Antriebssysteme für bemannte Luftfahrzeuge: T-Motor U15 II KV80, U15XL KV38 und U15XXL KV29 im Vergleich

Die Dimensionierung eines Motors für Antriebssysteme für bemannte Luftfahrzeuge geht von einer anderen Prämisse aus als die Dimensionierung für ein unbemanntes Luftgerät. Ein unbemanntes Luftfahrzeug lässt sich um eine Mission und um Kosten herum entwerfen, und für sehr viele Missionen ist es vertretbar, einen Antriebsausfall das Flugende bestimmen zu lassen. Ein Luftfahrzeug, das eine Person trägt, lässt sich so nicht entwerfen. Die Last ist länger, der Betriebspunkt liegt weiter am Dauerende der Hülle, ein einzelner Ausfall muss überlebbar sein statt nur unwahrscheinlich, und jede Zahl, auf die sich der Integrator stützt, muss auf einen Test zurückführbar sein und nicht auf eine Schlagzeile. Dieser Leitfaden arbeitet drei T-Motor-U15-Motoren durch – eine Einheit mit 1740 g und dem breitesten erfassten Busfenster, eine Einheit mit 4408 g für einen 24S-Bus und eine Einheit mit 5130 g, die den höchsten Schub der drei erfasst – und erklärt, welcher erfasste Wert die Wahl im jeweiligen Fall entscheidet und welche Werte im Datenblatt des Herstellers stehen.

Alle drei sind bürstenlose Außenläufer, die von einem externen ESC angetrieben werden, und alle drei stehen in einer einzigen ToBMS-Rubrik, UAV-Motoren. Was sie unterscheidet, sind Masse, KV, erfasster Schub und der Bus, für den jede Einheit gebaut ist, und diese Unterschiede ordnen sich leichten zweisitzigen Luftgeräten, Paramotor-Trikes und den größeren Frachtplattformen zu, die für den bemannten Betrieb angepasst werden. Jede hier genannte Zahl stammt aus dem zugehörigen ToBMS-Produktdatensatz; Umrechnungen zwischen Gramm und Kilogramm, aus zwei erfassten Werten gebildete Verhältnisse und jede aus der Zellchemie abgeleitete Größe sind als abgeleitet gekennzeichnet, und ein Feld ohne Wert wird als fehlend markiert statt aus einem benachbarten Modell ergänzt. Zwei der drei Datensätze führen nicht alle elektrischen Spalten, und zu wissen, welche Spalte bei welchem Datensatz fehlt, gehört zur Wahl dazu.

Kurze Antwort

Die erste Entscheidung in dieser Rubrik ist nicht der Schub, sondern die Frage, wie viele Motoren das Luftgerät trägt und was geschieht, wenn einer davon stehen bleibt. Alles Weitere – KV, Masse, Bus, Propeller – wird dann gegen diesen Ausfallfall dimensioniert und nicht gegen einen nominellen Schwebepunkt. Auf dieser Grundlage besetzen die drei Motoren hier drei verschiedene Rollen statt eine Rangliste zu bilden.

Wo das Luftgerät klein ist, das Pack die begrenzende Größe darstellt und die Antriebsauslegung genug Einheiten hat, dass der Verlust einer davon eine komfortable Reserve lässt, ist der U15 II KV80 der einzige der drei, der 12-24S annimmt, und mit 1740 g ist er um mehr als den Faktor zwei der leichteste. Er erfasst 36.5 kg Höchstschub und 8580 W über ein Fenster von 180 s, und er ist der einzige der drei, dessen Datensatz überhaupt eine Leistungsangabe veröffentlicht.

Wo das Luftgerät ein festes 24S-Design ist und das Massenbudget einen schwereren Motor zulässt, erfasst der U15XL KV38 einen Schub von 81.2 kg bei 4408 g, mit einem Spitzenstrom von 180 A, einem Leerlaufstrom von 3.5 A bei 10 V und einer Wicklung von 17 mΩ – dem niedrigsten in dieser Gruppe erfassten Widerstand, gleichauf mit dem U15 II –, was ihn zur Einheit macht, deren elektrischer Datensatz über die Mitte des Massenbereichs am vollständigsten ist.

Wo der höchste erfasste Schub je Motor das ist, was der Entwurf braucht, erfasst der U15XXL KV29 einen Schub von 101.4 kg bei 5130 g am selben 24S-Bus und mit demselben 36N42P-Stator, mit einem Spitzenstrom von 210 A und 20 mΩ Wicklungswiderstand. Was keiner der drei Datensätze führt, ist eine Dauerleistungsangabe ohne Zeitgrenze. Die nächstliegenden verfügbaren Ersatzgrößen sind die Leistungsangabe über 180 s beim U15 II und die Spitzenstromangaben bei den beiden anderen, und das sind Aussagen über ein Lastfenster und keine Dauerangaben – eine Unterscheidung, die festzuhalten ist, wenn eine Konstruktionsprüfung fragt, wie lange ein Steigflug gehalten werden kann.

Was sich ändert, wenn das Luftfahrzeug eine Person trägt

Am Aufbau dieser Motoren unterscheidet sie nichts von jedem anderen großen Außenläufer der Rubrik. Was sich ändert, ist die Gestalt der Anforderung, und in Antriebssysteme für bemannte Luftfahrzeuge entscheidet die Anforderung, welche Spalte des Datensatzes zur begrenzenden wird.

