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RC(Radio-Controlled) 항공기 알아보기
2015.06.23 15:20

RC(Radio-Controlled) 항공기 알아보기 - 3. 모터와 프로펠러

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 전기 모터는 RC 항공기가 날 수 있도록 직접적인 동력을 제공합니다. 프로펠러는 그 동력을 추진력으로 바꾸는 역할을 합니다. 무게에 민감한 RC 항공기 모터는 경량화를 위해 극단적인 전력 밀도를 가지는 대신 내구성이 산업용 모터보다 떨어집니다. 따라서 사용하는 모터에 적합한 프로펠러를 선정하는 것은 성능 향상과 모터 수명을 늘리는 중요한 일입니다. 우선 RC 항공기에 쓰이는 모터와 프로펠러의 종류를 자세히 알아보고, 그 연결 방법과 선정에 대해 간단히 말씀드리도록 하겠습니다.


 최근의 RC 항공기는 대부분 BLDC 모터를 사용하지만 일부 저가의 완구형 제품들은 여전히 일반적인 DC 모터를 사용하기도 합니다. 이러한 DC 모터들은 두 전원 단자에 +, - 전원을 연결하면 간단히 회전시킬 수 있습니다. RC 항공기 쪽에서 DC 모터들을 구분할 때에는 '급수'라고 하는 것을 사용합니다. 보통 180(200)급, 380(400)급, 480(500)급 따위로 나누어집니다. 이는 대체로 모터 지름과 유사한데, 180->1.8cm, 380->3.8cm, 480->4.8cm 같은 식입니다. 그런데 모터마다 길이도 다르고 회전수나 토크도 조금씩 다르기 때문에 절대적인 기준이라고 볼 수는 없습니다. 또한 RC 샵에서 DC 모터를 구하는 경우 대부분 모터에 대한 세부적인 성능이 제시되지 않는 문제도 있습니다. 아마 DC 모터가 일반적으로 쓰이던 때에는 기성 전동기들이 모든 기자재를 갖춘 세트로 판매되는 일이 흔했고, 이들이 잘 날아다니므로 모터 자체의 성능이나 프로펠러 사이즈간 관계를 굳이 신경쓸 필요가 없었기 때문이라고 생각합니다.


180motor.jpg380motor.jpg480motor.jpg

일반 DC 모터. 왼쪽부터 180모터, 380모터, 480모터


 DC 모터들은 대체로 고속 회전을 하기 때문에 직경이 작은 프로펠러만 사용할 수 있었고, 큰 추력을 내는 데에 한계가 있었습니다. 그래서 나온 것이 기어를 이용해 회전수를 낮추고 토크를 높여 큰 프로펠러를 장착할 수 있도록 하는 감속기 또는 기어박스입니다. 감속기 자체의 무게도 있어 좀 더 무거워지기도 하지만 이를 능가하고도 남을 만큼 추력이 증가하는 장점이 있습니다. 이론적으로는 감속기를 부착해도 동일한 출력이 나와야 하지만 실제로는 더 큰 출력이 나옵니다. 이는 큰 프로펠러를 장착하고 더 큰 추력을 내기 때문에 사실 당연한 것입니다. 즉 부하가 증가했기 때문이죠. 그래서 모터의 출력은 증가하지만 소비전력 또한 커집니다. 기어박스의 감속비에 따라 출력 축의 회전수와 토크를 조절할 수 있으며 적합한 프로펠러 사이즈가 달라집니다. 이 쪽의 대표적인 업체는 대만의 GWS사인데, 각 감속기별로 적합한 프로펠러를 표로 보기 쉽게 만들고 추력과 소비전류를 자세히 공개하여 비행기 자작파들에게 인기가 많았습니다. 요즘 쓰이는 outrunner BLDC 모터들은 모터 자체가 높은 토크와 낮은 회전수를 가지기 때문에 감속기를 사용하는 경우는 없어졌다고 보시면 됩니다. 제품이 있기는 한데 사용하는 것을 실제로 본 적은 없습니다. 대부분의 취미용 비행기 크기에서는 모터만으로도 충분한 동력을 낼 수 있기 때문일 것입니다. 하지만 헬리콥터의 경우에는 로터블레이드 사이즈가 기체에 비해 매우 크기 때문에 BLDC 모터를 사용하더라도 반드시 기어식 감속 방식을 사용하게 됩니다.


gearedmotor


GWS 기어드 DC 모터 세트. 위쪽에 고정용 각재 따위를 박을 수 있도록 사각 홈이 나 있습니다.


