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by kwangpil 2020. 3. 1. 14:43

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완전 초짜의 드론 만들기 도전! 도전! 도전~!입니다.
맨땅에 헤딩~

인터넷 검색, 관련 사이트를 참고하여 Pixhawk 4를 이용한 중/소형 드론을 만들려고 하고 있습니다.

참고만 하세요~!


모터는 전기에너지를 받아 역학 에너지로 변환하는 전자부품으로 드론뿐만 아니라 일상생활에서 접하는 전자제품에도 많이 사용되고 있다.

 

모터와 모터를 사용한 전자제품 (출처: www.wikipedia.org)

 

흔히 봐왔지만 그냥 돌아가는구나 하고만 생각했던 모터, 그 중에서도 드론에 사용되는 모터를 중심으로 정리해 봤다.

 

 

1. 어떻게 모터는 회전하나?

 

모터는 자기장 속에 있는 도체에 전류가 흐르면 도체가 받는 힘(자기력)으로 회전을 한다. 이 힘을 로렌츠의 힘이라고 한다.

 

종종 들어봤던 플레밍의 왼손 법칙으로 모터의 회전원리를 쉽게 설명할 수 있다.

 

 

 

힘(자력)  F자기장의 세기 B, 전류의 세기 I, 도선의 길이 L에 비례한다.

 

F = IL x B = IBLsin(θ)    - 식(1)

 

여기서 θ자기장과 전류가 흐르는 방향 사이의 각도를 의미한다.

 

위의 그림과 같이 자기장과 전류가 흐르는 방향이 서로 직각을 이룰 때 의 크기는 다음과 같다.

 

F= BIL

 

모터의 구조상 자기장과 자기장 내 전선의 전류 방향은 항상 서로 직각이다.

 

회전력(토크, Torque)힘(F)과 힘이 작용하는 점과 회전 중심점 사이의 거리(0.5w)의 곱(벡터적)으로 구할 수 있다.

즉, T = F X 0.5w

 

여기서는 힘이 도체 양단면에 작용하므로 모터 전체 회전력의 크기는 다음과 같다.

 

T = 2F x 0.5w = Fwcos(α)   - 식(2)

 

α는 자기장에 대한 양단 도선 사이의 회전각도(아래 그림 (가), (나) 참조)이다.

 

회전각도가 0, 즉 힘 F와 직각일 때(그림 (가)) 최대 회전력이 발생한다.

 

T = Fw

 

직류모터 동작 원리 (출처: www.electrical4u.com)

 

모터는 이 회전력으로 회전하는데 동작 원리는 다음과 같다. 

 

위의 그림 (가)에서처럼 자기장 내의 도체에 전류가 흐르면 도체가 힘을 받아 회전력이 발생해 위로 움직인다. 그림 (나)처럼 위로 올라갈수록 회전중심 점과의 거리가 점점 줄어들어 회전력은 약해진다. 그림 (다)의 위치에 있게 되면 도체에 전원은 차단되어 도체에 아무런 회전력이 발생하지 않지만 관성운동에너지로 계속 회전한다. 계속 회전하여 그림 (다)의 위치를 지나면, 도체 내 전류가 역방향으로 흐르게 되어 동일한 방향으로 회전력이 발생해서 계속 회전하게 된다. 

 

여기서 전류를 도체에 연결했다가 끊었다하는 역할을 하는 것이 정류자와 브러시다.

 

정류자와 브러시  (출처: www.wikipedia.org)

 

 

2. 어떤 모터가 있나?

 

모터의 종류는 응용범위 만큼 매우 다양한다.

따라서 분류 기준에 따라 다양하게 나눠질 수 있다.

 

일반적으로 분류하는 방법은 모터에 사용되는 전원에 따라 직류모터교류모터로 나뉜다.

(직류란 항상 일정한 전압/전류, 교류란 시간에 따라 전압/전류의 크기가 변화하는 것)

 

 

 

2.1 교류 모터(AC motor)

 

교류 모터는 입력되는 교류전원 자체가 정류자 역할을 하기 때문에 따로 정류자나 브러시가 필요 없다.

따라서 직류모터에 비해 소음이 적고 마모될 기계적 부분이 직류 모터에 비해 적기 때문에 내구성이 좋은 장점이 있지만 회전 속도가 느려 드론에서는 잘 사용되지 않는다.