Ausfälle müssen überlebbar sein, nicht bloß unwahrscheinlich

Ein unbemanntes Luftgerät lässt sich so entwerfen, dass ein Antriebsausfall die Mission beendet, und in diesem Maßstab ist der Kompromiss meist akzeptabel. Ein bemanntes Luftgerät kann das nicht: Die Antriebsauslegung muss mindestens eine Einheit verlieren können und das Luftfahrzeug trotzdem noch tragen, was die maßgebliche Größe von Schub je Motor auf Schub je Motor bei Ausfall der ungünstigsten Einheit verschiebt. Bei einer Auslegung mit vier Motoren bleiben drei Viertel des installierten Schubs; bei einer mit sechs Motoren fünf Sechstel. Die Arithmetik ist einfach, und sie ist der Grund, warum ein Motor, der gegen einen nominellen Schwebepunkt überdimensioniert wirkt, häufig stattdessen gegen den Ausfallfall korrekt dimensioniert ist.

Auf diese Gruppe bezogen hätte ein Vier-Motor-Luftgerät mit U15XXL-KV29-Motoren nach einem einzelnen Ausfall noch drei Einheiten, die zusammen etwa 304 kg der 406 kg halten, die alle vier gemeinsam erfassen – beide Werte aus den erfassten 101.4 kg je Motor abgeleitet. Dieselbe Arithmetik beim U15 II KV80 lässt 110 kg der 146 kg übrig, die vier davon erfassen. Keine der beiden Zahlen entscheidet, ob ein Luftgerät mit drei Motoren fliegt; das hängt vom Entwurf ab, und der Entwurf gehört dem Integrator und nicht dem Motor. Was die Zahlen zeigen, ist, welcher Motor für die von ihm hinzugefügte Masse die größere Reserve kauft, und wo ein Entwurf nahe an seiner Reserve sitzt, ist dieser Unterschied das gesamte Auswahlargument.

Der Dauerbetriebspunkt wiegt schwerer als die Spitze

Ein Schwebeflug in einem bemannten Luftfahrzeug ist kein Übergangszustand, und ein Reiseflug-Steigflug ist es ebenso wenig. Wo ein unbemanntes Missionsprofil seine Zeit in kurzen Ausflügen über einen komfortablen Mittelwert verbringt, neigt ein bemanntes Profil dazu, einen hohen Anteil der verfügbaren Leistung minutenlang zu halten – was das thermische Verhalten und nicht die Spitzenausgangsleistung in den Mittelpunkt der Entscheidung rückt. Spitzenwerte zählen weiterhin, aber für einen anderen Zweck: Sie dimensionieren die Verkabelung, den Steckverbinder und den ESC, weil ein Leiter den Strom spürt und nicht die Leistung.

Die Spalten, die den Dauerbetrieb betreffen, fehlen am häufigsten. Der Datensatz des U15 II KV80 führt 8580 W über ein Fenster von 180 s, was eine Aussage über die Last ist und keine Nennangabe, und keiner der beiden anderen Datensätze führt überhaupt eine Leistungsangabe. Bei diesen beiden besteht die verfügbare elektrische Information aus einem Spitzenstromwert – 180 A beim U15XL KV38 und 210 A beim U15XXL KV29 – zusammen mit einem bei 10 V gemessenen Leerlaufstrom. Das reicht, um eine Verkabelung zu dimensionieren und Wicklungen zu vergleichen; es reicht nicht, um einen Dauerbetriebspunkt zu erklären, und es so zu behandeln, als wäre es ausreichend, ist der häufigste Weg, auf dem eine bemannte Antriebsabschätzung schiefgeht.

Masse am Propellerende wird doppelt bezahlt

Motormasse an einem Luftfahrzeug wird nicht nur gehoben, sie wird auch beschleunigt. An einem Flügel oder einem Ausleger erhöhen rotierende und nicht rotierende Masse am außenliegenden Ende die Trägheit, die das Luftgerät in Nick- und Rollachse überwinden muss, was sich als Regelverhalten und Flugqualität zeigt und nicht als Schubdefizit. Der Effekt wirkt dauernd, während der mit dieser Masse gekaufte Schub nur am oberen Ende der Hülle genutzt wird.

Die Spanne innerhalb dieser Gruppe ist groß genug, um zu zählen. Vier U15 II-KV80-Motoren summieren sich auf 7.0 kg, vier U15XL-KV38-Einheiten auf 17.6 kg und vier U15XXL-KV29-Einheiten auf 20.5 kg – alle Werte aus den erfassten Massen abgeleitet. Der Abstand zwischen dem leichtesten und dem schwersten Vier-Motor-Satz beträgt daher 13.6 kg Luftgerät, was an einer leichten zweisitzigen Plattform eine echte Zahl ist und kein Rundungsfehler. Es ist auch der Grund, warum die leichteste Einheit hier nicht automatisch der richtige Ausgangspunkt ist: Sie erfasst den geringsten Schub der drei, und ein Entwurf, der den Schub braucht, kann ihn nicht zurückkaufen, indem er anderswo Masse einspart.

Erfasste Daten sind eine Entwurfsgröße, keine Zusammenfassung

In einem unbemannten Projekt ist eine fehlende Spezifikationsspalte eine Unannehmlichkeit, die sich durch einen Test klären lässt. In einem bemannten Projekt ist sie ein offener Punkt in einer Konstruktionsprüfung, weil die Zahlen, die eine Prüfung abschließen, aus einem dokumentierten Test kommen müssen und nicht aus einer Schlussfolgerung. Das verändert, wie ein Datensatz mit einer fehlenden Spalte zu lesen ist: nicht als Lücke, die mit einem plausiblen, von einem ähnlichen Motor entliehenen Wert gefüllt wird, sondern als Frage, die dem Hersteller zu stellen ist, bevor das Bauteil ausgewählt wird.

