드론 초보를 위한 기자재 해설(4) – 모터
초보분들을 위한 기자재 공부입니다.
사실 뒤져보면 다 나오는 것들인데, 문제는 초보분들은 “뭘 뒤져야할지?” 자체를 모른다는 것이지요.
그리고 “유튜브 동영상 보면 이렇게 저렇게 하는데 나는 안된다”, “유튜브 동영상이 보는 것 마다 다르다” 이렇게들 말씀하시는데 유튜브 동영상이 참 좋은 교재이고 저도 애용합니다만, 결정적인 문제가 대부분의 동영상이 하는 방법만 보여주지 왜 그렇게 하는지는 설명이 없다는 것이지요. 따라서 원리를 알고있는 사람들이 보면 쉬운데 원리 자체를 모르는 분들이 보시면 “나는 그대로 따라하는데 왜 안되지”라는 말이 나오는 것입니다.
달아도 되고 안 달아도 되는 옵션을 제외하고 만들고 띄워서 조종을 하기 위해 반드시 필요한 기자재는,
3. 변속기(ESC – Electronic Speed Controller)
4. 모터
이렇게 네가지입니다. 이 네가지에 대해서 초보분들이 기초 지식으로 아셔야 할 내용 중심으로 살펴보겠습니다.
네번째로 모터에 대해서 알아 보겠습니다.
4. 모터
일단 여기에서 말하는 모터는 브러쉬드 모터는 사용하지 않으므로 브러쉬리스 모터를 의미합니다.
제일 먼저 회전 방향에 대해서 설명드려야겠군요. 모터의 회전 방향은 정해져 있지 않습니다. 모터를 보면 3가닥 선이 나오는데 그 중 아무 선이나 두가닥을 맞바꾸면 회전 방향이 바뀝니다. 어떤 모터를 보면 CW(Clock Wise 시계 방향), CCW(Counter Clock Wise, 반시계방향) 라고 구별되어 있는 것이 있는데 그 의미는 모터의 회전 방향을 표시하는 것이 아닙니다. 그럼 굳이 CW와 CCW를 표기하는 이유가 무엇일까요? 위에 써 놓았지만, 브러쉬리스 모터는 태어나면서부터 회전 방향이 정해져 있는 것은 아닙니다. 하지만 프롭을 잠그는 나사 산의 모양은 태어 날 때부터 타고납니다. 따라서 모터는 타고 난 회전 방향 때문에 CW와 CCW를 구분하는 것이 아니라 프롭 너트 때문에 CW와 CCW가 구분되는 것입니다.
모터의 회전 방향과 프롭 너트의 잠그는 방향은 서로 반대여야 합니다. 즉, 프롭 너트를 시계 방향으로 잠그는 모터는 회전 방향이 반시계 방향으로 돌아야 하고 프롭 너트를 반시계 방향으로 잠그는 모터는 회전 방향이 시계방향으로 돌아야 합니다. 따라서 프롭너트를 시계 방향으로 돌렸을 때 잠기는 모터가 CCW모터이고 반시계 방향으로 돌렸을때 잠기는 모터가 CW 모터입니다. 이 말이 이해가 잘 안되시는 분들은 여름이 오기 전에 와이프의 성화로 선풍기를 한번도 청소하지 않으신 분들입니다^^ 선풍기 청소를 해 보신 분들은 아시겠지만, 대부분의 나사는 시계 방향으로 돌려야 잠기도록 되어있습니다만, 선풍기의 날개를 고정하는 나사는 시계 반대 방향으로 돌려야 잠기도록 되어있습니다. 왜냐하면 선풍기 날개가 시계 방향으로 돌기 때문입니다. 회전 방향과 잠그는 방향이 같으면 나사가 풀려버립니다. 종종 프롭너트가 날아가버렸다는 글을 볼 수 있는데 그 이유가 모터의 회전방향과 프롭너트를 잠그는 방향이 같았기 때문입니다.
따라서 모터를 장착하는 방법은 아래 순서대로 하시면 됩니다.
1. 브러쉬리스 모터는 암대에 장착하고 난 후에도 3선 중 두 가닥을 맞바꿈으로서 회전 방향을 바꿀 수 있습니다.
