드론의 심장 : 모터에 대하여
STUDY
멀티 로터를 가장 중요한 선택 중 하나가 모터입니다. 멀티 로터의 비행성에 가장 큰 영향을 좌우하는 부품 중에 하나이기 때문입니다. 모터는 영구 자석과 전기가 전선을 통과할 때 발생하는 자력 사이의 당기는 힘과 미는 힘을 이용해 회전하는 장치입니다. 모터를 구분하는 방법은 사용되는 기술에 따라 여러 가지로 나뉘는데 멀티 로터에 사용되는 모터는 크게 브러시 모터 (Brush Motor)와 브러시리스 모터 (Brushless Motor)로 나눌 수 있습니다. 모터 내부의 전자석에 전기를 공급하는 부분에 브러시가 있는가 있지 않은가에 따라 브러시 모터 (Brush Motor)와 브러시리스 모터 (Brushless Motor)로 나눌 수 있습니다.
브러시 모터 (Brushed Motor)
주변에서 가장 많이 볼 수 있는 모터입니다. 완구나 USB 전원을 이용하는 선풍기 등에 많이 사용되는 모터로 전자석의 +와 -의 방향을 바꿔주는 부분에 브러시라고 부르는 얇은 철판이 사용됩니다.
브러시 모터는 작고 가볍게 만들기가 유리하고 토크(회전하는 힘)가 작은 대신 빠른 회전 속도를 가지도록 설계하기 쉽기 때문에 작은 프로펠러가 사용되는 소형 멀티콥터에 적합합니다. 또한 직류전원의 전압을 조절하면 회전 속도가 달라지기 때문에 앞서 설명한 ESC 없이도 쉽게 제어가 가능합니다. 하지만 브러시는 회전하는 부품에 지속적으로 마찰이 발생하기 때문에 마모가 발생하고 높은 전류가 흐르면 브러시와 정류자(브러시의 전기를 받아들이는 부분) 사이에 스파크가 발생하여 브러시의 수명을 단축시키기도 합니다. 이를 보강하기 위해 교체 가능한 카본 막대로 브러시를 사용하기도 하지만 무게가 중요한 멀티콥터에서는 작고 가벼운 브러시가 적용된 모터가 주로 사용됩니다.
Horizon Hobby사의 Inductrix. 높은 RPM의 브러시모터를 사용합니다. 수명은 5-9시간 정도 입니다.브러시리스 모터 (Brushless Motor)
브러시는 수명이 있기 때문에 브러시를 사용하지 않으면 모터의 수명을 비약적으로 늘릴 수 있습니다. 브러시리스 모터는 수명에 영향을 미치는 부품이 회전을 원활하기 하기 위해 사용되는 베어링뿐입니다. 베어링은 몇 년에 고장이 발생하는 확률이 수 %에 불과하기 때문에 보통 브러시리스 모터는 거의 반영구적인 수명을 가지고 있다고 하기도 합니다. 비행 중에 고장이 큰 안전사고와 직결되는 250g 이상의 멀티콥터에 적합합니다. (미연방 항공청 Federal Aviation Administration의 드론 규제 법안은 250g 이상의 낙하물은 안전에 큰 위협이 될 수 있다고 규정했습니다.) 하지만 모터 내부에 전자석이 순차적으로 자력을 가지게 하기 위해 별도의 ESC가 필요하다는 단점이 있습니다.
ESC (Electronic Speed Control)에 대하여
모터는 크게 샤프트(모터의 회전축)와 영구자석이 모터 중심에서 같이 회전하는 인 러너 모터와 영구 자석이 모터의 바깥쪽 통에 달려 같이 회전하는 아웃 러너 모터가 있습니다. 인 러너 모터는 자력이 발생하는 위치와 샤프트의 거리가 짧아 큰 토크를 만들기 어렵지만 빠른 회전 속도를 만들기 유리합니다. 아웃 러너 모터는 자력의 위치와 샤프트의 거리가 커 상대적으로 큰 토크를 만들 수 있습니다.
영구자석의 위치와 구조뿐 아니라 모터 내부의 전자석의 특성 역시 모터의 특성을 좌우합니다. 전자석은 긴 전선을 감아서 코일을 만드는데 모터에서 이를 모터 권선이라고 부릅니다. 많이 감을수록 더 큰 힘을 만들 수 있는 대신 속도가 줄어듭니다. 한정된 공간에 충분한 권선을 가져야 하기 때문에 권선에 두께도 모터 권선에 영향을 줍니다.
레이싱 드론에서 가장 많이 사용하는 브러시리스 아웃 러너 모터는 주로 다음과 같이 표기합니다.
