RC모형기에서의 모터와 배터리 그리고 프로펠러의 매칭

GWS사의 홈페이지에 가면 모터 시스템 별 데이타가 잘 정리되어 있다. 우리가 보통 쓰는 브러쉬리스 모터도 아니고 또 GWS시스템 자체를 잘 쓰지 않기 때문에 별로 관심을 두지 않는 곳일 것이다.

모터뿐 아니라 감속기어까지 결합된 상태에서의 추력과 효율을 보여주기 때문에 감속이 추력과 효율에 어떤 영향을 미치는 지를 잘 알 수 있게 해준다.

그 중 LPS시리즈의 페이지의 일부를 복사해왔다. 이 시리즈는 전압에 따라 10g대에서 100g초반대까지의 추력을 가지며, 무게도 20g대 초반의 경량급 무게와 파워를 가지고 있다. 그리고 브러쉬 모터를 사용하고 있다. 그러나 브러쉬라는 것 만으로 효율이 브러쉬리스 모터보다 떨어진다는 것은 착각이다. 추력은 떨어질 지 몰라도 효율은 결코 낮지 않다.

http://www.gwsus.com/english/product/powersystem/lps.htm 

GW/LPS-RXC-AS      기어비  (M0.3)  48T / 12T = 4:1       Weight : 21.63 g (without propeller)
PROPELLER	Volts (v)	Amps (A)	Thrust		Power (w)	Efficiency
			(g)	(oz)		(g/w)	(oz/kw)
EP6030	4.8	0.71	17	0.60	3.41	4.99	176
	6.0	0.94	27	0.95	5.64	4.79	169
	7.2	0.98	42	1.47	7.06	5.95	210
EP7060	4.8	1.11	48	1.68	5.33	9.01	318
	6.0	1.55	68	2.38	9.30	7.31	258
	7.2	2.00	83	2.91	14.4	5.77	203
	8.4	2.3	99	3.47	19.32	5.13	181
EP8043	6.0	1.56	83	2.91	9.36	8.87	313
	7.2	1.95	102	3.57	14.04	7.27	256
	8.4	2.28	127	4.45	19.15	6.63	234
EP8060	4.8	1.42	61	2.14	6.82	8.95	316
	6.0	1.94	85	2.98	11.64	7.30	258
	7.2	2.44	110	3.85	17.57	6.26	221
GW/LPS-RXC-BS       기어비(M0.3)  50T / 10T = 5:1          Weight : 21.74 g (without propeller)
PROPELLER	Volts (v)	Amps (A)	Thrust		Power (w)	Efficiency
			(g)	(oz)		(g/w)	(oz/kw)
EP8043	2.4	0.28	16	0.56	0.67	23.81	840
	3.6	0.48	34	1.19	1.73	19.68	694
	4.8	0.76	51	1.79	3.65	13.98	493
	6.0	1.03	73	2.56	6.18	11.81	417
	7.2	1.33	102	3.57	9.58	10.65	376
	8.4	1.60	130	4.55	13.44	9.67	341
EP8060	2.4	0.35	22	0.77	0.84	26.19	924
	3.6	0.59	37	1.30	2.12	17.42	614
	4.8	0.92	57	2.00	4.42	12.91	455
	6.0	1.27	80	2.80	7.62	10.50	370
	7.2	1.65	110	3.85	11.88	9.26	327
EP9047	2.4	0.43	19	0.67	1.03	18.41	649
	3.6	0.76	43	1.51	2.74	15.72	554
	4.8	1.14	69	2.42	5.47	12.61	445
	6.0	1.53	99	3.47	9.18	10.78	380
	7.2	1.93	126	4.41	13.90	9.07	320
EP9070	2.4	0.52	24	0.84	1.25	19.23	678
	3.6	0.91	47	1.65	3.28	14.35	506
	4.8	1.36	72	2.52	6.53	11.03	389
	6.0	1.83	99	3.47	10.98	9.02	318
	7.2	2.30	126	4.41	16.56	7.61	268
GW/LPS-RXC-CS      기어비(M0.25)  62T / 10T = 6.2:1        Weight : 21.8 g (without propeller)
PROPELLER	Volts (v)	Amps (A)	Thrust		Power (w)	Efficiency
			(g)	(oz)		(g/w)	(oz/kw)
EP9047	2.4	0.33	13	0.46	0.79	16.41	579
	3.6	0.58	35	1.23	2.09	16.76	591
	4.8	0.86	59	2.07	4.13	14.29	504
	6.0	1.17	84	2.94	7.02	11.97	422
	7.2	1.51	116	4.06	10.87	10.67	376
EP9070	2.4	0.39	18	0.63	0.94	19.23	678
	3.6	0.69	40	1.40	2.48	16.10	568
	4.8	1.05	64	2.24	5.04	12.70	448
	6.0	1.43	95	3.33	8.58	11.07	391
	7.2	1.85	121	4.24	13.32	9.08	320
EP1047	2.4	0.36	23	0.81	0.86	26.62	939
	3.6	0.62	46	1.61	2.23	20.61	727
	4.8	0.93	71	2.49	4.46	15.91	561
	6.0	1.29	102	3.57	7.74	13.18	465
	7.2	1.68	137	4.80	12.10	11.33	399
EP1080	2.4	0.51	26	0.91	1.22	21.24	749
	3.6	0.88	52	1.82	3.17	16.41	579
	4.8	1.33	82	2.87	6.38	12.85	453
	6.0	1.84	115	4.03	11.04	10.42	367

위의 표들은 RXC라는 하나의 모터에 대해서, 기어비 별로 AS, BS, CS 3개의 파워 시스템에 대한 표가 하나씩 해서  전부 3개의 표가 있고, 각 표를 보면 프로펠러 별로 먼저 구분되어 그 프로펠러에 대해 각 전압별로 소모 전류, 추력과, 소모전력, 효율을 보여주고 있다.

