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Einzelteile eines Racecopters
Der Rahmen und seine Bestandteile
Die Motoren
Der Brushlessregler ESC
Die Luftschraube
Der LiPo-Akku: Spannung pur
Das richtige Ladegerät
Der Flightcontroller
Die Flightcontroller-Software
RC-Fernsteueranlage
In diesem Kapitel erfahren Sie alles über die Bauteile eines Racecopters. Jedes Bauteil, vom Rahmen bis zum Motor, wird detailliert erklärt, und es wird darauf eingegangen, wie die Komponenten ausgewählt werden und zusammenpassen.
FPV-Racingrahmen Graupner 16563_Xcell.
DER RAHMEN UND SEINE BESTANDTEILE
Der Rahmen eines Racecopters, auch mit dem englischen Wort »Frame« bezeichnet, ist ein wichtiges und nicht zu unterschätzendes Bauteil, das die gesamten Komponenten des pfeilschnellen Fluggeräts zusammenhält und durch eine geeignete aerodynamische Form seinen Teil zur Geschwindigkeit und Flugstabilität beiträgt.
Wie der Rahmen aufgebaut ist
Im Multicopterbau gibt es viele Möglichkeiten, wie solch ein Rahmen aufgebaut ist oder aus welchen Einzelkomponenten er bestehen kann. In der Regel besteht er bei größeren Multicoptern aus einem Mittelstück, der sogenannten Centerplate, den Armen, an deren Enden die Motoren sitzen (auch Ausleger genannt), und dem Landegestell. Je nachdem, wie groß die Motoren eines Multicopters sind, werden sie mit speziell dafür vorgesehenen Motorträgern an den Auslegern befestigt. Im Bereich der FPV-Racecopter wird in der Regel kein Rahmen verwendet, der aus verschiedenen Einzelteilen zusammengebaut ist, stattdessen besteht er hier aus einem Stück. So werden bei großen Belastungen während eines Rennens keine Schwachstellen (Schraubverbindungen etc.) erzeugt, und der Rahmen ist obendrein leichter.
Racingrahmen-Grundplatte iFlight iX5s aus einem Stück.
Das bedeutet aber nicht, dass für solche Rahmen keine Teile existierten, die angebaut werden könnten. Oft bestehen Racingrahmen tatsächlich aus der eigentlichen Grundplatte und zusätzlich aus Bauteilen, wie Befestigungsaufbauten und Abdeckplatten, die für die Montage weiterer Bauteile gedacht sind, wie Flightcontroller, Akku oder FPV-Kamera, die ebenfalls untergebracht werden müssen. Hierfür werden am Hauptrahmen kleine Aufbauten verschraubt, die zum einen die nötigen Elektronikbauteile an ihrem Ort fixieren, zum anderen bei einem durchaus möglichen Absturz die Komponenten etwas schützen.
Materialanforderungen an den Rahmen
Der Rahmen eines FPV-Racecopters muss während des Flugs großen Belastungen und G-Kräften standhalten. Aus diesem Grund bestehen die meisten hochwertigen Frames aus einem extrem leichten und hochstabilen Kohlenfaserverbundwerkstoff, auch CFK genannt.
Frame aus Sandwich-Carbon.
CFK
Carbonfaserverstärkter Kunststoff (CKF) ist ein Allroundtalent. Er hat eine annähernd so hohe Zugfestigkeit wie Stahl, weist aber lediglich ein Fünftel der Dichte auf, ist also fünfmal leichter, und das ist enorm. CFK wird oft dort eingesetzt, wo sehr wenig Abfluggewicht gefordert ist, oder in sehr großen Multicopterkonstruktionen. Da dieses Material jedoch aufgrund der Herstellungstechnik und der Materialpreise sehr teuer ist, kann ein größerer Multicopterrahmen schon einmal deutlich über 1.000 Euro kosten. Racingrahmen bestehen fast ausschließlich aus CFK und kosten zwischen 30 und 100 Euro.
Dieses Material vereint die spezifischen Eigenschaften, die generell in der Luftfahrt und der Flugzeugkonstruktion benötigt werden. Im Vergleich zu anderen Materialien besticht CFK durch hohe Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht. Die Dichte eines Materials – auch als spezifische Dichte bezeichnet – gibt an, wie schwer ein Material bezogen auf ein bestimmtes Volumen ist. Die Zugfestigkeit bezeichnet die im Material maximal mögliche Spannung. Das Zug-E-Modul (Elastizitätsmodul) gibt die Steifigkeit des Materials an.
Rahmengröße und Einsatzzweck
Die Größe der Rahmenkonstruktion beeinflusst maßgeblich die späteren Flugeigenschaften einer Drohne. Eine Maßzahl dafür ist der sogenannte Achsenabstand. Er gibt die Entfernung von dem einen Motormittelpunkt (Motorwelle) bis zum gegenüberliegenden Motormittelpunkt an. Ist also die Rede von einem 40er-Rahmen, hat er einen Achsenabstand von 40 cm.