AABB/CC - DDDD kv Motor (예 : 2204 2300kv Motor)
- AA : 모터 내부 스테이터 (Stator : 쉽게 모터 내부의 전자석으로 이해하시면 됩니다.)의 지름. 모터의 외곽 지름을 표시하는 경우도 있습니다. (단위 : mm)
- BB : 모터 내부 스테이터의 두께. 모터의 외곽 두께나 영구자석의 크기를 표시하는 경우도 있습니다. (단위 : mm)
- CC : 권선수. 표시하지 않는 경우도 많습니다.
- DDDD : 모터에 아무것도 연결하지 않은 상태에서 1V 당 회전수. 만약 1960 kv 모터라면 프로펠러가 연결되지 않은 상태에서 3.7V 연결한다면 1960 x 3.7 = 7252 RPM(분당 회전수)의 속도로 회전한다는 의미입니다. (단위 : kv)
AA와 BB 값이 클수록 모터 내부 전자석이 커지기 때문에 크고 힘이 좋은 모터라고 판단할 수 있고 DDDD 값이 클수록 빠른 속도를 가진 모터로 판단할 수 있습니다.
브러시리스 모터의 이름에 같이 따라오는 CW (Clockwise : 시계방향)와 CCW (Counterclockwise : 반시계 방향)는 모터의 회전 방향을 의미하는 것이 아니라 프로펠러를 고정하는 나사 방향을 의미합니다. 브러시리스 모터는 3개의 전선에 순차적으로 전류를 공급해서 회전을 발생시키기 때문에 그 순서를 바꾸면 쉽게 회전 방향을 바꿀 수 있습니다. CW와 CCW를 표시한 경우는 모터가 회전할 때 프로펠러를 고정하는 너트가 풀리는 방향으로 회전하지 않게 하기 위해서 분류하는 경우입니다.
Cobra CM-2204 2300kv Motor for getfpv.com예를 들어 Cobra 2204-2300kv 모터는 22 x 4 mm 크기의 전자석과 1v 전압당 2300 RPM을 가진 모터입니다.
Cobra CM-2204 2300kv Motor for getfpv.com
Cobra CM-2204/28 Motor Specifications
- Stator Diameter 22.0 mm (0.866 in) : 스테이터 지름
- Stator Thickness 4.0 mm (0.157 in) : 스테이터 두께
- Number of Stator Slots 12 : 스테이터 숫자
- Number of Magnet Poles 14 : 영구 자석 숫자
- Motor Wind 28 Turn Delta : 스테이터 권선수
- Motor Kv Value 2300 RPM per Volt : 전압당 PRM
- No Load Current (Io) 0.66 Amps @ 8 Volts : 프로펠러를 연결하지 않고 8V를 인가하였을 때 전류
- Motor Resistance (Rm) per Phase 0.126 Ohms : 펄스당 저항
- Motor Resistance (Rm) Phase to Phase 0.084 Ohms : 펄스와 펄스 사이 저항
- Maximum Continuous Current 17 Amps : 최대 전류. 보통 모터의 최대 전류보다 20% 높은 사양의 ESC를 사용해야 합니다. 이 모터는 17A의 전류가 필요하기 때문에 20A 이상의 ESC를 선택해야 합니다.
- Max Continuous Power (2-cell Li-Po) 125 Watts : 2s 배터리를 사용하였을 때 최대 소비 전력
- Max Continuous Power (3-cell Li-Po) 190 Watts : 3s 배터리를 사용하였을 때 최대 소비 전력
- Motor Weight 24.6 grams (0.87 oz.) : 모터의 무게
- Outside Diameter 27.0 mm (1.063 in.) : 모터의 외곽 지름
- Motor Shaft Diameter 3.00 mm (0.118 in.) : 모터 축의 지름
- Prop Shaft Diameter 5.00 mm (0.197 in.) : 프로펠러 연결축의 지름
- Motor Body Length 14.2 mm (0.559 in.) : 모터 길이
- Overall Shaft Length 32.5 mm (1.146 in.) : 모터 전체 길이
- Motor Timing 5-10 degrees : 스테이터 중심과 와 영구 자석 중심의 각도 차이. 보통 값이 작으면 작은 낮은 RPM에서 큰 힘을 갖고 값이 높으면 높은 RPM에서 큰 힘을 가집니다.
- PWM Frequency 8 KHz : 모터가 받는 최대 신호 속도
큰 프로펠러는 낮은 회전수에도 높은 양력을 발생할 수 있지만 무게가 무겁습니다. 따라서 스테이터가 크고 RPM이 낮은 모터가 적당합니다. 반대로 작은 프로펠러는 가볍지만 충분한 양력을 얻으려면 빠른 회전이 필요합니다. 스테이터가 작지만 PRM이 높은 모터가 적당합니다.
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