내전형과 외전형 프레임리스 모터의 차이점은? 구조, 성능 및 적용 분야 비교

로봇, 협동 로봇 팔, 휴머노이드 로봇, 외골격 로봇과 같은 장비의 구동 시스템을 설계할 때, 프레임리스 모터는 컴팩트한 구조와 유연한 통합 가능성으로 인해 엔지니어들의 관심을 점점 더 많이 받고 있습니다.

프레임리스 모터를 선택할 때 엔지니어는 모터의 크기, 토크, 속도뿐만 아니라 다음과 같은 중요한 질문도 고려해야 합니다. 이너러너 프레임리스 모터와 아우터러너 프레임리스 모터의 차이점은 무엇일까요? 특정 로봇 프로젝트에는 어떤 유형이 더 적합할까요?

두 유형의 핵심적인 차이는 로터와 스테이터의 상대적인 위치에 있습니다. 이너러너 구조에서는 로터가 스테이터 내부에 위치하고, 아우터러너 구조에서는 로터가 스테이터 외부에 위치합니다. 이러한 구조적 차이는 모터의 토크 출력, 회전 관성, 공간 배치 및 시스템 통합에도 영향을 미칩니다.

프레임리스 모터란 무엇인가요?

프레임리스 모터는 일반적으로 스테이터 어셈블리와 로터 어셈블리를 주요 구성 요소로 제공합니다. 완전한 하우징, 출력축 및 독립적인 지지 구조를 갖춘 기존 모터와 달리, 프레임리스 모터는 장비 자체의 기계 구조에 직접 통합할 수 있습니다.

이러한 설계를 통해 엔지니어는 장비의 공간 배치, 부하 요구 사항 및 동력 전달 구조에 따라 모터 마운트, 로터 커플링, 베어링 지지 구조 및 방열 구조를 설계할 수 있습니다.

프레임리스 모터의 주요 장점은 다음과 같습니다.

• 유연한 기계적 통합: 모터를 로봇 관절이나 기타 장비 구조에 직접 내장하여 불필요한 기계적 패키징을 줄일 수 있습니다.

• 컴팩트한 시스템 설계: 모터를 기계 구조와 통합하면 구동 어셈블리의 전체 크기를 줄이는 데 도움이 됩니다.

• 맞춤형 동력 전달 구조: 애플리케이션 요구 사항에 따라 감속기, 엔코더, 베어링 및 기타 기계 부품을 조합할 수 있습니다.

• 정밀 모션 제어에 적합: 적절한 드라이버, 센서 및 제어 알고리즘과 함께 사용하면 부드럽고 정밀한 움직임이 필요한 시스템에 프레임리스 모터를 적용할 수 있습니다.

프레임리스 모터를 사용한다고 해서 외부 기계적 지지 구조가 필요 없어지는 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다. 실제 애플리케이션에서는 엔지니어가 여전히 신뢰할 수 있는 로터 고정, 스테이터 장착, 베어링 지지, 절연 및 방열 솔루션을 설계해야 합니다.

이너러너와 아우터러너 프레임리스 모터: 구조적 차이점은 무엇인가요?

이너러너 프레임리스 모터와 아우터러너 프레임리스 모터는 유사한 전자기 작동 원리를 사용하지만, 로터와 스테이터의 배치 방식은 서로 다릅니다.

1. 이너러너 프레임리스 모터: 스테이터 내부에 위치한 로터

이너러너 프레임리스 모터에서는 로터가 스테이터 내부에 위치합니다. 스테이터 권선은 외부 지지 구조에 고정되고, 로터는 스테이터 내부에서 회전합니다.

이 구조는 일반적으로 로터 반경이 더 작습니다. 다른 조건이 유사하다면 로터 반경이 작을수록 회전 관성을 줄이는 데 도움이 되므로, 동적 응답, 가속 및 감속, 모션 제어 성능에 대한 요구가 높은 애플리케이션에 적합합니다.

이너러너 모터는 다양한 외부 장착 구조를 적용할 수 있으며, 정밀 제어, 컴팩트한 배치 또는 비교적 높은 속도가 필요한 구동 시스템에 적합합니다.

2. 아우터러너 프레임리스 모터: 스테이터 외부에 위치한 로터

아우터러너 프레임리스 모터에서는 로터가 스테이터 외부에 위치하며, 일반적으로 링 형태 또는 컵 형태의 구조로 스테이터 주위를 회전합니다.

