작성자: Lauren Nagel
서론
드론, RC 차량 또는 브러시리스 DC(BLDC) 모터를 사용하는 기계를 제작하고 있다면 모터 Kv와 모터 폴(pole)의 개념을 접해본 적이 있을 것입니다. 이 두 매개변수는 모터의 특성을 파악하고 성능을 예측하는 데 유용합니다.
이 글에서는 이러한 지표의 의미와 계산 및 측정 방법, 그리고 마지막으로 이들 간의 관계를 살펴봅니다.
목차:
- 브러시리스 모터 Kv 계산 방법
- 모터 Kv란 무엇인가?
- Kv 정격의 의미
- Kv 측정 및 계산 방법(공식)
- 모터 Kv 측정 방법
- 브러시리스 모터의 폴 수 확인 방법
- 모터 폴이란 무엇인가?
- 모터 폴과 폴 쌍
- 모터 폴과 전기적 속도
- 모터 폴 계산 방법(공식)
- 모터 폴 측정 방법
- 모터 폴과 Kv의 관계
계산을 마친 후, Series 1585 추력 스탠드를 사용하여 결과를 확인해 보겠습니다.
파트 1: 브러시리스 모터 Kv 계산 방법
브러시리스 모터의 모터 Kv란 무엇인가?
모터 Kv는 무부하 상태에서 브러시리스 모터의 최대 전압과 회전 속도 사이의 관계를 설명하는 방법입니다. Kv의 단위는 RPM/V이며, 부하가 없는 모터의 회전 속도를 인가 전압으로 나누어 추정할 수 있습니다.
사실 우리가 고려해야 할 전압은 인가 전압이 아니라 역기전력(EMF)입니다.
브러시리스 모터에서 역기전력(EMF)은 모터 내부의 코일이 자기장을 통과하면서 유도되는 전압으로, 전원 공급 장치에서 공급되는 전류와 반대 방향으로 발생합니다.
이는 패러데이의 법칙으로 설명할 수 있는데, 이 법칙은 자기장 내부에서 움직이는 코일에 전압 또는 emf라고 불리는 전류 흐름이 생성됨을 보여줍니다.
모터가 회전할 때 생성되는 역기전력은 로터의 속도에 비례합니다. 즉, RPM이 증가하면 역기전력도 증가합니다. 무부하 풀 스로틀 상태(모터 자체의 관성은 무시)에서 이 관계는 다음 공식으로 설명할 수 있습니다.
Kv 정격의 의미
Kv 정격은 모터에 1볼트가 인가될 때 모터가 몇 번 회전하는지 추정하는 값입니다. 이 정격은 크기는 같지만 내부 구조가 달라 성능 특성이 다른 모터를 비교하는 데 도움이 될 수 있습니다.
일반적으로 코일의 권선수가 많아질수록 모터의 Kv는 낮아집니다. 기계적으로 보면, Kv가 낮은 모터는 더 가는 전선을 더 많이 감아 만들며, 가는 전선은 낮은 전류에서 더 높은 전압을 전달합니다.
Kv가 높은 모터는 권선수는 적지만 더 굵은 전선을 사용하여 적은 전압으로 더 높은 전류를 전달할 수 있습니다. 다음 섹션의 공식은 이 개념을 수학적으로 보여줍니다.
추가 읽을거리: BLDC 모터 전력 및 효율성 분석
드론에 적용하면, Kv가 낮은 모터는 낮은 RPM에서 작동하고 더 많은 토크를 발생시키는 경향이 있어 큰 프로펠러와 대형 드론에 이상적입니다. Kv가 높은 모터는 높은 RPM에서 작동하며 토크가 낮고 작고 빠르게 회전하는 프로펠러에 이상적입니다.
따라서 레이싱 쿼드와 같은 가볍고 빠르게 움직이는 드론에는 Kv가 높은 모터가 가장 적합하고, 더 무겁고 느리게 움직이는 드론에는 Kv가 낮은 모터가 더 적합합니다.
그림 1: EMAX Hawk Pro 레이싱 드론은 2400 Kv 모터를 사용하는 반면, Foxtech Gaia 190MP 대형 드론은 100 Kv 모터를 사용합니다
또 다른 실질적인 용도는 인러너와 아웃러너 모터입니다. 동일한 크기의 아웃러너보다 인러너의 Kv 값이 일반적으로 더 높습니다. 아웃러너는 로터의 직경이 더 커서 영구 자석을 더 많이 장착할 수 있습니다.
자석(폴)이 많을수록 → 속도는 낮아지고 → Kv도 낮아집니다. 인러너는 직경이 작아 한 번 회전할 때 이동해야 하는 둘레가 더 짧으므로, 동일한 전압에서 더 많이 회전합니다.
