브러시리스 모터의 작동 원리와 테스트 방법

작성자: Emrik Joner

서론:

드론을 제작할 때 가장 먼저 해야 할 일 중 하나는 적절한 모터를 선택하는 것입니다. 최고의 성능을 얻으려면 여러 모터를 테스트하고 설계에 가장 효율적인 모터를 선택하는 것이 필수적입니다. 시장에는 드론 설계에 특화되어 제작된 다양한 종류의 전기 모터를 포함하여 수많은 모터가 있습니다. 이 글에서는 전기 모터에만 집중하여 다음 주제를 다룹니다:

1. 브러시리스 모터의 작동 원리
2. 인러너와 아웃러너 모터
3. 효율성과 성능
4. 모터 선택

참고: 이 글에서는 모터와 프로펠러 데이터를 수집하기 위해 Series 1585 추력 스탠드를 사용할 것입니다.

1. 브러시리스 모터는 어떻게 작동하는가?

브러시리스 메커니즘의 원리에 들어가기 전에 먼저 구성 요소를 살펴보겠습니다.

브러시리스 모터의 구성 요소:

전자석과 영구 자석: 

금속 베이스에 감긴 도체선은 자석처럼 작동하지 않지만, 전선에 전류가 흐르면 자석처럼 행동하도록 유도됩니다. 이것을 일반적으로 전자석이라고 합니다. 동일한 전선에 음전류가 흐르면 자석은 반대 효과를 내어 밀어내는 대신 다른 자석을 끌어당깁니다. 

로터와 스테이터: 

그림 3의 안쪽 원에서 볼 수 있는 부품은 전자석이고, 바깥쪽 원에는 영구 자석이 있습니다. 모터를 켜려면 코일에 전류를 공급하여 전자석 중 하나를 활성화합니다. 그러면 영구 자석이 같은 극의 전자석으로부터 척력을 받아 스테이터에 있는 반대 극의 영구 자석과 정렬되려 함에 따라 로터가 회전하기 시작합니다.

전자석과 반대되는 영구 자석이 정렬되므로 잠시 동안만 회전하게 됩니다. 다음 단계는 회전이 멈추지 않도록 다른 전자석에 전원을 공급한 다음, 그 다음 전자석, 또 그 다음 전자석 순으로 계속하는 것입니다.

특정 주파수로 3상 전류를 공급하면 모터는 해당 신호의 주파수와 동일한 속도로 회전합니다. 드론 컨트롤러의 스로틀은 모터 속도를 변경하는 데 사용되며, 스로틀 입력이 높을수록 드론에 더 높은 주파수 신호를 보냅니다. 전자 속도 컨트롤러(ESC)는 스로틀 입력에 따라 모터 속도를 조정하기 위해 신호 전달을 제어합니다. 

ESC의 역할은 무엇인가? 

ESC 또는 전자 속도 컨트롤러는 속도의 변화 또는 회전 방향의 반전으로 변환되는 전기 신호를 전달하여 전기 모터를 제어합니다. 직류를 스위치 시스템과 결합하여 교차 3상 전류를 생성합니다. 이 출력 전류는 회로에서 스위치가 열리고 닫히는 속도를 변경하여 수정할 수 있습니다.

브러시리스 ESC는 모터를 시작하고 회전 방향을 선택하기 위해 로터의 현재 위치에 대한 정보가 필요합니다. 위치를 결정하기 위해 ESC는 마지막으로 전원이 공급되지 않은 전자석의 정보를 사용하여 유도 전류를 측정합니다. 이 유도 전류는 가장 가까운 영구 자석이 어디에 있는지에 따라 달라지며, 전자석에 가까울수록 유도되는 자기장이 더 강해집니다.

스로틀은 모터 속도를 조절하는 데 사용됩니다. 이를 위해 ESC는 스로틀 신호에 따라 스위칭 주파수를 조정해야 합니다. 성능이 서로 다른 여러 신호 전달 프로토콜이 있으며, 가장 일반적인 것은 Oneshot, Multishot 및 Dshot입니다.

