UAV-Motoren: KV, Schub und Masse passend zum Fluggerät

Ein UAV-Motor hat eine Aufgabe gut zu erfüllen: Er soll einen Propeller mit jenem Wirkungsgrad drehen, der das Luftgerät für die von der Mission geforderte Dauer in der Luft hält. Alles Übrige im Antriebssystem - ESC, Propellersteigung, Akkupack - wird darum herum gewählt; deshalb beginnt eine engere Motorauswahl meist bei Schub und Masse und verengt sich dann über KV, Statorauslegung und Wicklungswiderstand.

Dieser Leitfaden behandelt, wie Außenläufer-Antriebsmotoren spezifiziert werden, welche Angaben eine Auslegungsentscheidung tatsächlich verändern und wie sich dreizehn der Modelle vergleichen, die derzeit in der Rubrik UAV-Motoren auf ToBMS geführt werden. Jede der folgenden Angaben stammt aus ToBMS-Produktdaten oder aus der veröffentlichten Spezifikation des Herstellers - nichts davon ist geschätzt.

Kurze Antwort

Ein UAV-Antriebsmotor ist ein bürstenloser Außenläufer, dessen KV auf Propellerdurchmesser und Akkuspannung abgestimmt ist, dessen Statorauslegung und Wicklungswiderstand festlegen, wie viel Strom er ohne Überhitzung in Schub umsetzt, und dessen Welle und Lochbild darüber entscheiden, ob er in das Luftgerät passt. Die Auswahl läuft meist in einer Richtung: Propeller und Packspannung festlegen, Schub und Strom aus den Prüfdaten des Herstellers ablesen und dann den Motor wählen, dessen KV, Masse und maximale Leistung zu diesem Betriebspunkt passen. Masse zählt bei einem Multikopter doppelt - sie ist Nutzlast, die nicht für Akkus oder Sensoren zur Verfügung steht.

Was einen UAV-Motor tatsächlich entscheidet

Die folgenden Datenblattpositionen sind es, die ein Ergebnis verändern; der Rest sind Folgen daraus.

KV und der zu drehende Propeller

KV ist die Drehzahlkonstante - grob gesagt, wie schnell der Motor pro angelegtem Volt unbelastet dreht. Sie ist keine Gütekennzahl, und ein höheres KV ist kein besserer Motor. Sie legt vielmehr den Zusammenhang zwischen Spannung, Propellerlast und Stromaufnahme fest: Ein Motor mit kleinem KV dreht bei hoher Zellenzahl einen großen Propeller langsam und wirkungsgradgünstig, während ein Motor mit hohem KV bei geringer Zellenzahl einen kleinen Propeller schnell dreht. Die Abstimmung des KV auf das Luftgerät bedeutet meist, dass Zellenzahl und Propeller zuerst gewählt werden und das KV als Brücke zwischen beiden dient.

Statorauslegung: 12N14P, 18N24P, 24N28P, 36N42P

Die Statorbezeichnung beschreibt Nuten und Pole - 12 Nuten mit 14 Magneten, 36 mit 42. Mehr Nuten und Pole bedeuten im Allgemeinen eine gleichmäßigere Drehmomentabgabe und einen kleineren Rastschritt je Umdrehung, was zu größeren, langsamer laufenden Propellern und zum Ende der Baureihe mit kleinem KV passt. Höhere Polzahlen erhöhen zugleich die elektrische Frequenz, mit der der ESC bei gegebener mechanischer Drehzahl kommutieren muss; ESC-Timing und maximale elektrische rpm sind daher zu prüfen, sobald eine Auslegung in höhere Polzahlbereiche wechselt.

Innenwiderstand und Wirkungsgrad

Der Wicklungswiderstand entscheidet, wie viel der elektrischen Leistung statt zu Schub zu Wärme wird. Er ist zugleich die am stärksten von der Baugröße abhängige Angabe: Die Modelle dieser Rubrik reichen von 17 mΩ beim U15 II und U15XL bis zu 194 mΩ bei der kleinsten Navigator-Einheit. Unterscheiden sich zwei Motore ähnlicher Masse um mehrere zehn Milliohm, läuft der widerstandsärmere bei gleichem Strom im Allgemeinen kühler - genau jene Reserve, die darüber entscheidet, ob eine Mission mit langer Flugdauer mit einem bestimmten Pack möglich ist.

