Kommentare zum Baby Bootlegger in 1:6

[San Felipe]

Metal ist ja nun mal ein ausgezeichneter Wärmeleiter, deshalb kann ich mir ganz gut vorstellen, das durch die Kühlung der Stirnseite gut was an Wärme ans Wasser abgegeben wird. 

Ganz abgesehen davon ist das eine echt super Arbeit, leider bekomme ich sowas, mangels Drehe und Ahnung, nicht hin. Fast schon zu schade um das tief im Rumpf zu verstecken.

[frank-s]

Uiuiuiuiuiui,

hier ist ja eine Debatte im Gang.

Ich erschlage das jetzt mal mit ein bisschen Wärmelehre (Thermodynamik). Die Kenngröße für die Betrachtung wie aus dem Motor die Wärme abgeführt wird ist die Wärmeleitung Q(Punkt):

k ist dabei der Wärmedurchgangskoeffizient also eine Stoffeigenschaft von z.B. Aluminium (einfach) oder auch der Bordwand des Modells, ein Laminat aus Sperrholz, Mahagoni und Epoxidharz (ziemlich schwierig zu ermitteln). Die Temperaturdifferenz spielt eine Rolle und die Fläche. Die zweite Größe die eine entscheidende Rolle spielt ist die Wärmeübergangszahl (Wärmeübergangskoeffizient) Alpha. Die wiederum hängt von der Reynoldszahl und der Prandtl-Zahl ab und kann über die Nußelt- Funktion berechnet werden. Mit ausreichender Genauigkeit aber auch über folgende Zahlenwertgleichung:

Was kann man aus den Gleichungen, ohne groß zu rechnen erkennen:
Die Wärmeübergangszahl von Wasser ist mal mindestens 175- Fach (2100/12) größer als die von Luft, den Ausdruck in der Wurzel noch nicht berücksichtigt. Der Wärmeübergang hängt von der (Strömungs) Geschwindigkeit ab.

Wie gut geht die Wärmeenergie aus der erwärmten Luft durch den Bootsrumpf ins Wasser über? Die warme Luft zirkuliert eher gemächlich durch den Rumpf d.h. es ergibt sich ein schlechter Wärmeübergang. Dann muss die durch den Rumpf mit einem niedrigen Wärmedurchgangskoeffizient (Holz isoliert gut). Dann kommt der Übergang ins Wasser, ich fahre gerne schnell, also ist der Wärmeübergang gut. Weil ich so schnell fahre, ist aber so wenig Boot im Wasser, was wieder schlecht für den Wärmeübergang ist .

Im Vergleich dazu die Wasserkühlung: Mein Motorflansch ist selbstverständlich ideal ohne Verluste thermisch an den Motor angekoppelt . Es gibt also nur den Wärmedurchgang durch das Alu (sehr guter Wärmeleiter) und dann den Wärmeübergang vom Alu an das Kühlwasser. Ich plane eine kleine Kühlwasser Pumpe zu verwenden, damit habe ich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und einen guten Wärmeübergang. Das ist deutlich effizienter als die Luftkühlung (die der Motor aus gutem Grund trotzdem hat).

Das große Problem an der Wasserkühlung ist halt, dass nur relativ wenig der Verlustleistung am Flansch des Motors ankommt, aber besser als ohne!

Ich freue mich schon sehr über die nun folgende Diskussion

Schönen Abend, Frank 

[San Felipe]

Danke Herr Professor. 

Sag doch einfach: "Besser als nix" und/oder "Weil ich Bock hatte das zu bauen". Dann kapiert das auch so ein Tiefflieger wie ich. 

[JL]

Ja, wenn wir nun schon etwas Grundlage in die Sache bringen: Frank, hast du auch etwas zu den noch offenen Fragen:

• Wo entsteht die Verlustleistung (die geschätzten 80W)?
• Wie sieht es mit dem Wärmetransport von da zum Motorflansch aus?

Wenn's dem ein oder anderen zu theoretisch wird, man muss das nicht lesen. Ich gehe abends aber gern etwas weniger dumm zu Bett als ich am morgen aufgestanden bin ; deshalb interessiert mich das. Und wenn Frank dann alle Erklärungen zusammen hat, bitten wir ihn alle recht freundlich, das in einem Artikel für die Nachwelt zusammenzufassen.