전자기 상호작용 영역을 더 큰 유효 반경에 배치할 수 있으므로, 아우터러너 구조는 일반적으로 더 긴 모멘트 암을 확보할 수 있습니다. 모터의 부피와 설계 조건이 유사하다면 이러한 배치는 더 높은 출력 토크를 구현하는 데 도움이 될 수 있으며, 특히 저속에서 높은 토크가 필요한 애플리케이션에 유리할 수 있습니다.

아우터러너 구조는 관절을 감싸는 형태의 설계에도 사용할 수 있어 모터를 관절 하우징 및 출력 구조와 컴팩트하게 통합할 수 있습니다. 다만 기계 설계 시 외부 회전 부품의 크기와 관성, 그리고 보호 조치를 모두 신중하게 고려해야 합니다.

3. 두 구조의 주요 차이점

이는 일반적으로 나타나는 구조적 경향이며, 모든 모델이 정확히 동일한 성능 특성을 보이는 것은 아닙니다. 실제 성능은 전자기 설계, 권선, 치수, 재료, 작동 전류 및 방열 조건에 따라 달라집니다.

이너러너와 아우터러너 프레임리스 모터의 성능 비교

모터를 선택할 때 로터가 내부에 있는지 외부에 있는지만으로 어느 유형의 성능이 더 우수한지 판단할 수는 없습니다. 로봇 애플리케이션에서는 구조적 차이가 실제 작동 요구 사항에 어떤 영향을 미치는지 분석하는 것이 더 중요합니다.

1. 토크 출력: 아우터러너 구조는 일반적으로 반경 측면에서 이점을 가짐

모터 토크는 작용하는 힘과 모멘트 암의 길이와 관련이 있습니다. 모터에서는 다른 조건이 유사할 때 유효 전자기 반경이 커질수록 토크 출력을 높이는 데 도움이 됩니다.

아우터러너 프레임리스 모터의 로터는 스테이터 외부에 위치하므로 일반적으로 더 큰 유효 반경을 사용할 수 있습니다. 따라서 제한된 공간에서 비교적 높은 토크 출력을 구현할 때 구조적인 이점을 가질 수 있습니다.

하중을 지지하거나 로봇 관절을 구동하거나 저속으로 회전하는 시스템에서는 아우터러너 구조를 면밀히 검토할 가치가 있습니다.

그러나 이것이 아우터러너 모터가 항상 더 높은 토크를 제공한다는 의미는 아닙니다. 실제 모터를 선택할 때는 구조 유형에만 의존하지 말고 연속 토크, 피크 토크, 토크 상수, 허용 전류 및 열적 한계를 비교해야 합니다.

2. 동적 응답: 로터 관성과 부하 관성을 함께 고려

로봇의 모션 제어에서 모터는 가속, 감속 및 회전 방향 전환을 자주 수행해야 합니다. 따라서 회전 관성은 중요한 설계 매개변수입니다.

이너러너 프레임리스 모터의 회전 부품은 일반적으로 더 작은 반경 안에 집중되어 있어 로터 관성을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이는 빠른 응답, 빈번한 시동과 정지, 정밀한 모션 제어가 필요한 애플리케이션에서 특히 중요합니다.

아우터러너 구조에서는 회전 질량이 더 큰 반경에 분포하므로 로터 관성이 높아질 수 있습니다. 높은 동적 응답이 필요한 관절에서는 이러한 관성이 시스템 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다.

그러나 실제 응답 성능은 부하 관성, 감속기, 컨트롤러 대역폭, 전류 루프 성능 및 제어 알고리즘과도 밀접하게 관련되어 있습니다. 전체 구동 시스템의 응답 속도는 이너러너 또는 아우터러너 구조만으로 결정할 수 없습니다.

3. 속도와 토크: 모터 특성 곡선을 통해 함께 평가

동일한 전압과 그 밖의 유사한 조건에서 모터의 속도 성능은 역기전력 상수, 권선 설계 및 드라이버의 전원 공급 능력과 같은 요소에 따라 달라집니다.

이너러너 모터는 비교적 높은 속도나 빠른 동적 응답이 필요한 시스템에 자주 사용되는 반면, 아우터러너 모터는 더 큰 유효 반경과 높은 토크 출력이 요구되는 경우에 자주 사용됩니다. 이는 일반적인 설계 경향이며 절대적인 규칙은 아닙니다.

모터를 선택할 때는 다음 항목을 함께 검토해야 합니다.