Auf den vorliegenden Fall angewandt, dokumentiert der Datensatz des U15 II KV80 Leistung und Abmessungen, während Spitzen- und Leerlaufstrom im Datenblatt des Herstellers stehen; die Datensätze des U15XL KV38 und des U15XXL KV29 dokumentieren Spitzen- und Leerlaufstrom, Widerstand, Welle und Leitung, während die Leistungsangabe im Datenblatt des Herstellers steht. Jeder der drei führt daher, was eine Art der Integration braucht, und lässt für eine andere eine Spalte offen, und die ehrliche Antwort ist, die Lücke zu benennen statt sie zu übertünchen. Es lohnt der Hinweis, dass die Namensgebung des Herstellers für zwei dieser Einheiten direkt auf den bemannten Betrieb zielt, sodass eine Konstruktionsprüfung diese Benennung zusammen mit den erfassten Schub- und Stromwerten lesen kann.

Die Zahlen, die die Wahl entscheiden

Sechs Wertegruppen tragen fast die gesamte Entscheidung, wenn Antriebssysteme für bemannte Luftfahrzeuge ausgelegt werden. Drei davon sind für alle drei Motoren veröffentlicht und drei nicht, was vor dem Ziehen einer Vorauswahl festzustellen ist.

Schub bei Ausfall eines Motors

Das ist der Filter, der Kandidaten ausscheidet statt sie zu ordnen, und er wirkt in der entgegengesetzten Richtung zu einem herkömmlichen Schubvergleich. Ein Motor wird hier aus einem Grund ausgeschieden, der nichts mit seiner eigenen Bewertung zu tun hat: Der Schub, den seine Geschwister nach seinem eigenen Ausfall erzeugen können, reicht nicht aus, weshalb die Frage immer über den Satz gestellt wird und nicht über das Einzelstück. Über diese Gruppe reicht der erfasste Höchstschub von 36.5 kg bis 101.4 kg, und der Drei-Viertel-Wert, den eine Auslegung mit vier Motoren behielte, reicht von 110 kg bis 304 kg – durchweg aus den erfassten Werten je Motor abgeleitet.

Zwei Vorbehalte gehören zu dieser Arithmetik. Erstens erfasst ToBMS den Höchstschub als einzelnen Wert aus den Prüfdaten des Herstellers, der einen Propeller bei einer Gasstellung und einer Spannung beschreibt; er ist eine Obergrenze und kein Arbeitspunkt. Zweitens erfasst keiner der drei einen Schubwert für den Schwebeflug, eine aus dem Höchstwert berechnete Reserve ist also eine Reserve gegen eine Obergrenze, und die tatsächliche Schwebeflugreserve ist um den Abstand kleiner, der die beiden trennt. Wo ein Entwurf nahe an der Grenze sitzt, lohnt es sich, diese Lücke aus den Prüfdaten des Herstellers zu schließen, bevor die Auslegung des Luftgeräts festgelegt wird.

Was die Datensätze über den Dauerbetrieb sagen

Der einzige Dauerwert in dieser Gruppe ist die Angabe von 8580 W über ein Fenster von 180 s beim U15 II KV80. Als Aussage über die Last gelesen besagt sie, dass die Einheit diese Leistung drei Minuten lang auf einem Prüfstand gehalten hat, was ein nützlicher Hinweis auf die thermische Fähigkeit ist und keine Definition dessen, was unbegrenzt gehalten werden kann. Eine abgeleitete Kontrolle ist verfügbar: Würden 8580 W am oberen Ende seines 12-24S-Fensters entnommen, so ergäbe ein 24S-Pack bei ungefähr 88.8 V nominell – die übliche Konvention von 3.7 V je Zelle und keine Motorspezifikation – etwa 97 A nach unserer Schätzung, ein aus den erfassten Werten abgeleiteter Wert und keine Herstellerangabe. Das sagt mehr darüber aus, wie der Test gefahren wurde, als über die Grenze des Motors.

Die beiden anderen Motoren veröffentlichen keine Leistungsangabe, ihr Dauerverhalten muss daher aus den Strom- und Widerstandsspalten abgeleitet werden. Diese Ableitung ist zulässig und sie ist begrenzt: Kupferverluste skalieren mit dem Quadrat des Stroms, die folgenden Zahlen sind also für den Vergleich nützlich und als Nennangabe unbrauchbar. Was sie belegen, ist, welcher der beiden schwereren Motoren bei seinem eigenen Spitzenwert kühler läuft, und das ist ein fairer Vergleich zwischen zwei Datensätzen derselben Art.

Bus, Strom und die Verkabelung dahinter

Die Busspannung wird vom Pack festgelegt, und in dieser Gruppe legt sie weitgehend die Kandidatenliste fest. Der U15 II KV80 nimmt 12-24S an, was das breiteste erfasste Fenster der drei und das einzige ist, das ein Pack niedrigerer Spannung einschließt; der U15XL KV38 und der U15XXL KV29 erfassen beide 24S. Ein breiteres Fenster ist nicht automatisch besser – es bedeutet, dass derselbe Motor an einem milderen Pack laufen kann, was dort nützlich ist, wo ein Luftgerät ein Testprogramm und ein Flugprogramm ohne Motorwechsel bedienen muss.

