프레임리스 모터의 디자인 유연성

프레임리스 모터의 기본 아이디어는 프레임과 베어링이 없고 회전자와 고정자만 있는 것이다. 이처럼 간단한 디자인이지만 많은 잠재력이 숨어 있다. 가장 큰 장점은 공간을 많이 차지하지 않고 질량이 적다는 점이다. 설계자들은 추가적인 여유 공간에 디자인 유연성을 높일 수 있다.

카린 파이퍼(Karin Pfeiffer)

핵심 내용

  • 프레임리스 모터는 코일이 감긴 고정자와 영구 자석이 장착된 회전자로 간단하게 구성된다. 이는 기계 제조사에게 많은 유연성을 제공한다.
  • 프레임리스 모터는 기계 디자인을 따를 수 있으며, 정밀성, 대역폭, 성능 면에서도 제한이 없다.
  • 프레임리스 모터는 최소한의 멈춤 토크와 최적의 설치 공간과 같은 구조적 장점으로 로보틱스에 적합하고 응용 분야도 훨씬 넓다.

프레임이 있는가 아니면 없는가? 이는 번거로움 측면에서 큰 문제가 되지 않는다. 상대적으로 어렵지 않게 서보모터는 기계에 통합할 수 있다. “프레임리스 모터를 기계에 장착하면 통합할 것이 많고 엔지니어링 노하우도 필요합니다.” (마티아스 메닝, Kollmorgen 독일 테크놀로지 & 애플리케이션 매니저) 하지만 그로 인해 전기적, 기계적 측면에서 유연한 이점을 더 많이 누릴 수 있다. Kollmorgen은 수십 년 전부터 프레임리스 모터 기술로 입지를 다져 왔으며, 이 분야에서 Moog와 Wittenstein Cyber Motors 그리고 TQ Systems 등의 드라이브 전문 업체들과 같이 부가 가치를 제공하고 있다.

“극 수가 많은 토크 모터와 같이 서 보모 터 어셈블리도 기계 프레임에 바로 통합할 수 있으며, 이로 인해 공간이 절감되고, 열악한 제조 환경에 대해 밀봉도 용이하며, 강성이 높아지거나 열관리도 더욱 향상됩니다.”(에릭 슈테판, Moog 메카트로닉스 장치 판매 매니저) TQ Systems의 경우에도 프레임리스 모터를 기존 구조에 바로 장착할 수 있고, 전체 장치의 디자인을 따른다는 핵심적인 장점이 있다. “따라서 전체 장치를 개발할 경우, 모터 장착에 크게 신경 쓰지 않아도 됩니다. 또한 같은 크기의 공간에 콤팩트한 크기와 가벼운 무게 그리고 더 많은 기능이 가능합니다.” (프레데릭 그림, TQ Systems TQ 드라이브 비즈니스 유닛 제품 매니저)

전문가에 따르면 이 모든 잠재력이 유연하게 설계할 수 있는 구조에 있다고 한다. “기계 제조사는 정밀성, 대역폭, 성능에서 거의 제약이 없습니다.”(마티아스 메닝) 대부분의 경우, 그 이유는 기어나 기타 연결 요소 같은 추가적인 부품을 사용하지 않아도 되기 때문이다. “이는 또한 시스템 강성을 개선하며 제어 품질도 향상됩니다. 설계자들이 모터 크기를 유연하게 선택하여 부하 관성과 회전자 관성 간의 바람직한 비율을 추구할 수 있습니다.”

요약하면, 프레임리스 모터는 기계에 통합되는 회전자와 고정자로 구성되며, 토크를 부하에 전달한다. 회전자는 자석과 함께 작동하고, 고정자는 구리 등의 권선 패키지와 함께 작동한다. 프레임리스 모터는 대부분 하우징 샤프트와 베어링 그리고 피드백 시스템과 같은 다른 요소들과 함께 통합된다.

단순하게 회전자와 고정자만 있으면 된다

“가장 단순한 경우 프레임리스 모터는 코일이 감긴 고정자와 영구 자석 그리고 고객 주문에 따른 기계적 연결부의 회전자로만 구성할 수 있습니다. 그리고 필요에 따라 냉각 장치, 베어링, 로터리 엔코더를 기계적 어셈블리 디자인에 통합합니다.”(에릭 슈테판) 디자인이 단순하기 때문에 많은 표준 제품이 출시되어 있다. Kollmorgen의 기술 매니저인 마티아스 메닝은 배열을 기준으로 차이점을 다음과 같이 설명한다. “토크가 높은 모터는 자석 수가 많고 직경이 큰 경우가 많습니다. 높은 회전수에 맞게 설계된 모터는 구조가 길쭉합니다.”

Kollmorgen의 프레임리스 모터는 디자인 자체가 다양하며, 일부 디자인은 개발에 집중적으로 투자하였다. 최근 이 업체가 개발한 ILM E Servo 키트는 내륜 구동 모터를 발전시킨 모델 ILM-E이다. TQ Systems는 DLR(독일 우주항공 센터)과 함께 이전 모델의 모터 기술을 발전시켰다.

