드론 가이드

드론의 동력! 모터에 대하여...

ED 콘텐츠 에디터 2018.03.12
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대한민국 No.1 드론 웹 정보채널! 엔조이드론 운영자입니다.


이번 초보자가이드에서는 드론의 핵심 동력인 모터에 대해서 써보려고 합니다.


드론의 부품들에 대해서는 레이싱드론을 사용하시는 분들이 관심이 많은 분야라서 초보자분들은 좀 어려운 내용이 될 수도 있습니다만 "모터"에 대한 내용만큼은 완구나 센서드론을 사용하시는 분들도 관심을 가지고 보셔야 하는 부분이 있으니 초보자분들께도 도움이 될 것이라 생각되네요 ㅎㅎ


그럼 드론에 사용하는 모터에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다^^ 히위고~



1. 모터의 종류 (완구와 센서드론을 구분하는 요소) 


일단 드론에 쓰이는 모터는 크게 두 종류로 구분이 되는데요.


바로 "브러시 모터(Brush motor)"와 "브러시리스 모터(brushless motor)" 입니다.


이름 그대로 "브러시"라는 것의 유무에 따라 구분이 되는 것인데요. 브러시 모터는 "브러시드 모터(Brushed motor)" 라고 표현하기도 하고 브러시리스 모터는 "BLDC 모터(Brushless direct current motor)" 라고 부르기도 합니다.



 

이 브러시가 있느냐 없느냐가 드론의 비행안정성을 결정짓는 중요한 요소이기도 하기 때문에 완구드론과 센서드론을 구분하는 중요한 요소가 되기도 합니다.


[드론의 종류구분 바로가기] 


결론부터 말씀드리면 완구드론에는 브러시모터가 쓰이고 센서드론에는 대부분 브러시리스 모터가 쓰입니다.


그만큼 브러시리스 모터가 브러시 모터에 비해 출력이 높아 비행안정성이 좋다는 의미인데요.


우리 엔조이드론에서는 완구용 드론과 촬영용 드론의 결정적인 차이를 GPS센서라고 자체적으로 규정짓고 구분을 하고 있는데 그 분류에 따라 사용모터의 종류를 살펴보면 대부분 맞아떨어집니다. (물론 예외도 있습니다 ㅠㅠ)



 

최근에는 완구용 드론에 GPS만 탑재해서 나온 제품들이 있더군요. (완구회사들이 돈을 좀 벌었나봅니다 ㅎㅎ) 국민드론으로 유명한 syma에서 나온 syma x8pro나 국내에 아직 인지도는 낮지만 저렴한 GPS드론으로 출시된 SJRC의 S70W 같은 기종들이 그런 기종이죠. GPS는 있는데 모터는 완구용 브러시 모터를 사용합니다.


뭐, 이런 기종들은 완구와 센서의 중간형태로 봐야할까요? ㅎㅎ 엔조이드론에서는 완구와 센서를 구분짓는 기준을 GPS에 두었으니 일단은 센서로 구분하겠습니다. ㅎㅎ


물론 나중에 바뀔 수도 있을듯하지만요 ^^;; 예전엔 기압센서로 오토호버링만 돼도 센서드론이라고 불렀었는데 완구용 드론들이 다들 기압센서 달고 나오면서 기준이 애매해진 것처럼요. GPS달고 나오는 완구들이 많아지면... 점점 완구와 센서를 구분하는 것 자체가 의미 없어지는 시대가 올지도 모르죠 ㅎㅎ 


아무튼 현재는 이런 예외기종을 제외하면 대부분의 센서드론에는 브러시리스 모터가 쓰입니다.


그럼 브러시 모터와 브러시리스 모터가 어떻게 다르길래 이렇게 쓰임이 다른지를 한번 살펴봐야겠죠? ㅎㅎ



2. 브러시 모터의 특징


모터별 특징을 알려면 모터의 구조와 원리부터 알아야겠죠? 먼저 브러시 모터부터 보겠습니다.


브러시 모터는 완구에 쓰이는만큼 브러시리스 모터에 비해 가격이 저렴하고 성능이 떨어질거라 예상해볼 수 있는데요. 바로 그렇습니다. 브러시 모터는 초창기 모델의 모터이고 브러시 모터의 단점을 보완하고자 만들어진 것이 브러시리스 모터이기 때문에 아무래도 저렴한대신 성능이 떨어지는 것이죠.  


