추력의 계산
최고관리자
2023-04-28 16:51
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본문
약 10년전부터는 온통 대형기에만 관심이 쏠려 많은 자료수집과 함께 여러가지 계산을 해 보았습니다.
엔진의 마력과 프로펠러에 따른 정지추력의 상관관계라든지 각 조종면에 걸리는 힘(서보에 걸리는 힘)에
따른 서보의 종류과 갯수 선택등을 계산해 보기도 했죠.
프로펠러가 하는 일, 즉 일정시간 밀어낸 공기의 양을 공기밀도를 적용하여 일률로 계산해 본결과 일반적으로
프로펠러의 효율이 20%도 안된다는 사실도 알게 되었습니다.
여러가지 엔진의 데이터를 비교해 보았고 실제로 몇가지 테스트 해 본 결과 50cc~200cc 가솔린 엔진의 경우
1Hp(마력)당 최대 정지추력은 거의 일정하게 2.4kg이 나온다는 결론을 얻었습니다.
핏치가 클수록, rpm이 높을수록 프로펠러의 효율이 나빠져서 정지추력은 급격하게 감소한다는 것도 알게되었습니다.
이 자료를 분석하여 Excel로 Static thrust calulator를 만들어서 유용하게 사용하고 있습니다.
프로펠러의 직경, 핏치, RPM을 입력하면 정지추력이 계산됩니다.
그러다가 최근 3~4년간은 전동기에 대해 많은 자료를 수집하고 분석해 보고 계산을 해 보았습니다.
대형 가솔린 엔진과 비슷한 결과가 나오지만 전동모터는 감속기어를 사용하여 rpm을 줄이고, 큰 직경의 프로펠러를
사용하기 때문에 정지추력을 3배 이상의 끌어 올릴수 있다는 것도 알게 되었습니다.
그동안 테스트 해 본 모터-감속기-프로펠러를 조합한 경우의 수가 100~200가지가 됩니다.
이를 종합하여 분석해 보았습니다.
< 브러쉬 모터 >
소형 B2C모터에서 600모터까지, 전류 0.1A~30A, 전력 0.7Watt~300Watt급 까지 테스트 해 본 결과입니다.
- 감속 : 최대 정지추력 4~5g/Watt (평균 4.5g/Watt)
- 직결 : 최대 정지추력 3~4g/Watt (평균 3.5g/Watt)
< 브러쉬리스 모터 >
중,소형 브러쉬리스 모터로 전류 4A~40A, 전력 30Watt~400Watt급 까지 테스트 해 본 결과입니다.
- 감속 : 최대 정지추력 4~8g/Watt (평균 6g/Watt)
- 직결 : 최대 정지추력 1~2.5g/Watt (평균 2.3g/Watt)
브러쉬리스 모터가 브러쉬모터에 비해 같은 전력을 소모할 경우 평균적으로 약 33%의 효율이 높습니다.
이는 브러쉬 모터의 효율이 65~70%인 반면, 브러쉬리스 모터의 효율은 90% 정도가 되기 때문인 것으로 보입니다.
프로펠러를 직결할 경우에는 브러쉬리스 모터의 효율이 더 떨어지게 나오는데 이는 상대적으로 rpm이 매우 높아서
프로펠러의 효율이 떨어지기 때문이라고 생각됩니다.
1hp=750watt 이므로 브러쉬리스 모터의 경우, 감속 (평균 6g/Watt), 직결(평균 2.3g/Watt) 이므로
4.5kg/hp, 1.7kg/hp 이라는 결론에 도달합니다.
가솔린엔진 2.4kg/hp 보다 감속의 경우는 2배 정도의 추력이 나오고 직결의 경우에는 rpm이 너무 높아서 오히려 덜 나옵니다.
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전동기를 만들었을때, 또는 소형 엔진기를 전동으로 개조하였을때 어떤 모터를 사용하야 하는가?
(예 : 필라투스포터급의 파크플레인 전동기)
1. 기체의 무게
배터리까지 모두 장착한 상태의 기체의 무게를 추정합니다. (예: 700g)
2. 추력비
기체의 성격에 따라 추력비를 선택합니다.
- 파이퍼컵과 같이 부드럽게 비행하는 기체는 40~50% 정도의 추력비만 가져도 자력이륙과 비행이 무난하게 됩니다.
(다만 아주 작은 기체는 활주로면의 저항이 상대적으로 커서 50~70% 의 추력비를 가져야 자력이륙이 됩니다.)
- 무난하게 즐기는 스포츠 기체는 60~80% 정도의 추력비를 가지면 됩니다.
- 패턴기는 100~120%, 3D 아크로기는 120~150%를 필요로 합니다.
(예 : 80%)
3. 추력계산
기체의 무게에 추력비를 곱합니다. (예: 700g x 80% = 560g)
4. Watt 계산
위의 자료를 대입합니다.
(예: 560g 나누기 6g/Watt = 93Watt - 브러쉬리스 모터)
(예: 560g 나누기 4.5g/Watt = 124Watt - 브러쉬모터)
5. 전류계산
배터리 셀수에 따른 전압으로 나눕니다.
(예: 93Watt / 11.1V = 8.4A - 브러쉬리스 모터)
(예: 124Watt / 11.1V = 11.2A - 브러쉬모터)
어때요? 근사치가 나오죠?
간단하게 정리하면...
브러쉬리스 모터의 경우에는
2셀(7.4V) 전류 6.8A (50Watt) 이면 추력 300g (CD-ROM모터보다 조금 높네요.)
3셀(11.1V) 전류 9.0A (100Watt) 이면 추력 600g (Himax 2015급)
3셀(11.1V) 전류 13.5A (150Watt) 이면 추력 900g (Himax 2025급)
브러쉬 모터의 경우에는
2셀(7.4V) 전류 6.8A (50Watt) 이면 추력 225g (300모터가 이보다 조금 셉니다.)
3셀(11.1V) 전류 9.0A (100Watt) 이면 추력 450g
3셀(11.1V) 전류 13.5A (150Watt) 이면 추력 675g (400모터가 딱 이정도 입니다.)
모터-감속비-프로펠러-배터리의 조합이 적절해야만 최대효율을 얻을수 있습니다.
그리고 기체의 성격에 따라 소직경 고핏치, 대직경 저핏치, 감속비등을 달리해야 하기 때문에 다른 변수도 많이 있기는 합니다.
또한 익하중도 고려해 보아야 겠지요.
그러나 대략적인 추정에는 아주 유효한 방법이 될수 있습니다
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