고급 멀티콥터 설계(2)-모터, 프로펠러, ESC

Copter Wiki 페이지에는 멀티콥터 제작 혹은 조립에 관한 유용한 정보들이 많습니다.

그중에서 제가 제일 도움을 많이 받았던 문서는 멀티콥터 제작방법(Build your own Multicopter) 입니다. 멀티콥터를 어떻게 조립할 수 있는지에 대한 얼개를 알려준 글입니다.

이번 글은 고급 멀티콥터 설계(Advanced Multicopter Design)입니다. 멀티콥터를 제작 혹은 조립하고자할 때 가장 중요한 프레임 선정, 동력계 선정 등을 다루는 글입니다. 글이 상당히 길어서 네 부분으로 나누어 번역합니다. 이 글은 그중 두번째 글입니다.

고급 멀티콥터 설계(1) - 인기있는 멀티콥터 프레임 유형

고급 멀티콥터 설계(2) - 모터, 프로펠러, ESC

고급 멀티콥터 설계(3) - 멀티콥터 프레임

고급 멀티콥터 설계(4) - 제작 사례 및 기법

모터, 프로펠러, ESC

멀티콥터의 경우, 모터/프로펠러/ESC(전자변속기)는 매우 중요하며, 과거에는 오류가 가장 많이 발생한 부품이었다. 

EClac 기반의 Xcopter: motor – propeller – battery – ESC 계산기를 사용하면, 원하는 콥터를 위한 최적의 조합을 맞출 때 도움이 된다.

• 여기에서는 쿼드콥터 설계를 예로 든다. 가장 널리 사용되고 있고 가장 다양하기 때문이다.
• 그러나, Hexa/Y6 나 Octo/X8 설계에도 적용할 수 있다. 

• 브러시리스 외부회전(out-runner) 방식의 모터는 고속으로 회전하는 가운데 콥터 전체의 무게를 계속적으로 지지해야 한다.
• 취미용 모터는 부적절한 콘라드(Conrad) 유형의 봉인되지 않은 베어링을 사용하는 경우가 종종 있지만, 축방향으로는 좋아도 추력에는 좋지 않다?
• 아울러 이런 모터는 대부분 프레임이 개방되어 있어 냉각에는 뛰어나지만 보호에는 취약하다.
• 이로 인해 불필요하게 오류가 많이 발생하였으며, 특히 습도가 높거나 먼지가 많은 환경에서는 살아남기 힘들다.
• 저렴한 중국제 모터는 문자 그대로 공중에서 모터에 지지하는 데는 좋은 선택이 아니다.
• 일부 최고의 모터는 2개 또는 3개의 쉽게 교체 가능한 ABEC-7급 베어링을 사용한다. 예로는 RCTiger-Motor Pro 시리즈와 KDE 가 있다.
• 최고의 모터는 환기가 잘되고 고온에 견디는 부품을 사용하고 환경적 보호를 위해 코팅과 보호가 잘된 것이다.
• TMoter와 KDE와 같은 최고의 모터는 성능비교표(performance comparison chart)가 있으므로, 콥터를 설계할 때 이를 검토해야 한다.
• 최고의 모터-프롭-배터리 조합을 이루면, 50% 추력시 10% 이상의 G/W 효율성을 보이게 된다.??
• 아울러 최적의 효율성과 비행시간을 얻으려면, 콥터 설계 하중을 약 50%의 추력에 호버링할 수 있도록 설계해야 한다.
• 최고의 모터는 상당히 비싸지만, 신뢰성, 성능, 효율성을 고려할 때 장기적으로 훨씬 더 좋고 가치가 있다.
• 낮은 전압에서 큰 프로펠러를 사용하는 KV가 낮은 모터가 가장 효율적이며, 비행 시간이 길다.
• 최고의 모터/프로펠러/배터리 조합을 이루면 카메라를 포함해서 비행시간이 30분이 되는 콥터를 조립할 수 있다.
• 8인치 짜리 330 콥터로부터, 18인치 700 콥터까지, 카메라/짐벌 무게에 따라 다르지만, 비행시간 30분은 가능하다.
• 어떤 "유용한" 멀티콥터도 크기와는 관계없이 30분 이상의 유효 비행시간을 얻는 것은 아주 힘들다.
• 취미급 부품이라면 최대 20분의 비행시간 정도가 가장 이상적인 목표이다.
• ESC도 매우 중요하다.
• 고품질 ESC는 저가의 ESC보다 신뢰성이 높다.
• 필요 최대 전류를 보장하려면, ESC가 적절한 크기어야 한다.
• 적절한 범위내에서 사용하는 것이 효율적이기 때문에, 일반적으로 크기를 초과하지 말고 적절한 것을 사용하라. (가볍고)
• 충분한 냉각이 아주 중요하다. 특히 "대형(Heavy Lift)" 콥터의 경우. ESC는 공기 흐름이 있는 곳에 설치할 필요가 있다.
• 소형에서 중간 크기의 쿼드콥터에는 20-30 암페어 급의 4 in 1 ESC가 있는데 여러가지 장점이 있다.
• 배전판이 필요없고 전선처리가 간결하다.
• 직류 전선이 상당히 줄어들기 때문에 전자나침반에 대한 직류 전자파 방사 간섭도 줄어든다.
• 주로 콥터 프레임 중앙부에 깔끔하게 설치할 수 있다.
• 20-25 암페어급 4 in 1 ESC는 3S - 4S LiPo 배터리와 사용가능하며, 30 암페어급은 3S - 6S 배터리와 사용가능하다.
• ESC는 한쪽면에 알루미늄 방열판이 있다. (Finned 방열판을 사용하면 방열 효율을 높일 수 있다.)
• Finned 방열판이 필요할 경우, Fujik 실리콘 열전도성 접착체를 얇게 바르면 된다.
• 각각의 ESC보다 일반적으로 안정성이 높으며, 가격도 저렴하다.
  