 

회전 속도를 높이려면 입력되는 교류전원의 주파수를 높여야 하는데, 그러려면 부수적인 장치가 더 필요하다. 게다가 일반적으로 사용하는 배터리직류인데 교류 모터를 사용하려면 직류를 교류로 변환해줘야 하는 번거로움도 있다.

 

교류 모터의 더 큰 단점은 회전 속도를 제어하는 것이 쉽지가 않다는 것이다.

물론 모터에 따라 추가적인 전자제어장치로 쉽게 속도를 제어할 수도 있지만 이런 모터는 아무래도 가격이 많이 비싸다.

 

 

2.2 직류모터(DC motor)

 

직류모터는 브러시를 통해 정류자 양단으로 도체/코일에 직류 전원을 공급한다.

직류 모터 (출처: www.machinemfg.com)

 

위의 직류모터는 회전자가 도체/코일 한 개로 이루어진 모터이다. 이러한 모터는 회전자의 위치에 따라 회전 속도/회전력이 일정하지 않다. 식 (2)를 보면 회전력이 비선형적(코사인파)으로 변하는 것을 알 수 있다.

특히 모터에 어떤 부하가 연결될 경우 모터의 회전은 더 불안정해진다.

 

이를 개선하기 위해서는 도체/코일 수를 늘리는 것이다.

 

직류 모터 (출처: www.machinemfg.com)

 

도체/코일 수를 증가시키면 회전력의 변동이 적어 안정적으로 회전할 뿐만 아니라 그 회전력 역시 더 커진다.

 

직류 모터 (출처: www.machinemfg.com)

 

직류모터의 가장 큰 장점인가되는 전압에 대해 회전 속도 변화가 거의 선형적이기 때문에 회전력과 회전 속도 조절이 매우 용이하다는 것이다. 이런 장점으로 드론에는 직류모터가 주로 사용된다.

 

직류모터는 도체/코일 내부에 철심(core)을 사용하느냐 그렇지 않느냐에 따라 코어드 모터(cored motor)코어리스 모터(coreless motor)로 나뉜다.

 

 

2.2.1 코어드 모터 (cored motor)

 

코어드 모터는 연자성체인 철심에 코일을 감은 전자석을 회전자로 사용한다. 철심에 연결된 전류 방향에 따라 전자석(회전자)과 영구자석(고정자) 사이에는 척력과 인력이 발생해서 모터의 회전력이 더 증가한다.

 

코어드 모터는 브러시와 정류자가 있는가 없는가에 따라 브러시드 모터(brushed motor)브러시리스 모터(brushless motor)로 더 세부적으로 나뉜다.

 

 

2.2.1.1 브러시드 모터(brushed motor)

 

brushed motor (출처: www.wikipedia.org)

 

브러시드 모터는 브러시와 정류자가 있는 모터로 전자석과 영구자석 사이의 회전 원리는 아래와 같다.

 

 

브러시드 모터의 회전 (출처: www.wikipedia.org)

 

그림 (가)처럼 철심을 감고 있는 코일에 전원을 연결하면 철심은 전자석이 되어 영구자석 사이에 척력이 발생하게 되어 시계방향으로 더 밀어내게 된다. 그림 (나) 위치에서는 전자석의 오른쪽은 인력, 왼쪽은 척력이 착용해서 계속 회전하고 그림 (다) 위치에서는 영구자석과 전자석 사이에는 인력이 발생하며 회전력이 증가하게 된다. 위 그림에는 없지만 전자석 수평 위치에 오게 되면 코일에는 전원 공급이 차단되고 회전력 0이지만 관성모멘트로 계속 회전하고, 다시 그림(가)와 같이 척력이 발생하여 계속 회전한다.

브러시드 모터의 회전 (출처: www.wikipedia.org)

 

높은 자기장을 형성하기 위해서 네오듐 계열의 영구자석을 고정자로 많이 사용하고, 필요에 따라서 고정자을 영구자석이 아닌 전자석으로 대체하기도 한다.

 

 

앞에서 언급했듯이 안정적인 회전력 보장을 위해서 아래처럼 여러 개의 전자석을 회전자로 사용한다.

