브러시리스 모터 및 프로펠러 효율 측정 방법

작성자: Charles Blouin

비디오 튜토리얼

모터와 프로펠러를 테스트하는 것은 성능을 평가하고 설계에서 개선할 부분을 찾는 가장 효과적인 방법입니다.

이를 통해 효율성을 개선할 수 있으며, 이는 비행 지속 시간, 비행 시간, 페이로드 용량 등의 향상으로 직접 이어집니다.

이 글에서는 모터와 프로펠러 테스트 방법과 그 이유를 모두 다룹니다.

목차

1. 모터와 프로펠러를 테스트해야 하는 이유
2. 어떤 매개변수를 측정해야 할까요?
1. 브러시리스 모터 효율
2. 프로펠러 효율
3. 전체 시스템 효율
3. 추력 스탠드로 모터와 프로펠러 테스트하는 방법
4. 정적 테스트 절차
5. 효율성 결과 활용 방법

모터와 프로펠러를 테스트해야 하는 이유

먼저 본인 또는 최종 사용자의 요구 사항이 무엇인지 스스로 물어봐야 합니다. 이 질문은 어떤 매개변수를 최적화해야 할지 파악하는 데 도움이 되므로 중요합니다. 

• 더 오랫동안 끊김 없이 촬영하기 위해 더 오래 비행하고 싶으신가요?
• 더 큰 페이로드를 운반하고 싶으신가요?
• 더 빨리 비행하거나 강풍에서 조종성을 개선하기 위해 더 많은 추력과 출력이 필요하신가요?
• 과열 문제가 있으며 애플리케이션에서 고장률을 최소화해야 하나요?

최종 전력 시스템 선택은 기체와 페이로드뿐만 아니라 애플리케이션에도 달려 있습니다.

어떤 매개변수를 측정해야 할까요?

브러시리스 모터 효율

그림 1: NTM PropDrive 35-30 브러시리스 모터와 Quantum 13-4 탄소 섬유 프로펠러

모터의 특성을 완전히 파악하고 효율성을 결정하려면 다음 매개변수를 측정해야 합니다.

• 전압(V)
• 전류(A)
• 스ロット틀 입력(%)
• 모터 부하 또는 토크(Nm)
• 속도(RPM)

• 기계적 출력(와트) = 토크(Nm) * 속도(rad/s)
• 전기적 출력(와트) = 전압(V) * 전류(A)
• 모터 효율 = 기계적 출력 / 전기적 출력

출력 속도는 스로틀(%)과 부하 또는 토크(Nm)의 함수입니다. 모터의 특성을 완전히 파악하려면 여러 입력 전압과 다양한 부하에서 테스트해야 합니다. 스로틀은 컨트롤러로 조절하고, 부하는 프로펠러의 유형과 크기로 조절합니다.

추가 읽을거리: 브러시리스 모터의 작동 원리와 테스트 방법

프로펠러 효율

프로펠러 효율을 찾으려면 다음 매개변수를 측정해야 합니다:

• 속도(RPM)
• 토크(Nm)
• 추력(g)

이 매개변수를 통해 다음을 결정할 수 있습니다:

• 기계적 출력(와트) = 토크(Nm) * 속도(rad/s) ← 모터와 동일
• 프로펠러 효율(g/와트) = 추력(g) / 기계적 출력(와트)

기계적 출력은 모터와 프로펠러에서 동일하다는 점에 유의하십시오. 모터의 모든 기계적 출력은 모터 샤프트에 직접 연결되어 있기 때문에 프로펠러로 전달됩니다.

전체 시스템 효율

시스템의 전체 효율은 모터와 프로펠러가 얼마나 잘 함께 작동하는지에 달려 있습니다. 모터와 프로펠러가 각각 매우 효율적이더라도 두 부품이 잘 맞지 않으면 시스템은 매우 비효율적일 수 있습니다.