[San Felipe]

Der Motor besteht ja nun auch fast nur aus Metall. Also ist auch der ein guter Wärmeleiter. Wenn nun an der Stirnseite Wärme abgezogen wird, wird schnell und ständig nach geliefert. So eine simple Kühlwasserspirale, 4 oder 5 Wicklungen, hat ja sogar, weil rundes Rohr, eine bedeutend kleinere Auflagefläche zum Motor und bringt trotzdem überraschend viel. 

Jedenfalls ist das bei Bürsten oder Innenläufern so. Bei einem Außenläufer ist das sicher eine interessante Fragestellung. 

[frank-s]

vor 18 Stunden schrieb San Felipe:

Danke Herr Professor. 

Sag doch einfach: "Besser als nix" und/oder "Weil ich Bock hatte das zu bauen". Dann kapiert das auch so ein Tiefflieger wie ich. 

Lieber Peter,

ich hege den Anspruch mache Dinge wenigstens im Ansatz zu verstehen, also ein bisschen. Schönes Beispiel dafür ist die oft gestellte Frage nach der Antriebsauslegung für ein Modell. Man kann durch ausprobieren so lange Motoren, Regler und Akkus einer unkontrollierten Kernschmelze zuführen bis vielleicht irgendwann eine sinnvolle Kombination rauskommt. Das ist nicht meine bevorzugte Methode. Ich war in meinen Ausführungen auch weit von Berechnungen entfernt, es ging darum Zusammenhänge und Abhängigkeiten aufzuzeigen, um die Sinnhaftigkeit einer solchen Wasserkühlung abzuschätzen, vielleicht etwas genauer als "Besser als nix".

Lieber Jürgen,

die beiden Fragen von sind genau die Krux an der Geschichte. Die Verluste entstehen zum einen natürlich in der Wicklung des Motors, zum anderen aber auch durch Wirbelströme in den Magneten. Wie gut der Wärmetransport Richtung Flansch ist kann ich überhaupt nicht sagen. Wollte man das zuverlässig bestimmen, kommt man an Messungen und ggf. einer Simulation nicht vorbei und da hört dann der Nutzen im Verhältnis zum Aufwand für mich wirklich auf. Sollte es dem Motor im Betrieb zu warm werden, mache ich einen kleineren Propeller drauf . Ich denke aber nicht, dass es dazu kommt.

 

Gruß Frank

[MiSt]

Verluste im DC-Motor:

• ohm'sche Verluste in der Wicklung
• ohm'sche Verluste in Bürste/Kommutator (entfällt beim BL bzw. werden in den Steller verlagert)
• mechanische Reibung in Lagern
• mechanische Reibung in Luft (gering im BL, weil strömungsgünstiger Rotor)
• mchanische Arbeit zur Eigenkühlung mit Gebläse, wenn vorhanden
• Wirbelstromverluste im Eisen-Rückschluss und in den Magneten selbst

 

Üblicherweise fasst man das zusammen zu ohm'schen Verlusten einerseits und "Leerlaufverlusten" anderseits. Im Punkt des maximalen Wirkungsgrades halten sich die beiden Verlustmechanismen die Waager, darunter überwiegen die Leerlaufverluste, darüber die Kupferverluste. Die Leerlaufverluste sind in etwa proportional zur Wurzel der Betriebsspannung(sänderung), die ohm'schen Verluste sind proportional zum Quadrat des Betriebsstroms. Dadurch verschiebt sich der Punkt maximalen Wirkungsgrades auch bei hohen Betriebsspannungen zu höheren Strömen, was man in der Frühphase des Elektrofluges ausgenutzt hat durch Spannungen/Drehzahlen an der Grenze zu mechanischen Problemen mit Getriebe zur Anpassung an die möglichst großen (= effizienten) Luftschrauben.