모터란 전기에너지를 동력에너지로 바꾸는 장치입니다. 전기로부터 어떻게 기계적인 힘을 얻는지에 대해 이해하기 위해서는 학창시절 물리 시간에 한번쯤은 들어보았을 "플레밍의 왼손법칙"을 알아야 합니다. (넵. 여기서부턴 학생용 자료입니다 ㅎㅎ 스킵하셔도 돼요^^;;)


간단하게 설명하면 플레밍의 왼손법칙은 전류와 자기장이 서로 직각방향을 이룰때 힘이 발생한다는 것인데요. 쉽게 말해 자석에 전류가 흐르는 전선을 가져다 대면 전선이 힘을 받아 특정 방향으로 움직인다는 것입니다.


혹시 아재회원분들 중에 학창시절 전자석을 만들어보신분이 있으신지요?(저는 방학 때 "탐구생활"에 있어서 해봤던 기억이 나네요 ㅎㅎ)  못 같은데에 코일을 감고 전류를 흘려주면 못이 자석처럼 변하죠. 이런것도 플레밍의 왼손법칙에 의한 것입니다. 전류가 흐르게 되면 전선 주변에 자기장이 발생하기 때문에 자기장내에서 전류가 흐르게 되면 자기장끼리 영향을 주어 힘이 발생하는 것이죠.


모터의 구조를 보면 영구자석과 코일이 감긴 전자석으로 이루어져 있습니다. 브러시모터에서는 영구자석 부분을 "고정자"라고 하고, 전자석부분을 "회전자"라고 부릅니다. 회전자인 전자석에 전류를 흘려주면 자성을 띄면서 같은극끼리 서로 밀어내게 되어 회전을 하는 것이죠.



 

그런데 이렇게 하면 문제가 생깁니다. 반바퀴밖에 못돌잖아요 ㅠㅠ 반바퀴 돌면 고정자와 회전자가 다른극이 되어 서로 끌어당겨 회전을 더 이상 하지 못하게 됩니다. 하지만 회전자는 전자석이지요~^^ 전류 방향을 바꾸어주면 자성을 반대로 할 수 있습니다. 그렇게 전자석의 자성을 반바퀴마다 바꾸어주면 모터는 계속해서 한방향으로 회전할 수 있습니다!


이렇게 전류방향을 바꾸어주는 역할을 하는 것이 정류자와 브러시 입니다. 서로 연결되지는 않은 상태에서 맞닿은채로 전류가 통하도록 해 놓으면 모터가 회전하면서 자연스럽게 전류 방향이 바뀌게 되니까요.


즉, 정류자와 브러시는 회전하면서 계속 맞닿아 격렬한 부비부비를 하게 되는 것이죠.


여기서 브러시모터의 결정적인 단점이 나타납니다. 그렇게 정류자와 브러시가 격렬하게 부비부비를 하게 되면 그 마찰로 브러시가 마모되어 버립니다 ㅠㅠ


따라서 브러시 모터는 수명이 존재합니다. 브러시가 닳아 없어지면 전류가 통하지 않게 되고 그 모터는 운명하시게 되는 거죠. (물론 브러시 교체하면 부활할 수 있습니다만^^;;)


그런데 드론의 핵심동력인 모터를 수명이 존재하는 브러시 모터로 사용한다면 어떻게 될까요?


상공 100m 정도를 비행하던 드론의 모터가 수명이 다 되어버렸다면? 바로 안전사고로 이어지겠죠.


모터 출력이나 성능을 둘째치고라도 브러시모터는 수명때문에 드론에는 맞지 않습니다. 뭐, 완구드론이야 어차피 가볍고, 바람 때문에라도 그리 높이 올리지 못하니 비행중에 모터 수명이 다해도 크게 사고로 이어지진 않겠지만 센서드론은 다르니까요.


방송인 김건모씨가 드론으로 낚시를 하는데 그 순간 브러시 모터 수명이 다 되었다고 생각해보세요. ㅠㅠ 300만원짜리 드론이 그대로 수장되는 것이죠. 따라서 센서드론에는 브러시 모터를 사용하지 않는 것입니다.


