프레임리스 토크 모터: 로봇 관절용 스테이터·로터 키트 선택

프레임리스 토크 모터는 하우징과 축, 베어링, 엔드 캡을 들어낸 브러시리스 모터, 즉 권선된 구리 코일을 갖춘 스테이터와 자석을 품은 회전자만 남은 형태입니다. 두 개의 부품으로 판매되며 기기 제작자가 자기 구조에 통합합니다. 로봇 관절에서 이 선택은 비용을 줄이려는 요행이 아니라 의도된 결정입니다. 모터는 관절에 볼트로 붙는 물건이 아니라 관절의 일부가 되며, 베어링 배치와 열 경로, 케이블 배선이 기성 하우징에서 물려받는 대신 기구학에 맞춰 설계됩니다.

이 가이드는 프레임리스 모터가 어떻게 구성되는지, 어떤 스펙이 실제로 설계 결정을 바꾸는지, 그리고 현재 ToBMS 프레임리스 토크 모터 카테고리에 등재된 열두 개 모델이 서로 어떻게 비교되는지를 다룹니다. 아래의 모든 수치는 ToBMS 제품 데이터 또는 제조사가 공표한 스펙에서 가져온 것이며, 추정한 값은 없습니다.

한눈에 보는 답

프레임리스 토크 모터는 하우징과 축, 베어링이 없는 스테이터·회전자 키트이며, 그 부품들은 기기 설계자가 직접 마련하는 전제로 구매합니다. 세 가지 이유로 선택됩니다. 일반적인 모터 하우징의 질량과 축 방향 길이를 관절에서 덜어내고, 회전자가 관절 자체의 베어링 위에서 회전하도록 해 하중 경로에 두 번째 베어링 쌍이 생기지 않게 하며, 케이블 배선을 위한 큰 보어를 확보하게 해 줍니다. 대가는 통합 작업입니다. 베어링 지지와 열 경로, 회전자 고정, 피드백이 모두 구매 품목이 아니라 관절 설계의 일부가 됩니다.

프레임리스 토크 모터의 내부 구성

부품은 둘뿐입니다. 통상 그 주변에 조립되는 모든 것은 통합 업체의 몫으로 남습니다.

스테이터

스테이터는 구리 권선을 감은 적층 강판 코어로, 리드선이나 커넥터 블록으로 마감됩니다. 외경과 장착 수단은 정해져 있고 통상 플랜지 패턴이나 압입 방식이지만 외함은 없습니다. 로봇 관절에서 스테이터는 대개 열 경로를 겸하는 가공 하우징에 고정됩니다. 그래서 외함이 있는 모터보다 장착면과 계면 소재가 더 중요합니다. 열이 빠져나갈 곳이 없으면 권선 온도 한계에 더 빨리 도달하기 때문입니다.

회전자

회전자는 영구 자석을 품은 강 또는 알루미늄 허브이며, 보어는 관절 축에 압입하도록 되어 있거나 감속기 입력부와 직접 맞물리도록 되어 있습니다. 회전자를 잡아 주는 것은 관절 자체의 베어링뿐이므로 런아웃과 축 방향 위치, 회전자 밸런스는 설계자의 책임입니다. 이 부분이 잘못되면 부품이 파손되는 것이 아니라 진동과 코깅, 엔코더 노이즈로 드러납니다.

이너 로터 및 아우터 로터 구성

이 카테고리에는 두 가지 구성이 있습니다. 이너 로터 방식인 RI 시리즈 제품은 자석을 스테이터 내부의 샤프트에 배치하므로, 일반적으로 길이가 길고 직경이 작은 패키지가 됩니다. RO60, RO80, RO100과 같은 아우터 로터 방식은 자석을 스테이터 주위를 회전하는 벨에 배치하므로, 일반적으로 직경이 크고 적층 길이가 짧으며 관성 분포도 달라집니다. 어느 한쪽이 보편적으로 우월한 것은 아니며, 선택은 관절의 외형과 제어 루프가 허용할 수 있는 관성의 크기에 따라 결정됩니다.

피드백: 홀 센서 탑재 여부

프레임리스 키트에 완전한 엔코더가 탑재되는 경우는 드뭅니다. 관절 출력부에 필요한 분해능은 모터가 아니라 관절에 따라 달라지기 때문입니다. 이 제품군에서 차이가 나는 부분은 홀 효과(Hall effect) 센싱입니다. RO40과 RO50 Lite 모델은 홀 센서 없이 등록되어 있는 반면, RO60, RO80, RO100 Standard 모델에는 홀 센서가 포함되어 있습니다. 홀 센서가 없으면 정류(commutation)는 외부 엔코더나 센서리스 기동에 의존하게 되며, 이는 충분히 구현 가능하지만 드라이버 구성 단계에서 미리 계획되어야 합니다. 프레임리스 모터를 토크와 질량만으로 선정할 때 가장 자주 놓치는 사양이 바로 이것입니다.

실제로 선택을 좌우하는 사양

프레임리스 제품 페이지는 간결해 보이지만, 대부분의 프로젝트를 결정하는 것은 몇 가지 동일한 수치입니다.

토크: 정격, 최대, 그리고 각각이 보장하는 것

최대 토크(Peak Torque)는 제조사가 규정된 운전 조건에서 명시한 최대 출력 토크입니다. 프레임리스 모터의 경우 이는 일반적으로 기계적 강도가 아니라 권선 온도와 자석 감자 여유에 의해 제한됩니다. 최대 토크는 가속 피크와 단기 과도 상태를 검토하는 데 적합한 수치이며, 부하 유지나 파손 시점을 추정하는 데는 부적합합니다. 로터와 관절 베어링의 기계적 한계는 별도로 확인해야 합니다.

