空撮用ドローン用モーターの選び方：推力、KV、バス電圧

空撮用ドローン用モーターは、製品群の中で最大の推力値ではなく、何を持ち上げなければならないか、そしてその質量を空中でどれだけ安定して保持するかによって選ばれる。カメラを持ち上げる機体は、二つの問いを同時に投げかける。カメラ、ジンバル、パックを運ぶのに十分なローターあたりの推力と、機体がゆっくりとした部分スロットルのホバリングを保つ間、滑らかで温度の低い状態を保つ巻線である。ここで比較するT-Motorの四件の記録——MN4006 KV380、MN6007 II KV160、MN7005 KV230、U7 KV280——は、公表質量68 gから317 g、公表推力2309 gから6419 gに及び、その広がりはカメラのペイロードクラスに密接に対応している。同じデューティは空撮用UAVのアプリケーションページで説明されている。

要点

機体の要件を定めるのは、どのモーター数値よりも先にカメラ質量である。カメラを持ち上げるマルチロータは、それ自体の質量が機体のごく一部にすぎないジンバルを搭載しており、カメラとその安定化に費やされる一グラムはすべて、推進系が持ち上げ、保持し、補正しなければならない一グラムである。実務上の帰結は、空撮用ドローン用モーターが、フルスロットルで一瞬だけ出せる推力ではなく、ホバリング点で生み出さなければならない推力において選ばれるということである。ここにある四件の記録は、そのスケール上の大きく異なる点で公表されている。2309 g、4640 g、4691 g、6419 gであり、プロペラは16 inから24 in、バスは4-6Sから12Sにわたる。

この一群の二つの列は、その幅が示す以上に重みを持つ。第一は公表推力である。カメラを持ち上げる機体は、レース用クアッドがフルスロットルで費やす数秒間ではなく、分単位で推力を保持しなければならないからである。第二は内部抵抗である。モーター質量と巻線抵抗は、固定されたステータ寸法の内部で互いにトレードオフの関係にあり、抵抗の項こそが、能動冷却のないハウジングにおいてホバリング電流を銅損に変えるものである。巻線抵抗は銅損を見積もり可能にするものだが、モーターの発熱のすべてではない。モーターが到達する温度は、その他の損失と、熱がハウジングからどのように抜けるかにも依存する。この二つの列を併せて読むことで、小型カメラプラットフォーム向けに作られた軽い記録と、安定した風の中で大型ジンバルを保持するために作られたより重い記録とが区別される。

この四件を分けるのは推力ではなくバスである。一件は4-6S向け、一件は6S向け、一件は12S向け、そして一件は3-8S全域にわたって公表されており、KVの値もその区分に従い、12Sの記録の160 KVから4-6Sの記録の380 KVまで及ぶ。KVは印加電圧あたりの軸回転数であるため、セル数の異なる記録は異なるパック電圧から同程度の軸回転数に到達し、それらを分ける値は、公表推力に対してそれぞれが引き出す電流である。これが空撮用ドローン用モーターが選ばれる際の連鎖であり、以下の各節でこれを順に分解する。

空撮用ドローン用モーターとは何か

空撮用ドローン用モーターは、性能目標ではなくカメラのペイロードに照らして選ばれる推進コンポーネントである。この基準のわずかな違いが、強調点をピーク値から、機体が実際に使う動作範囲の部分へと移す。カメラプラットフォームは一度上昇し、落ち着き、その後の飛行の大半を高度保持に費やすからである。以下の二つの節では、この移行の帰結を順に扱う。各ローターが保持しなければならない推力と、巻線がそれにどう整合されるかである。