• 무부하 속도 및 정격 작동 속도

• 연속 토크 및 피크 토크

• 토크-속도 곡선

• 역기전력 상수 및 토크 상수

• 구동 전압, 전류 및 속도 제어 범위

애플리케이션에서 높은 속도와 높은 토크를 동시에 요구한다면 최대 속도와 피크 토크를 각각 비교하는 대신, 목표 작동점에서 모터가 실제로 발휘할 수 있는 성능에 집중해야 합니다.

4. 방열 및 열 관리: 전체 기계 설계에 따라 달라짐

프레임리스 모터는 일반적으로 장착 구조를 통해 스테이터의 열을 외부로 전달합니다. 스테이터와 하우징 사이의 접촉 면적, 재료의 열전도율, 장착 공차, 주변 온도 및 냉각 방식은 모두 모터의 연속 출력 성능에 영향을 미칩니다.

이너러너 또는 아우터러너 구조만으로 어느 설계가 열을 더 잘 방출하는지 결정할 수는 없습니다. 실제 설계에서는 스테이터를 어떻게 고정하는지, 열이 전달되는 경로는 어떠한지, 연속 작동 중 온도가 얼마나 상승하는지에 집중해야 합니다.

로봇 관절과 같이 공간이 제한된 애플리케이션에서는 모터가 짧은 시간 동안 높은 피크 토크를 낼 수 있더라도 실제 듀티 사이클에서 연속적으로 작동할 수 있는지 확인해야 합니다.

이너러너와 아우터러너 프레임리스 모터는 어떤 애플리케이션에 적합할까요?

1. 휴머노이드 로봇

휴머노이드 로봇의 고관절, 무릎, 어깨 및 팔꿈치 관절은 구동 시스템의 토크, 무게, 공간 및 동적 응답 측면에서 서로 다른 요구 사항을 가지고 있습니다.

빠른 응답이 필요한 경량 관절에는 이너러너 설계를 고려할 수 있으며, 더 높은 토크 출력이 필요하고 관절을 감싸는 형태의 기계적 배치에 적합한 경우에는 아우터러너 설계도 검토할 가치가 있습니다.

모터 선택 시에는 관절의 최대 부하, 연속 작동 듀티 사이클, 감속기 구성 및 로봇 전체 무게를 고려해야 합니다. 로봇의 유형만을 기준으로 모터 구조를 선택해서는 안 됩니다.

2. 협동 로봇 팔

협동 로봇 팔은 일반적으로 컴팩트한 구조, 부드러운 움직임 및 제어 정확도 사이의 균형을 맞춰야 합니다. 프레임리스 모터를 관절 구조에 직접 통합하면 별도의 모터 하우징이 차지하는 공간을 줄이고 기계 설계자에게 더 큰 설계 유연성을 제공할 수 있습니다.

이러한 애플리케이션에서는 이너러너와 아우터러너 구조를 비교하는 것 외에도 다음 사항을 고려해야 합니다.

• 저속에서의 부드러운 움직임;

• 코깅 토크;

• 부하 관성 및 모션 응답;

• 스테이터 방열 및 연속 작동 성능;

• 엔코더 구성 및 제어 시스템 성능.

3. 외골격 로봇 및 웨어러블 로봇

외골격 로봇은 제한된 공간과 무게 범위 안에서 적절한 보조 토크를 제공하면서 착용자의 움직임에 대한 간섭을 최소화해야 합니다.

이너러너 프레임리스 모터는 높은 동적 응답이 필요한 경량 구동 시스템의 후보가 될 수 있습니다. 실제 애플리케이션에서는 관절의 설치 공간, 인체의 가동 범위, 동력 전달 효율, 소음 및 장시간 작동 시의 열적 쾌적성도 고려해야 합니다.

4. 정밀 회전 플랫폼 및 자동화 장비

정밀 회전 플랫폼, 검사 장비 및 산업 자동화 메커니즘에서는 모터 구조가 장착 방식, 회전 관성 및 동력 전달 시스템의 배치에 영향을 미칩니다.

애플리케이션에서 직접 구동 또는 저속 고토크 성능이 필요하다면 아우터러너 설계를 평가할 수 있습니다. 시스템에서 회전 부품의 관성과 동적 제어를 더 중요하게 고려한다면 이너러너 설계도 검토할 수 있습니다. 최종 결정은 실제 부하, 정밀도 요구 사항 및 모션 프로파일을 기준으로 내려야 합니다.

CubeMars RI 및 RO 시리즈: 두 가지 프레임리스 모터 유형 이해하기

CubeMars는 이너러너 프레임리스 토크 모터인 RI 시리즈와 아우터러너 프레임리스 토크 모터인 RO 시리즈를 제공하여 다양한 기계 구조와 로봇 구동 요구 사항에 맞는 선택지를 제공합니다.

