모터의 선택

[snaproll 이종헌]

전동기의 동력 선정에는 너무나 많은 조합이 있어 매우 어렵다는 생각이 듭니다.

다음과 같은 변수들이 엄청 많은 조합을 만들어 내기 때문이죠.

- 모터의 kv값(500~4000 까지 약 10단계)

- 감속비 (직결에서 6:1까지 약 5단계)

- 프로펠러 직경과 핏치 (수 없이 많죠.)

- 배터리 전압(2~10셀)

- 배터리 전류(6~15C)

- 기체의 특성.

출력

엔진의 출력은 보통 마력(HP:영국마력/PS:프랑스,독일마력)으로 나타냅니다.

50~100cc 가솔린 엔진은 4.5~10PS으로 프로펠러를 걸었을 때 마력당 2~3kg의 정지추력을 얻을수 있습니다.

이 공식은 10cc 글로우 엔진에도 비슷하게 적용이 됩니다.

OS 61 엔진은 16000rpm에서 1.9hp으로 실용 최대마력은 1.5hp 정도로 여겨집니다.

이 엔진으로 3.8~4.6kg의 정지추력을 얻을수 있으므로 역시 마력당 2~3kg의 정지추력을 얻을수 있습니다.

모형엔진의 정지추력 =  2~3kg/PS

이 값을 전동모터에 적용하면...

마력(PS)=75kgm/sec=75x9.8=735W 이므로 100W당 270~410g의 정지추력을 얻을수 있다는 추론이 가능합니다.

실제 400급 전동모터(감속)로 테스트해본 결과 100W당 400~700g의 정지추력을 얻을수 있었는데 이는 감속을 하여

프로펠러의 효율을 높일 수 있기 때문입니다.

반면에 프로펠러 직결시에는 100W당 100~400g의 정지추력 밖에 나오지 않습니다.

감속모터의 정지추력 =  400~700g/100W

통돌이모터의 정지추력 =  300~500g/100W

직결모터의 정지추력 =  100~400g/100W

통돌이 모터를 예를 들면... 100W당 정지추력이

400g이면 평균값이고,

300g쪽은 정지추력이 적은 고속형 기체 (프롭직경이 작고 핏치가 큰 경우) 에 적합하고,

500g쪽은 정지추력이 많은 저속형 기체 (프롭직경이 크고 핏치가 적은 경우) 에 어울린다고 보면 됩니다,

프로펠러

선풍기의 회전날개는 최대 1000rpm이고, 실물 경비행기의 프로펠러도 최대 2500rpm 정도에 불과합니다.

모형용 프로펠러는 대개 5000~10000rpm에 맞도록 설계된 것으로 보이는데 5000~6000rpm 부근에서

최대효율을 내는 것 같습니다.

5000rpm 기준으로 rpm을 2배 올리면(10000rpm) 부하는 4배 정도 증가하며, rpm을 1/2배 낮추면 (2500rpm)

부하가 대략 1/4로 줄어듭니다.

가솔린 엔진은 6000~7000rpm, 글로우 엔진은 8000~12000rpm 이지만 이보다 작은 400급 모터는 토크가

너무 작아서 rpm을 최대로 올려 주어야만 (약40000rpm) 출력을 제대로 낼수가 있습니다.

이는 적절히 감속을 한다면 전동모터가 엔진보다 훨씬 유리할 수 있다는 의미가 될수도 있는 것이죠.

프로펠러의 직경을 높이고 핏치를 줄이면 정지추력이 많이 증가됩니다.

그러나 아무리 정지추력이 좋다고 하여도 프로펠러에서 뒤로 보내는 바람의 속도가 비행속도에 미치지 못하면

비행에 아무런 도움을 주지 못하게 됩니다.

모터

감속용은 4000kv, 직결용은 1000(3cell)~1500kv(2cell) 값을 가진 모터를 많이 사용합니다. (3셀 11.1V의 경우)

프로펠러 rpm을 계산해 보면...

감속모터

감속모터는 4000kv x 11.1V x 1/5.2감속 = 8500rpm

전압강하로 셀당 3~3.3V 정도로 보고, 부하에 따른 rpm 저하(15~25%)를 감안하면 실제로는 5200~6500rpm 이 됩니다.