Kv는 모터의 성능을 평가하는 절대적인 방법이 아니라는 점에 유의해야 합니다. 모터 브랜드 또한 효율성에 영향을 줄 수 있기 때문입니다. 동일한 Kv 값이라도 브랜드에 따라 모터의 성능이 더 좋거나 나쁠 수 있으며, 이는 테스트를 통해서만 확인할 수 있습니다.
모터 Kv 계산 방법
앞서 살펴본 공식으로 돌아가면:
공식을 변형하여 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
Kv를 추정하려면 공식에서 '역기전력' 대신 입력 전압을 대입하면 모터 Kv를 상당히 정확하게 추정할 수 있습니다.
더 정확하게 추정하려면 회로의 두 리드 사이의 전압을 측정하여 실효 전압(RMS)을 구한 다음, sqrt(2) 또는 1.414를 곱해 최대 전압을 구한 후 이 공식에 대입하면 됩니다:
0.95는 이론적 모델과 실제 관찰되는 값 사이의 편차를 고려하여 실제 관찰값에 더 가까운 값을 제공하는 수치입니다. 이 계수는 Kv 계산에서 일반적으로 인정됩니다.
BLDC Kv 측정 방법
Kv를 실험적으로 측정하는 것은 모터의 실제 Kv를 정확하게 파악할 수 있는 가장 좋은 방법일 것입니다. 저희는 테스트한 모터의 표기 Kv와 측정 Kv 사이에 차이가 있음을 정기적으로 확인했으며, 여러분도 아마 같은 결과를 보게 될 것입니다.
저희는 RCbenchmark 소프트웨어에서 모터를 무부하 테스트로 구동하여 Kv를 실험적으로 측정할 수 있는 미리 작성된 스크립트를 제공합니다.
모터를 RCbenchmark 테스트 스탠드에 연결하고, Setup 탭에 모터 폴 수를 입력한 다음 테스트를 실행(프로펠러 없이)하기만 하면 됩니다. 테스트가 완료되면 소프트웨어가 모터의 Kv를 자동으로 계산합니다.
모터에 Kv 정격이 표시되어 있더라도, 실험적으로 측정한 Kv가 광고된 값과 일치하는지 테스트해 보는 것은 흥미로운 일입니다.
그림 2: RCbenchmark 소프트웨어를 사용하여 Kv를 계산하는 자동 스크립트
파트 2: 브러시리스 모터의 폴 수 확인 방법
모터 폴이란 무엇인가?
브러시리스 모터 내부에는 로터의 둘레를 따라 여러 개의 자석이 배치되어 있습니다(그림 1). 이 자석들은 모터의 '폴'이라고도 합니다. 정류기에 있는 코일에 전류가 공급되면 로터의 자석이 같은 극의 전자석을 밀어내면서 로터가 회전하기 시작합니다.
아래 도표에서 파란색 로터는 인러너 모터(왼쪽)와 아웃러너 모터(오른쪽)에 영구 자석이 들어 있습니다. 녹색 정류기에는 전자기 코일이 들어 있습니다.
그림 3: 인러너와 아웃러너 모터의 모터 자석 / 폴
모터 폴과 폴 쌍
로터를 따라 배치된 자석은 각각 N극과 S극을 가지며, 그중 한쪽 끝만 정류기를 향해 마주 보고 상호작용합니다. 로터에서 바깥쪽을 향하는 N극 자석과 S극 자석의 수는 동일하며, N극과 S극 자석 한 세트를 '폴 쌍'이라고 합니다.
모터의 각 폴 쌍에는 두 개의 폴이 있으므로, 모터에 폴/자석이 8개 있다면 폴 쌍은 4개입니다. 같은 이유로 각 자석은 반대 극이 필요하기 때문에 폴 수는 거의 항상 짝수(2, 4, 6, 8 등)가 됩니다.
예.
- 2폴 모터 → N극 자석 1개와 S극 자석 1개 → 폴 쌍 1개
- 8폴 모터 → N극 자석 4개와 S극 자석 4개 → 폴 쌍 4개
모터 폴과 모터 전기적 속도의 관계
모터의 속도는 로터의 폴 수와 반비례합니다. 이 관계는 다음 공식으로 설명됩니다.
여기서:
Ns = 동기 속도
f = 3상 전원 공급 장치의 주파수
그리고 #p = 폴 수
또는 다음과 같이 쓸 수도 있습니다.