• 크고 속도가 느린 프로펠러가 일반적으로 작고 속도가 빠른 프로펠러보다 훨씬 더 효율성이 높다. 
• 하지만, 한계와 단점이 있다. :
• 용량보다 큰 프로펠러를 달면 과열이 발생할 수 있어, 모터에는 대부분 최대 프롭 크기가 정해져 있다.
• 아울러 정말 크고 느린 프로펠러는 멀티콥터의 반응성이 떨어지고, 공중에서 진동이 발생할 수 있다.
• 극단적이지만 않다면 이러한 어려움은 별로 심각하지 않으며, 여러가지 방식으로 보완할 수 있다.
• 처리 특성이나 모터 스트레스가 생각과 다르다면 그냥 프로펠러의 크기를 조금 줄이면 해결할 수 있다.
• 프로펠러 디자인은 매우 다양하며, 특히 저속의 대형 프로펠러는 설계가 매우 중요하다.
• 중심부는 넓고 가장자리는 얇은, cupped blades형 탄소섬유 설계가 14인치 이상의 대형에서는 최고이다.
• 14인치 이하의 프로펠러의 경우, 날이 넓고 플라스틱이나 탄소섬유로 만들어진 일반적인 설계도 무방하다.
• 모터중에는 특정 프로펠러와 함께 표시되는데, 최적의 성능을 내기위한 가장 좋은 시작점이다.
• TMotor 는 프리미엄 프로펠러로 인정받지만, RC-Timer와 Tarot의 대형... 날이 가늘어지는(tapered) 프로펠러를 사용해야 좋은 결과를 얻을 수 있다.
• APC, DJI, GemFan, RC Drones , Graupner 등은 모두 14인치 이하급에서 좋은 프로펠러를 생산한다.

대형 쿼드콥터용 전문가급 동력계통(28인치 이상)

• Tigermotor U8 Pro 시리즈는 현재 상업적으로 판매되는 (대형) 콥터 모터 중 최고이다.
• 환경으로부터 보호되고, 폐쇄형 구조, 쉽게 교체 가능한 베어링

• 아울러 two piece 27/28/29 인치 탄소섬유 프로펠러도 판매함

• 이에 맞는 최고급 70 암페어 ESC 도 있음

• U8 Pro T-Motor는 $300.00, 28″ 탄소섬유 프롭은 한쌍에 $370, 70 A 프로 ESC $110.00. 4개 한세트를 구성하려면 총 $2380
  
• 이들은 위에 있는 대형 Steadidrone Quadcopter에 사용되며, 명백히 최고 품질의 전문가용 고가의 제품이다. 
• 이는 매우 무거운 짐까지 들수 있고, 오래 날수 있는 콥터로 대부분의 사용에서는 극히 과도하고 위험하다.
• 이 조합은 총중량 12 kg 까지 가능하며 총 40분의 비행시간이 가능하다.
• 이는 무거운 적재와 오랜 체공시간이 필요한 매우 심각한 사용분야를 위한 콥터로 아마추어용이 아니다.
• 재난 구조, 검색, 화재 감시, 정찰, 생태/지리적 측량, 지도제작 등에 적합하다.