브러시모터의 "수명"이라는 결정적인 단점을 보완하기 위해 만들어진 것이 바로 센서드론에 사용되는 브러시리스 모터입니다.  



3. 브러시리스 모터의 특징


브러시 모터의 수명은 브러시의 마모에 의해 발생되는 것입니다. 모터를 연구하던 그 옛날의 공돌이들은 그런 단점을 어떻게 극복하려고 했을까요?


"브러시 때문에 수명이 짧다고? 그럼 브러시 떼어 버리지 뭐 ㅋ"


공돌이들은 머리를 굴리기 시작합니다. 브러시를 쓰지 않고 모터를 한쪽방향으로 계속 돌리는 방법을 찾기 위해서...


그러다 결국 방법을 찾아냈고 그렇게 그들은 브러시를 버릴 수 있게 됩니다. 브러시 떼어 버린게 얼마나 대단한 기술이었는지 이름도 "브러시리스 모터"라고 지었습니다.


하지만 그 대단한 기술은 아주 단순한 역발상에서 시작된 것이었습니다.


브러시 모터에서 브러시가 존재하는 이유는 회전하는 모터의 전류방향을 계속 바꿔주기 위함입니다. 계속 움직이는 회전자의 전류를 바꿔주려니 고정된 전선으로 "연결"을 할 수가 없고, 그렇다보니 연결되지 않고 맞닿아 있는 정류자와 브러시가 필요했던 것입니다.


그런 브러시를 없애려면? 전자석에 전선을 "연결"하면 됩니다. 전자석은 계속 돌아가는데 선으로 연결하면 선이 꼬이지 않냐구요?


"그럼 전자석을 고정하고 영구자석을 돌리지 뭐 ㅋ"


그렇게 브러시리스 모터가 탄생합니다.


발상대로 코일을 감아 놓은 전자석으로 고정자로 쓰고 영구자석을 회전자로 사용하게 된 것이죠.



 

이런 발상으로 브러시는 없앴지만 전자석이 계속 같은 자성을 띄어서는 회전자인 영구자석을 돌릴 수 없겠죠. 그래서 브러시리스모터에서는 이 전자석들이 순차적으로 자성을 띄도록 전류를 펄스신호로 흘려주게 됩니다.


따라서 브러시리스 모터는 그냥 전원을 연결한다고 돌아가는것이 아닙니다. 그리고 전압세기로 모터속도를 조절하는 브러시 모터와 달리 펄스간격도 모터의 속도 조절에 영향을 주게 됩니다. 그러니 이러한 작업을 해줄 장치가 필요하게 되었고 그 장치가 바로 레이서분들께 익숙한 ESC라는 전자회로입니다.


그렇게 브러시리스 모터는 브러시를 떼어버리면서 생명연장의 꿈을 이루었고, 모터의 출력도 비약적으로 상승했습니다. (위에 모식도와는 달리 실제로는 코일이 엄청 많습니다. 또한 회전자인 영구자석도 여러개를 붙이기 때문에 모터출력은 브러시모터와 비교가 되지 않죠) 


아주 높은곳까지 올라가는 센서드론에 사용해도 안전하며, 어지간한 바람에도 맞서서 말뚝호버링을 하거나 원하는 곳으로 이동할 수 있게 된 것이죠. (야외 드론촬영은 바람과의 싸움입니다. 초보자분들은 촬영용 드론을 구입할때 카메라 화질에만 신경을 쓰시는데 화질보다 실은 비행안정성이 더 중요할 수도 있습니다. 몇번 드론 촬영을 해보신 분들은 모터나 짐벌 같은 것을 더 신경쓰게 되죠. ㅎㅎ)



4. 브러시리스 모터의 형태


브러시리스 모터는 또 두가지 형태로 구분이 됩니다.  


인러너(in-runner) 방식과 아웃러너(out-runner) 방식인데요.


어떤형태든 어차피 원리는 같습니다. 고정자가 코일감은 전자석이고 회전자가 영구자석인 것이죠.


다만 인러너 방식은 고정자가 바깥쪽에, 회전자가 안쪽에 있는 형태이고요.