Beim Strom trennen sich die beiden schwereren von der leichtesten Einheit. Der U15XL KV38 erfasst 180 A Spitzenstrom und der U15XXL KV29 erfasst 210 A Spitzenstrom, während der U15 II KV80 keine Spitzenstromangabe veröffentlicht, ein direkter Vergleich über alle drei ist also nicht verfügbar. Nach der 24S-Konvention von ungefähr 88.8 V nominell impliziert ein Spitzenstrom von 210 A beim U15XXL in jenem Augenblick etwa 18.6 kW und ein Spitzenstrom von 180 A beim U15XL nach unserer Schätzung etwa 16 kW – beides aus den erfassten Werten abgeleitete Werte und keine Herstellerangaben, und beides vor allem für die Dimensionierung nützlich. Dieselben Zahlen legen den Kupferquerschnitt in den Leitungen, die Nennbelastbarkeit des Steckverbinders und den Dauerstrom des ESC fest, und an einem bemannten Luftfahrzeug werden diese drei Positionen üblicherweise mit weniger Reserve gewählt als der Motor selbst.

Wicklungswiderstand und wohin die Wärme geht

Der Widerstand ist die Spalte, die den Strom mit der Temperatur verbindet. Bei gegebenem Strom legt er die Kupferverluste fest, und Kupferverluste sind Wärme, die in einem Motor entsteht, der zur Kühlung bereits auf Luftströmung angewiesen ist. Zwei der drei Datensätze veröffentlichen ihn: 17 mΩ sowohl beim U15 II KV80 als auch beim U15XL KV38 und 20 mΩ beim U15XXL KV29. Auf ihre jeweiligen erfassten Spitzenströme gehalten, setzt die 17-mΩ-Wicklung des U15XL KV38 etwa 551 W um und die 20-mΩ-Wicklung des U15XXL KV29 etwa 882 W – beides eine Schätzung von uns auf Grundlage der erfassten Werte und ohne Temperaturkorrektur, und beides ein Wert für den Spitzenaugenblick und kein stationärer Wert, da ein Dauersteigflug weit weniger als den Spitzenwert zieht.

Der Vergleich ist gerade deshalb lehrreich, weil er den größeren Motor nicht auf jeder Achse begünstigt. Der U15XXL KV29 hat den höheren Widerstand und den höheren Spitzenstrom, erzeugt bei Spitze also mehr Wärme als der U15XL KV38; dafür erfasst er 101.4 kg Schub gegenüber 81.2 kg. Die Wahl zwischen den beiden an einem bemannten Luftgerät ist daher eine Frage nach dem Lastprofil – wie lange der Abschnitt hoher Leistung dauert und wie viel Luftströmung währenddessen verfügbar ist – und keine Frage danach, welcher Motor besser ist. Der U15 II KV80 lässt sich auf dieser Achse gar nicht einordnen, da sein Spitzenstrom nicht erfasst ist; seine Wicklung mit 17 mΩ ist die niedrigste hier, was zu einem kleineren Stator mit weniger Windungen passt.

Rotorgeometrie und der Propeller, den sie drehen kann

Alle drei Datensätze teilen dieselbe Statorauslegung 36N42P, die der ganzen Gruppe gemeinsam und für die Auswahl nützlich ist: Es bedeutet, dass die Unterschiede zwischen ihnen in Wicklung, Magnet, Blechpaket und Masse liegen und nicht in der Nut-Pol-Architektur. Das entfernt eine Variable aus dem Vergleich und lässt die Propellerabstimmung als verbleibende geometrische Frage übrig.

KV ist der Wert, der entscheidet, welchen Propeller eine Einheit bei einer sinnvollen Drehzahl drehen kann. Die drei Werte hier – 80, 38 und 29 – sind keine Rangfolge der Stärke; sie sind drei Antworten auf die Frage, wo die Rotordrehzahl bei einem gegebenen Bus landen soll. Eine Einheit mit 29 KV dreht an einem 24S-Bus einen deutlich größeren Propeller bei niedrigerer Drehzahl als eine mit 80 KV, weshalb die beiden nicht austauschbar sind, auch dort nicht, wo das Luftgerät physisch beide aufnehmen könnte. Wo ein Entwurf ein bestehendes Luftgerät vergrößert oder verkleinert, erhält die gemeinsame Abstimmung von KV und Propellerkreis den Betriebspunkt, und nur die Motorgröße zu ändern ist das, was ihn zerstört.

Welle, Befestigung und Leitungsanschluss

Die mechanischen Spalten entscheiden, ob ein Motor eingebaut werden kann, und an einem bemannten Luftfahrzeug entscheiden sie zusätzlich, wie wartungsfreundlich er ist. Die Hülle ist über die Gruppe hinweg ähnlich, aber nicht identisch: Der U15 II KV80 misst Ø147.5 × 55 mm, während der U15XL KV38 und der U15XXL KV29 beide Ø151.5 mm messen und sich in der Länge mit 96 mm bzw. 106 mm unterscheiden. Die 55 mm Länge der leichtesten Einheit beträgt etwas mehr als die Hälfte der größten, und daraus stammt der größte Teil ihres Massenvorteils von 3.39 kg gegenüber dem U15XXL KV29.

Der Wellendurchmesser teilt die Gruppe auf eine Weise, die mehr zählt, als es aussieht: Der U15 II KV80 erfasst eine 20-mm-Welle, wo die beiden anderen 25 mm erfassen, was den Propelleradapter, die Befestigungsmethode und die Last ändert, die eine Nabe tragen kann. Der U15XL KV38 und der U15XXL KV29 veröffentlichen jeweils eine Leitungslänge von 200 mm, was ausreicht, um einen vom Auslegerende entfernt montierten ESC zu erreichen und den Hochstrompfad kurz zu halten; der U15 II KV80 erfasst stattdessen eine Kabellänge von 100 mm, was zu einem näheren ESC passt, aber keine Messung auf derselben Grundlage ist, die beiden sollten also nicht verglichen werden, als wären sie es. Wo ein Wert nicht erfasst ist, sollte die Annahme am Bauteil geprüft werden und nicht an einem Schwestermodell.