 

브러시드 모터 (출처: www.zgcmotors.com)

 

브러시드 모터의 가장 큰 문제는 소모품인 브러시이다. 

 

탄소 브러시 (출처: www.wikipedia.org)

 

브러시는 회전하면서 연속적으로 정류자와 접촉하기 때문에 사용할수록 마모되어 모터 내구성을 떨어뜨린다. 뿐만 아니라 회전할 때마다 정류자와의 마찰로 인해 소음이 발생한다.

브러시의 수명을 높이기 위해서 카본 브러시를 사용하기도 한다.

 

브러시드 모터의 또 다른 문제는 코일에서 발생하는 역기전력으로 브러시와 정류자 사이에 발생하는 스파크이다. 이 스파크로 인해서 브러시의 수명이 단축될 뿐만 아니라 배터리 소모 또한 빨라질 수 있다.

 

브러시드 모터의 회전 속도를 제어하는 방법은 두 가지가 있다.

 

첫째는 기계적인 제어 방법이다.

즉, 단순히 가변저항을 이용해 전압을 조절해서 회전 속도를 제어하는 방법이다. 이 방법의 단점은 낮아지는 전압이 저항에서 그대로 열로 방출된다는 것이다.

 

두 번째는 브러시리스 모터처럼 변속기(ESC)를 사용하는 것이다.

변속기를 사용하면 기계적인 제어 방법처럼 연속적으로 전원을 연결하는 것이 아니라 펄스 신호의 너비 값에 따라 회전 속도를 제어하므로 기계적인 방법보다 에너지를 절약할 수 있다.

 

 

2.2.1.2 브러시리스 모터(brushless motor, BLDC-brushless direct current)

 

브러시리스 모터 (출처: www.wikimedia.org)

 

브러시리스 모터는 반도체 소자가 발전하면서 정류자와 브러시가 하는 역할을 반도체 소자가 대체할 수 있게 되면서 개발된 모터이다. 

정류자와 브러시를 없앰으로 브러시리스 모터는 반영구적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 정류자와 브러시 사이에 발생하는 마찰찰로 발생하는 소음과 발열줄어든다.

 

브러시리스 모터가 브러시 모터와 또 다른 점은 영구자석을 회전자로 사용하고 전자석을 고정자로 사용한다는 것이다. 즉, 브러시리스 모터는 고정자와 회전자 사이의 척력과 인력으로만 회전한다.

브러시드 모터와 3 상 브러시리스 모터 (출처: http://portable-electric.com)

 

위 그림에서 보듯이 브러시드 모터는 전원선이 +, -의 두 가닥이지만, 브러시리스 모터는 +, 0, -의 3 가닥 전선으로 코일에 전원을 공급한다. 물론 브러시리스 모터도 위의 그림처럼 3상 고정자뿐만 아니라 2상, 1상도 있지만 대부분 3상 고정자를 사용한다.

 

3상 고정자는 코일에 공급되는 전원이 직렬이냐 병렬이냐에 따라 직렬이면 △ 형(델타 형), 병렬이면 Y 형로 분류된다.

 

브러시리스 모터의 고정자 코일 등가회로도 (출처: www.wikimedia.org)

 

 형낮은 속도에서 낮은 회전력을 발생시키지만 최대속도에서는 더 높은 회전력을 발생시킨다. 그게 반해 Y 형낮은 속도에서 높은 회전력을 만들어내지만 최대속도에서 높은 회전력을 만들어내지 못한다.

 

Y 형은 델타 형보다 효율이 더 높고 또 저항 손실이 낮아 드론에 사용되는 모터는 대부분 Y 형 회전자 구조를 가진다.

 

 

브러시리스 모터는 정류자와 브러시가 없기 때문에 회전자 위치에 맞게 전원을 공급해주려면 회전자의 위치를 정확하게 감지해야 한다.  회전자 위치 감지 방법은 크게 3가지가 있다.

 

첫 번째는 홀 센서를 사용하는 것이다.

 

 

브리시리스 모터 (출처: www.nxp.com)

 

 

홀 센서란 홀 효과를 이용하여 회전자의 위치를 감지하는 센서이다. 

홀 효과란 전류가 흐르고 있는 도체에 수직으로 자기장이 가해지면 로렌츠의 힘이 도체 내의 전하에 발생하여 한쪽으로 전하가 치우치게 되는데, 이로 인해서 도체 내에 (전류가 흐르는 방향에 수직으로) 전위차가 발생하게 되는 것을 말한다.