Grob gesagt, können wir feststellen: Je kleiner der Rahmen ist, desto sportlicher fallen die Flugeigenschaften aus, je größer der Rahmen ist, desto stabiler fliegt der Copter später. Dies gilt allerdings nur bis zu einer gewissen Größe, ab der der Copterrahmen so instabil wird, dass sich die Flugeigenschaften rapide verschlechtern. Kunstflugtaugliche und sportliche Drohnen haben einen Achsenabstand von ungefähr 10 bis 30 cm.
Gutmütige und anfängertaugliche Flugcharakteristika haben Copterrahmen mit einem Achsenabstand von 30 bis 60 cm. Wird eine größere Kameradrohne für ruhige und stabile Foto- und Filmaufnahmen benötigt, kann ein Rahmen von 60 bis 100cm gewählt werden. Im Bereich des FPV-Racings werden überwiegend Rahmen mit einer Größe von zwischen 10 bis 30 cm eingesetzt. Dies hat zum einen mit den Flugeigenschaften solch eines kleinen Copters zu tun, zum anderen geben die Regularien der Rennveranstalter oder des Flugverbands FAI gewisse Rahmengrößen und Gewichtsgrenzen vor, die erfüllt werden müssen, um an einem FPV-Rennen teilnehmen zu dürfen.
Eine spezielle Eigenschaft einiger kleiner FPV-Rahmen besteht darin, dass sie ihr eigenes PDB (Power Distribution Board), also ihren Stromverteiler, im Rahmenboden integriert haben. Das bietet natürlich gerade bei sehr kleinen Rahmen den Vorteil, dass man alle Kabel direkt dort anschließen kann, wo sie benötigt werden, und nicht komplett über den Rahmen verlegen werden müssen. Manch ein Rahmen hat sogar direkt an den Auslegern Anschlüsse für Motoren und ESCs, sodass nicht einmal diese Bauteile nach innen verkabelt werden müssen. Nachteil dabei ist aber sicherlich, dass bei einem Absturz oder einem Riss in der Grundplatte die elektrischen Verbindungen getrennt werden und nicht mehr zu reparieren sind.
DIE MOTOREN
Die Motoren eines FPV-Racecopters sind neben dem Flightcontroller die wichtigsten Bauteile, die es auszuwählen und einzubauen gilt. Die Motoren des pfeilschnellen Copters wandeln die elektrische Leistung des Akkus in pure mechanische Bewegungsenergie um und sorgen dafür, dass das Fluggerät mit einer entsprechenden Luftschraube Geschwindigkeiten von bis 130 km/h erreichen kann. Um solche Geschwindigkeiten auch tatsächlich umsetzen zu können, wird zudem die richtige Luftschraube benötigt. Widmen wir uns zuerst den einzelnen Motoren.
Heute kommen im Flugmodellbau und besonders im Multicopterbau fast ausschließlich bürstenlose Motoren, die sogenannten Brushlessmotoren, zum Einsatz.
Gleichstrombürstenmotoren
Bis vor wenigen Jahren noch wurden im Flugmodellbau ausschließlich Bürstenmotoren eingesetzt. Sie kommen zwar heute immer noch in manchen Modellen zum Einsatz, haben aber gegenüber Brushlessmotoren einen großen Nachteil. Wie der Name schon sagt, besitzen Bürstenmotoren sogenannte Kohlebürsten (engl. Brush), die den Strom auf den sich drehenden Rotor übertragen. Der Motor besteht aus mehreren Bauteilen, die zusammenwirken, um eine Drehung zu erzeugen: aus einem stehenden Teil, dem Stator, und einem rotierenden Teil, dem Rotor. Außen am Stator befinden sich Permanentmagnete in abwechselnder Polung. Der Rotor besteht aus dem sogenannten Anker, der seinen Namen seiner Form verdankt, um den sich außen herum Kupferwicklungen (Spulen) befinden.
Wirkprinzip eines Bürstenmotors.
Fließt nun ein Strom durch die Spulen des Ankers, entsteht ein magnetisches Feld, das einen Nord- und einen Südpol hat. Die Ausrichtung der Pole orientiert sich immer an der Stromrichtung. Um eine Drehung des Rotors zu erzeugen, muss die magnetische Ausrichtung der stromdurchflossenen Kupferspulen immer genau so gerichtet werden, dass durch Abstoßen und Anziehen der Magnetfelder zwischen Rotor und Stator eine permanente Drehung erzeugt wird. Das Problem besteht darin, die Umpolung der Kupferspulen zu gewährleisten.
Dafür wird ein sogenannter Kollektor – auch Kommutator genannt, abgeleitet vom lateinischen Wort...