 BLDC 모터는 기존의 DC 모터와 다르게 케이스에서 내부 회전축으로 전류를 전달하는 brush라는 부품이 존재하지 않습니다. Brush는 모터가 회전하면서 스파크와 마찰에 노출되기 때문에 수명이 짧고 분진이 날리는 등의 문제가 있었습니다. BLDC 모터는 전기적으로 분리된 케이스와 회전축을 전자기력의 제어를 통해 움직입니다. 간단히 설명드리자면 자석이 이동하는 것에 맞춰 그 앞에 전자기장을 발생시켜 자석을 끌어들이고, 자석이 가까이 오면 그 전자기장은 제거한 뒤 더 앞쪽에 전자기장을 발생시키고...... 이 과정을 반복하는 것입니다. 쉬운 이해를 위해 간단한 그림을 첨부하였습니다.

 

brushlessprin



BLDC 모터의 작동 원리


 RC 항공기에서 프로펠러를 직접 연결하는 데 사용되는 것은 outrunner BLDC 모터, 소위 통돌이 모터라고 부르는 것입니다. 일반 DC 모터는 케이스에 영구자석이 붙어 있고, 내부 회전자가 전자석으로 되어 있습니다. Outrunner BLDC 모터는 자석이 붙은 외부 케이스가 회전자 역할을 하며 내부에 전자석 고정자가 있습니다. Outrunner BLDC 모터는 무거운 케이스가 회전하기 때문에 높은 토크를 가지는 것이 특징입니다. 그래서 감속기 없이도 대형 프로펠러를 직접 돌릴 수 있으며 무게도 가볍습니다.


brushlessout

일반적인 outrunner BLDC 모터


 BLDC 모터 중에서도 일반 DC 모터처럼 회전자가 내부에 있는 inrunner 형식이 있습니다. 이들은 좀 더 특정한 용도에 사용되는 경우가 많습니다. Inrunner BLDC 모터는 outrunner BLDC보다 낮은 토크를 가지는 대신 빠른 회전수를 가집니다. 그래서 주로 작은 프로펠러를 빠르게 회전시키는 경우에 사용됩니다. 고속 비행기나 전익기 같은 비행기에 작은 프로펠러가 필요한 때에도 쓰이지만 가장 대표적인 적용 분야는 EDF(Electric Ducted Fan)라고 할 수 있습니다. 스케일 모델 RC 비행기 중에서 실기가 제트 엔진을 사용하는 경우 바깥에 커다란 프로펠러를 달면 뭔가 이상할 것이 분명합니다. 그래서 원통 형태의 케이스 내부에 직경이 짧은 여러 개의 프로펠러 블레이드를 부착해 제트 엔진의 모양처럼 만든 것이 EDF입니다. 이는 일반적인 프로펠러를 사용하는 것 보다 추진 효율이 떨어지기 때문에 EDF에 일반 DC 모터를 사용하던 때에는 비행기를 띄우는 것 자체가 아주 어려운 일이었습니다. 하지만 고성능 inrunner BLDC 모터가 나오기 시작하면서 EDF의 성능도 매우 향상되었습니다. 고속 회전을 하면서도 DC 모터에 비해 큰 출력을 낼 수 있기 때문이죠. 최근에는 EDF가 다양해지고 대형화 되는 것에 따라 높은 토크에 적합한 outrunner BLDC 모터가 적용되기도 합니다. EDF의 목적은 단순히 비행 가능한 여부를 떠나 전동 비행기가 얼마나 실제 제트기와 비슷할 수 있는지가 중요하기 때문에 알루미늄 케이스를 사용하거나, 공기역학적인 팬 블레이드를 적용하기도 합니다. 이는 대부분 진동으로 인한 소음을 개선하기 위한 부분이 큽니다. EDF가 많이 쓰이지 않던 시절에는 빼애애액~ 하는 특유의 진동음을 내고 다녔지만 요즘 나오는 고급 EDF들은 실제 제트 엔진 같은 고음의 구동 소음을 냅니다. 