직결모터/통돌이모터

1000kv x 11.1V 또는 1500 x 7.4V = 11000rpm

직결모터는 역시 전압강하로 셀당 3~3.3V 정도로 보고, 부하에 따른 rpm 저하를 감안하면 6700~8400rpm 이 됩니다.

대형기의 경우는 Watt가 커 전류가 너무 높아지기 때문에 전압을 올려서 사용합니다.

10cell(37V) 까지도 사용하기 때문에 낮은 kv값을 사용하죠.

235kv x 37V = 8695rpm

통돌이 모터는 일반 직결모터의 단점인 약한 토크를 상당히 보완해 주어 프로펠러를 직결로 사용하도록 해 줍니다.

통돌이 모터는 토크의 한계가 있기 때문에 감속모터 보다는 프로펠러 rpm을 더 높여서 사용하여야만 하며

이는 다른 의미로 보면 감속모터 보다는 효율이 많이 떨어진다는 뜻이 됩니다.

그러나 통돌이 모터는 감속기어 없이 간편하게 사용할수 있다는 장점으로 인해 더 많이 사용되는 추세입니다.

규격별 선택

- 초대형기 : 대부분 감속 기어방식을 사용합니다.

- 대형기 : 현재로서는 기어방식이 우위에 있습니다.

- 중형기, 중소형기 : 200~1000W모터 (20~45엔진)급 에서는 다양한 감속기어가 보편화 되어 있지 않고

가격이 비싸서 통돌이 모터를 주로 사용할 것으로 보입니다.

- 소형기 : 통돌이 모터는 충분한 직경을 가져야 토크가 발생합니다.

따라서 350~480모터(60~200W, 10~15엔진)급 에서는 단연 감속기어 방식이 유리합니다.

- 초소형기, 인도어 3D : 기어를 사용하지 않는 간편함으로 인해 통돌이 모터가 많이 사용됩니다.

- 저속 인도어 : 역시 감속기어 방식이 절대적으로 유리합니다.

추력비

추력비를 정하면 동력을 쉽게 선택할 수 있습니다. 실물기의 추력비는,

보잉747 여객기 : 14%

파이퍼컵 : 30% (추정)

P-51D 프로펠러 전투기 : 70% (추정)

F-15 제트 전투기 : 70% (애프터버너 작동시 100% 이상)

모형의 경우에는 대략 다음과 같이 조금은 넉넉한 추력비를 가져야 합니다.

글라이더 : 20~40%

고익 스케일기 : 40~60%

전투기형 스케일기 : 70~80%

패턴/아크로 : 100~150%

100W~1500W급 모터를 조사해 보고 일부 사용해 본 결과 100W당 400g 추력공식을 적용하면

극한의 경우 (파이론/덕티디팬 기체 처럼 고rpm을 필요로 하거나 정지추력 위주의 토크롤/호버링 전용기체)를

제외하면 거의 대부분 일치된다는 결론을 얻었습니다.

소요 전력(W) = 기체무게(g) x 추력비(%) x 100W / 400g

거의 표준이 되다시피 한 Hacker (감속) 모터와 AXI (통돌이) 모터를 기준으로 대체모터까지

각 급수별로 틈틈히 정리해 두면서 자료를  계속 보완해 나가도록 하겠습니다.

[Pinkfire 박홍순]

요즘 2.5 kg 대의 기체를 전동으로 전환할까 생각중인데 (카메라 탑재기인데 진동을 없애려고요. 모터 끄고 활공중에 촬영함으로서) 윗 글을 참조하여 연구를 좀 해야갰습니다.

[Pinkfire 박홍순]

전에 올리신 자료에 의거하면 46급 엔진에 대응하기 위해 1200 W 가 필요한데.... (비용이 만만치 않겠는데요)

[Pinkfire 박홍순]

기체는 1.6m 스팬의 디캐슬런입니다. 이 기종이 촬영에 적합해서 택한 것은 아니구요, 있는 기체를 사용하다 보니 그렇게 됐습니다. 아니면 가겹게 전동글라이더 식으로 기체를 준비하여 카메라를 장착하는 것이 낫겠다 싶습니다. 카메라는 전에 소개해 주신 blip.com