여기서:
Ns = 동기 속도
f = 3상 전원 공급 장치의 주파수
그리고 #pp = 폴 쌍 수
모터 폴 계산 방법
폴 수는 로터의 영구 자석 수와 같으므로, 폴 수를 확인하는 가장 간단한 방법은 자석을 직접 세는 것입니다.
모터 내부를 볼 수 있거나 외부 케이스를 분리할 수 있다면 가능합니다. 케이스를 분리할 수 없는 경우 자석이 매우 작고 수가 많을 수 있어 어려울 수 있습니다.
그림 4: 브러시리스 모터 내부의 자석 / 폴 수 세기
다른 간단한 방법으로 로터 주변에 자석을 흔들어 인력과 척력이 발생하는 지점을 확인하는 방법이 제안되기도 했습니다. 이 방법은 자석이 정류기 근처 표면에 노출된 아웃러너 모터에서 가장 효과적입니다.
이 방법을 시도할 때는 주의해야 합니다. 로터 내부의 자석이 더 강한 자석의 영향으로 자성을 잃을 수 있기 때문입니다.
조금 더 많은 노력과 장비가 필요한 또 다른 방법은 모터 속도와 전원 공급 주파수를 실험적으로 구한 다음, 아래 공식을 변형하여 모터 폴 수를 구하는 것입니다.
모터 속도를 측정하려면 모터를 역으로 구동할 장비(예: 드릴)와 회전수를 측정할 장치(예: 타코미터)가 필요합니다.
또한 생성된 역기전력의 주파수를 측정할 장치(예: 오실로스코프)가 필요합니다. 속도와 주파수를 동시에 측정하고 그 값을 위 공식에 대입하여 모터의 폴 수를 확인하십시오.
모터 폴 수 측정
모터의 폴 수를 측정하는 가장 간단한 방법은 테스트 스탠드에 맡기는 것입니다.
저희 테스트 스탠드 중 몇 가지는 모터의 폴 수를 자동으로 계산해 주는 미리 작성된 스크립트를 제공하며, 여기에는 Series 1585도 포함됩니다.
스크립트에 모터의 Kv 정격을 입력한 다음, 테스트 스탠드에 모터를 장착하고 자동 테스트를 실행(프로펠러 없이, 모터가 최대 속도로 회전하므로)하기만 하면 됩니다.
테스트가 완료되면 소프트웨어가 모터의 폴 수를 즉시 제공하며, 테스트는 단 몇 분이면 끝납니다.
그림 5: RCbenchmark 소프트웨어를 사용하여 모터 폴 수를 세는 자동 스크립트
파트 3: 모터 폴과 Kv의 관계
이전 섹션에서 살펴본 것처럼, 모터 Kv와 폴 수는 모두 모터의 속도 / RPM과 관련이 있습니다. 회전 속도가 증가하면 Kv도 증가한다는 것을 알고 있습니다. 반대로, 폴 수가 많을수록 낮은 RPM에서 작동하는 모터에 해당합니다.
따라서 모터 폴 수와 Kv의 관계는 반비례합니다. 실제로 생각해 보면 당연한 결과입니다.
폴 수가 많은 더 큰 모터는 높은 토크가 필요하며 낮은 작동 속도에서 작동합니다. 따라서 사용되는 모터는 폴 수가 많고 Kv가 낮습니다.
폴 수가 적은 더 작은 모터는 높은 RPM에서 작동하며 상대적으로 낮은 토크를 발생시킵니다. 따라서 모터는 폴 수가 적고 Kv가 높습니다.
결론
이 글에서 다룬 브러시리스 모터 폴과 모터 Kv의 개념은 BLDC 모터의 특성과 성능을 이해하는 데 중요한 두 가지 개념입니다. 이 수치들을 해석하는 방법을 알면 드론이나 전기 항공기에 가장 적합한 모터를 선택하고 성능과 효율성을 향상하는 데 도움이 됩니다. 효율성은 비행 시간, 페이로드 및 비행 거리와 직접적으로 관련되므로 이 정보는 매우 가치가 있습니다.
모터의 폴 수와 모터 Kv를 자동으로 측정할 수 있다면, 저희의 모터 테스트 도구를 확인해 보시기 바랍니다:
- Series 1585 - 최대 5 kgf의 추력 / 2 Nm의 토크 측정
- Flight Stand 15 - 최대 15kgf의 추력 / 8Nm의 토크 측정
- Flight Stand 50 - 최대 50kgf의 추력 / 30Nm의 토크 측정
- Flight Stand 150 - 최대 150kgf의 추력 / 150Nm의 토크 측정
- Flight Stand 500 - 최대 500kgf의 추력 / 1500Nm의 토크 측정
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