프레임리스 토크 모터: 코깅 토크 제거에서 2026년의 세 가지 주요 기술적 돌파구까지

이 글은 프레임리스 모터의 코깅 토크 원리부터 시작하여, 슬롯리스 코어 기술이 어떻게 토크 리플과 진동을 제거하는지 설명하고, 2025년 프레임리스 토크 모터가 달성한 세 가지 주요 돌파구를 강조합니다: 32극쌍을 초과하는 고극쌍 설계를 통해 저속 토크를 향상시키는 것, 컴팩트하고 경량화된 설계를 위한 중공 프레임리스 구조를 채택하는 것, 그리고 고급 NdFeB 영구자석을 활용하여 토크 밀도를 향상시키는 것입니다.

또한 이 글은 프레임리스 토크 모터의 장점, 예를 들어 컴팩트한 크기와 높은 토크 밀도를 요약하는 한편, 자기 회로 최적화와 열 관리와 같은 과제도 함께 다룹니다. 마지막으로, "토크 우선" 원칙에 기반한 실용적인 선정 가이드와 함께 설치 및 방열에 대한 핵심 엔지니어링 고려사항을 제공합니다.

기초 이해: 코깅 토크의 원인은 무엇인가?

모터의 동작을 완전히 이해하려면, 먼저 모터 코어의 세 가지 기본 구성 요소를 이해하는 것이 중요합니다.

고정자의 가장 바깥쪽에 위치한 연속적인 원형 링을 요크라고 합니다. 요크에서 안쪽으로 돌출된 이빨 모양의 돌기를 치라고 하며, 인접한 치 사이의 공간을 슬롯이라고 하고, 각 슬롯의 앞쪽 개구부를 슬롯 개구부라고 합니다.

모터가 작동할 수 있도록 전도성 구리 권선을 치에 감습니다. 치는 우수한 자기 투과성을 가지므로 자기장을 강화하는 데 도움이 됩니다.

회전자가 고정자 내부에 배치되어 회전을 시작하면, 눈에 띄는 주기적 저항 또는 "덜컥거림" 감각을 느낄 수 있습니다. 모터 공학에서 이 현상을 코깅 토크라고 합니다.

예를 들어, 6슬롯 4극 고정자와 4극 회전자의 조합을 생각해 볼 수 있습니다. 자극 수와 슬롯 수가 완벽하게 일치할 수 없기 때문에, 회전 중 회전자 자석과 고정자 치 사이의 자기 인력이 주기적으로 변동합니다. 회전자가 슬롯 위치를 지날 때마다 토크 교란이 발생하여 진동과 불균일한 동작이 초래됩니다.

코깅 토크를 제거하는 가장 효과적인 방법 중 하나는 슬롯리스 코어 구조를 사용하는 것입니다.

이름 그대로, 슬롯리스 모터에는 슬롯도 치도 없습니다. 대신 구리 권선이 철심의 매끄러운 내면에 직접 부착됩니다. 치가 없기 때문에 회전 중 회전자 자석과 고정자 사이의 자기 인력은 일정하게 유지됩니다.

그 결과, 슬롯리스 모터는 코깅 토크를 완전히 제거하며, 다음과 같은 이점을 제공합니다:

• 매우 부드러운 작동

• 덜컥거림이나 진동 없음

• 극히 낮은 토크 리플

• 높은 위치 결정 정확도

이는 슬롯리스 모터 기술의 가장 중요한 성능 장점 중 하나입니다.

2025년에 프레임리스 토크 모터는 어떤 기술적 돌파구를 달성했는가?

프레임리스 토크 모터는 다극 영구자석 동기식 직구동 모터입니다. 기존 모터와 달리 하우징, 베어링, 출력축과 같은 비필수 구조를 제거합니다.

그 발전은 세 가지 핵심 목표에 초점을 맞춥니다:

• 저속에서의 일정한 토크

• 높은 토크 밀도

• 낮은 토크 리플

2025년에는 전자기 설계, 구조 혁신, 재료 개발 전반에서 주요 기술 진전이 이루어져, 프레임리스 토크 모터가 휴머노이드 로봇 관절의 소형화, 유연성, 고정밀 요구에 이상적으로 적합하게 되었습니다.