중형 쿼드콥터(16인치 프로펠러)를 위한 전문가급 동력계통

• 명백히, 좀더 적당한 크기의 콥터에 비슷한 정도의 품질을 적용하는 것이 훨씬 더 실용적이다.
• 380KV T-Motor 4008 - $85.00, 16×5" 탄소섬유 프롭 한쌍에 $90, 30 A 프로 ESC $50 - 4개 한세트를 갖추는데 $720.
• 이 부품은 5kg 내외의 콥터까지 잘 작동하며, 뛰어난 내구성, 효율성, 체공능력을 제공한다.
• 이는 DSLR급 카메라와 브러시리스 짐벌을 장착한 전문가용 사진/비디오 쿼드콥터를 위한 매우 실용적인 설정이다.
• 4S 14.8V, 5S 18.8V, 6S 22.2V 배터리까지 선택 가능하며 총 중량에 따라 14″ ~ 17″ 프롭을 장착할 수 있다.
• 적절하게 설정하면 장비를 완전하게 갖춘 상태로 30분의 비행시간을 확보할 수 있다. 

• 아래는 매우 뛰어난 ($120.00) KDE 4014XF-380KV 모터로서 3개의 대형 교체가능 ABEC 베어링이 있다. 200시간 가능?
• 이 모터는 13"에서 18" 프로펠러를 사용할 수 있으며, 3S - 6S 의 다양한 배터리를 사용하여 매우 효율적으로 운영된다.
• 이 KDE 모터는 작동범위가 매우 놀랄만하여, 3kg 에서 10kg까지의 쿼드콥터에 사용할 수 있다.
• 모든 부품과 제조 기법은 어떤 타협도 없이 가장 최고의 모터를 생산하는데 최적화되어 있다.
• 이 모터에는 빗모양의 열방출 케이스와, 고온 캡슐화 부품과 자가 환기형 설계가 있다.
• 사실 이 제품은 필요하다면 다른 모터들은 즉각 파괴될 수 있는 온도에서도 계속 사용할 수 있다.
• 다양한 구성으로 카메라까지 포함하여 1시간 정도 이상 날릴 수 있다면 꽤 괜찮은 편이다.
• 약간의 비용으로 15000 불 짜리 Steadidrone의 성능에 접근하는 쿼드콥터를 생산하는데 알맞다.
• 18인치 프롭 정도를 장착하면 비슷한 정도의 적재 능력과 거의 40분에 달하는 비행시간을 구현할 수 있다.
• 아울러 극한적인 설계 및 모터의 튼튼함을 볼때, 비슷한 정도의 신뢰성과 수명도 기대할 수 있다.
• 나는 다음번 쿼드콥터에 이 모터를 사용할 예정으로, 18인치 프롭까지 설치해볼 것이다.

장시간 체공을 위한 고효율 중소형 전문가급 동력계통

• $70.00 짜리 T-Motor MN3508 380KV Navigator 시리즈 모터는 장시간 체공형 응용에 이상적이다.
• 이 크기급중 50 % 쓰로틀에서 G/W 효율이 17 이상이 나오는 유일한 모터이다.
• 최고의 체공시간이 나오는 2-4kg 급 콥터를 원한다면, 이 모터와 4S Lipo 배터리를 사용하면 된다.
• 호버링 범위가 극히 고효율이기 때문에, 고효율 리튬배터리의 후보이다.
• 파나소닉 또는 LG의 고전력 리튬배터리는 우리가 일반적으로 사용하년 LiPo 배터리보다 약 두배의 에너지 밀도를 갖고 있다.
• 하지만, 최대 출력이 2C 에 불과하므로, "low current draw " 가 필요하다. 이들 모터는 효율성이 높기 때문에 그것이 가능하다.
• 14″ to 16″ 탄소섬유 프로펠러가 필요하다.
  

소형 쿼드콥터(10" - 14" 프롭)용 전문가급 동력계통

• 현재 쿼드콥터에서 가장 큰 시장을 형성하고 있는 것은 10" 에서 14" 프롭의 1.5-3.5kg 급 이다.
• $65 짜리 650 KV T-Motor MT3506 는 고품질, 소형이나 강력한 팬케이크 모터로, 11" 에서 14" 프롭까지 돌릴 수 있다.
• 3S LiPo 배터리와 $73짜리 T-Motor 14" 프롭을 함께 사용하면, 3.5kg 까지 들어올릴 수 있고, 체공시간도 상당히 확보할 수 있다.
• $27.00 짜리 T-Motor 18 Amp ESC 까지 함께 해서 총 4개 = $514.00 이면 최고급 모터/프롭/ESC를 확보할 수 있다.
• 이 작은 팬케이크 모터는 3S 혹은 4S LiPo 배터리 및 적절한 프롭을 사용할 때 효율성이 높다.
• 프레임은 14" 프롭까지 수용할 수 있어야 하며, 여러가지 배터리 구성을 받아들일 수 있어야 한다.
• GoPro 크기의 카메라 와 브러시리스 짐벌, FPV, 텔레메트리 를 탑재하고 20분 이상 비행할 수 있도록 구성될 수 있어야 한다.
• 이는 매우 성능좋고 튼튼하며, 전문가급 결과와 신뢰성을 거들 수 있는 쿼드콥터가 될 수 있을 것이다.

