Componenten voor de aandrijving van een modelzwever

De elektrische aandrijving

Een elektrische aandrijving van een modelvliegtuig bestaat in feite uit de volgende vier componenten:
* motor, die de propeller aandrijft
* regelaar, die het motorvermogen regelt via de afstandsbediening (zender)
* propeller, die voor de daadwerkelijke voortstuwing zorgt
* accu, die als energieopslag dient

Motor

Voor de aandrijving van een modelvliegtuig is een borstelloze (‘brushless’) elektromotor het meest geschikt. Dit is in principe een 3 fasenmotor. De 3 fasen worden in de regelaar gegenereerd, (de fasen hebben een onderlinge faseverschuiving van 120 graden). Dit is ook de basis voor het omkeren van de draairichting, dat gedaan kan worden door twee van de drie aansluitingen te wisselen. Dit omkeren van de draairichting is gemakkelijker door gebruik te maken van een speciaal programmeerkaartje, dat vaak bij de regelaar kan worden aangeschaft.

Buitenloper (Outrunner)
Buitenloper
Binnenloper met vertragingskast
Binnenloper met vertraging

Bij de borstelloze elektromotor kan worden gekozen uit buitenlopers (outrunners) en binnenlopers (inrunners). Bij buitenlopers draait de behuizing en staat de binnenzijde stil. Binnenlopers hebben een stilstaande behuizing en een draaiende binnenzijde. Aan binnenlopers kan ook vaak een vertragingsunit worden gekoppeld. In principe is dat een set tandwielen die de relatief hoge draaisnelheid van de motor omzet in een lager toerental met meer vermogen. Hierdoor kan een grotere propeller worden gebruikt.

Borstelloze elektromotoren zijn er in vele soorten en maten. Meestal zal de fabrikant van een modelvliegtuig aangeven welke motor je nodig hebt. Kijk anders naar vergelijkbare modellen.

Het KV-getal is bij een elektromotor een belangrijke parameter. Het geeft aan hoeveel omwentelingen per minuut (rpm = revolutions per minute) de motor onbelast draait per volt werkspanning.
Bijvoorbeeld: een motor met een KV-getal van 1200 rpm/V zal bij een voedingsspanning van 10 V een onbelast toerental hebben van 1200 x 10 = 12000 rpm. Belast met een propeller is het toerental uiteraard fors lager.

Regelaar

De regelaar is de elektrische verbindingscomponent tussen de accu en de motor. Met de regelaar kun je het toerental van de motor regelen. ESC is de Engelse afkorting van electronic speed controller.

Motor regelaars
Regelaars
Motor regelaaar
Regelaar
Programmeerkaarten voor regelaar
Programmeerkaarten

De primaire keuzeparameters zijn:
* het spanningsbereik waarbinnen de regelaar werkt;
* de stroom die de regelaar maximaal moet kunnen leveren.

Spanning
De spanning wordt vaak aangeduid met het aantal (in serie geschakelde) LiPo-cellen van de accu. Zo kun je bijvoorbeeld een regelaar hebben voor “2S tot 4S” Lipo’s, (zie onderdeel Lipo accu’s).

Stroom
De maximale stroom (bij maximaal toerental) hangt sterk af van de propeller. Een goede leverancier van brushless motoren stelt gegevens ter beschikking, waaruit je de stroom, het opgenomen vermogen en de resulterende stuwkracht (’thrust’) voor verschillende propellers bij verschillende toerentallen kunt bepalen.

Belasting
Kies liever een iets zwaardere regelaar (meer ampères) dan je op basis van de grafieken en tabellen denkt nodig te hebben. En kies bij voorkeur een regelaar die beveiligd is tegen overbelasting.

Koeling
Bouw een regelaar altijd zodanig in, dat deze (net als de motor en de accu), door een luchtstroom gekoeld zal worden.

Startbeveiliging
Een goede regelaar heeft een startbeveiliging. Dat houdt in dat, na het aansluiten van de accu, de motor pas kan gaan draaien als de stuurknuppel voor het motorvermogen een keer in de laagste stand heeft gestaan.