Drei T-Motor-U15-Motoren im Vergleich

Die folgende Tabelle führt die drei Einheiten in aufsteigender Massenreihenfolge. Jeder Wert entspricht der Veröffentlichung im jeweiligen ToBMS-Produktdatensatz, und Lücken werden markiert statt gefüllt.

Alle drei Motoren sind in der ToBMS-Rubrik UAV-Motoren geführt und werden von T-Motor veröffentlicht. Der Schub ist in jedem Datensatz in Gramm gespeichert und hier in Kilogramm umgerechnet dargestellt; die Schub-, Massen- und Stromwerte sind wie erfasst, und jedes an anderer Stelle in diesem Artikel genannte Verhältnis oder jeder dort genannte Gesamtwert ist daraus abgeleitet und an seiner Stelle als abgeleitet gekennzeichnet. Eine Zelle in der Tabelle ist markiert und nicht gefüllt: Für den U15 II KV80 ist kein Spitzenstrom erfasst. Zwei weitere Werte liegen außerhalb der Tabelle, weil eine solche Spalte gar nicht geführt wird – die Leistungsangabe für den U15XL KV38 und den U15XXL KV29 steht im Datenblatt des Herstellers –, sodass die Gruppe insgesamt keine elektrische Spalte hat, die für alle drei belegt ist.

Das erste Muster, das die Tabelle zeigt, ist, dass Schub und Masse nahezu exakt gemeinsam skalieren und dass diese Skalierung die Größe nicht belohnt. Die drei Einheiten umspannen in der Masse etwa den Faktor 2.9 von 1740 g bis 5130 g und im erfassten Schub etwa den Faktor 2.8 von 36.5 kg bis 101.4 kg – beides abgeleitet. Der Schub je Einheit Motormasse ergibt etwa 21.0, 18.4 und 19.8 mal der eigenen Masse für den U15 II KV80, den U15XL KV38 und den U15XXL KV29, alle auf dieselbe Weise abgeleitet. Die leichteste Einheit verzeichnet damit das höchste erfasste Verhältnis der drei und die mittlere das niedrigste, was klar zu sagen ist, weil es der Erwartung zuwiderläuft, dass der größte Motor der effizienteste Weg ist, Schub zu kaufen.

Das zweite Muster liegt in der Spalte, die fehlt. Die Einheit mit dem höchsten erfassten Schub veröffentlicht keine Leistungsangabe, und die Einheit mit dem breitesten Busfenster veröffentlicht keinen Spitzenstrom – auf der elektrischen Seite ist also jeder Datensatz genau dort belegt, wo der andere es nicht ist. Ein Entwurf, der für denselben Motor eine Dauerleistungszahl und eine Spitzenstromzahl benötigt, wird beide in dieser Gruppe nicht finden, und die angemessene Antwort ist, die Frage an den Hersteller zu tragen statt zwischen Datensätzen zu interpolieren.

Das dritte Muster betrifft den Bus. Zwei Einheiten sitzen auf einem festen 24S-Bus und eine umschließt 12-24S, und die gemeinsame Statorauslegung aller drei bedeutet, dass dieser Unterschied vollständig in der Wicklung liegt und nicht in der Magnetik. Das ist nützlich zu wissen, wenn ein Entwurf sein Pack wechselt: Bei den beiden 24S-Einheiten ist das Pack Teil der Spezifikation, während beim U15 II KV80 ein Pack niedrigerer Spannung innerhalb des erfassten Fensters liegt und nur der Propeller neu abgestimmt werden muss.

Jeden Motor gegen eine bemannte Mission lesen

Erfasste Zahlen werden erst dann zur Entscheidung, wenn sie gegen das gelesen werden, was das Luftfahrzeug tut. Jede der drei unten passt zu einer anderen Art von Luftgerät, und keine von ihnen passt zu allen drei.

U15 II KV80 – die leichteste Einheit und der breiteste Bus

Der U15 II KV80 erfasst 1740 g, 36.5 kg Höchstschub, eine Wicklung mit 80 KV, einen 36N42P-Stator, 17 mΩ Widerstand, eine 20-mm-Welle, eine Kabellänge von 100 mm und ein 12-24S-Fenster, mit 8580 W über ein Fenster von 180 s. Er ist die einzige Einheit hier, die eine Leistungsangabe veröffentlicht, und die einzige, deren Busfenster eine niedrigere Zellenzahl umschließt, und mit 1740 g hat er weniger als die Hälfte der Masse jeder der beiden anderen – die Gehäuselänge von 55 mm gegenüber 96 mm und 106 mm ist der größte Teil der Erklärung.

Worauf diese Kombination deutet, ist ein Entwurf, in dem Masse und Packflexibilität schwerer wiegen als der Spitzenschub je Motor. Eine Auslegung mit vier Motoren auf dieser Einheit summiert sich auf 7.0 kg Motoren gegenüber 17.6 kg und 20.5 kg für dieselben Auslegungen auf den beiden anderen – aus den erfassten Massen abgeleitet –, und die 13.6 kg Unterschied zwischen den Extremen stehen stattdessen für Struktur, Akkus oder Nutzlast zur Verfügung. An einem leichten Luftgerät mit genug Motoren, um einen einzelnen Ausfall aufzufangen, ist das ein unmittelbarer Gewinn.