カメラ質量に対するローターあたりの推力

ローターあたりの推力は、仕様である前に割り算である。機体の全備重量をローターの数で割ったものが、機体を静止させておくために一基のモーターが生み出さなければならない推力であり、その値は目標ではなく下限である。カメラを持ち上げる設計は通常、ホバリング点より上に余裕を残し、フライトコントローラが姿勢を補正するために個々のローターの推力を上げられるようにする。その余裕が、公表推力値と実働点を隔てるものである。この一群の2309 gの記録と6419 gの記録は、同じ問いに対する二つの答えではない。異なるカメラ質量と異なるローター数によって設定された問いへの答えであり、機体質量とローター数が確定するまで、どちらの値も有用ではない。したがって空撮用ドローン用モーターは、製品群の中のピーク値ではなく、この割り算からサイズが決められる。

カメラを持ち上げる機体にとっての最初のフィルタとしてのKV

KVが最初のフィルタであるのは、後から変えるのが最も難しい二つの決定、すなわちプロペラとパックを結びつけるからである。ディスクローディングの低い大型で低速のプロペラが、カメラプラットフォームの求めるものであり、大型のプロペラは同じ推力に対して小型のものより低い軸回転数を必要とする。KVはボルトあたりの回転数であるため、記録が到達する軸回転数は、そのKVとそれに接続されたバス電圧の積である。ここにある12Sの記録が一群の中で最も低いKVを、4-6Sの記録が最も高いKVを持つのはそのためであり、KV値だけを引用しても、特定の機体でモーターがどれだけ速く回るかについては何も語らない。

カメラ質量が空撮用ドローン用モーターの要件をどう定めるか

カメラ質量はペイロードの収支を通じてモーターに到達し、そのペイロードの収支がローター数と、各ローターが保持しなければならない推力を定める。したがって空撮用ドローン用モーターは、カメラとそのジンバルから始まる連鎖の末端に位置し、以下の二つの段階が、その連鎖が最も長くなる場所である。

ペイロードクラスがローター数をどう定めるか

コンパクトなジンバルに載せた小型カメラは、控えめなローター数の軽いマルチロータに適合し、安定化マウントに載せた大型シネマカメラは、より多くのローターか、より大型のローターを必要とする。この二つのレバーは等価ではない。ローターを増やすと推力要件が分割されると同時に質量と抗力が加わり、プロペラを大きくすると、モーターを増やすことなく各ローターから得られる推力が高まる。この一群では、最小の記録が16 inのプロペラで2309 gの推力を公表し、最大の記録が22 inのプロペラで6419 gを公表しているため、それぞれが担うペイロードクラスは、内部の巻線と同じくらい、共に公表されているプロペラによって定められる。空撮用ドローン用モーターが、機体の大きさではなくペイロードクラスに照らして選ばれるのはそのためである。

ホバリングスロットルと部分スロットルの余裕

ホバリングスロットルは、カメラプラットフォームがバッテリを消費する場所であり、公表推力帯の固定された割合ではなく、その一部である。メーカーの試験データは、その帯の形を可視化する。U7 KV280では、24 Vにおける22 × 6.6 in CFプロペラの公表試験データが、50%スロットル点で10.52 g/Wのとき1565 gの推力を報告しており、フルスロットルでは5.51 g/Wのとき4640 gである。それらの明示された試験条件の下では、より低いスロットル点の方がワットあたり多くの推力を供給し、公表されているフルスロットルの値は、ミッションが実働する点ではなく、設計上の上限である。ただし50%点は普遍的なホバリング目標ではない。機体が落ち着く動作点は、その全備重量、ローター数、装着されたプロペラ、そしてフライトコントローラが姿勢制御のために必要とする推力の予備に依存する。

カメラを持ち上げる機体における振動とホバリングスロットル

振動はジンバルを通じて画像に到達し、ジンバルは、マルチロータがホバリングで生み出すまさにその帯域に敏感である。モーターは二つの経路でその帯域に寄与する。プロペラに伝えるトルクリップルと、それ自体の質量がマウント上でどう振る舞うかである。どちらの経路も、仕様の列が部分的にしか記述しない設計上の選択によって定まり、どちらも、速度のために飛ばす機体よりも空撮用UAVでより重要である。画像が飛行の副産物ではなくペイロードだからである。