Maximale Leistung und das Fenster von 180 s

Die maximalen Leistungsangaben in dieser Rubrik werden über ein Fenster von 180 Sekunden ausgewiesen. Das ist eine Kurzzeitangabe und keine Dauerangabe, und sie besteht, weil der Multikopterbetrieb vom Schweben geprägt ist: Der Motor verbringt den größten Teil des Flugs bei Teillast und erreicht seine Grenze nur beim Steigen, beim Halten gegen Wind oder bei einer harten Abfangbewegung. Ein Luftgerät allein auf die maximale Leistungsangabe auszulegen, ohne den Strom am tatsächlichen Schwebepunkt zu prüfen, ist der häufigste Weg zu einem heißen Motor und einem kurzen Flug. Wo ein Dauerstromwert veröffentlicht ist, wird er im Vergleich weiter unten gesondert aufgeführt.

Welle, Befestigung und Kabel

Wellendurchmesser und Lochbild sind jene Spezifikationen, die einen guten Motor unbrauchbar machen, wenn sie übersehen werden. Die Landwirtschafts- und Schwerlastmodelle dieser Rubrik verwenden Stiftbefestigungen oder Wellenbefestigungen mit großer Bohrung für drehmomentstarke Propelleraufnahmen; die kleineren Luftbildeinheiten setzen auf 4 mm Wellen mit herkömmlichen Propellerbefestigungen. Kabellänge und Leitungsquerschnitt zählen bei Luftgeräten, bei denen der ESC am Ausleger sitzt statt an der Nabe - mehrere Modelle sind mit Kabellängen von 80 bis 600 mm aufgeführt und zusätzlich mit einem Gewicht ohne Kabel, und genau dieses ist die Angabe, die beim Abgleich mit dem Massenbudget des Luftgeräts zu verwenden ist.

Schub und Betriebspunkt

Schub ist für sich genommen keine Motoreigenschaft; er ist eine Eigenschaft von Motor, Propeller und Spannung in Verbindung. Deshalb sind die Prüftabellen des Herstellers aussagekräftiger als jede einzelne Zahl auf einem Datenblatt. Der Übersichtstext auf ToBMS hält den veröffentlichten Schub fest, wo er vorliegt, und diese Werte werden weiter unten Modell für Modell zitiert, statt zu einem einzigen Bereich zusammengefasst zu werden.

Dreizehn UAV-Motoren im Vergleich

Die Tabelle umfasst dreizehn der Antriebsmotoren, die derzeit in der Rubrik UAV-Motoren geführt werden, geordnet vom leichtesten zum schwersten. Die maximale Leistung entspricht der Angabe des Herstellers über 180 Sekunden; der Innenwiderstand ist der veröffentlichte Strangwert.

Statorauslegung, maximale Leistung über 180 Sekunden, Innenwiderstand, Wellendurchmesser und Masse gemäß den Herstellerangaben. Wellendurchmesser sind mit „Nicht angegeben" gekennzeichnet, wo der ToBMS-Datensatz keinen Wert führt, statt ihn aus einer Zeichnung abzuleiten.

Zwei Gruppen zeichnen sich ab. Unter 300 g handelt es sich um Luftbildeinheiten und Allzweckeinheiten mit 12N14P bis 24N28P, Widerständen zwischen 50 und 194 mΩ und einer Masse unter 200 g. Oberhalb von 600 g sind alle mit 36N42P ausgeführt - dieselbe Auslegung, nur skaliert - mit deutlich geringerem Widerstand und Leistungswerten, die bis in den Kilowattbereich hineinreichen. Der Sprung in der Statorauslegung zwischen den beiden Gruppen ist kein Zufall: Genau er erlaubt es, einen großen Propeller langsam mit vertretbarer Drehmomentwelligkeit zu drehen.

Das Verhältnis von Spitzenwert zu Masse ist hier nicht die brauchbare Kennzahl; der Widerstand im Verhältnis zur Masse und die veröffentlichten Schubwerte sind es. Der U3 KV700 beispielsweise ist mit bis zu 1.8 kg Schub bei 128 g an 3-4S aufgeführt, während der MN3110 KV470 bei 98 g auf 1.2 kg kommt und der MN3510 KV360 bei 117 g auf 1.9 kg. Erst die gemeinsame Betrachtung dieser drei Angaben macht aus einem Massenbudget eine Antriebsentscheidung, und keine von ihnen lässt sich ohne den Propeller und die Zellenzahl einordnen, mit denen sie gemessen wurden.