차이점은 전달되는 신호의 주파수입니다. 더 짧은 주파수는 더 빠른 반응 시간을 가능하게 합니다. 또한 Dshot 프로토콜은 아날로그 신호 대신 디지털 신호를 보내기 때문에 다른 두 가지와 다릅니다. 이로 인해 신호는 전기적 노이즈에 덜 민감하고 더 높은 해상도로 더 정밀해지므로 신뢰성이 높아집니다.

추가 읽을거리: 브러시리스 모터 제조업체 목록

2. 인러너 또는 아웃러너 

원리: 

모든 브러시리스 모터는 스테이터와 로터라는 두 개의 주요 부분으로 구성됩니다. 스테이터는 고정되어 움직이지 않으며 전자석을 지지합니다. 로터는 영구 자석을 지지하는 회전 부품입니다. 브러시리스 DC 모터에는 인러너와 아웃러너 모델 두 가지 유형이 있습니다.

인러너 모터의 경우 로터는 스테이터의 '안쪽' 또는 모터 케이스를 기준으로 더 안쪽에서 회전합니다. 아웃러너 모터는 로터가 스테이터의 '바깥쪽' 또는 더 바깥쪽에서 회전하므로 반대 구조입니다. 그림 6을 참조하십시오. 두 모델 모두 장단점이 있습니다.

동일한 크기의 인러너와 아웃러너를 비교하면 힘이 가해지는 지름이 다르다는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 이는 전자석이 영구 자석을 지지하는 로터보다 훨씬 더 많은 공간을 차지하기 때문에 발생합니다. 전자석이 안쪽에 위치하면 바깥쪽에 위치할 때보다 지름이 더 커집니다(그림 6).

크기 외에도 모터 성능에 미치는 영향도 중요하게 고려해야 합니다. 지름이 더 크면 회전 중심에서 더 멀리 힘이 가해지므로 토크가 더 큽니다. 반면 지름이 더 작으면 높은 RPM에 더 적합합니다. 따라서 인러너는 고속에서 가장 잘 작동하지만 토크는 적게 발생하며, 아웃러너는 더 많은 토크를 출력할 수 있지만 더 느린 속도로 회전하므로 더 큰 프로펠러에 가장 적합합니다. 

드론 산업의 브러시리스 모터: 

위에서 설명한 이유로 eVTOL은 높은 토크 덕분에 수직 추력을 위해 아웃러너를 자주 사용합니다. 인러너는 덕트 팬 제트 또는 고정익 항공기, 높은 RPM이 필요한 수평 이동에 더 흔히 사용됩니다. 이는 모터의 Kv 값, 즉 RPM/V 값으로 쉽게 이해할 수 있습니다.

이 값은 1V를 모터에 보냈을 때 모터가 어느 속도로 회전하는지 결정합니다. 따라서 인러너는 일반적으로 동일한 크기의 아웃러너보다 높은 Kv 값을 갖는데, 앞서 언급했듯이 인러너는 동일한 전압에서 더 빨리 회전하는 더 작은 로터를 갖기 때문입니다. 브러시리스 모터를 살펴볼 때 Kv 값이 먼저 표시되는 경우가 많습니다.

추가 읽을거리: 드론의 모터와 프로펠러를 테스트해야 하는 이유

3. 효율성과 성능

드론의 성능을 이야기할 때 우리는 종종 비행 시간을 생각합니다. 불행히도 가장 진보된 배터리 기술도 무게/에너지 비율 측면에서는 가솔린 모터와 경쟁할 수 없습니다. 유일한 해결책은 배터리 충전량을 가장 효율적으로 사용할 전기 부품을 신중하게 선택하는 것입니다.

배터리의 에너지 소비를 최적화할 수 있는 요인은 많습니다. 그중 하나는 모터의 효율성입니다. 높은 효율성은 무게/에너지 비율을 높여 모터와 드론 자체에서 더 높은 성능을 얻는 데 도움이 됩니다. 모터의 제조사 사양과 모터의 품질 사이의 차이를 파악하려면 모터를 테스트하는 것이 중요합니다. 이 개념을 보여주기 위해 서로 다른 가격대의 두 유사한 BLDC 모터를 비교합니다.