コギング、極数、低速時の滑らかさ

コギングとは、ローターが一つのステータティース位置から次へ移る際に感じられるトルク変動であり、スロットと極の組み合わせだけでなく、モーターの磁気設計、エアギャップ、製造公差にも依存する。この一群の18N24Pと24N28Pの構成は、一回転の中に多くのステップを置いており、それは有用な設計上の文脈だが、スロット数と極数だけでは、どの記録がより小さなコギングトルクやホバリング時のより低い振動を生み出すかは確定しない。メーカーが測定されたコギングトルク、ローターのバランス、振動データを公表している場合、それらが比較すべき値であり、評価しなければならないのは、意図された動作条件の下での完成したモーターとプロペラのアセンブリである。

モーター質量、マウント剛性、減衰

モーター質量、マウント剛性、減衰は相互に作用し、組み立てられた推進システムの振動挙動を定める。モーター質量またはマウント剛性のいずれかを変えると構造共振が移動しうるが、それが画像の安定性を改善するかどうかは、結果として生じるモード周波数、加振源、そしてジンバルがどう応答するかに依存するため、その効果はモーター質量だけから推測するのではなく、アセンブリのレベルで評価される。質量の列が確かに示すのは、疑いのないコストである。この一群の317 gの記録と68 gの記録は、他のローターが飛行全体を通じて持ち上げなければならない負荷の両端に位置する。この比較には四件の記録のマウント構造、振動スペクトル、モードの結果が含まれていないため、ここでの列は、どれが外乱をよりよく吸収するかの順位ではなく、質量に関する読み方を支えるものである。

空撮用ドローン用モーター：仕様比較マトリクス

ここで比較する四件の記録は、公表されたデューティがカメラの持ち上げであるT-Motorのモデルであり、一つの仕様セットとして示し、公表質量で並べているため、最も軽い記録から最も重い記録への段差が列そのものに見える。すべての値は、そのモデルについて、隣に記されたプロペラにおいてメーカーが公表している数値であり、いかなるセルも推定ではない。記録が持たないフィールドがある場合、表はそれを穴埋めせず、その旨を記す。四件すべては同じUAV用モーターのカテゴリと同じ空撮用UAVのデューティに属し、それぞれが異なるペイロードクラス向けの空撮用ドローン用モーターの候補である。

ここで比較する四件のカメラ持ち上げ用の記録について、メーカーが公表したモデル、ステータ構成、内部抵抗、公表セル数、最大推力、試験プロペラ、質量を、公表質量順に示す。最大推力は、各モデルについて隣に記されたプロペラにおいて公表された数値であり、そのプロペラと試験で使用されたバス電圧に依存する。したがってこの列が一群内で比較可能なのは、各モデル自身の公表条件を記述しているという意味においてのみである。セル数は公表どおりに示しており、単一の値は単一の公表窓を意味し、範囲はそのモデルがその範囲全域で公表されていることを意味する。質量にはケーブルとコネクタが含まれる。KV値を繰り返す独立した列はない。表のすべてのモデル名がそれ自身のKV値を含んでいるからである。

四件が一ページに並ぶと、二つの読み取りが際立ち、そのどちらも推力の列ではない。第一は、この四モデルの組において、内部抵抗がモーター質量と同じ順序に従わないことである。MN4006 KV380とMN6007 II KV160はそれぞれ公表質量68 gと159 gで194 mΩと178 mΩを記載し、一方MN7005 KV230とU7 KV280はそれぞれ71 mΩを記載している。これらは有用な仕様の差異だが、抵抗それ自体は巻線の構造を確定したり、どの記録がホバリングでより低温で動作するかを予測したりしない。記録が生み出す銅損は、それ自身の動作点に属する電流と抵抗の定義に依存し、モーターの総発熱はその他の損失と冷却条件にも依存する。

