🚀 토크 & 동력 계산기 & 시뮬레이터
- 입력 단위 설정: 동력(kW, HP), 토크(N·m, kgf·m, kgf·cm), 회전 속도(RPM) 중 기준이 될 두 가지 변수를 활성화하여 입력합니다.
- 슬라이더 또는 직접 입력: 활성화된 두 변수의 슬라이더를 조절하거나 직접 값을 입력합니다. (실시간으로 나머지 한 변수가 계산됩니다.)
- 실시간 물리 작용 확인: 입력한 토크와 속도에 맞춰 2D 모터 샤프트와 드럼이 회전하며, 토크가 높을수록 드럼에 감기는 로프의 장력과 모터 하우징의 동력 플로우(Glowing power flux)가 강하게 시각화됩니다.
- 사전 정의 프리셋 활용: 고토크-저속(크레인), 저토크-고속(스핀들), 표준 산업용 모터 프리셋을 선택하여 동작 차이를 비교해 볼 수 있습니다.
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1. 회전 기계설계에서 토크(Torque)와 동력(Power)의 관계
기계설계 및 산업 현장에서 동력(Power, P)과 토크(Torque, T)는 회전 운동 시스템을 정의하는 핵심 물리량입니다. 토크는 물체를 회전시키려는 물리적인 힘의 모멘트(Moment of Force)를 뜻하며, 동력은 단위 시간당 모터가 수행할 수 있는 일의 양을 나타냅니다. 따라서 동력은 단순히 힘(토크)의 크기뿐만 아니라 그 힘이 얼마나 빠른 속도(각속도, ω)로 작용하고 있는지를 종합적으로 정의하는 물리량입니다.
축 설계(Shaft Design) 및 감속기(Gearbox) 선정 시 이 둘의 유기적인 관계를 파악하는 것이 필수적입니다. 감속기를 사용하여 회전 속도를 낮추면, 동력은 마찰 손실을 제외하고 일정하게 유지되지만 토크는 감속비에 비례하여 증대됩니다. 이를 통해 작은 용량의 모터로도 무거운 하중을 들어 올리거나 기계를 구동하는 시스템 설계가 가능해집니다.
2. 핵심 변환 공식 유도 및 단위 환산
물리학적으로 동력 P는 토크 T와 각속도 ω의 곱으로 정의됩니다:
P = T × ω [W]
여기서 각속도 ω를 실무에서 널리 사용하는 분당 회전수 N [RPM]으로 변환하면 ω = (2π × N) / 60이 됩니다. 이를 대입하면 다음과 같습니다:
P = T × (2π × N) / 60 [W]
와트(W) 단위를 킬로와트(kW) 단위로 환산(1kW = 1000W)하고 정밀 상수를 정리하면 실무에서 가장 빈번하게 사용되는 유명한 9549 공학 상수 공식이 유도됩니다:
P [kW] = (T [N·m] × N [RPM]) / 9,549.3 또는 T [N·m] = 9,549.3 × P [kW] / N [RPM]
또한 마력(HP) 단위를 환산할 때 주로 사용되는 공학 상수는 716.2와 726입니다. 영국식 마력(HP)과 미터법 토크(kgf·m) 단위 환산 관계는 다음과 같습니다:
T [kgf·m] = 716.2 × P [HP] / N [RPM]
3. 모터 용량 선정 가이드 및 안전 계수 (KS B 6310 규격 표준)
산업용 회전 전동기 선정 시, 필요한 기계적 소요 동력에 적절한 안전율과 환경 계수를 가산하여 모터 정격 출력을 최종 산정해야 합니다. 모터의 시동 시에는 정격 토크의 1.5 ~ 2.5배에 달하는 시동 토크(Starting Torque)가 요구되므로 극심한 시동 부하 또는 정지 마찰을 이겨낼 수 있는 부하 검토가 병행되어야 합니다.
- 관성 부하 검토 (GD²): 대형 팬, 블로워, 플라이휠 등 부하측의 회전 관성 모멘트가 큰 기계는 모터가 정격 속도에 도달하기까지의 시동 시간 동안 과도한 발열이 누적되므로 정격 토크 대비 2배 이상의 기동 안전율을 반영합니다.
- 과부하 내량 (Overload Capacity): 급격한 충격 부하가 빈번한 파쇄기나 절단기 등은 정상 운전 상태의 소요 토크 대비 부하 안전계수
S_f = 1.5 ~ 2.0을 적용하여 샤프트 및 키 홈의 전단 응력을 안전하게 검토해야 합니다 (KS B ISO 1940 참조).