Beispiel:

Motor hat 10mOhm Innenwiderstand und 2A Leerlaufstrom bei 7,4V

==> 14,8W Leerlaufverluste

==> 14,8W Kupferverluste bei  38,5A² x 0,01Ohm

==> maximaler Wirkungsgrad ((38,5A x 7,4V) - 29,6W) / (38,5A x 7,4V) = 89,6% bei 38,5A

==> Verlustleistung dabei also knapp 30W

Bei 11,1V wird er ca. 2,5A Leerlaufstrom haben und der Punkt maximalen Wirkungsgrades verschiebt sich auf 52,5A. Allerdings ist die Verlustleistung dann schon ~55W

 

Beim Innenläufer wirkt eine Wasserkühlung auf den Rückschluss (Wirbelstromverluste) und die Wicklung. Der Rotor bzw. die Magnete sind nicht direkt kühlbar, weswegen Innenläufer auch schon mal wegen Wirbelstromverlusten im Rotor durch zu viel Teillastgegurke defekt gehen (daher auch der gute Tipp, die Motortemperatur nicht nur am Mantel, sondern auch an der Welle bzw. der Kupplung zu prüfen).

Beim Außenläufer mit Flanschkühlung "kümmert" man sich primär um die Verluste in der Wicklung (und dem vorderen Lager, aber die sind vergleichsweise marginal). DIe Magnete wiedrum lassen sich effektiv kühlen durch einen erzwungenen Luftstrom zwischen Stator und der Glocke (Zentrifugalgebläse wie in 700'ern). Das hat den wassergekühlten Außenläufern den Ruf einer gewissen Robustheit eingebracht, den sie auch bei den Fliegern haben im luftdurchströmten Betrieb. Und das obwohl sie objektiv im Wirkungsgrad einem gleich schweren bzw. gleich großen Innenläufer unterlegen sind in der Hochdrehzahlanwendung mit wenigen Polen im Boot (natürlich NICHT in der vielpoligen Langsamläuferanwendung im Flieger, Schlepper, U-Boot, Pedelec oder Elektroroller). 

Edited June 13, 2017 by MiSt

[frank-s]

Hallo Michael,

vielen Dank für die ausführliche Erklärung. Es fällt mir dennoch schwer abzuschätzen wie hoch der "Wirkungsgrad" der Flanschkühlung ist. Dafür müsste man die Temperatur am Flansch kennen und die Wärmemenge. Die Temperatur wäre noch zu messen, aber die Wärmemenge?

Gruß Frank

[JL]

vor 2 Stunden schrieb frank-s:

...Die Temperatur wäre noch zu messen, aber die Wärmemenge?...

Ersatzweise sollte Temperaturerhöhung des Kühlwassers und Menge desselben zur Wärmemenge führen...

[frank-s]

vor 42 Minuten schrieb JL:

Ersatzweise sollte Temperaturerhöhung des Kühlwassers und Menge desselben zur Wärmemenge führen...

Hallo Jürgen,

da hast Du vollkommen recht. Das Thema das mich am Ende umtreibt ist halt vorher abzuschätzen was das ganze bringt. Und vorher kenne ich weder die Temperatur am Motorflansch noch das Delta zwischen Kühlwasser Eintritt und Austritt.

Gruß Frank

[gaffeltoni]

Von Moderator JL bearbeitet

Verschoben aus Baubericht: Kommentare, Anmerkungen bitte nicht im Baubericht schreiben, sondern im dazu gehörenden Kommentarthema

Chapeau ! Saubere Arbeit !!!

[Steinbeisser]

Hallo Frank, 

schön dass es bei dir weiter geht.  Das sieht alles schon mal ziemlich beeindruckend aus was du da zauberst.

Wann ist denn die ungefähre Fertigstellung geplant?

Wird die Welle wirklich Federstahl oder eine Kombination aus Stahl und Flexwelle ?

Bei der Länge, und dann noch gebogen, hätte ich Bedenken mit dem Rundlauf ohne das die Welle anfängt zu schlagen.

Schade dass ich nicht so gerne feile wie du, daher bin ich froh, dass meine Ruderanlage aus Messing in 1:6 für meine Riva Aquarama schon vom Vorbesitzer hergestellt worden ist. Der Herstellungsprozess scheint aber ähnlich gewesen zu sein. 

Ich bin gespannt wie es weiter geht und bleibe dran.

[frank-s]

Hallo Detlef,

das Thema  Baby Bootlegger wurde vor ca. 20 Jahren von mir  gestartet, vor 11 Jahren habe ich den Baubericht angefangen, da wäre jede Prognose zur Fertigstellung hochgradig unseriös. 

Das wird schon eine reine Federstahl Wellenanlage. Wenn man die richtig baut, schwingt die auch nicht auf. Ich werde da sachkundig von Michael beraten.