第二の読み取りは、推力が最も近い二件の記録に関する。MN7005 KV230は4691 gを、U7 KV280は4640 gを公表しており、その差は51 gであるが、両者は質量で129 g離れており、異なるステータ構成と異なるバス窓を持つ。ほぼ同一の公表推力でありながらステータの配置とセル数が異なることは、推力がモーターとプロペラと電圧を併せた特性であり、質量と抵抗はデューティの記述ではなくパッケージングの結果であるという、表の中で最も明快な注意喚起である。両者の選択は、51 gではなく、機体が搭載できるバスと、モーターから電子機器までの距離によって決まる。

第三の読み取りはバスである。二件の記録は単一の電圧、6Sと12Sで公表され、二件は窓、4-6Sと3-8Sにわたって公表されている。単一電圧の記録は一つの実働点で特性評価されており、比較は容易だが統合は狭くなる。一方、窓を持つ記録はパックの選択を開いたままにする。カメラを持ち上げる構成では、パックはしばしば機体の後に選ばれるため、窓が重要であり、3-8Sや4-6Sにわたって公表された記録はその決定を利用可能なまま保つ。

空撮用ドローン用モーターをバス電圧とプロペラクラスに整合させる

空撮用ドローン用モーターは、バス電圧とプロペラが取り付けられて初めて定義される。その二つの入力が、KV値を軸回転数に、推力を電流に変えるからである。以下の二つの節では、互いに制約し合う順序でこれらの入力を扱う。

バス電圧の窓

空撮用ドローン用モーターについて公表されるバス窓は、メーカーが特性評価したパック電圧の範囲である。同等の条件下で所定の軸出力に対しては、一般により高いバス電圧がより低い供給電流を可能にし、それが銅損を下げ、またセル数が増えればパックはより重く、ESCはより高い定格となる。ただしバスの選択だけでは、これら四件の記録をホバリング電流や推進効率で順位づけするには不十分である。それらのモーター特性、プロペラ、推力要件、動作点がすべて異なるからであり、バスを選ぶ際には、パックの質量、ESCの互換性、意図された実働点に対するメーカーの試験データが併せて読まれる。この一群では、窓はMN4006 KV380の4-6Sから、MN7005 KV230の6S、U7 KV280の3-8Sを経てMN6007 II KV160の12Sまで及び、最も広い単一の窓と最も高い単一の電圧は異なる記録にあり、異なる機体に供する。

プロペラクラスとローターあたりの推力

プロペラは、モーターが到達しなければならない軸回転数と、伝えなければならないトルクを定めており、公表推力値が特定のプロペラにおいて引用されるのはそのためである。MN4006 KV380の16 × 5.4 in CF、MN6007 II KV160の22 × 6.6 in、MN7005 KV230の24 × 7.2 in CF、U7 KV280の22 × 6.6 in CFは、四件の記録を異なる直径クラスに置き、それぞれが公表する推力は、そのステータだけではなく、それ自身のプロペラから導かれる。大型で低速のプロペラで引用された記録は、小型で高速のプロペラでは公表推力を再現しないため、確定する前に確認すべき値は、機体が実際に搭載するプロペラについてのメーカーのデータである。

カメラ持ち上げ用の記録：モデル別

一群として読むと、四件の記録はコンパクトなジンバルプラットフォームから大型の安定化マウントまで及ぶカメラ持ち上げの範囲をカバーし、それら全体で、空撮用ドローン用モーターが一般に公表されるバス電圧にわたる。以下では、それぞれを、その記録が持つフィールドだけを用いて扱い、それ以上は加えない。