Rem
Als je de motor tijdens de vlucht uitzet, zal de propeller door de luchtstroom blijven draaien. Dit geeft een sterk remmend effect, wat bij een modelzwever ongewenst is. Het is daarom noodzakelijk dat de regelaar een remfunctie heeft.

Ontvanger-voeding uit de regelaar (BEC)
Een ander keuzecriterium is, of de regelaar ook de ontvanger met zijn servo’s van voeding moet voorzien. Een regelaar die dat kan, heeft een ingebouwde BEC (= battery elimination circuit). De voeding wordt aan de ontvanger geleverd via het ontvanger-kanaal waarop de regelaar is aangesloten. En vanuit de ontvanger worden dan weer de gekoppelde componenten zoals de servo’s en een variometer van stroom voorzien.

Instellingen programmeren
Bij de meeste regelaars kun je diverse instellingen programmeren, zoals de cut-off-spanning, de remfunctie en een soft-start. Het programmeren kun je doen door te luisteren naar piepcodes (geproduceerd via de motor) en daar op te reageren met stuurknuppelstanden. Deze methode vergt planning en concentratie. Tegenwoordig zijn er steeds meer regelaars die je kunt instellen met een speciale programmeerkaart.

Bedrading en connectors
Hoe hoger de stroom, hoe dikker de stroomdraden moeten zijn. De stroomdraden aan accu’s, regelaars en motoren hebben vanuit de fabriek uiteraard de juiste dikte. Mocht je een verlengkabel nodig hebben, kies dan dezelfde dikte. Houd de kabels altijd zo kort mogelijk en leg deze zo ver mogelijk van de ontvanger vandaan. En kies connectors die geschikt zijn voor de stroomsterkte die de aandrijving trekt.

Meer achtergrondinformatie over regelaars is te vinden in het artikel ‘Onze regelaars’ van Arthur Leeuwangh.
Klik hier om dit artikel te openen.

Propeller

Er bestaan veel soorten en maten propellers. Voor een modelzwever wordt de klappropeller gebruikt. Als de motor wordt uitgezet, klappen de beide propellerbladen door de luchtweerstand naar achteren, tegen de romp aan.


De belangrijkste maten van een propeller zijn de diameter en de spoed. De spoed is de voorwaartse afstand die de propeller per omwenteling zou afleggen als deze zonder modelvliegtuig vrij door de lucht zou kunnen bewegen. De diameter en de spoed worden gewoonlijk uitgedrukt in inches (“). Bijvoorbeeld een 9×6 propeller heeft een diameter van 9″ (22,9 cm) en een spoed van 6” (15,2 cm). 

Om een bepaald elektrisch vermogen in luchtverplaatsing om te zetten, kun je kiezen uit een aantal propellermaten, variërend van een kleine diameter en een grote spoed tot een grote diameter en een kleine spoed. Hou je in eerste instantie aan de propeller (en aandrijving) die de fabrikant van je model adviseert.

Een propeller moet gebalanceerd zijn om trillingen te minimaliseren. Daarvoor bestaan speciale hulpmiddelen. Kunststof propellers zijn tegenwoordig echter zo precies gefabriceerd, dat je ze eigenlijk niet hoeft te balanceren. Desondanks adviseren sommige leveranciers (o.a. Aeronaut) om de propellers voor gebruik te balanceren. In de onderstaande foto’s wordt het principe van het statisch balanceren weergegeven.


Voor het waterpas zetten van de basis wordt hierbij gebruik gemaakt van een kogel, die meteen aangeeft in welke richting gecorrigeerd moet worden. Voor het corrigeren kun je de scherpe zijkanten met een schuurpapiertje iets afronden. Het gaat hier om het statisch-balanceren. Voor het dynamisch-balanceren is heel speciale apparatuur nodig en dat is voor onze relatief lichte modelzwevers niet echt nodig. Wees altijd erg voorzichtig bij een draaiende propeller: je loopt gemakkelijk ernstige verwondingen op!