Wittenstein Cyber Motor는 프레임리스 모터는 프레임과 베어링을 사용하지 않아 질량 측면에서 최적화되었기 때문에, 자사 사이버 키트 라인 스몰(Cyber Kit Line Small)의 고정자 개발 및 제조 시 성능 밀도를 달성하기 위해 노하우를 적용하였다. 그 결과 프레임리스 모터로 높은 구리 충전율을 제공하기 위한 모듈식 단일 기어 개념이 생겼다. “이 디자인은 멈춤 토크 최소화에 결정적으로 기여하여, 기계 사이클 타임에 반영될 수 있습니다.”(크리스토프 바이스, Wittenstein Cyber Motor 제품 매니저)

프레임리스 모터는 회전자와 고정자로 구성되며, 기계적 구조에 유연하게 통합할 수 있다.

협소한 공간에서 최대의 성능 밀도 구현

전문가들에 의하면 기본적으로 프레임리스 모터는 최적의 성능 무게 또는 높은 토크 밀도(Nm/kg)가 필요한 사례에 적합하다. 전통적으로 이러한 적용 사례는 최대한의 역동성, 정밀도, 견고성, 최고의 토크 등, 이 모든 것을 협소한 공간에 구현해야 하는 항공 우주 분야와 로보틱스 분야에 적합하다.

또한 코봇의 예를 들어 보자. 키트 모터인 프레임리스 모터는 모터-기어 조합으로 로봇 팔(Robotic Joints)에 장착되는 경우가 많다. “이를 통해 짧고 가벼운 구조가 가능합니다.”라고 Kollmorgen의 마티아스 메닝은 프레임리스 모터의 주요 측면을 설명하였다. “이런 방식으로 가동 질량을 줄일 수 있습니다.” 기계 장치와 통합하여 프레임을 통해 열 배출에도 사용할 수 있다.

원래 토크가 강한 프레임리스 모터는 주로 로보틱스에 사용되었으나, 최근 들어 자동화 기술, 의료 기술, 기계 공학에도 적용되고 있다. 프레임리스 모터는 공작기계와 포장 및 섬유기계 그리고 조립 시스템과 특수 기계 분야와 마찬가지로 수술대, 투석 기계 등 의료 기술 시장에서 동적인 구성 요소로 여러 부문에서 자리를 잡았다. “대부분의 응용 분야에서 성능 밀도에서 드라이브와 기계를 위해 소형화가 중요합니다.”(크리스토프 바이스) TQ Systems는 특히 산업용 트럭이나 측정 기계 및 레이저 용접 시스템과 같은 산업용 시스템을 목표로 하고 있다. “이러한 산업 분야에는 큰 부하를 이동시킬 수 있는 높은 토크가 중요합니다.”(프레데릭 그림) 이 기술은 이제 고급 소비자 제품에도 적용되고 있다.

키트 모터를 다이렉트 드라이브로 사용하는 경우, 기어 구성 요소와 벨트 그리고 풀리 등이 생략되어 소음도 감소한다. “기계 개발자들이 소음 방지 장치를 적용하면서 기계가 복잡해지고 크기도 커졌습니다. 오류에 취약한 전달 메커니즘을 제거하면 오류도 줄어들고 기계 가용성도 긍정적인 영향을 미칩니다.”(마티아스 메닝)

중공 샤프트에 많은 잠재력이 숨어 있다

한 가지 개념적 세부 사항도 부가 가치에 기여한다. 이는 바로 모터의 대형 중공 축이다. 이 대형 중공 축을 통해 로봇 내에서 다운스트림에 있는 축에 대한 통신 케이블 및 전력 케이블을 배선하거나, 엔코더 시스템의 각도 정보를 축 컨트롤러에 전달할 수 있다. “이러한 드라이브는 베어링 강성에 대한 요구가 높은 기계 프레임에서 중공축 피드스루와 결합할 때 큰 잠재력을 발휘합니다. 기계 제조사와 모터 공급자가 협력하여 멋진 결과를 달성할 수 있습니다.”(에릭 슈테판) 프레임리스 모터는 기계 디자인에 통합할 수 있어 경쟁에서 차별화할 수 있으며, 독점적인 판매 요소를 만들 수 있다고 에릭 슈테판은 강조하였다.

Moog의 AFE 시리즈 프레임리스 모터는 고객 맞춤 옵션을 제공한다.

설계자들이 알아야 할 사항

하지만 프레임리스 모터는 설치와 통합에 많은 노력이 필요하다. 예를 들어 모터와 관련된 마찰과 기어비 그리고 관성 측면에서 기계적 부하를 잘 이해해야 한다. “이는 기계 사양과 서보모터의 성능 요건에 큰 영향을 미칩니다.”(마티아스 메닝) Kollmorgen의 테크놀로지 & 애플리케이션 매니저인 마티아스 메닝에 따르면 기계 제조업체는 기계 구조에 모터를 통합하기 위해 회전자와 고정자로 구성된 실제 모터 조립 키트 외에 다른 구성 요소를 통합해야 한다. 예를 들어, 베어링과 브레이크는 물론 이에 적합한 엔코더 시스템을 선택해야 한다. 엔진을 설치할 경우, 다른 측면도 고려해야 한다. “고정자를 기계에 통합할 경우, 최적의 열 배출이 매우 중요합니다. 권선에서 발생한 열이 우선적으로 방출되어야 모터가 최고의 성능을 발휘할 수 있습니다.”(마티아스 메닝) 일반적으로 열적 요소가 필수적인 역할을 한다. 기계 제조업체는 필요한 성능을 제공하기 위해 엔진이 발산할 수 있는 열량을 결정해야 한다. 여기에서도 프레임리스 모터의 유연성이 작용할 수 있다.