Was es kostet, sind der Schub je Einheit und die elektrische Dokumentation. Seine 36.5 kg sind etwas mehr als ein Drittel der 101.4 kg des U15XXL KV29, eine Auslegung mit vier U15 II-KV80-Motoren behält nach einem einzelnen Ausfall also etwa 110 kg gegenüber ungefähr 304 kg bei den größeren Einheiten – beides abgeleitet. Und da kein Spitzenstrom erfasst ist, lässt sich weder die Dimensionierung der Verkabelung noch der Kupferverlustvergleich allein aus dem Datensatz abschließen, was in einem bemannten Projekt ein offener Punkt ist und keine Fußnote.

U15XL KV38 – der mittlere Massenpunkt mit dem vollständigsten elektrischen Datensatz

Der U15XL KV38 erfasst 4408 g, 81.2 kg Höchstschub, eine Wicklung mit 38 KV auf demselben 36N42P-Stator, 17 mΩ Widerstand, einen Spitzenstrom von 180 A, einen Leerlaufstrom von 3.5 A bei 10 V, eine 25-mm-Welle, eine Leitungslänge von 200 mm und einen festen 24S-Bus. Er ist der einzige der drei, dessen elektrischer Datensatz sowohl einen Spitzenstrom als auch einen Widerstandswert neben einer Leerlaufstrommessung führt, was ihn zur Einheit macht, die sich ohne Rückfrage beim Hersteller auf einer thermischen Achse einordnen lässt.

Seine Position in der Gruppe ist der Grund, warum er oft die Antwort der mittleren Klasse ist und kein Kompromiss. Er teilt den niedrigsten erfassten Widerstand der drei mit dem U15 II KV80, erzeugt bei gegebenem Strom also weniger Kupferverluste als der größere U15XXL KV29 – etwa 551 W bei seinem eigenen Spitzenstrom von 180 A gegenüber etwa 882 W beim Spitzenstrom von 210 A des anderen, beides abgeleitet –, während er 81.2 kg Schub erfasst, was mehr als das Doppelte des Werts der leichtesten Einheit ist. Eine Auslegung mit vier dieser Motoren behält nach einem einzelnen Ausfall etwa 244 kg, abgeleitet, und summiert sich auf 17.6 kg Motoren.

Seine Einschränkung ist der Bus. Bei festen 24S gibt es keine erfasste Option, ein milderes Pack zu fahren, ohne das Fenster zu verlassen, ein Luftgerät, das die Flugerprobung mit einer niedrigeren Zellenzahl beginnen möchte, muss also die Motoren wechseln oder seinen Packplan ändern. Die 200 mm langen Leitungen und die 25-mm-Welle hingegen sind die großzügigeren der beiden hier erfassten Schnittstellensätze und passen zu einem Einbau, bei dem der ESC innerhalb des Auslegers sitzt.

U15XXL KV29 – der höchste erfasste Schub der drei

Der U15XXL KV29 erfasst 5130 g, 101.4 kg Höchstschub, eine Wicklung mit 29 KV auf dem 36N42P-Stator, 20 mΩ Widerstand, einen Spitzenstrom von 210 A, einen Leerlaufstrom von 3.3 A bei 10 V, Ø151.5 × 106 mm, eine 25-mm-Welle, eine 200-mm-Leitung und einen festen 24S-Bus. Er ist die schwerste und die schubstärkste Einheit der Gruppe, und der Hersteller benennt ihn direkt für bemannte wie unbemannte Luftfahrzeuge – eine Benennung, die die erfassten Schub- und Stromwerte stützen, während die Dauerleistung im Datenblatt des Herstellers steht.

Als Satz gelesen ist das die Einheit, die Reserve kauft. Eine Auslegung mit vier Motoren behält nach den erfassten Werten etwa 304 kg nach einem einzelnen Ausfall, abgeleitet, und eine Auslegung mit sechs Motoren behält fünf Sechstel von 608 kg. Dagegen fügen vier davon 20.5 kg Motormasse hinzu, und bei Spitzenstrom erzeugt jede rund 882 W Kupferverluste in einem 5130 g schweren Gehäuse – eine Schätzung von uns auf Grundlage der erfassten Werte, ohne Temperaturkorrektur –, was bei einem Dauersteigflug die Zahl ist, die entscheidet, ob der Kühlpfad ausreicht. Die 20-mΩ-Wicklung ist der höchste hier erfasste Widerstand, und weil Kupferverluste mit dem Quadrat des Stroms skalieren, bringt gerade die Kombination aus höchstem Strom und höchstem Widerstand in derselben Einheit die thermische Auslegung in den Mittelpunkt eines darauf aufgebauten Einbaus.

Der Leerlaufstrom von 3.3 A bei 10 V, geringfügig unter den 3.5 A des U15XL KV38, passt zu einer Wicklung mit niedrigerem KV, die zum eigenen Drehen etwas weniger Strom zieht, und er ist das einzige verfügbare Vergleichssignal zwischen den beiden auf der Leerlaufseite. Für sich genommen reicht er nicht, um eine Schlussfolgerung über den Wirkungsgrad über den Betriebsbereich zu ziehen, und er sollte nicht als eine solche verwendet werden.

Wo diese Systeme eingesetzt werden

Dieselben drei Motoren erscheinen in Luftgeräten, deren Randbedingungen sich stark genug unterscheiden, dass das Auswahlargument zwischen ihnen seine Gestalt ändert, weshalb für Antriebssysteme für bemannte Luftfahrzeuge die Plattform ebenso viel zählt wie der Datensatz.