Accu’s

De accu in je modelvliegtuig bevat de energievoorraad voor de motor en voor de ontvanger. De meest gebruikte accu’s in modelvliegtuigen zijn van het type Lithium-Polimer (Lipo), Lithium-Ferro-Phosphate (LiFe) en Nikkelmetaalhydride (NiMH). Verder heb je een acculader nodig die deze accu-typen automatisch kan laden.

De capaciteit van een accu is de hoeveelheid elektrische energie die er na opladen in is opgeslagen. Hoe meer capaciteit, hoe langer de vliegtijd, maar ook hoe groter en zwaarder de accu. In de praktijk wordt de capaciteit meestal in milliampere-uur (mAh) uitgedrukt. De tijd dat een volgeladen accu een bepaalde stroom kan leveren is dan de capaciteit gedeeld door de stroom. Bijvoorbeeld: een accu van 2400 mAh kan gedurende een uur 2400 milliampere leveren of 2 uur lang 1200 milliampere etc.

Lipo’s

Lipo’s zijn uitermate geschikt voor de aandrijving van modelvliegtuigen.


Spanning

De celspanning van een LiPo-cel is gemiddeld (nominaal) 3,7 V en in volgeladen toestand 4,2 V.
Door meerdere cellen in serie te schakelen, krijg je accupakketten met een nominale spanning van 7,4 V, 11,1 V, 14,8 V etc. Dit wordt aangegeven met “2S”, “3S”, “4S” etc.

Stroom
De stroom die een Lipo continu maximaal kan leveren, wordt uitgedrukt in het aantal keer het capaciteitsgetal, aangeduid met “C”. Bijvoorbeeld: een Lipo van 3200 mAH (=3,2 Ah) en 30C kan continu maximaal 3,2 x 30 = 96 A leveren.

Warm worden en opbollen
Door de interne weerstand wordt een Lipo tijdens het ontladen warm. Dit leidt tot gasvorming waardoor de accu enigszins opbolt. Zolang de bolling na afkoelen weer verdwijnt, is er niets aan de hand. Blijvende bolling duidt echter op schade. Daarmee is de accu niet meteen onbruikbaar, maar het is dan wel zaak om de afzonderlijke celspanningen en de capaciteit in de gaten te houden. Direct na een vlucht mag een Lipo niet veel warmer zijn dan ongeveer 40 °C (handwarm). Laat een Lipo na de vlucht even afkoelen, alvorens deze weer te laden.

Laden
Veilig en goed laden van een Lipo kan alleen met een daarvoor bestemde lader. Zo’n lader heeft, naast de aansluiting voor de plus en de min, ook een aansluiting voor de balanceerconnector van de Lipo. Voor het laden moet de acculader weten hoeveel cellen de accu heeft en wat de laadstroom moet zijn. Veel laders detecteren zelf het aantal cellen aan de hand van de spanning van de accu. De laadstroom moet je altijd zelf instellen. Pas op dat je daar geen fout mee maakt! (1C is altijd veilig). De balanceerconnector bevat de verbindingen met de afzonderlijke cellen. De balanceerconnector moet tijdens het laden ook op de acculader zijn aangesloten, zodat de lader de spanningen van de afzonderlijke cellen kan volgen. Als de celspanningen teveel van elkaar gaan verschillen, zal de lader het laden onderbreken en de cellen balanceren. Dat houdt in dat de lader individuele cellen met een achterlopende spanning gaat laden, totdat alle cellen weer dezelfde spanning hebben. Zonder balanceren zou een LiPo-accu met meerdere cellen stuk gaan.

Bewaren
Lipo’s hebben weinig zelfontlading. Laad je een accu vandaag op, dan is die accu over een aantal weken nog steeds vrijwel vol. Het is alleen niet goed voor de levensduur van een Lipo om deze volgeladen (of ontladen) te bewaren. Daarom kun je de laatste vlucht op een vliegdag het beste halverwege afbreken of de accu na de laatste vlucht slechts voor de helft opladen (tot 3,82 V per cel). Veel acculaders hebben daarvoor een speciaal ‘storage’-programma. Op de volgende vliegdag laad je de accu dan eerst verder vol.