모터의 성능을 비교하기 위해 RCbenchmark Series 1580 추력 스탠드를 사용했습니다. 추력, 토크, 전압, 전류, RPM 및 효율성을 측정할 수 있습니다. 데이터 수집은 RCbenchmark 소프트웨어를 사용하여 수행됩니다. 테스트된 두 모터는 각각 1500 Kv와 2300 Kv의 T2407s입니다. 두 모터 모두 피치가 4인 동일한 7인치 프로펠러를 회전시킵니다.

그림 7의 첫 번째 그래프는 스로틀에 따른 두 모터의 효율성을 보여줍니다. 두 번째 그래프는 특정 속도에서의 효율성을 보여줍니다. 분명히 더 작은 1500 Kv 모터는 효율적으로 작동하기 위해 더 많은 스로틀이 필요합니다. 동일한 프로펠러를 사용한 이 설정에서 2300 Kv 모터와 동일한 효율성을 달성하지 못할 것입니다. 효율성 범위 또한 2300 Kv 모터에서 더 좋으며, 이는 모터가 저속과 최고 속도 모두에서 높은 효율성을 유지한다는 것을 의미합니다.

반면에 더 작은 모터는 더 높은 속도에서 작동할 수 있으며 더 작은 프로펠러와 함께라면 아마도 더 효율적일 것입니다. 운송용으로 사용되는 드론은 저속에서 대기 상태를 유지하고 안정적으로 작동하기 위해 더 작은 모터를 사용할 것입니다.

전체적인 비교를 얻으려면 드론의 용도와 작동할 RPM을 알아야 합니다. 1500 Kv 모터가 다른 기능을 위해 적합한 다른 프로펠러와 함께 사용할 때 더 효율적일 수도 있습니다. 테스트를 통해서만 알 수 있습니다.

4. 모터 선택 

마지막으로 모터를 선택할 때 무엇을 고려해야 하는지 이야기해 보겠습니다. 가장 중요한 특성은 모터 Kv로, 모터에 공급되는 전력에 대해 얻을 수 있는 회전 속도를 설명합니다. 2000 Kv 모터는 모터에 공급되는 1V당 분당 2000회 회전합니다.

크기는 Kv와 밀접하게 관련되어 있습니다. 넓고 큰 모터는 종종 더 높은 토크와 낮은 Kv를 가지며 더 큰 프로펠러를 사용하고, 가늘지만 더 긴 모터는 높은 Kv, 낮은 토크를 가지며 작은 프로펠러에 가장 적합합니다. 큰 모터는 낮은 RPM에서 작동하고 작은 모터는 상대적으로 높은 RPM에서 작동한다는 점을 고려하면 이해하기 쉽습니다.

모터의 최대 전력 또한 고려해야 할 사항입니다. 모터의 전력 제한을 초과하면 모터가 가열되어 효율성이 급격히 낮아지거나 심지어 손상될 수 있습니다. 브랜드 또한 모터의 성능을 변화시킬 수 있습니다. 동일한 Kv 값에서 한 브랜드의 모터가 다른 모터보다 더 나은 성능을 낼 수 있습니다. 이것이 바로 드론을 제작하기 전에 모터를 테스트해야 하는 이유입니다.

추가 읽을거리: 브러시리스 모터 Kv 및 모터 폴 계산 방법

일반적인 규칙으로, 과도한 힘을 가하거나 과열할 위험이 없는 한 가능한 가장 작은(가장 가벼운) 모터를 사용하는 것이 현명합니다. 그 이유는 필요 이상으로 큰 모터의 초과 무게를 줄이기 위함입니다. 우리는 대형 모터 제조업체 목록을 정리했습니다. 여기에는 중량물 운반 및 유인 드론 운용에 적합한 제품이 포함되어 있습니다.

결론