MN4006 KV380

MN4006 KV380は、ケーブルを含めて68 gでこの一群を切り開き、18N24Pステータに194 mΩの内部抵抗、4-6Sの窓を持つ。その公表推力2309 gは16 × 5.4 in CFプロペラで得られ、記録には50 mmのリード線と22 Vにおけるアイドル電流0.3 Aが含まれる。これは、一群の中で最小のカメラ持ち上げ機体向けの記録であり、カメラとジンバルを合わせても1キログラムの何分の一かにすぎず、パックが小さいため、窓の4-6S端ではローターあたりの電流が控えめにとどまる。

MN6007 II KV160

MN6007 II KV160は、一群の中の12Sの記録であり、公表推力が最も高いもの、すなわち22 × 6.6 inプロペラで6419 gである。その24N28Pステータと178 mΩの抵抗は、ケーブルを含む159 gの質量、70 mmのリード線、18 Vにおけるアイドル電流0.5 Aと並ぶ。高バスにおける低KVは、大型で低速のプロペラが求める構成であり、その12S定格、低KV、公表推力は、プロペラ、ホバリングの動作点、全備重量、電気系統が意図された機体と互換であることを条件に、より大型のカメラ持ち上げ構成を評価する候補とする。

MN7005 KV230

MN7005 KV230は、一群の中で最も低い内部抵抗71 mΩを、24N28Pステータとケーブルを含む188 gの質量に載せ、6Sの窓の中で24 × 7.2 in CFプロペラで4691 gの推力を公表している。そのリード線は60 mm、シャフトは15 mm、アイドル電流は22 Vで0.9 Aである。6Sバスにおける24 inプロペラは一群の中で最も広いディスクであり、急な上昇ではなく、安定したカメラプラットフォームを保持するために作られた組み合わせである。

U7 KV280

U7 KV280はここで最も重い記録であり、ケーブルを含めて317 gで、一群の中で最も広いバス窓である3-8Sを持つため、単一電圧の記録よりも長くパックの選択を開いたままにする。その12N14Pステータは71 mΩの抵抗を持ち、シャフトは6 mm、ケーブルは750 mm、アイドル電流は10 Vで0.5 Aであり、メーカーは22 × 6.6 in CFプロペラで4640 gの推力を公表している。750 mmのリード線と317 gの質量はパッケージングと設置に関する数値である。長いリード線は、モーターが電子機器からより離れて取り付けられるフレームに適し、どちらの値も、アセンブリが生み出す振動については何も述べていない。

空撮用ドローン用モーターの選定：サイジングの手順

以下の三つの段階は、カメラのペイロードを候補リストに変える順序で、各列を適用する。

モーターの数値よりも先にホバリングの収支

どのモーターを読むよりも先に、カメラ、ジンバル、機体、パックを計量する。全備重量とローター数を合わせることで、ホバリング時に一基のローターが保持しなければならない推力が得られるからである。その値が探索の範囲を定める。公表推力がそれ自身のプロペラにおいてホバリング要件を下回る記録は、後の段階で救うことができない。この一群では公表推力は2309 gから6419 gへと上昇し、中央の二件の記録は、質量差129 gがあるにもかかわらず推力が51 g以内に収まっている。これは、推力の列が単独ではなく、プロペラとバスに照らして読まれなければならないことの注意喚起である。

バス、プロペラ、巻線を一体として

バスはそれ自体が一つの決定である。ホバリング電流を定めると同時に、パックの質量とESCの定格を定めるからである。同等の条件下で所定の軸出力に対して、高バスにおける低KVはより少ない電流を引き出し、それが銅損を下げ、その代償としてより重いパックを伴う。この一群では、選択は4-6Sの記録から6S、3-8Sを経て12Sの記録まで及び、抵抗の列が際どい判断を示す。より軽い二件の記録の194 mΩと178 mΩに対し、公表推力が近い二件の記録は71 mΩである。その差が何になるかは、各記録がそれ自身の動作点で実際に引き出す電流に依存するため、この列は温度としてではなく、目安として読まれる。