1. RI 시리즈: 이너러너 프레임리스 토크 모터

CubeMars  RI 시리즈는 이너러너 구조를 사용하며 RI20, RI30, RI50, RI60, RI70, RI80 V2.0 및 RI100 등의 모델을 포함합니다. 이 시리즈는 높은 토크 밀도, 낮은 코깅 토크 및 컴팩트한 설계를 강조하며, 일부 모델에서는 홀 센서를 옵션으로 선택할 수 있습니다.

RI 시리즈는 설계 공간, 모션 응답 및 기계적 통합을 균형 있게 고려해야 하는 애플리케이션에 적합합니다. 실제 토크 및 크기 요구 사항에 따라 경량 로봇 관절, 협동 로봇 팔, 외골격 로봇 및 기타 정밀 구동 시스템에 사용할 모델을 추가로 선별할 수 있습니다.

모델을 선택할 때는 다음 사항에 특히 주의해야 합니다.

• 스테이터 외경과 축 방향 길이가 설치 공간 요구 사항을 충족하는지 여부;

• 연속 토크와 피크 토크가 부하 요구 사항을 충족하는지 여부;

• 로터 관성이 목표 동적 응답에 적합한지 여부;

• 권선 매개변수가 드라이버와 일치하는지 여부;

• 스테이터 장착 구조가 충분한 방열 성능을 제공하는지 여부.

2. RO 시리즈: 아우터러너 프레임리스 토크 모터

CubeMars RO 시리즈는 아우터러너 구조를 사용하며 RO40 Lite, RO50 Lite, RO60, RO80 및 RO100 등의 모델을 포함합니다. 이 시리즈는 유연한 통합이 필요한 로봇 및 기타 구동 애플리케이션을 대상으로 합니다. 토크, 치수, 무게 및 속도 성능은 각 모델별로 평가해야 합니다.

아우터러너 구조는 더 큰 유효 반경이 필요한 회전 구동 설계에 또 다른 선택지를 제공합니다. 토크 출력이 필요하고 외부 로터가 회전할 수 있는 공간 배치를 갖춘 관절이나 구동 어셈블리라면 RO 시리즈를 비교 검토할 가치가 있습니다.

모델을 선택할 때는 다음 사항에 특히 주의해야 합니다.

• 외부 회전 부품이 주변 구조물과 간섭을 일으키는지 여부;

• 모터의 외경, 축 방향 길이 및 장착 인터페이스가 요구 사항을 충족하는지 여부;

• 연속 토크와 피크 토크가 부하 요구 사항을 충족하는지 여부;

• 로터 관성이 시스템의 동적 응답 요구 사항을 충족하는지 여부;

• 로터 고정, 기계적 보호 및 방열 솔루션이 적절한지 여부.

3. RI 시리즈와 RO 시리즈 중 어떻게 선택해야 할까요?

두 시리즈 중 어느 하나를 단순히 성능이 더 좋거나 나쁘다고 판단해서는 안 됩니다. 선택은 로봇 관절의 기계 구조와 작동 조건을 기준으로 해야 합니다.

• 프로젝트에서 낮은 로터 관성, 동적 응답 및 이너러너 구조를 우선시한다면 RI 시리즈를 먼저 검토하는 것이 좋습니다.

• 프로젝트에서 더 큰 유효 반경을 통한 토크 출력을 우선시하고 기계 구조가 아우터러너 배치에 적합하다면 RO 시리즈를 먼저 검토하는 것이 좋습니다.

• 프로젝트에서 높은 토크, 빠른 응답 및 컴팩트한 크기를 동시에 요구한다면 해당 모델들의 연속 토크, 회전 관성, 전체 치수, 속도 범위 및 온도 상승 데이터를 비교해야 합니다.

최종 선택은 해당 모델의 공식 기술 사양과 실제 테스트 결과를 바탕으로 해야 합니다.

프레임리스 모터 선택 시 어떤 매개변수를 확인해야 할까요?

이너러너 프레임리스 모터와 아우터러너 프레임리스 모터 중 어느 것을 선택하든, 설계 초기 단계에서 다음 매개변수를 정의하는 것이 좋습니다.

1. 연속 토크 및 피크 토크

연속 토크는 지정된 열적 조건에서 모터가 장시간 작동할 수 있는 능력을 나타내며, 피크 토크는 일반적으로 시간 제한이 있는 단시간 출력 토크를 의미합니다. 부하 프로파일과 듀티 사이클을 기준으로 각각을 계산해야 합니다.