Leichte zweisitzige und persönliche eVTOL-Plattformen

Das sind die Entwürfe, in denen der Ausfallfall alles bestimmt, weil die Antriebsauslegung meist das einzige System ist, das das Luftfahrzeug tragen kann. Eine verteilte Auslegung mit sechs oder acht Motoren ist üblich, gerade weil sie einen einzelnen Ausfall in einen teilweisen Schubverlust verwandelt und nicht in einen vollständigen, und diese Auslegungsvorliebe ist es, die einen schubschwächeren, leichteren Motor gegenüber einer schubstärkeren Alternative tragfähig macht. Die maßgeblichen Datensätze hier sind die, die genug elektrische Information veröffentlichen, um eine Verkabelung zu dimensionieren – was den U15XL KV38 und den U15XXL KV29 begünstigt –, und wo der Entwurf noch an der Packspannung arbeitet, ist das 12-24S-Fenster des U15 II KV80 die einzige erfasste Flexibilität der Gruppe. Die Gruppierung VTOL-Drohne deckt denselben Kompromiss aus Auftrieb und Reiseflug von der unbemannten Seite ab, wo die Randbedingungen andere sind.

Motorisierte Gleitschirme und Paramotor-Trikes

Diese Klasse von Luftgerät ist in der Rubrik das, was einem um eine einzelne Antriebseinheit herum gebauten Fluggerät am nächsten kommt, und sie ist zugleich die Stelle, an der die Masse am unmittelbarsten zählt. Ein Paramotor-Trike trägt einen oder zwei Motoren an einer Struktur, deren Massenbudget knapp und deren Propeller groß und langsam drehend ist, was auf ein niedriges KV und eine leichte Einheit deutet und nicht auf Höchstschub. Die KV-Spanne von 29 bis 80 über die ganze Gruppe ist hier nicht die ganze Geschichte – der sinnvolle Vergleich ist der gegen die 38 und 29 KV der beiden anderen Einheiten –, aber mit 1740 g und einem breiten Busfenster passt der U15 II KV80 zu einem Luftgerät, bei dem das Pack für Flugdauer gewählt wird und nicht für Spannung. Der Kompromiss bei einem Einzelmotor-Einbau ist, dass es keine zweite Einheit gibt, die einen Ausfall auffängt, und ein Entwurf in dieser Lage trifft eine ganz andere Art von Entscheidung.

Frachtluftgeräte auf dem Weg in bemannte Rollen

Eine Reihe großer Multikopter-Plattformen wird zuerst für Fracht entwickelt und dann angepasst, um eine Person zu tragen, und das Antriebsset ist meist der Teil, der unverändert übernommen wird. In diesem Fall ist die nützliche Lesart dieser Datensätze die Arithmetik des Ausfallfalls und nicht der nominelle Schub: Eine bereits auf U15XXL-KV29-Motoren um eine Frachtnutzlast herum dimensionierte Auslegung behält nach einem Ausfall etwa drei Viertel ihres installierten Schubs, abgeleitet, und das ist die Reserve, an der eine bemannte Variante gemessen würde, und nicht eine nachgewiesene Leistungsfähigkeit. Das ist auch die Konstellation, in der die fehlende Dauerleistungsangabe am stärksten schmerzt, weil das bemannte Lastprofil länger ist als das der Fracht und die thermische Reserve, die für einen kurzen Frachthüpfer ausreichte, für einen längeren bemannten Abschnitt möglicherweise nicht ausreicht. Die Anwendung Schwerlast-Drohne gruppiert dieselben Motoren nach Nutzlastklassen statt nach dem Ausfallfall, und die beiden Sichten lohnen sich gemeinsam zu lesen.

Wo dieselben Motoren nicht mehr die Antwort sind

Es gibt in dieser Rubrik eine Grenze, und sie verdient es, benannt zu werden. In dem Moment, in dem ein Entwurf davon abrückt, eine Höhe zu halten, und dazu übergeht, eine Strecke effizient zurückzulegen – vom Schwebeflug zum Reiseflug –, gilt die gesamte obige Rangfolge nicht mehr, weil der Betriebspunkt in den Bereich wandert, in dem eine Wicklung mit niedrigem KV, ein niedriger Wicklungswiderstand und ein großer, langsam drehender Propeller bei der Flugdauer gewinnen und nicht beim Schub. Das ist ein anderes Auswahlproblem, das unter Long-Endurance-UAV gesammelt wird und nicht hier. Ebenso stellt ein Luftgerät, dessen Antriebsset einen Dauerleistungswert als Zulassungsgröße und nicht als Leistungsziel halten soll, eine Frage, die keiner dieser drei Datensätze beantwortet, und die Antwort muss aus der Prüfdokumentation des Herstellers kommen.

Prüfliste für die Auswahl

Drei Prüfungen decken den größten Teil ab, und sie funktionieren in dieser Reihenfolge besser, weil jede das Feld für die nächste verengt.

Zuerst das Lastprofil

Vor dem Motorvergleich festlegen, was das Luftfahrzeug leisten soll: wie lange die Abschnitte hoher Leistung dauern, ob die Auslegung die Höhe im Schwebeflug oder nur im Vorwärtsflug hält und ob die Packspannung bereits entschieden ist. An einem bemannten Luftgerät scheiden diese drei Antworten meist mehr Kandidaten aus als jede Spezifikationsspalte, weil sie entscheiden, ob überhaupt ein Dauerwert benötigt wird und ob ein erfasster Spitzenstrom ausreicht.