最後にマウント、質量、クリアランス

デューティ、バス、巻線がリストを絞り込んだ後に初めて、マウントの詳細が選択を確定し、その時点で候補は、シャフト、リード線、クリアランスで決められるほど短くなっている。質量の列はこの段階で、品質スコアとしてではなく、ペイロードの収支に照らして読まれる。構成が依存するフィールドを記録が持たない場合、隣のモデルから値を推測するのではなく、メーカーの資料に問い合わせるのが誠実な対応である。

この一群に三つの段階を適用すると、答えではなく候補リストが得られる。

1. コンパクトなカメラプラットフォーム。 MN4006 KV380は68 gの4-6Sの記録であり、16 × 5.4 inプロペラにおける公表推力2309 gは、小型フレーム上の軽いジンバルに適合する。
2. 中型の安定化カメラ機体。 MN7005 KV230とU7 KV280は、24 × 7.2 inと22 × 6.6 inのプロペラで4691 gと4640 gを公表しており、両者の選択は、フレームが搭載できるバスと、モーターが電子機器からどれだけ離れているかから導かれる。
3. 高バス上の大型安定化マウント。 MN6007 II KV160は12Sの記録であり、一群の中で最も高い推力6419 gを、最も低いKVで公表している。

よくある質問

公式リソース

T-Motorは各ユニットについて、仕様パネルと試験データを備えた公式製品ページを公開しており、それらのページは、このガイドで引用されるすべての数値の真実の源であり続ける。たとえばMN4006 KV380 製品ページ、U7 KV280 製品ページ、MN6007 II KV160 製品ページ、MN7005 KV230 製品ページである。上の表の抵抗、セル数、推力、プロペラ、質量の数値は、それらのページが各モデルについて公表している値である。特定のプロペラと電圧におけるホバリング電流の値、公表された電力値の背後にある熱的な前提、あるいは記録が持たないフィールドは、仕様パネルから導き出せる値ではなく、メーカーの資料に問い合わせる事項である。

次のステップ

読み込みではなく候補の絞り込みには、プラットフォーム上の三つのツールが順に作業を担う。UAV用モーターのカテゴリ全体を探索して、これら四件のカメラ持ち上げの記録を、ヘビーリフト用、農業用、VTOLのモデルと並べて見て、製品選定でセル数、質量、公表推力によって絞り込み、次に候補を製品比較で互いに突き合わせる。空撮用UAVのアプリケーションページは、独自のフィルタ属性を持つ同じデューティを保持している。

さらに四つの記事が、モーターの比較では決着しないカメラ持ち上げ選定の部分を担っている。ジンバル用モーター：安定したカメラプラットフォームのための低KVダイレクトドライブは、カメラを向けるダイレクトドライブ軸を扱うが、これはそれを持ち上げるモーターとは別の選択である。長時間航続UAV向けのBLDCモーター：効率、質量、バス電圧は同じ記録を取り上げ、ペイロードではなく飛行時間に照らして読み、点検用UAV用モーターの選び方：KV、推力、安定したホバリングは、同じ推力とホバリングの論理を、一点の上空で位置を保持しなければならないカメラプラットフォームに適用する。高推力ドローン用モーターの選定：ペイロード、効率、熱裕度は同じ主題の高推力側、すなわちペイロードが十分大きく、熱裕度がモーターを定める側を取り上げる。

要約すると、まずカメラとジンバルを計量する。それらが、空撮用ドローン用モーターが供しなければならない全備重量とローター数を定めるからである。次にプロペラ直径を確定する。モーターが到達しなければならない軸回転数を定めるからである。三番目にKVをバスに整合させる。KVは電圧が取り付けられて初めて軸回転数になるからである。そして最後に巻線をホバリング電流に照らして読む。公表推力値は、ミッションが実働する点より上に位置するからである。この一群の中では、その順序が、68 gの4-6Sの記録を、二つの中型の記録から、そして12Sの記録から、個々のモデルが互いに比較される前に区別する。