1. 전자기 설계: 저속 진동 해결

극쌍 수를 늘리는 것이 성능 향상의 핵심 요인이 되었습니다.

5년 전의 주류였던 12극쌍 구성과 비교하면, 고급 프레임리스 토크 모터는 이제 32극쌍, 64극쌍, 또는 그 이상의 극쌍 수를 특징으로 합니다.

더 높은 극수는 모터가 0속도 또는 0.1°/s까지의 초저속에서도 안정적인 정격 토크를 제공할 수 있게 하여, 기존 모터에서 발생하던 크롤링, 걸림, 진동 문제를 효과적으로 제거합니다.

동시에 업계는 48극 324슬롯과 같은 최적화된 분수 슬롯 집중 권선 구성을 널리 채택하여, 코깅 토크를 정격 토크의 1% 미만으로 줄입니다.

이를 통해 다음과 같은 까다로운 응용 분야에서 매우 부드러운 모션 제어가 가능합니다:

• 수술 로봇

• 휴머노이드 로봇 관절

• 반도체 장비

• 정밀 자동화 시스템

2. 구조 혁신: 휴머노이드 로봇을 위한 컴팩트 설계

프레임리스 토크 모터는 휴머노이드 로봇에 선호되는 모터 구조가 되었습니다.

일체형 프레임 DD(Direct Drive) 모터와 달리, 프레임리스 모터는 다음과 같은 특징이 있습니다:

• 외부 하우징 없음

• 베어링 없음

• 출력축 없음

이러한 미니멀 구조는 통합 측면에서 상당한 이점을 제공합니다.

고정자는 로봇 하우징에 직접 매립할 수 있고, 회전자는 하중축에 직접 장착할 수 있습니다.

주요 이점은 다음과 같습니다:

축 방향 길이가 기존 구동 모터의 약 3분의 1로 감소

전체 중량이 30% 이상 감소

관절 치수가 현저히 더 작아짐

케이블, 센서, 유체 라인을 위한 내부 배선 공간 확보

중공 구조는 특히 휴머노이드 로봇 관절의 컴팩트한 설치 요구에 매우 적합합니다.

3. 재료 발전: 넓은 온도 범위에서 안정적인 고토크 성능

고급 프레임리스 토크 모터는 일반적으로 N52H 등급 이상의 NdFeB 영구자석을 사용하며, 최대 1.45 Tesla의 잔류자속밀도를 제공합니다.

고전도성 구리 합금 권선과 결합되어 이러한 재료는 다음을 크게 향상시킵니다:

전자기 변환 효율

토크 밀도

연속 출력 능력

완전한 재료 시스템은 -40°C에서 125°C까지의 넓은 온도 범위에서 작동을 지원하여 다음과 같은 까다로운 조건에서도 안정적인 토크 출력을 보장합니다:

• 고온 환경

• 저온 환경

• 빈번한 기동-정지 사이클

• 경미한 과부하 조건

이 접근 방식은 성능과 장기 신뢰성의 균형을 이룹니다.

프레임리스 토크 모터의 장점과 과제

1. 핵심 장점

컴팩트한 크기

중공 설계는 점유 공간을 최소화하여 로봇 관절 내 케이블 배선과 시스템 통합을 단순화합니다.

높은 토크 밀도

낮은 회전 속도에서도 큰 토크 출력을 달성할 수 있어, 프레임리스 토크 모터는 저속, 고하중 로봇 응용 분야에 이상적입니다.

안정적인 성능

기계 구조에 직접 통합되므로 다음에 대한 내성이 향상됩니다:

• 고온

• 고전압

• 방사선 노출

• 가혹한 산업 환경

• 우수한 기동 및 무부하 특성

• 낮은 기동 전압

• 낮은 무부하 전류

• 향상된 에너지 효율

2. 기술적 과제

자기 회로 최적화

엔지니어는 자기 회로 효율과 슬롯 충전율을 극대화하기 위해 자성 재료와 권선 구성을 신중하게 최적화해야 합니다.

열 관리

저전압 시스템은 종종 고전류 운전이 필요하며, 상당한 열을 발생시킵니다. 과도한 온도 상승은 부품 노화를 가속화하고 시스템 수명을 단축시킬 수 있습니다.