 

                                      

홀 센서 원리 (출처: www.wikipedia.org)

 

브러시리스 모터 내의 홀 센서는 이러한 전위차로 자기장의 존재 유무 감지해서 회전자의 위치를 파악한다.

 

두 번째로터리 엔코더(rotary encode)를 사용하는 것이다.

 

 

로터리 엔코더 (출처: www.wikipedia.org) 

로터리 엔코더는 모터의 회전축의 각도나 움직임 등의 기계적 신호를 전기적 신호(디지털 또는 아날로그)로 변환하는 장치이다.

 

세 번째 방법은 회전자의 위치 변화에 따라 코일에 발생하는 역기전력 값을 측정하여 회전자의 위치를 간접적으로 파악하는 방법이다.

 

역기전력을 사용할 경우, 위에 언급한 홀 센서가 필요 없어 센서리스 모터 (sensorless motor)라고 하기도 한다.

 

실제 드론에 사용되는 대부분의 모터는 홀 센서가 아니라 역기전력으로 회전자의 위치를 감지한다.

회전자가 고정자를 지나갈 때 또는 고정자의 코일에 전원이 차단될 때 코일 내부에 역기전력이 발생해서 코일 내 전압이 떨어지는데 변속기(ESC)는 이 전압을 포착해서 회전자의 위치를 간접적으로 파악해서 전원을 공급한다.

 

홀 센서가 있는 3상 브러시리스 모터 회전은 다음과 같이 이루어진다.

그림 (나)에서 V1 ~ V6은 반도체 소자로 만든 스위치이다.

 

브러시리스 모터 동작 원리 (출처: www.renesas.com, www.wikipedia.org)

홀 센서로 감지된 회전자의 위치가 위의 (가) 그림과 같고 만약 시계 방향으로 회전할 경우, 코일 W가 감긴 전자석영구자석인력이 작용해야 하고, 코일 V가 감긴 전자석척력이 작용해야 한다. 이때 영구자석의 중간에 놓여있는 U에는 전원이 공급될 필요가 없다.

 

전자석의 극성은 암페어의 오른손 법칙으로 알 수 있다.

 

앙페어의 오른손 법칙  (출처: www.wikipedia.org)

 

다시 그림 (가)로 돌아가 보면, 코일 V가 감긴 전자석척력이 발생해야 하므로 V3 스위치는 열려 있어야 하고(offV4 스위치는 닫힌 상태(on)라야 한다. 또 W가 감긴 전자석인력이 발생해야 하므로 하므로 V5 스위치는 닫혀야 하고 (on) V6 스위치는 열린 상태(off)라야 한다. 이때 중립 위치에 있는 U에는 전원이 공급되지 않는다(V1, V2 off).

 

이때 전류는 V5에서 V4으로 흐르게 된다.

 

스위치 도표를 만들어보면 다음과 같다.

    1 2 3 4 5 6
U V1 off off off off on on
  V2 off on on off off off
V V3 off off on on off off
  V4 on off off off on on
W V5 on on off off off off
  V6 off off off on off off

 

 

브러시리스 모터 회전원리 (출처: www.renesas.com)

 

더 안정적이고 강한 회전력을 얻기 위해서 회전자와 고정자의 개수를 늘이는데 이때 3 상 고정자 브리스리스 모터의 경우 고정자는 3배수로 회전자는 2배수의 갯수를 가진다. 회전 원리는 위의 기본 3상 고정자와 같다.

 

 

 

브러시리스 모터는 정류자와 회전자가 없기 때문에 모터 제어를 위해서 꼭 변속기(ESC)가 필요하다. 

변속기는 감지된 회전자의 위치에 맞게 짧은 시간에 펄스 형태의 전원을 공급하기 때문에 일반 브러시드 모터에 비해 더 정밀하게 제어가 가능한 장점이 있다.

 

브러시리스 모터는 회전자인 영구자석의 위치에 따라 인 러너 모터아웃 러너 모터로 분류된다.