2. 속도 및 작동점

모터가 목표 속도에서 필요한 토크를 제공할 수 있는지 확인하고, 구동 전압, 전류 및 역기전력 한계를 점검해야 합니다. 무부하 속도를 부하가 걸린 상태의 작동 속도로 간주해서는 안 됩니다.

3. 회전 관성 및 동적 응답

빈번한 시동과 정지, 빠른 역회전 또는 높은 대역폭의 제어가 필요한 시스템에서는 모터 로터의 관성과 부하 관성을 모두 계산에 포함해야 합니다.

4. 설치 공간 및 기계적 인터페이스

모터의 외경과 축 방향 길이뿐만 아니라 로터 회전 공간, 스테이터 장착 공간, 베어링, 케이블 및 유지보수를 위한 공간도 확보해야 합니다. 특히 아우터러너 설계에서는 외부 회전 부품이 주변 구조물과 간섭하지 않는지 확인해야 합니다.

5. 방열 및 연속 작동 성능

모터가 실제 듀티 사이클의 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 스테이터 장착면의 열전도율, 주변 온도, 냉각 방식 및 허용 온도 상승을 점검해야 합니다.

6. 드라이버 및 위치 피드백

모터의 전기적 매개변수가 드라이버와 호환되는지 확인하고, 제어 요구 사항에 따라 적절한 엔코더 또는 기타 위치 피드백 솔루션을 선택해야 합니다. 고정밀 로봇 관절에서는 컨트롤러, 전류 루프 및 위치 루프의 전반적인 성능도 검증해야 합니다.

결론

이너러너 프레임리스 모터와 아우터러너 프레임리스 모터는 각각 고유한 특성을 가지고 있습니다. 구조의 선택은 어느 유형의 성능이 더 우수한지에 대한 단순한 판단이 아니라 로봇 시스템의 구체적인 요구 사항에 따라 결정해야 합니다.

이너러너 프레임리스 모터는 로터가 스테이터 내부에 위치하며, 일부 설계에서는 로터의 크기와 회전 관성을 제어하는 데 도움이 됩니다. 동적 응답, 모션 제어 및 컴팩트한 구조 배치가 중요한 애플리케이션에 적합합니다. 아우터러너 프레임리스 모터는 로터가 스테이터 외부에 위치하며, 더 큰 유효 반경을 활용할 수 있어 다른 설계 조건이 유사할 때 더 높은 토크를 낼 가능성이 있습니다. 그러나 실제 토크 출력은 전자기 설계, 치수, 권선 매개변수, 작동 전류 및 방열에 따라 달라지므로 로터 구조만으로 성능을 판단할 수 없습니다.

휴머노이드 로봇, 협동 로봇, 외골격 로봇 및 정밀 자동화 장비와 같은 애플리케이션에서 프레임리스 모터의 장점은 장비 자체의 기계 구조에 통합할 수 있다는 점입니다. 이를 통해 관절, 회전 부품 및 컴팩트한 구동 시스템을 더욱 유연하게 통합할 수 있습니다. 그러나 실제로 모터를 선택할 때는 이너러너와 아우터러너의 구조적 차이를 비교하는 것 외에도 연속 토크와 피크 토크, 목표 속도, 회전 관성, 설치 공간, 열 관리, 드라이버 호환성 및 위치 피드백 요구 사항을 평가해야 합니다. 특히 높은 부하가 걸리거나 장시간 작동하는 경우에는 모터의 연속 출력 성능과 방열 설계도 똑같이 중요합니다.

CubeMars 프레임리스 모터를 선택할 때 RI 이너러너 시리즈와 RO 아우터러너 시리즈는 서로 다른 구조 설계를 비교하기 위한 참고 옵션이 될 수 있습니다. 시리즈 이름이나 단일 성능 지표만을 기준으로 결정하기보다는 장비의 기계적 배치, 모션 응답 요구 사항 및 목표 작동점에 따라 해당 모델들의 사양을 비교한 뒤 실제 부하와 설치 조건을 기준으로 검증하는 것이 좋습니다.

종합하면, 적합한 프레임리스 모터는 토크 출력, 모션 응답, 구조적 통합 및 열 관리 사이에서 균형을 이루어야 합니다. 애플리케이션 요구 사항을 명확하게 정의하고, 구동 제어 솔루션 및 시스템 설계와 함께 모터의 전체 사양을 평가하면 로봇 관절과 기타 정밀 모션 시스템에 더욱 적합한 구동 솔루션을 찾는 데 도움이 됩니다.