일관성 요구사항

다관절 로봇 시스템은 모든 관절에서 매우 일관된 모터 성능을 요구합니다. 편차가 커지면 시운전 복잡성이 증가하고 제어 성능에 부정적인 영향을 미칩니다.

원가 절감

핵심 부품의 국산화는 제조 비용 절감과 대규모 상용화를 가능하게 하는 데 여전히 중요합니다.

올바른 프레임리스 토크 모터를 선택하는 방법?

1. 황금 선택 원칙

가장 중요한 원칙은 다음과 같습니다:

토크 우선, 속도는 그다음

휴머노이드 로봇은 기동-정지 동작과 빠르게 변하는 동적 하중을 자주 경험합니다.

권장 설계 여유는 다음과 같습니다:

• 연속 토크 ≥ 1.2–1.5 × 정상 상태 부하 토크

• 피크 토크 ≥ 2 × 충격 부하 토크

로봇 관절에서는 관성 매칭도 신중하게 제어해야 합니다.

부하 관성과 모터 관성의 비율은 다음을 유지해야 합니다:

≤ 5:1

진동, 불안정성, 발진을 방지하기 위해서입니다.

엔코더 선택

표준 휴머노이드 로봇 응용 분야의 경우:

• 23비트 절대값 엔코더

• 해상도 약 0.0001°

다음과 같은 초고정밀 응용 분야의 경우:

• 의료 로봇

• 반도체 제조

29비트 초고해상도 엔코더를 권장합니다.

2. 핵심 통합 고려사항

동축도 제어

과도한 동축도 오차는 프레임리스 모터 고장의 가장 흔한 원인 중 하나입니다.

고정자와 회전자 사이의 동심도는 다음 범위 내로 유지되어야 합니다:

0.02 mm

과도한 정렬 불량은 다음을 초래할 수 있습니다:

토크 리플 증가

국부 과열

베어링 고장

정확한 정렬을 위해 조립 시 정밀 다이얼 인디케이터를 사용해야 합니다.

열 관리

프레임리스 모터는 저속, 고전류로 작동하므로 발열이 상당할 수 있습니다.

다음과 같은 조건에서는:

• 연속 정지 상태

• 최대 전력 운전

강제 공랭 또는 수냉 시스템을 강력히 권장합니다.

고급 관절 설계는 다음을 채택할 수 있습니다:

• 관절 하우징에 통합된 히트 파이프

• 유전체 냉각수 순환

이를 통해 연속 토크 밀도를 최대 4배까지 높일 수 있습니다.

구조 강성

직구동 시스템에는 기어박스의 감쇠 효과가 없습니다.

구조 강성이 부족하면 공진과 진동이 발생할 수 있습니다.

권장 해결책은 다음과 같습니다:

중공 일체형 관절 구조

강화 주철 지지 베이스

향상된 시스템 강성

3. 시운전 및 EMI 최적화

시운전 중에는 다음 세 가지 핵심 기능을 활성화해야 합니다:

• 코깅 토크 보상

• 고조파 억제

• 마찰 피드포워드 보상

전류 루프 대역폭은 다음을 초과해야 합니다:

• 표준 응용 분야의 경우 2 kHz

• 고급 정밀 응용 분야의 경우 5 kHz

이러한 조치는 토크 리플을 효과적으로 줄이고 모션의 부드러움을 향상시킵니다.

예를 들어, 수술 로봇 응용 분야에서 PI 제어기를 다음과 같이 조정하면:

• Kp = 0.35

• Ki = 1200

전류 응답 시간을 0.5 ms까지 구현할 수 있습니다.

EMI 억제

1.2 MHz 간섭과 같은 고정 주파수 잡음원을 해결하기 위해 권장되는 솔루션은 다음과 같습니다:

• 고정자 권선의 동박 차폐

• 나노결정 자기 차폐층

• 도전성 직물 차폐

• 전원 케이블에 설치된 페라이트 코어

PWM 주파수를 15 kHz에서 18 kHz로 높이면 스위칭 손실이 약간 증가할 수 있지만, 기계적 공진 주파수를 피하고 전자기 잡음 피크를 약 8 dB 줄이는 데 도움이 됩니다.

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