2. 하지만 프롭 너트의 잠그는 방향은 모터의 회전 방향과 무관하게 이미 정해져 있습니다. 이것이 CW모터와 CCW모터를 나누는 기준이 됩니다. 따라서 프롭너트를 잠그는 방향은 모터를 암대에 설치하기 전에 미리 결정되어야 합니다.
3. 그러므로 만약 1번 암대에 장착해야 할 모터가 반시계 방향으로 돌아야 할 모터라면 장착하기 전에 프롭 너트를 시계 방향으로 돌렸을 때 잠기는 모터를 고른 다음 장착한 후 모터가 반시계 방향으로 돌도록 3선을 결합하시면 됩니다.
그 다음 모터 장착시 흔한 실수 중의 하나가 볼트의 선택입니다. 모터는 회전하는 물체입니다. 따라서 회전시에 아무것도 걸리적거리는 것이 있어서는 안됩니다. 그런데 혹시 모터가 암대에서 이탈하면 어쩌나 하는 걱정에 길이가 긴 나사를 팍~ 박아버리는 경우가 있습니다. 그럴 경우 나사의 끝이 모터 내부의 코일을 건드리게 되고 그러면 회전에 문제가 생깁니다. 언제나 차라리 약간 짧다싶은 나사를 선택해서 록타이트를 발라서 체결하는 것이 좋습니다.
이제 모터 선택에 대해서 알아보겠습니다. 모터의 선택은 복잡한 것 같아도 결국은 힘과 속도의 싸움입니다. 내 기체가 필요한 것이 힘이냐 속도냐에 따라서 선택하는 것이지요. 그럼 속도도 빠르고 힘도 좋은 모터를 만들면 되지 않느냐라는 질문이 당연히 생기겠지요. 자~ 이제 제가 모터를 하나 가상으로 만들어 보겠습니다. 모터는 케이스와 내부의 코일로 구성이 됩니다. 케이스(캔)안쪽에는 자석이 빙~ 둘러서 붙어있습니다. 모든 것이 준비되었고, 이제 내부의 코일(권선이라고 합니다)을 감는 일이 남았습니다. 여기서 저는 고민을 합니다. 제한된 크기의 모터와 코어에서 변화가 가능한 것은, 권선을 굵은 선으로 감을 것인가 가느다란 선으로 감을 것인가? 그리고 몇 바퀴 감을 것인가? 밖에 없습니다. 어차피 캔의 크기는 정해져 있으니 굵은 선으로 감는다면 10바퀴를 감을것이고 가느다란 선으로 감는다면 15바퀴를 감을 수 있을 것입니다. 내부 권선수가 많이 감길수록 토크는 강해지고 속도는 줄어듭니다. 반대로 내부 권선수가 적게 감길수록 속도가 빨라지고 토크는 줄어듭니다. 동일한 용적 내에 권선을 많이 감았다는 말은 가느다란 선을 사용했다는 것이고 적게 감았다는 말은 굵은 선을 사용했다는 것입니다. 선이 굵어지면 흘릴 수 있는 전류량이 많아져서 속도가 빨라집니다. 따라서 힘과 속도는 주어진 조건에서 서로 상반되는 선택의 문제라는 것이지요.
그러면 어떤 모터를 선택해야 할까요? 힘이 좋은 모터? 속도가 빠른 모터?