 

 

 

2.2.2.1 인 러너 모터 (in-runner motor)

 

인 러너 모터란 브러시드 모터처럼 회전자가 모터 안쪽에 있는 형태이다. 물론 브러시리스 모터의 회전자는 위에서 언급한 것처럼 영구자석이다.

 

인 러너 모터 (출처: Nidec)

 

인 러너 모터는 회전자가 모터 중심에 위치하기 때문에 발생하는 힘(자석의 인력/척력)의 위치와 회전축 사이의 거리가 짧아서 큰 회전력(회전력 = 힘 X 회전 중심과 힘사이의 거리)을 만들어내기가 어렵다. 하지만 관성모멘트가 낮기 때문에 순간 고속 회전에 유리하다.

 

인 러너 모터는 영구자석이 모터 내부에서 회전하므로 외부의 이물질이 모터 내부로 침입하기가 쉽지 않아 안전성이 높다. 또 코일이 있는 고정자가 모터 외각에 있기 때문에 코일에서 발생하는 열이 방출되기 쉽다.

 

주로 큰 회전력을 필요로 하지 않는 소형 드론에 많이 사용된다.

 

 

2.2.2.2 아웃 러너 모터 (out-runner motor)

 

아웃 러너 모터란 회전자가 모터 내의 외각 쪽에 있는 형태인데 보통 모터의 하우징에 회전자가 접착되어 있어 모터의 통이 함께 회전한다. 다른 말로 통돌이 모터라고도 한다.

 

아웃 러너 모터 (출처: Nidec)

 

아웃 러너 모터는 인 러너 모터와 비교해서 회전자와 회전 중심 사이의 거리가 멀어서 상대적으로 큰 회전력을 만들어낼 수 있지만 이에 반해 고속 회전에는 불리하다.

 

아웃 러너 모터는 전자석인 고정자가 모터 내부에 있어서 코일에서 발생하는 열을 방출하는 것이 쉽지 않다. 종종 하우징에 구멍을 내어서 열을 방출하기도 하는데, 이럴 경우 외부의 이물질이 모터 안으로 침입하기가 쉽다는 단점이 있다.

 

큰 회전력을 필요로 하는 중형 이상의 드론에는 대부분 아웃 러너 모터를 사용한다.

 

 

2.2.3 코어리스 모터(coreless motor)

 

코어리스 모터 (출처: www.wikipedia.org)

 

코어리스 모터는 직류모터의 원리를 그대로 응용한 것으로 코어드 모터의 내부에 있던 철심(core)이 없다. 그 대신 속이 빈 컵 모양으로 감긴 코일이 실리던 모양의 영구자석 주위를 회전한다.

 

 

코어리스 모터의 구조 (출처: www.koshindenki.com)

 

코어리스 모터의 회전자(코일)는 코어드 모터 회전자인 철심에 비해 매우 가볍다. 따라서 관성 모멘트가 작아 모터의 빠른 시동과 정지, 빠른 가속과 감속이 가능하다.

 

철심을 사용하지 않으므로 코어리스 모터는 회전 시 철심과 영구자석 사이의 상호작용으로 발생하는 코깅, 즉 덜커덩거리는 현상이 사라진다. 코깅이 사라짐으로 모터 회전력의 변화율이 극도로 낮아져 회전은 부드러워지고 소음도 감소한다.

또 철심에서 발생하는 철손(iron loss)가 없기 때문에 다른 직류모터에 비해 효율이 높다. 보통 일반 직류모터의 효율은 최대 약 50%인데 코어리스 모터는 효율이 최대 90%까지 달한다.

코일의 인덕 턴스도 낮아져서 정류자와 브러시 사이의 스파크 발생이 감소하므로 모터의 수명을 늘어난다.

 

모터에서 큰 부분을 차지하는 철심이 없기 때문에 코어리스 모터는 소형화시키기가 쉽지만 단점도 있다. 코어리스 모터의 코일은 높은 회전력을 스스로 견뎌야 하는데, 보통 에폭시 등 접착제로 단단히 고정한다.

높은 분당 회전 속도로 인해서 코일에서 발생하는 열은 매우 높다. 철심이 있는 모터의 경우 코일에서 발생하는 열을 흡수해주는 역할을 했지만 코어리스 모터의 경우 철심이 없기 때문에 코일은 높은 발열을 견딜 수 있어야 한다.

과부하가 걸릴 경우 코일이 깨어져 고장이 나기도 한다.