[Steinbeisser]

Dann kann ja eigentlich nichts schief gehen.

Wenn ich allerdings bisher 20 jahre Bauzeit bedenke, davon ausgehe dass wir beide nahezu gleich alt sind, dann hoffe ich, die Fertigstellung noch miterleben zu dürfen. Die Prognose wäre daher jetzt schon wirklich schwierig zu erstellen.

Dann werde ich vermutlich mit der Riva deutlich schneller fahrbereit sein, obwohl sich da im Moment rein gar nichts tut.

[JL]

Nun ja, die Anwesenheit von Crown Royal in der Bastelwerkstatt mag die ein oder andere Verzögerung erklären

[MiSt]

Wellenanlagen sind ja leider fast so sagenumwoben wie Elektromotoren und ihre Auslegung 

Eine "Federstahl-Wellenanlage" ist eigentlich nur eine "Starrwelle" mit besonders geringem Durchmesser, hergestellt aus einem für die Aufgabe besonders geeigneten Werkstoff (gehärtet, nicht spröde). "Starrwelle" in Anführungszeichen, weil das eh nicht stimmt, und bei Federstahl macht man den Bug halt zum Feature .

• Sie kann mit wenig Aufwand "ruhiggestellt" werden (kleine, schmale Messing-Stützlager mit "Wurfpassung" 2,1mm für 2mm Federstahl alle 5-15cm je nach Drehzahlniveau von SAW bis Halbgleiter, also >50kU/min bis <15kU/min). Die demgegenüber 8-fache Masse einer 4mm-Stahlwelle (die eben nicht "starr" genug ist, um nicht doch aufzuschwingen) ist nahezu nicht unter Kontrolle zu bringen, weil die Steifigkeit des "stützenden" Stevenrohrs seinerseits an Grenzen stößt bzw. nicht ausreicht)
• Es ist somit nicht das geringste Problem, weder technisch, noch finanziell, eine solche Welle für z.B. ein Ovalrennboot  (<35kU/min) zu bauen, die zum Laufgeräusch über das ganze Drehzahlband keinerlei Beitrag leistet
• Sie kann - was hier und auch sonst oft der Plan ist - in gewissen Grenzen in Neigung/Höhe eingestellt werden (nicht so krass wie Flex, dafür sind aber beide Drehrichtungen uneingeschränkt zulässig)
• Sie ist unglaublich billig in der Herstellung und Wartung, viel billiger als Flex, viel billiger als "starr", viel wartungsärmer als Flex 

 

 

[JL]

vor 47 Minuten schrieb MiSt:

...Eine "Federstahl-Wellenanlage" ist eigentlich nur eine "Starrwelle" mit besonders geringem Durchmesser...

Michael,

interessanter Ansatz: Wenn  ich das richtig verstanden habe, müsste eine solche Welle bei geringeren Drehzahlen, also Einsatz in den üblichen Verdränger-Modellen, auch funktionieren und würde dann mit eher größeren Abständen der "Wurfpassungs-Lager" auskommen. Korrekt?

Ich denke jetzt gerade an ein Eisbrecher-Modell: In der Literatur habe ich dazu nur gefunden, dass eine kräftig dimensionierte Wellenanlage (5 oder besser 6 mm Durchmesser der Welle) empfohlen wird, wenn man denn wirklich vorhat, sein Modell mit Eis in Kontakt zu bringen.

[MiSt]

Jürgen,

vom SAW-Boot über Ovalrenner und Halbgleiter zum Eisbrecher ... hmmm.

Antriebsleistung ist Drehmoment x Drehzahl. Es gibt Gründe, warum Rennfahrzeuge fast immer die Leistung nicht über das Drehmoment holen/einbringen.

Ebenso wie es Gründe gibt, warum ein Eisbrecher, oder ein Tanker, nur über Drehmoment und langsam laufende "riesige" Schraube effizient bewegbar ist. Oder ein Uboot, dessen 30blättrige Schraube mit 1 U/Woche "unhörbar" sein soll und ist.