Navigator-Serie: MN3110, MN3510, MN4006, MN4014 und MN5008

Die Navigator-Baureihe bildet das Luftbild- und Leichtindustrie-Ende dieser Rubrik und ist zugleich die Gruppe mit den meisten veröffentlichten Schubdaten auf ToBMS.

MN3110 KV470 und MN3510 KV360

Der MN3110 KV470 ist ein 98 g schwerer 12N14P-Motor, aufgeführt mit bis zu 1.2 kg Schub und 330 W maximaler Leistung an 3-6S, einer 4 mm Welle und 600 mm Kabel - zusätzlich mit einer gesonderten Angabe von 80 g ohne Kabel, und genau diese Zahl ist im Massenbudget zu verwenden. Der MN3510 KV360 kommt auf 117 g und 330 W mit einem höheren veröffentlichten Schub von 1.9 kg an 3-6S. Das Paar zeigt, warum sich KV nicht über verschiedene Propeller hinweg vergleichen lässt: Der Motor mit dem kleineren KV und dem größeren Durchmesser trägt das schwerere Luftgerät.

MN4006 KV380, MN4014 KV400 und MN5008 KV340

Der MN4006 KV380 ist mit 68 g der leichteste Motor dieser Rubrik, mit 380 W maximaler Leistung und 16 A Spitzenstrom an 4-6S. Sein Wellendurchmesser sollte vor der Bestellung eines Propelleradapters gegen die Zeichnung des Herstellers geprüft werden, da eine einzelne falsch gelesene Abmessung einen Aufbau zum Stillstand bringen kann. Der MN4014 KV400 ist mit 171 g, 900 W und bis zu 3.3 kg Schub an 4-8S die Mitte der Familie, während der MN5008 KV340 einen 24N28P-Stator und eine 6 mm Welle verwendet, mit 760 W und 35 A Spitzenstrom an 6S. Die 24N28P-Auslegung in einem Luftgerät, das überwiegend schwebt, ist eine bewusste Wahl: Mehr Pole bedeuten im Allgemeinen gleichmäßigeres Drehmoment und geringeres Rasten bei den niedrigen Drehzahlen, bei denen der Motor seinen Flug verbringt.

U-Serie: U3 KV700 und U5 KV400

Die Motoren der U-Serie sind die Allzweckeinheiten für Multikopter, und beide sind als 12N14P ausgeführt.

U3 KV700: leichte Luftgeräte, hohes KV

Der U3 KV700 ist ein 128 g schwerer Motor, aufgeführt mit bis zu 1.8 kg Schub und 500 W maximaler Leistung an 3-4S, mit einem Dauerstromwert von 25 A und 600 mm Kabel. Die ToBMS-Übersicht beschreibt einen 12N14P-Stator mit wirkungsvoller Kühlung, ausgelegt auf industrielle und landwirtschaftliche Luftgeräte - bei diesem KV und dieser Masse handelt es sich jedoch eher um eine kleine bis mittlere Multikoptereinheit, und maßgeblich für die Auslegung ist der Dauerstromwert, da 500 W eine Angabe über 180 Sekunden ist.

U5 KV400: größerer Spannungsbereich

Der U5 KV400 ist der flexiblere der beiden: 195 g bei 850 W maximaler Leistung, ausgelegt über 3-8S, mit einer 5 mm Welle und einem Innenwiderstand von 116 mΩ. Der Dauerwert von 30 A und der Bereich von 3-8S machen ihn zu einem Kandidaten für Luftgeräte, die mit mehr als einer Pack-Konfiguration geflogen werden - eine häufige Anforderung, wenn ein Prototyp zunächst mit einem kleinen Akku geflogen und dann auf sein Serienpack umgestellt wird.

Schwerlast und bemannte Klasse: U8 Lite L, U15 II, U15XL und U15XXL

Oberhalb von 280 g wechselt die Rubrik ihren Charakter: Es handelt sich um 36N42P-Motoren für hohen Schub bei kleinem KV, mit Wellen im Bereich von mehreren zehn Millimetern und Stromangaben, die die Auslegung der Leistungsverteilung bestimmen.