이 부품들은 공통 연결부(샤프트)를 가지고 있으므로 전체 시스템 효율은 다음과 같이 표현됩니다:

시스템 효율(g/와트) = 프로펠러 효율(g/와트) * 모터 효율

여기서 시스템 효율은 전기적 출력 1와트당 그램 단위입니다. 모터, 프로펠러를 변경하거나 심지어 다른 ESC로 교체하는 것 모두 시스템 효율을 변화시키는 데 기여합니다.

또한, 효율 값은 특정 명령 입력과 기계적 부하에 대해서만 유효합니다. 실제로 이는 모터의 완전한 효율 특성을 파악하기 위해 다양한 명령 입력 범위와 다양한 프로펠러(기계적 부하를 변화시키기 위해)에서 모터를 테스트해야 함을 의미합니다.

추력 스탠드로 모터와 프로펠러 테스트하는 방법

요약하자면, 모터와 프로펠러 효율을 얻으려면 전압, 전류, 토크, 추력 및 모터 속도를 동시에 기록해야 합니다. 이 측정값들을 결합하면 전기적 및 기계적 출력을 추출할 수 있으며, 이는 다시 효율 값을 제공합니다.

이러한 테스트를 수행하는 가장 쉽고 효과적인 방법은 모터와 프로펠러의 특성을 파악하도록 특별히 설계된 장비인 추력 스탠드를 사용하는 것입니다.

우리는 아래에서 논의되는 데이터를 수집하기 위해 Series 1585 추력 스탠드(5 kgf/ 2 Nm)를 사용했지만, 최대 500 kgf까지 측정할 수 있는 추력 스탠드도 제공합니다.

추가 읽을거리: 드론의 모터와 프로펠러를 테스트해야 하는 이유

정적 테스트 절차

이 글에서는 정적 테스트만 다룹니다(각속도, 스톨 토크 추정 등을 포함하는 동적 테스트에 대해서는 이야기하지 않습니다…).

테스트를 시작하기 전에 다음을 권장합니다:

• 모터 장착 플레이트와 함께 푸셔 구성으로 프로펠러를 설치하여 지면 효과를 줄이십시오.
• 다시 한번 지면 효과를 피하기 위해 프로펠러와 다른 물체 사이에 적절한 거리를 두십시오.
• 실내에 있는 사람들을 보호하기 위해 모든 안전 조치를 취하십시오.
• 매개변수가 안전 한계를 초과할 경우 시스템을 자동으로 차단하도록 추력 스탠드를 구성하십시오.

간단하지만 효과적인 테스트는 스로틀을 작은 단계로 올리고 각 단계 후에 샘플을 기록하는 것입니다. 각 단계에서 샘플을 취하기 전에 시스템이 몇 초 동안 안정되도록 하십시오.

글 시작 부분의 비디오에서 우리는 스로틀을 0에서 100%까지 10단계로 수동으로 변화시키는 방법을 보여줍니다. 이 절차는 RCbenchmark 소프트웨어의 자동 테스트 기능을 사용해서도 수행할 수 있으며, 이는 다른 튜토리얼에서 다룹니다.

추가 읽을거리: 브러시리스 모터 밸런싱 방법

효율성 결과 활용 방법

어떤 플로팅 소프트웨어를 사용해서든 출력 데이터를 분석할 수 있습니다. 아래는 위에 링크된 CSV 파일의 데이터를 사용하여 생성한 플롯의 예시입니다.

여기서 우리는 추진 시스템이 어느 지점에서 가장 효율적으로 작동하는지 보기 위해 프로펠러 추력과 기계적 효율을 비교했습니다.

그런 다음 이 데이터를 동일한 프로토콜을 사용하지만 다른 프로펠러를 사용한 다른 테스트의 데이터와 비교하여 모터와 가장 효율적인 것을 찾을 수 있습니다.

이 데이터로 수행할 수 있는 분석 유형에 대한 더 많은 예시는 모터와 프로펠러 테스트에 대한 우리의 기사를 확인하십시오.

결론