• 위의 모터/프롭/ESC 구성은 모두 현재 만날 수 있는 것들 중 전문가급 품질에 근접한다.

중형 쿼드콥터(15"-16")를 위한 소비자급 동력계통

• 조금 저럼한 부품을 이용하여도 상당히 신뢰성있고 효과적인 쿼드콥터를 구성할 수 있다.
• $45 짜리 SunnySky 390KV X4112S 모터 또는 진짜 저렴한 $18.00짜리 RCTimer 5010-14 360KV 모터
• 이러한 모터는 설치하기 쉽고 EMF가 낮은 $40 짜리 Hobbywing 4 in 1 ESC와도 잘 작동한다.

• 또한 이들 모두 RCTimer 15x5.5" (4개에 $28.00) 또는 16 x 5.5" (4개에 35.00) 탄소섬유 프로펠러와 잘 동작한다.
  

• Sunnysky 모터와 프롭을 모두 사용하면 약 $260 으로서, 5kg 까지의 콥터에 매우 효율적이다.
• RCTimer 모터와 프롭을 모두 사용하면 약 $150 으로서, 약 3kg 까지의 콥터에 대해 상당한 비행시간을 확보할 수 있다.
• 이들 모터는 모두 실제로는 17" 프롭과, 3S 에서 5S LiPo 배터리를 지원한다.
• 필요하다면 GoPro와 짐벌을 달고 약 30분간의 비행이 가능한 콥터를 설계할 수 있다.
• 이들 모터용 프레임은 적어도 16" 인치 프롭을 지원해야 한다. 17"면 더 좋다.
• 이들은 앞서 언급한 T-Mortor 보다는 내구성과 신뢰성이 떨어지지만, 다양한 용도에 적용가능하다.

소형 쿼드콥터(8″ – 12″ 프롭)용 소비자급 동력계통

• 여기는 소형의 취미용, 혹은 준 프로급 2.5kg 정도의 쿼드퀍터를 위한 튼튼한 저가의 시스템이다.
• Flamewheel ARF 쿼드콥터에 포함된 DJI 2212모터는 아주 튼튼하고 하나에 $24 이다.
• 아울러 DJI의 10인치 플라스틱 프롭 (한쌍에 $8.00)은 균형이 잘 맞고 효율적이며, 튼튼하다.

• 그리고 사용하기 쉬운 $40짜리 4 in 1 ESC를 사용하면 전력배분 보드가 필요없고 전자파를 줄이고 신뢰성이 높다.

• $150 이면 소형 2.5kg 급 쿼드콥터용으로 유용하고 튼튼한 동력계를 구성할 수 있다.
• $40.00짜리 SunnySky X4108S 팬케이크 모터도 5kg 까지의 쿼드콥터를 구성할 수 있다.
• 평판이 좋고 효율적이며 튼튼하다. 14" 또는 15인치 프롭과 4S 에서 6S LiPo 배터리와 사용하는데 적합하다.

• 물론 이 이외에도 대안들은 많다.
• 지속적이고 전문적으로 사용할 콥터가 필요하다면, 처음 3가지 구성 정도가 좋다.
• 가끔씩 사용하는 취미용 혹은 중요하지 않은 용도이거나, FPV,  개인용 비디오 혹은 사진용이라면 다른 것들도 무방하다.
• KDE 및 프로 T-Motor 베어링은 다른 값이 싼 것들보다 내구성이 좋고 외부환경에도 잘 견딘다. 
• 비싼 탄소섬유 프롭이 다른 저가형 프롭보다 훨씬 효율적이고 균형도 좋고, 내구성도 좋다.
• 그러나 적절한 콥터에 적절하게 설치한다면 저가형 제품도 오랫동안 안정적인 비행이 가능하다.
• 나는 저속의 팬케이크 모터를 좋아한다. 대형 프로펠러를 사용함으로써 효율성과 비행시간을 높일 수 있기 때문이다.
• 이상은 그냥 당신의 프로젝트를 위한 적절한 동력계를 찾아내는 가능성을 예시한 것에 불과하다.