U8 Lite L KV110

Der U8 Lite L KV110 wiegt 282 g und liefert veröffentlichte 11.2 kg Schub bei 2140 W maximaler Leistung an einem 12S-Bus, mit bis zu 45.8 A Spitzenstrom und einem Innenwiderstand von 105 mΩ. Die ToBMS-Übersicht nennt eine Lebensdauer von 1000 Stunden; das ist eine andere Art von Angabe als die übrigen in dieser Tabelle und verdient festgehalten zu werden: Bei einem Inspektions- oder Vermessungsfluggerät ist das Wartungsintervall eine Kostenposition und keine Fußnote. Eine 15 mm Welle bei dieser Masse weist zudem auf jene Propellerlasten hin, für die die Aufnahme ausgelegt ist.

U15 II KV80, U15XL KV38 und U15XXL KV29

Diese drei teilen einen Stator der 151-mm-Klasse und die 36N42P-Auslegung und unterscheiden sich hauptsächlich in KV, Masse und Strom. Der U15 II KV80 ist mit 1740 g der leichteste, mit 8580 W maximaler Leistung an 12-24S und veröffentlichten 36.5 kg Schub. Der U15XL KV38 kommt auf 4408 g und einen Spitzenstrom von 180 A, aufgeführt mit bis zu 81 kg Schub an 24S, und der U15XXL KV29 erreicht 5130 g und 210 A Spitzenstrom mit veröffentlichten 100 kg Schub.

Bei diesen Strömen ist der Motor nicht mehr die begrenzende Komponente der Auslegung: Steckverbinderbelastbarkeit, Leitungsquerschnitt und C-Rate des Akkus müssen gemeinsam mit ihm spezifiziert werden. Die Widerstandswerte - 17 und 20 mΩ - zeigen, wie dicht die Wicklungen ausgeführt sind, um die Verluste bei 200 A beherrschbar zu halten, und sie sind der Grund, weshalb diese Motore nicht ohne erneute Prüfung des ESC gegen ein Modell mit geringerem Strom getauscht werden können.

Landwirtschaft und hohe Nutzlast: P60 Pin und P80 III Pin

Die P-Serie ist das Sprühdrohnen-Ende der Baureihe, wo der Motor eine schwere, schlecht ausbalancierte Last über fortlaufende Manöver hinweg halten muss.

P60 Pin KV170

Der P60 Pin KV170 ist ein 375 g schwerer 24N28P-Motor mit 1800 W maximaler Leistung über 6-14S, einem Innenwiderstand von 80 mΩ und einem Dauerstromwert von 38 A. Die ToBMS-Übersicht zielt auf landwirtschaftliche Multikopter mit großen Propellern, und die Stiftbefestigung erlaubt es, einen drehmomentstarken Propelleradapter zu montieren, ohne sich auf eine kleine Gewindewelle verlassen zu müssen.

P80 III Pin KV100

Der P80 III Pin KV100 ist mit 649 g die größte Einheit der P-Serie, mit einem 36N42P-Stator und 2700 W maximaler Leistung. Er trägt mit 60 A den höchsten Spitzenstromwert der Landwirtschaftsgruppe sowie einen Wicklungswiderstand von 45 mΩ - gering für diese Masse, und genau das hält das Fenster von 2700 W aufrecht, ohne dass die Wicklungstemperatur davongeht. Die ToBMS-Übersicht beschreibt ihn als Antrieb großer Propeller für schwere Sprühlasten, also jene Betriebsweise, die Dauerlast mit ständiger Lageregelung verbindet.

Welcher Motor für welches Luftgerät

Auf ToBMS sind diese Motore einer beständigen Gruppe von Anwendungen zugeordnet, und die Anwendung entscheidet, welche Kenngröße ausschlaggebend ist.

Luftbild, Inspektion und industrielle Multikopter

Luftbild-, Inspektions-, Industrie- und Langstrecken-Luftgeräte sind in dieser Rubrik vertreten. Hier stehen Wirkungsgrad und geringe Schwingungen im Vordergrund, weil ein Gimbal gegen alles stabilisieren muss, was das Antriebssystem in den Rahmen einleitet; Innenwiderstand und Statorauslegung zählen mehr als Spitzenschub.