EDF

BLDC 모터가 장착된 electric ducted fan



brushlessin

Inrunner BLDC 모터


 그럼 이번에는 프로펠러에 대해 조금 더 자세히 알아보도록 하겠습니다. 프로펠러는 대부분 프롭어댑터 또는 스피너라는 부품을 통해 모터와 연결됩니다. 직경이 작은 프로펠러는 모터 축에 직접 꽂아서 사용하는 것도 있지만 프로펠러의 회전이 매우 빠르기 때문에 그런 식으로는 잘 쓰이지 않습니다. 일반적인 RC 비행기용 프로펠러는 플라스틱으로 되어 있으며 2개의 블레이드를 가지고 있습니다. 보통 직경이 작을수록 끝이 잘린 것 같은 모양을 가지고 직경이 클수록 끝이 뾰족해집니다. 또한 둥근 모양의 slow-flyer용 프로펠러가 있고, 고속 비행기용의 칼날같이 생긴 프로펠러가 있습니다. 후자를 APC style 프로펠러라고도 하는데 이는 이러한 형태의 프로펠러 제조사명이자 브랜드인 APC의 이름을 딴 것입니다. 스케일 비행기용으로 프로펠러 블레이드가 3개 또는 4개인 제품도 있습니다.


 재질에 따라서는 딱딱한 플라스틱으로 된 것과 질긴 플라스틱으로 된 것, carbon composite로 된 것, 나무로 된 것 등이 있습니다. 딱딱한 플라스틱으로 된 것은 저렴하지만 충격에 잘 깨집니다. 질긴 플라스틱으로 된 것은 조금 더 튼튼하고 손으로 약간 휠 수 있을 정도의 유연함을 가지고 있습니다. APC 프로펠러는 이러한 재질로 되어 있습니다. Carbon composite로 된 카본 프로펠러는 강성이 매우 좋아 회전이나 추력 변화에 따라 변형하지 않는 특징이 있습니다. 나무 프로펠러도 플라스틱보다 가볍고 강성이 좋습니다.

propshortprop

일반 프로펠러



apcprop woodenpropcarbonprop

왼쪽부터 APC 프로펠러, 나무 프로펠러, 카본 프로펠러


 특수한 프로펠러로는 폴딩 프로펠러, 가변 피치 프로펠러가 있습니다. 폴딩 프로펠러는 모터가 회전할 때에만 원심력에 의해 프로펠러가 펼쳐지고, 모터가 정지하면 공기 저항에 의해 프로펠러가 접혀집니다. 폴딩 프로펠러는 주로 무동력 활공 비행을 많이 해야 하는 글라이더에 쓰입니다. 가변 피치 프로펠러는 가변 피치 기구를 통해 프로펠러 블레이드의 각도를 조절할 수 있는 것입니다. 중공축 모터를 사용해서 긴 막대를 가변 피치 기구로부터 모터 축으로 통과시킨 뒤, 이를 서보를 이용해서 움직이는 원리입니다. 가변 피치 프로펠러는 일반적으로는 거의 쓰이지 않고 극단적인 곡예 비행용 RC 비행기에 간혹 사용됩니다. 이것을 이용하면 비행기가 공중에서 뒤로 가도록 할 수도 있죠.

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폴딩 프로펠러와 가변 피치 프로펠러


  프로펠러의 종류만큼 프로펠러를 연결하는 부품도 여러 가지가 있습니다. 가장 간단한 연결 부품은 '프롭 세이버'라고 불리는 것입니다. 프롭 세이버는 링 모양의 금속 양쪽에 볼트가 들어가 있는 모양을 가지고 있습니다. 금속 링을 모터 축에 끼운 다음 양쪽의 볼트를 조여서 고정시킵니다. 프롭 세이버 위에 프로펠러를 올린 다음, 굵은 고무 링을 한 쪽 볼트부터 걸친 다음 프로펠러를 거쳐 반대 쪽 볼트에 걸어서 프로펠러를 고정시킵니다. 이런 방식은 프로펠러가 견고하게 고정되지 않기 때문에 저속 회전하는 프로펠러만 사용할 수 있습니다. 프롭 세이버의 가장 큰 장점은 프로펠러가 추락이나 충돌 등에 의해 충격을 받았을 때 고무 링이 빠지면서 프로펠러도 부러지지 않고 같이 빠질 가능성을 높여 준다는 것입니다.