Zweitens die Redundanz

Festlegen, wie viele Antriebseinheiten das Luftgerät trägt, und den verbleibenden Schub für den ungünstigsten einzelnen Ausfall berechnen, mit dem erfassten Wert je Motor und als abgeleitet gekennzeichnet. Diesen verbleibenden Wert gegen die Abflugmasse vergleichen, mit Reserve für die Reglerautorität und nicht nur für den Auftrieb, und daran denken, dass der erfasste Schub eine Obergrenze aus einem Prüfstandswert ist und kein Schwebeflug-Nennwert – keiner der drei Datensätze hier veröffentlicht einen für den Schwebeflug bewerteten Wert, die Arbeitsreserve ist also um diesen Abstand kleiner als die Reserve gegen die Obergrenze.

Schnittstellen und offene Fragen zuletzt

Erst wenn Last und Redundanz festgelegt sind, entscheiden die mechanischen und elektrischen Spalten zwischen den verbliebenen Kandidaten. Wellendurchmesser, Lochbild sowie Leitungs- und Kabellängen gegen den vorgesehenen Platz des ESC prüfen, die Verkabelung gegen den erfassten Spitzenstrom dimensionieren und nicht gegen die Leistungsangabe, und aufschreiben, welche Spalten der Datensatz nicht führt, damit sie aus den Prüfdaten des Herstellers geschlossen werden können, bevor das Bauteil festgelegt wird.

1. Zuerst Lastprofil und Packspannung festlegen und einen Entwurf, der keines von beiden entschieden hat, als noch nicht bereit behandeln, Motoren in die Vorauswahl aufzunehmen.
2. Den verbleibenden Schub für den ungünstigsten einzelnen Ausfall aus dem erfassten Wert je Motor berechnen und das Ergebnis als abgeleitet kennzeichnen.
3. Den verbleibenden Schub gegen die Abflugmasse mit Reserve für die Reglerautorität vergleichen und daran denken, dass der erfasste Höchstschub eine Obergrenze ist und kein Schwebeflug-Nennwert.
4. Prüfen, ob der Datensatz überhaupt einen Dauerleistungswert führt, und einen Spitzenstromwert nicht als Ersatz dafür behandeln.
5. Leitungen, Steckverbinder und den ESC gegen den erfassten Spitzenstrom dimensionieren und die Kupferverluste bei diesem Strom gegen den verfügbaren Kühlpfad prüfen.
6. Wo der Entwurf noch arbeitet, ein Busfenster bevorzugen, das die tatsächlich verfügbaren Packs einschließt, und eine feste Zellenzahl als Spezifikation behandeln, um die herum entworfen wird.
7. Wellendurchmesser, Lochbild und Leitungslänge gegen die Position des ESC prüfen und eine Kabellänge nicht mit einer Leitungslänge vergleichen, als wären es dieselbe Messung.
8. Jede Spalte festhalten, die der Produktdatensatz leer lässt, damit die Prüfdokumentation des Herstellers sie schließen kann, bevor die Auswahl festgelegt wird.

Häufig gestellte Fragen

Offizielle Quellen

Alle drei Motoren werden von T-Motor veröffentlicht, und die Seiten des Herstellers führen die Prüfdaten und Dokumentationen, die die ToBMS-Datensätze nicht wiedergeben: den U15 II KV80, den U15XL KV38 und den U15XXL KV29, mit der breiteren Auswahl im offiziellen T-Motor-Shop. Wo ein ToBMS-Datensatz schweigt – der Spitzen- und der Leerlaufstrom des U15 II KV80, die Leistungsangaben des U15XL KV38 und des U15XXL KV29 und jeder für den Schwebeflug bewertete Schubwert über alle drei –, sind diese Seiten oder das zugehörige Datenblatt die Stelle, an der die Lücke zu schließen ist.

Wie es weitergeht

Bis hierher zu lesen ergibt eine Vorauswahl und keine Entscheidung, und drei Werkzeuge machen daraus eine: Jeder Motor hier steht in der Rubrik UAV-Motoren, Kandidaten lassen sich in Auswahl nach KV, Masse und Bus eingrenzen, und zwei oder drei Einheiten lassen sich in Produktvergleich gegeneinander stellen. Die Anwendungsseite derselben Entscheidung ist auf der Seite Antriebssysteme für bemannte Luftfahrzeuge gesammelt, die die erfassten Entsprechungen nach Plattform gruppiert statt nach Spezifikation.

Zwei bestehende Leitfäden erweitern das Bild seitlich. Der Leitfaden für Heavy-Lift-Drohnenmotoren behandelt zwei dieser drei Motoren von der Nutzlastklassenseite, wo das Schubbudget die ordnende Idee ist und nicht der Ausfallfall, und er ist das Gegenstück zu dieser bemannten Sicht. Der Leitfaden zur Auswahl von UAV-Motoren stellt diese Einheiten in die breitere T-Motor-Palette, in der die Fragen ihre Gestalt völlig ändern, und der komplette Ratgeber zu BLDC-Motoren bringt jede Klasse in einen Rahmen für alle, die von der Technik ausgehen statt von einem Luftgerät.

Die Kurzfassung: Vor dem Motorvergleich Lastprofil und Pack festlegen, den verbleibenden Schub für den ungünstigsten einzelnen Ausfall berechnen statt den nominellen Schub, und dann zwischen dem verbliebenen Feld nach Masse und nach elektrischer Dokumentation wählen. In dieser Gruppe landet diese Abfolge meist beim U15 II KV80, wo Masse und Packflexibilität dominieren, beim U15XL KV38, wo der elektrische Datensatz vollständig sein muss und der Bus bereits 24S ist, und beim U15XXL KV29, wo immer der höchste erfasste Schub je Motor das ist, was das Luftgerät tatsächlich braucht.