Entlang dieser Argumentationskette sollte klar sein, dass ein Eisbrechermodell mit mehreren mm Wellendurchmesser besser bedient ist. En Detail kann das Frank besser belegen: Er hat seinerzeit (anno 2000+X) eine Formel rausgesucht gehabt, die die Eigenresonanzen einer Welle berechnet (Drehzahl, Material, Durchmesser ==> Länge der ersten stehenden Welle). Deren Ergebnisse sagten ganz klar: Schon 20kU/min wird mühsam mit z.B. 4mm Welle. Weswegen wir uns damals eine Zeitlang mit Titanwellen rumgeschlagen haben. Was für ein grauenhafter Werkstoff für Hobbyanwendungen . 

Bedeutet aber auch, dass die 2-3000 U/min (realistisch - k.A.?) mit Eigenresonanzen eher kein Thema haben, oder das Stevenrohr das eine mittige Stützlager, sofern notwendig, seriös abfangen kann.

2mm Stahl, auch hochwertiger Federstahl, hat keine Chance bei einem plötzlich blockierten Propeller von 100mm. 

Es gibt immer mehrere Kämme, über die man Dinge scheren sollte. Hier war das Ausgangsthema der 1:6 Bootlegger mit 10-15 kU/min (?)  und K54 (?!) am unteren Ende der sinnvollen Anwendung von 2mm Federstahl. Ich halte es für möglich, dass Frank so eine Welle schrottet - 0,80€ im Ofen, wird dann eben umgestellt auf 2,5mm oder gar 3mm, Prinzip bleibt gleich. Wahrscheinlicher ist: Es funzt mit den 2mm. Jahrelang. Geräuschlos. Die alternative 50-60cm lange "Starrwelle" wäre vermutlich nicht unter Kontrolle zu bringen - ggf. schon, aber wesentlich schwieriger und eben nicht sicher. Einstellbar wäre sie auch nicht.

 

EDIT:

Für so eine Kompaktwellenanlage, wie sie gerne genutzt werden, in z.B. einer Motoryacht wäre 2mm Federstahl statt 4mm Stahl die klar bessere Wahl, ja. Die Adaptierung auf die gängigen 4mm und M4 macht "man" gerne mit Edelstahlrohr der Fa. HERO in Berlin, als Endstück verklebt und gepflegt in gängigen Kugellagern, ggf. auch Gleitlagern, gelagert. Mit Fett zwischen den Kugellagern wird das dann auch ohne große Reiborgien dicht.

Edited January 2, 2022 by MiSt

[Steinbeisser]

Das sieht genial aus!

Schade, dass man das später fast nicht mehr sehen kann. Gut allerdings wenn man weiss, dass es so perfekt gemacht wurde. Zum Glück spielt Gewicht in dem Maßstab keine große Rolle, dann kann man sich auch in solchen Details richtig austoben.

Da bin ich froh, dass meine Anlenkung bei der Riva 20 cm hinter der Decksöffnung ist und die niemand zu Gesicht bekommt...

[JL]

Ja, schön gemacht, aber schade, dass das später kaum zu sehen sein wird. Aber so als kleiner "Kritikpunkt", die Plaste-Scheibe auf dem Servo passt jetzt natürlich nicht so gut zu der anderweitigen, high tech Ausstattung

[MiSt]

Servohebel aus Alu mit jeweils passendem Vielzahnantrieb sind handelsüblich .

Allerdings sind die teilweise recht wackelig in eben diesem Vielzahn .

[Ralph Cornell]

Ich nehme am einen Ende von Schubstangen gerne Kugelköpfe. Die gibt es auch mit größeren Gewinden als M2, im Hubschrauber-Bedarf.

[frank-s]

....na gut, dann ersetze ich die Plaste-Scheibe bei Zeiten noch gegen einen Alu- Servohebel, der dann hoffentlich nicht wackelt und gut aussieht. 

@Ralph Cornell
wer den Baubericht aufmerksam gelesen hat wird feststellen, dass ich Kugelköpfe mit Gewinde M3 verbaut habe, auf beiden Seiten der Schub/Zugstangen. Da wackelt nichts, das war aber auch nicht das Thema...

 

[Chris DA]

Naja..... Ich sehe das alles als " maximaler Aufwand für minimale Sachen" sieht toll aus etc..., Hab ( leider) so was im Keller stehen und weiss nicht, was ich damit machen soll  ..... Ralph hat , zurecht, angemerkt, daß sowas auch in M2 geht!

[frank-s]

Das verstehe ich nicht. Habe ich was falsches gemacht oder geschrieben?