같은 프로펠러를 쓸때는 전압을 적게 줄수록 당연히 추력과 전류 소모전류가 줄어 들지만 효율은 올라가는 경향을 보인다. 6.2:1의 기어비를 쓰는 세번째 표의 EP1047프로펠러에 2.4v 줄을 보면 효율이 무려 26.62 g/w까지 나온다. w는 전압곱하기 전류로써 소모 전력을 나타낸다. 효율은 소모 전력당 추력을 나타낸 것이다.

스로틀을 내려서 비행을 한다면 내린만큼 보타 더 비행시간이 길어 질 수 있다는 이야기가 된다. 스로틀을 반으로 내렸을때 두 배의 시간 동안 비행을 할 수 있는게 아니라 그 이상이 될 수 있다는 말이다.

11.1v의 배터리로 20A정도를 쓴다면 222W가 되는데 그 힘으로 이 모터 시스템의 최고효율인 26.62g/w의 효율을 낸다면 추력이 무려 5.9kg에 달해야 한다. 그러나 그런 브러쉬리스 모터가 대체 어디 있단 말인가? 600W대의 모터들은 대부분 2kg내외의 추력을 가지고 있는 것이 현실이다. 이 표를 보면서 브러쉬리스는 내구성은 충분히 좋을지 몰라도 효율이 꼭 높은 것은아니라는 것을 알게되었다.

기어비 6.2:1의 경우인 세번째 표를 그래프로 나타낸 것, 1047 프로펠러의 효율이 가장 높은 것이 한 눈에 드러난다.

이번엔 모터에 걸리는 부하에 따른 추력과 효율의 변화를 살펴보자.

맨 밑의 표에서 보면 각 프로펠러 별로 2.4v에서의 추력과 효율을 보자. 프로펠러가 점점 커질 수록, 피치가 점점 커질 수록 모터에 걸리는 부하가 커진다. 피치는 프로펠러가 한바퀴 돌때 전진하는 거리인데, 피치가 클 수록 프로펠러가 꺾인 각도가 크고, 모터에 걸리는 부하가 커지고, 시간당 불어내는 바람의 양이 더 많아 진다.

프로펠러가 점점 커지고 피치가 커질 수록 추력은 13g, 18g, 23g, 36g으로 점점 커진다 그러나 효율도 그럴까? 효율을 보면 16.41g/w,   19.23g/w,   26.62g/w,   21.24g/w 로 늘어나다가 다시 줄어 드는 양상을 보인다.  이것은 모터에 부하가 어떤 영향을 미치는 지는 단적으로 보여 준다. 그래프로 그린다면 상승하다가 정점을 지나면서 다시 줄어 드는 형태가 될 것이다.

최고의 효율을 찾아 내기 딱 좋은 형태의 그래프가 되겠다. 효율이 정점이 될 때의 부하가 이 모터에 가장  적합한 부하가 되는 것이고 그것이 곧 가장 적합한 프로펠러 사이즈를 의미한다.

부하는 프로펠러 뿐 아니라 기어비와도 관련이 있다.  기어비가 커질 수록 그러니까 감속을 많이 할 수록 속도는 줄지만 토크가 커져서 큰 프로펠러를 효율적으로 돌릴 수 있게 된다.

각 표별로 최고의 효율을 나타내는 프로펠러가 정해져 있는데 표의 중간 쯤에 있는 것을 볼 수 있다. 기어비가 4:1인 첫 번째 표에서는 7060 프로펠러에서 최고의 효율이 나오고  기어비가 5:1인 두 번째 표에서는 8060 프로펠러, 기어비가 6.2:1인 세 번째 표에서는 1047프로펠러에서 최고의 효율이 나온다.

그러나 효율을 우선시 하여 배터리 사용시간을 늘릴 것이냐, 아니면 효율은 좀 떨어져도 고속이나 강한 상승력을 원하느냐는 개인의 선택이다. 비행기의 스타일, 자신의 비행 스타일에 맞게 선택하면 된다. 3D비행이나 파일런기라면 추력을 우선시 할것이고 파크 플라이급을 날리는 사람들에게는 효율이 높은 것이 아무래도 더 오래 날릴수 있으니 더 선호할 것이다.

두 가지를 다 원한다면 중간 지점의 모터와 프로펠러와 배터리 감속기어를 선택해야 하는 것이지 두 가지를 한꺼번에 취할 수는 없다. 가변형 모터나 프로펠러가 만들어진다면 가능하겠지만 현재는 없다.