Landwirtschaft, Schwerlast und bemannte Plattformen

Landwirtschaftliche UAVs, Schwerlastdrohnen und Antriebssysteme für bemannte Luftfahrzeuge rücken Schub und Zuverlässigkeit nach vorn. An diesem Ende setzen der Dauerstromwert, die Wellen- und Befestigungsschnittstelle sowie das thermische Verhalten über wiederholte Einsätze hinweg die eigentliche Grenze - und die veröffentlichte Leistungsangabe über 180 Sekunden ist als vorübergehender Wert zu lesen, nicht als Betriebsangabe. Die drei Motoren, die die letzte dieser Gruppen tragen - U15 II, U15XL und U15XXL -, werden einschließlich der Abwägungen, die eine bemannte Plattform mitbringt, in Antriebssysteme für bemannte Luftfahrzeuge: T-Motor U15 II KV80, U15XL KV38 und U15XXL KV29 im Vergleich direkt verglichen.

Prüfliste für die Auswahl

Antriebsmotoren lassen sich in einem laufenden Luftgeräteprogramm spät nur schwer wechseln; diese Prüfungen lohnen sich also, bevor die Auslegeometrie und der ESC spezifiziert werden.

Luftgerät und Betriebspunkt

1. Zuerst Propeller und Zellenzahl festlegen und dann die Schub- und Stromtabelle des Herstellers am Schwebepunkt ablesen, nicht bei Vollgas.
2. Den Schwebestrom gegen den Dauerstromwert prüfen und die maximalen Leistungsangaben als Fenster von 180 Sekunden behandeln.
3. Die gesamte Antriebsmasse einschließlich Kabel berechnen und gegen jene Nutzlast- und Akkumasse abgleichen, die das Luftgerät tragen kann.
4. Die Schubreserve prüfen, die für das Halten gegen Wind und einen kontrollierten Sinkflug gebraucht wird, nicht nur für das Schweben.

Elektrische und mechanische Integration

1. KV, Polzahl und maximale Drehzahl gegen die Kommutierungsgrenze und die Timing-Anforderungen des ESC abstimmen.
2. Wicklungswiderstand und maximalen Strom gegen Pack, Steckverbinder und Leitungsquerschnitt prüfen.
3. Wellendurchmesser, Lochbild und Adapterkompatibilität klären, bevor Propeller bestellt werden.
4. Kabellänge und -führung gegen den vorgesehenen Platz des ESC am Ausleger prüfen und die Massenangabe ohne Kabel verwenden, sofern eine veröffentlicht ist.

Häufig gestellte Fragen

Offizielle Quellen

T-Motor veröffentlicht einen vollständigen Produktkatalog zu den Baureihen U, MN, P und AT, und jedes Modell hat eine offizielle Produktseite mit vollständiger Spezifikation, Schubtabellen und Zeichnungen - beispielsweise die offizielle Website von T-Motor. Der Hersteller bleibt die maßgebliche Quelle für Schubdaten, Wicklungsspezifikationen und Propellerempfehlungen; ToBMS hält die Ebene der Produktsuche durchsuchbar und vergleichbar.

Wie es weitergeht

Ist das Ziel eine engere Auswahl statt einer Recherche, erledigen drei Werkzeuge der Plattform die Arbeit nacheinander: Die vollständige Rubrik UAV-Motoren zeigt jedes Modell und jede Spezifikation nebeneinander, Kandidaten werden in Auswahl nach KV, Masse und Leistung gefiltert und danach in Produktvergleich gegeneinander gestellt. Für Luftgeräte, die auf Renneinsatz oder Festflügelbetrieb ausgelegt sind statt auf Auftriebserzeugung, deckt die Rubrik Drohnenmotoren diesen Bereich gesondert ab.

In Kurzform: Propeller und Packspannung festlegen, Schub und Strom am Schwebepunkt ablesen, auf den Dauerstrom auslegen statt auf die Spitze über 180 Sekunden und dann Masse, Welle und Befestigung gegen das Luftgerät bestätigen. Alles Übrige - Kabellänge, Adapterbauart, ESC-Timing - folgt diesen vier Entscheidungen nach.