아웃러너 방식은 고정자가 안쪽에, 회전자가 바깥쪽에 있는 형태죠. (일명 "통돌이" 라고 합니다 ㅎㅎ)



 

인러너 타입은 회전자가 모터 안쪽(회전축)에 있으니 흙먼지 같은 이물질에 강합니다. RC카들은 인러너 모터가 적합하겠죠 ㅎㅎ 그리고 회전축에 회전자가 있으니 순간고속에 유리합니다. 이유는... 관성모멘트가 낮기 때문인데요;; 설명하려면 머리 아플 것 같으니 넘어갑시다 ㅠㅠ 그냥 팔을 벌리고 회전하던 김연아 선수가 팔을 모으면 회전속도가 빨라지는 것과 같은 원리라고만 이해하시면 될 것 같습니다 ㅎㅎ


아웃러너 타입은 회전자가 모터 바깥쪽에 있습니다. 모터 바깥쪽 통에 회전자인 영구자석이 붙어 있어 외부 통이 도는 것이죠. (그래서 통돌이라고 합니다 ㅎㅎ 이건 뭐, 세탁기도 아니고...) 인러너 타입에 비해 드론에 적합한 모터가 아웃러너 타입입니다. 어차피 RC카에 비해 이물질이 들어오는 일이 적어 코일부분을 노출시키고 발열을 줄일 수 있습니다. 또한 토크(torque:회전력)를 받는 부분이 회전축에서 멀리 떨어져 있으니 인러너에 비해 고속회전에는 불리하지만 강한 토크를 낼 수 있습니다. 회전문을 밀고 건물에 들어갈때 안쪽에 있는 사람보다 바깥쪽에 있는 사람이 미는 것이 더 적은 힘으로 쉽게 밀 수 있는 원리와 같습니다.



5. 브러시리스 모터 스펙 읽기


모터의 스펙에 대한 설명을 끝으로 이번 가이드를 마치려고 합니다. 아마 레이싱을 즐기시는 분들이 궁금해 할 부분일텐데요.


모터를 구입하려고 보면 스펙란이 "2306-KV2450" 과 같이 쓰여 있는 것을 본적이 있으실텐데요. 이것이 모터의 스펙을 나타내는 수치입니다.



 

앞에 있는 숫자 2306의 "23"은 아웃러너 모터의 스테이터(고정자, 코일 전자석)의 직경이 23mm라는 것을 뜻하고, "06"은 스테이터의 높이가 06mm라는 것을 뜻합니다.


그리고 KV값은 모터의 분당 회전수(RPM)을 나타내는 수치인데요. 모터의 RPM은 인가되는 전압값에 따라 달라지기 때문에 1V당 RPM값을 KV값으로 나타냅니다. 위 사진의 모터는 1V당 RPM이 2450회전이라는 것이죠.


이외에도 모터 스펙에 스테이터암의 갯수, 마그네틱 폴의 갯수, 샤프트 직경 등도 표기하는 경우가 있는데 그림에서 보는 것으로 이해하시면 됩니다.


끝내기 전에 한가지 더 팁을 드리자면 RPM값이 높은 모터에는 작고 피치가 낮은 프롭을 사용하는게 좋고, RPM값이 낮은 모터에는 크고 피치가 높은 프롭을 사용하는 것이 좋습니다. (피치란 프롭의 비틀어진 정도를 말합니다^^)


이유는 아까 인러너/아웃러너 타입 이야기할때 어느정도 힌트를 드렸지요. 순간 고속회전에 유리하다는 말은 상대적으로 토크가 약하다는 것입니다. 프롭의 피치가 낮아야 낮은 토크에서 고속회전을 하기 좋겠죠. 반대로 프롭의 피치가 높다면 느리더라도 토크가 강한 모터를 써야 하구요.


자동차 저단기어와 고단기어를 생각하면 이해가 쉽겠네요. 언덕길 올라갈때 느리지만 토크가 좋은 저단기어를 사용하듯이 프롭의 피치가 높아 공기저항이 상대적으로 강할수록 느리더라도 토크가 강한 모터를 써야 하는 것이죠. 피치가 높은 프롭은 공기저항이 강한만큼 발생되는 양력이나 반작용력이 강하기 때문에 회전이 느려도 충분히 기체가 떠오를 수 있으니까요.


[드론의 이륙/조종 원리 바로가기]



그럼 여기까지!


드론에 쓰이는 모터에 대해 알아보았습니다^^


모두 즐비 안비 하세요~

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