 '프롭 어댑터'는 가장 많이 쓰는 프로펠러 고정 부품입니다. 전체적인 모양이 총알 같아서 bullet adaptor라고도 불립니다. 프롭 어댑터는 세 가지 부속으로 되어 있습니다. 모터 축을 직접 잡는 부속, 표면에 마찰 무늬가 나 있는 링 모양의 부속, 그리고 속에 나사산이 있는 뚜껑처럼 생긴 부속으로 되어 있습니다. 모터 축을 잡는 부속은 아래 쪽에 모터 직경보다 약간 작은 구멍이 나 있고 그것이 +자나 3등분으로 분리가 되어 있습니다. 그리고 반대편은 나사산이 있는 볼트 모양을 하고 있습니다. 볼트 부분에 링 모양의 부속을 넣고 그 위에 프로펠러를 끼운 뒤, 뚜껑처럼 생긴 부속을 볼트에 끼워 강하게 조여 씁니다. 그러면 링 모양 부속이 +자로 벌어진 구멍을 밀어 조이면서 구멍이 모터 축을 강하게 잡게 됩니다.


 실기와 같은 비주얼을 중시하는 비행기에는 스피너를 사용해서 프로펠러를 고정합니다. 보통 스피너의 바닥 지름을 비행기의 카울 앞쪽 사이즈에 맞춰 선정합니다. 스피너를 사용하면 가장 좋은 점은 멋있다는 것입니다. 또한 비행기 앞쪽을 유선형으로 만들어 공기 저항을 줄이기도 합니다. 스피너가 프로펠러를 고정하는 방식은 프롭 어댑터와 거의 유사합니다. 스피너는 보통 nose cone과 바닥이 분리되며 바닥 부분이 결합과 동력 전달에 기여합니다. 일부 스피너는 옆에 pivot 가능한 부분이 붙어 있어서 폴딩 프로펠러를 부착할 수 있습니다. 엔진기의 경우 스타터라는 기계를 이용해서 시동을 걸 때 스피너를 잡고 돌려야 하므로 스피너가 필수적인 부품입니다.


propsaverpropsaver2

프롭 세이버와 프로펠러 고정 방법



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프롭 어댑터



spinnerfoldingspinner

일반적인 알루미늄 스피너와 폴딩 스피너


 프로펠러의 규격은 보통 AB X CD 또는 ABCD로 나타냅니다. AB는 프로펠러 지름을 인치로 나타낸 값입니다. 08 -> 8 inch, 13 -> 13 inch 같은 식입니다. CD는 피치 값이며 블레이드의 휘어진 정도를 나타냅니다. 프로펠러의 지름이나 피치가 증가할수록 추력이 커지고 모터의 소비 전류가 증가합니다. 또한 동일한 프로펠러에서는 시간당 회전 수가 증가할수록 추력과 모터 소비 전류가 증가합니다. 대부분의 경우 모터 별로 적합한 프로펠러 사이즈가 대략적으로 정해져 있습니다. 모터의 회전 수는 Kv라고 하는 속도 상수와 인가 전압에 따라 결정됩니다. Kv는 무부하에서 전압 1V당 모터의 RPM(분당 회전 수)을 나타냅니다. 즉 같은 소비전력에서 Kv가 높을수록 고속 회전하는 모터이고, Kv가 낮을수록 토크가 높은 모터라고 볼 수 있습니다. 프로펠러를 선정할 때에도 높은 Kv를 가진 모터는 직경이 짧은 프로펠러, 높은 Kv를 가진 모터는 직경이 큰 프로펠러를 주로 사용합니다. 그리고 그러한 대략적 가이드라인에 맞춰 직경과 피치를 서로 trade off 하면서 개인의 취향에 따라 고속 비행이나 저속 비행 등의 특성을 나타내도록 할 수 있습니다. 사실 이 부분에 대한 것은 경험적인 것에 의존하는 측면이 많기 때문에 딱 어떤 공식이 있는 것은 아닙니다. 애초에 프로펠러들이 규격화되어 종류별로 나오는 이상 최적의 조건은 있을 수가 없고, 본인이 만족스러운 조합을 찾는 것이 중요하다고 할 수 있습니다.


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