Brandgevaar
Lipo’s zijn fantastische accu’s zolang je ze goed behandelt. Echter bij beschadiging, kortsluiting of overladen kunnen ze heftig gaan branden. Bewaar en laad Lipo’s in een speciale brandbestendige LiPo-zak of onder een stenen bloempot op een onbrandbare ondergrond, liefst in een schuur. Blijf tijdens het laden in de buurt. Ontlaad een kapotte Lipo volledig, voordat je deze bij het afval doet. Om alle cellen volledig te ontladen, kun je de accu het beste een aantal dagen in een bak met zout water leggen.

Lipo tester
Met een Lipo tester kunnen verschillende waarden van de Lipo worden gecontroleerd, o.a.
* Totale batterijspanning
* Resterende capaciteit van het LiPo-accupack in procenten
* Weergave van de afzonderlijke celspanningen
* Weergave cel met de laagste spanning
* Weergave cel met de hoogste spanning
* Spanningsverschil tussen hoogste en laagste spanning

Lipo tester
Lipo tester
Lipo tester
Lipo tester

NiMH

NiMH-accu’s worden sinds de komst van de Lipo nauwelijks meer gebruikt voor de aandrijving van modelvliegtuigen, maar nog wel als accu voor de zender en de ontvanger.


Spanning

De celspanning van een NiMH-cel is gemiddeld (nominaal) 1,2 V en in volgeladen toestand ongeveer 1,4 V.

Laden
Voor het laden moet de acculader de laadstroom en de ‘delta-piekspanning’ weten. Hiervoor gebruikt de lader een gemiddelde veilige waarde, tenzij je deze instelling zelf verandert.
De laadstroom moet je altijd zelf instellen. Pas op dat je daar geen fout mee maakt (0,1C is veilig).

Bewaren
NiMH’s hebben enige zelfontlading. Laad daarom je ontvanger-accu (en zenderaccu) altijd op in het etmaal voordat je gaat vliegen. Laad NiMH’s die je lange tijd niet gebruikt, eens per kwartaal weer op.

Combinatie accu + regelaar
Een modelvliegtuig zonder motor, een pure modelzwever, heeft in principe alleen een ontvanger-accu in de vorm van een NiMH of een Life accu. Bij een modelvliegtuig met motor zijn de volgende combinaties van toepassing:
* Een Lipo + regelaar met BEC (zie ‘Regelaar’) zodat geen aparte ontvanger-accu nodig is.
* Een Lipo + regelaar (met of zonder BEC) + aparte ontvanger-accu in de vorm van een NiMH of een Life accu. Deze combinatie geeft een veiliger situatie in het geval de Lipo uitvalt of niet meer voldoende capaciteit heeft. Door deze samenstelling wordt de stroomvoorziening iets complexer en het kost meestal extra gewicht.

Kortsluiting
Bij kortsluiting leveren zowel LiPo- als NiHM-accu’s enorme stromen, waardoor brand kan ontstaan. Handel altijd zo, dat er geen kortsluiting kan ontstaan.

Acculader

Voor het laden van LiPo- en NiMH’s heb je een universele automatische acculader nodig. Zo’n lader heeft een display met bedieningstoetsen en programma’s om verschillende typen accu’s op de juiste manier te laden. Naast het laden is het handig als de lader een accu ook gecontroleerd kan ontladen en naar de toestand voor langdurige opslag kan brengen.

Lipo lader
Lipo lader
Lipo lader (balancing)
Lipo lader (balancing)
NiMH lader
NiMH lader

Voor het vervaardigen van dit artikel is gebruik gemaakt van de onderstaande webpagina:
https://www.gmvc.nl/voor_beginners/index.php

Samengesteld door Jan ter Laak