선택을 하기 위해서는 부하를 고려해야 합니다. 모터에 표시되어 있는 1806-2300Kv 에서 Kv는 물론 볼트(V)당 회전수를 의미합니다. 1V에 2300회전 한다는 것이지요. 그러면 보통 레이싱 드론에서 11.1V의 배터리를 쓴다면 2,300 곱하기 11.1 하면 25530회전이 되는군요. 그런데 이 25530이라는 회전수는 무부하 회전수입니다. 모터에 아무 것도 안 달고 아무런 저항이 없을 때 이론적으로 계산 가능한 수치라는 것이지요. 실재로는 그렇지 않습니다. 샤프트라도 하나 박으면 바로 회전수의 손실이 옵니다. 프롭을 달면? 그떄는 공기를 헤쳐야 하기에 회전수가 더 떨어지지요. 달아놓은 프롭이 크고 무거운 것이라면? 회전수가 더 떨어집니다. 달아놓은 프롭이 공기를 좀 더 많이 헤쳐 보겠다고 피치(프롭의 기울어진 각도)가 큰 프롭이라면? 더 더 회전수가 떨어집니다. 아니 그러면 25530이라는 회전수는 어디로 간거냐? 모터가 스펙이 그러면 그 회전수가 나와야지 이거 순 뻥 아니냐? 뻥 아닙니다. 인간 세상은 불공평할지 몰라도 자연계의 법칙은 공평하고 에너지의 총합은 불변입니다. 그렇게 제 속도를 못 내서 버벅거리는 모터들은 만져보면 뜨끈뜨끈합니다. 에너지의 일부는 회전하는데 쓰고 나머지는 열로서 소모되는 것입니다. 우리가 군밤을 구워먹을 것이 아니기에 열은 필요가 없지요. 그렇다면 관건은 어차피 에너지의 총합이 정해져 있다면 에너지의 대부분을 회전에만 쓰면 되겠구먼. 빙고~ 정답입니다. 그러기 위해서는? 역시 부하를 고려해야 합니다.
이런 예를 들어보겠습니다. 오르막을 모터로 올라가는 전동차가 있다고 할 때,
얉은 경사의 오르막 : 높은 Kv값을 가지는 모터가 오히려 낮은 Kv값을 가지는 모터보다 더 빨리 올라갑니다.
중간 경사의 오르막 : 높은 Kv값을 가지는 모터랑 낮은 Kv값을 가지는 모터랑 비슷해집니다. 다만 높은 Kv값을 가지는 모터는 조금 열이 날 뿐입니다.
심한 경사의 오르막 : 이쯤되면 높은 Kv값을 가지는 모터는 못 올라가서 비실거리고 그 손실은 모터의 발열로 나타납니다. 낮은 Kv값을 가지는 모터는 힘차게 잘 올라갑니다.
위의 예에서 경사는 바로 부하입니다. 그렇다면 멀콥에서 부하는 무엇일까요?
첫째가 전체의 무게가 되겠지요. 중력의 법칙을 거스를수는 없으니 일단 가벼운 놈이 잘 납니다.
둘째가 프롭의 크기입니다. 프롭이 길어지면 더 많은 공기를 헤쳐야 하므로 부하가 커집니다 그렇다고 부하를 줄인다고 작은 프롭을 쓰면 그때는 또 헤치는 공기의 양 자체가 작아서 무게를 못 이깁니다.
세째가 프롭의 피치(기울어진 각도)입니다. 피치가 크면 더 많은 공기를 가를 수 있으나 그만큼 더 많은 힘을 요구합니다.
첫째의 경우는 하나를 늘리면 하나가 줄어드는 트레이드 효과가 없습니다. 그냥 닥치고 감량입니다. 하지만 둘째와 세째의 경우는 이게 좀 오묘합니다. 결국은 RPM이 죽지않는, 해당 모터의 회전수를 부하가 꺽지않는 선에서 가장 큰 크기와 피치의 프롭을 선택하는 것이 답입니다. 많은 공기를 갈라보겠다고 큰 크기와 큰 피치의 프롭을 달아 보았자 그게 모터의 부하로 작용하여 RPM을 깍아 먹으면 에너지를 열로서 허공에 날리는 셈이 됩니다. 어떤 공식이 있으면 좋겠으나 기체마다 무게가 다르니 정해진 공식이 없습니다. 다만, 비행 후에 모터를 만져보는 습관을 가지세요. 모터를 만져서 미지근한 정도라면 상관없으나 뜨거울 정도로 열이 난다면 프롭 크기를 줄이거나 더 낮은 피치를 쓰거나 감량을 통해 더 빠릿하고, 더 런닝 타임이 오래가는 기체로 만들 수 있습니다.
결국 모터를 고를 때는 내가 띄울려고 하는 기체의 부하를 고려해야 합니다. 기체가 무겁다면 힘이 좋은 모터를 선택해야 하고, 가볍다면 상대적으로 속도가 나는 모터를 선택 할 수 있는 여지가 늘어나는 셈이됩니다.