 

철심이 없는 코어는 소형화가 쉽고 낮은 전류로도 고회전을 만들어내기 때문에 초소형 드론에 많이 사용된다.

 

 

3. 드론에 사용하는 모터의 주요 스펙은?

 

드론 모터에서 자주 언급되는 용어는 다음과 같다.

 

추력 

드론의 정확한 추력/양력은 프로펠러와 모터뿐만 아니라 주변 환경까지 고려해야 알 수 있지만 모터 제조사는 추천하는 프로펠러에 대한 추력(Thrust)을 스펙으로 제공하고 있다. 물론 저렴하게 판매하는 모터들은 추력 스펙을 제공하지 않기도 한다.

 

드론을 만들 때 모터 하나가 만들어내야 할 최소 추력은 다음과 같다.

최소 추력 = 전체 무게 / 모터 개수

 

하지만 실제 모터를 날리기 위한 최소 추력은 예상하는 드론 전체 무게의 2배 이상이 되어야 한다.

 

회전수 KV

보통 무부하(어떤 것도 모터에 연결하지 않은) 상태에서 1 볼트당 RPM을 말한다.

RPM이란 Revolution Per Minute의 약자로 모터의 분당 회전수를 말한다.

 

즉, 3500KV의 모터는 무부하 상태에서 1V 당 3500 RPM 만큼 회전한다는 뜻이다.

 

예로 모터에 연결할 수 있는 최대 배터리가 2S(2 개의 리튬 폴리머 배터리가 직렬로 연결된 배터리 팩) 일 경우에 분당 최대 회전수는 다음과 같다.

최대 회전수 = 3500 x 7.4 = 259000 RPM

(리튬 폴리머 배터리 1개 당 전압이 3.7V)

 

모터의 회전수 KV가 높다고 무조건 좋은 것은 아닌데 그 이유는 위의 Y형 3상 브러시리스 모터에서 언급했듯이 회전수가 높으면 모터의 회전력이 약해지고 회전수가 낮으면 강해지기 때문이다.

 

소비전력 W

1초 동안 모터가 소비하는 전력이다.

예로 모터의 소비전력이 200w이고 사용 가능한 리튬 폴리머 배터리 팩이 3s 일 경우, 모터에 흐르는 최대 전류는 다음과 같다.

모터 최대 전류 = 200 W/ 11.1 V = 18 A

 

모터의 최대 전류가 중요한 이유 중 한 가지는 이 값이 변속기(ESC) 선택에 영향을 미친다는 것이다.

변속기를 구입할 때는 모터의 최대 전류 용량을 초과하는 사양을 선택해야 하는데, 보통 최대전류보다 20% 더 큰 변속기를 사용한다. 

 

모터 표기

브러시리스 모터 (출처: www.aliexpress.com)

 

위의 모터에서 유심히 봐야 하는 것은 BR2205와 2800KV/CCW이다.

 

BR2205에서 BR은 회사에서 붙인 임의의 명칭이고 그 뒤에 있는 2205모터의 기구적이 사양을 표기한 것이다.

22: 모터의 외부 지름 또는 고정자의 지름 [mm]

05: 모터의 높이 또는 고정자 높이/영구자석의 높이 [mm]

 

2800KV는 위에 언급했듯이 모터의 회전수를 의미한다. 그 뒤에 있는 CCW는 counterclockwise의 약자로 모터의 회전 방향/프로펠러를 고정할 때 고정하는 나사의 방향을 의미한다. 

 

 

4. 모터는 어떻게 선정하나?

 

모터를 선정하려면 가장 먼저 어떤 드론을 만들 것인지 결정해야 한다.

 

레이싱 용의 가벼운 드론을 만들려고 하는지 아니면 다른 특수 목적 용 드론을 만들 것인지 결정해야 한다.

 

초소형 드론을 만들 계획이라면 가격도 저렴하고 가벼운 코어리스 모터를 선택하고, 만약 촬영용 드론 같은 무게가 어느 정도 있는 드론을 만들 계획이라면 아웃 러너 모터를 선택한다.

 

목적에 맞는 모터의 종류를 선택한 후 만들 드론의 총 무게를 들어 올릴 수 있는 특성을 갖는 모터를 선정한다.

 


 

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