gemischschmierung, sondern besitzt einen komplett geschlossenen Ölkreislauf.

Turbinen

Wer sich auf das Abenteuer Turbine + Hubschrauber einlässt, sollte eine dicke Brieftasche haben, hier kann man schnell einen fünfstelligen Betrag loswerden. Der Einsatz von Turbinen in Modellhubschraubern ist trotzdem die Oberklasse der Modellhubschrauberei. Die Leistung und die Größe einer Turbine schreiben eine Mindestgröße des Modells vor, welche in etwa bei 1,80-2m Rotordurchmesser liegen dürfte.

Die Drehzahlen sind bemerkenswert: Eine Modellturbine dreht mit bis zu 170.000 Umdrehungen pro Minute!

Funktionsweise

Turbinen sind Antriebsaggregate, die durch Verbrennung von Kerosin (Petroleum und andere brennbare Kohlenwasserstoffe (z.B. Propan) sind je nach Turbine ebenso möglich) in einem fortlaufenden Prozess Antriebsleistung erzeugen. Sie saugen die umgebende Luft durch ein Lüfterrad an, verdichten diese (bei Modellturbinen sind das ansaugende Lüfterrad und die Verdichtungsstufe ein und dasselbe Lüfterrad) und leiten sie durch eine Brennkammer, wo Treibstoff eingespritzt und entzündet wird. Durch die Verbrennung des Treibstoffes erfolgt eine Erhitzung und dadurch eine Expansion des Luft/Abgasgemisches, welches dann durch ein weiteres "Lüfterrad", der eigentlichen Turbine, geleitet wird.

Wie wird aber das Lüfterrad, welches für das Ansaugen und Verdichten der Luft zuständig ist, angetrieben? Das Lüfterrad und das Turbinenrad sind durch eine starre Welle fest miteinander verbunden. Dies ist der Turbinenläufer. Läuft das Turbinenrad, läuft somit auch das Lüfter/Kompressorrad.

Startvorgang

Eine Turbine wird angelassen, indem der Turbinenläufer beschleunigt wird (durch Druckluft oder einen kleinen Elektromotor). Dadurch wird auch das Lüfterrad, welches die Luft ansaugt, beschleunigt und somit strömt verdichtete Luft durch die Turbine.

Nun wird Propangas in die Turbine eingespritzt und entzündet, um den Turbinenläufer weiter zu beschleunigen. Die Druckluft (oder der Elektromotor) wird jetzt nicht mehr benötigt, da die Turbine selbständig weiterläuft. Die Verbrennung von Propangas liefert aber nicht genügend Energie, um der Turbine noch Leistung abzuverlangen. Hier kommt der eigentliche Treibstoff ins Spiel: Man spritzt einfach zusätzlich Kerosin in die Brennkammer der Turbine. Damit steht nun mehr Verbrennungsenergie zur Verfügung, mit der die Turbine weiter beschleunigt werden kann, welche somit mehr Antriebsleistung erzeugt. Das Propangas wird nun nicht mehr benötigt, da die Turbine mit Kerosin läuft.

Modellhubschrauber und Turbinen

Im Gegensatz zu Modelljets mit Turbinen (hier wird die Schubkraft der erhitzten Luft als Antriebsquelle verwendet) wird bei Hubschraubern die Leistung direkt von der Turbinenwelle abgenommen und über ein mehrstufiges Getriebe an den Hauptrotor und den Heckrotor abgegeben. Eine Ausnahme bilden hier die 2-Wellenturbinen: Hier wird die Leistung nicht direkt von der Turbinenwelle abgenommen, sondern von einer zweiten Stufe mit eigener Welle und Turbinenrad erzeugt und abgegeben (das Turbinenrad der zweiten Welle wird vom Abgasstrom der ersten Turbinenstufe angetrieben).

Literatur

• Thomas Kamps: Modellstrahltriebwerke, Vth-Verlag, 2003 ISBN 3881800719

Dieses Buch beschreibt den Selbstbau eines Strahltriebwerks, welches sich für Modelljets, aber nicht für Modellhubschrauber einsetzen lässt. Es ist trotzdem eine interessante Lektüre.

Siehe auch

• Akkus
• Governor
• Leistungsgewicht

Weblinks

• Flash-Animation zum Funktionsprinzip 4-Takt-Motor
• Wikipedia:2-Takt-Motor
• Wikipedia:4-Takt-Motor
• Wikipedia:Turbine
• SHP-Motoren - Ein Seite mit bürstenlosen Männermotoren für Hubschrauber

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