정격 토크(Rated Torque)는 규정된 주위 온도와 장착 조건에서 모터가 열적 한계 내로 유지할 수 있는 연속 토크입니다. 프레임리스 모터에서는 이 두 가지 조건의 비중이 더 큽니다. 알루미늄 하우징에 고정된 스테이터와 벤치 위의 정지 공기 중에서 작동하는 스테이터는 방열 특성이 크게 다릅니다. 공개된 정격 토크는 자체 냉각 설계로 평가받을 관절의 출발점입니다.

KV, K_e 및 공급 전압

KV는 속도 상수, 즉 인가된 구동 전압에 대해 모터가 회전하는 속도이며, 관절에 요구되는 출력 속도와 버스 전압을 연결하는 수치입니다. 이 제품군의 대형 모델 중 일부는 두세 가지 전압에서 정격이 명시되어 있습니다. 예를 들어 RI50은 24, 36, 48 V에서 규정되며 그에 따라 정격 속도와 무부하 속도가 달라집니다. 따라서 동일한 하드웨어로 로봇의 배터리 아키텍처에 따라 다양한 관절에 대응할 수 있습니다. 프레임리스 모터를 기존 드라이버에 맞출 때는 KV와 토크 상수가 특정 토크에 대해 드라이버가 공급해야 하는 전류를 결정합니다.

전류, 권선 저항 및 열적 여유

정격 전류와 최대 전류는 드라이버가 공급해야 하는 전류를 알려주며, 권선 저항과 함께 특정 토크에서 발생하는 열량을 설명합니다. 이 모터들의 ToBMS 기록은 제품군 전체에 하나의 단위 규칙을 사용하지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 가장 작은 RI 모델과 대형 RO 모델의 상간 저항(phase-to-phase resistance) 수치는 서로 다른 스케일로 기록되어 있습니다. 따라서 제품군 간 비교 전에 단위를 정규화해야 하며, 열 계산의 기준은 제조사의 데이터시트로 삼아야 합니다.

직경, 적층 길이 및 질량

프레임리스 모터에서 이 세 가지 수치는 홍보용 요약이 아니라 설계 제약 조건입니다. RI20은 25 mm, 20 g 제품이고, RO100은 직경 113.5 mm, 질량 710 g입니다. 하우징이 없기 때문에 명시된 질량은 관절이 그대로 지탱하고 가속해야 하는 질량이며, 이를 분담할 외함이 없습니다. 말단 관절에서 60 g 키트와 270 g 키트의 차이는 상위 모든 축이 부담하게 됩니다.

백래시와 시스템 강성

프레임리스 모터에는 기어박스가 없으므로 백래시는 제품 자체의 고유한 특성이 아닙니다. 관절에서 나타나는 백래시는 설계자가 추가한 감속기에서 비롯됩니다. 이는 중요한 판단을 상류로 이동시키기 때문에 분명히 짚어둘 가치가 있습니다. 프레임리스 모터와 고감속비 유성(planetary) 단을 조합하면 일체형 준직결 구동(Quasi Direct Drive) 모듈보다 유격이 더 커질 수 있으며, 그 양은 기어 단마다 누적됩니다. 관절에 역구동성이나 위치 재현성이 요구되는 경우, 감속비와 기어박스 선택이 모터 자체의 사양보다 중요합니다.

프레임리스 토크 모터 열두 종 비교

아래 표는 현재 프레임리스 토크 모터 카테고리에 등록된 프레임리스 키트를 가벼운 순서대로 정리한 것입니다. 토크 수치는 제조사가 공개한 값이며, 정격 속도는 각 모델에 명시된 가장 낮은 정격 전압 기준입니다.

제조사가 공개한 정격 토크, 최대 토크, 공급 전압, 외형 및 질량. 정격 속도는 각 모델에 명시된 가장 낮은 정격 전압 기준이므로 제품군 간에 차이가 있습니다.

이 제품군에서 최대 토크는 0.072 Nm에서 12 Nm까지 약 165배의 범위를 가지며, 질량은 약 35배의 범위를 가집니다. 프레임리스 키트에는 하우징이 없기 때문에 이 질량은 그대로 반영됩니다. 이는 관절이 직접 다루어야 하는 회전 및 탑재 질량이며, 외함과 분담할 수 있는 부분이 없습니다.

기준을 명시한 상태에서 토크 밀도를 살펴보면 이 제품군의 형태가 더 분명해집니다. 소형 쪽에서 RI20은 연속 1.2 Nm/kg, 최대 3.6 Nm/kg을 제공하고, RO100은 정격 5.6 Nm/kg, 최대 16.9 Nm/kg에 도달합니다. 중형 이너 로터 대부분은 정격 약 3.5 Nm/kg, 최대 9.9-10.4 Nm/kg의 좁은 범위에 분포하며, 이는 이 제품군이 수치적 효과가 아니라 일관된 열 설계 목표에 맞춰 설계되었음을 시사합니다. 예외는 RO100입니다. 크기가 크고 KV가 낮은 아우터 로터 제품으로, 설치 면적을 희생하고 이 제품군에서 가장 높은 연속 토크 밀도를 확보했습니다.

초소형 관절: RI20 KV600과 RI30 KV260

가장 작은 두 키트는 기구 사슬의 끝단에 위치하는 액추에이터를 겨냥한 제품으로, 모터 질량은 상위 모든 요소가 부담합니다.

RI20 KV600: 20 g급 초소형 모델

Ø25 × 14.5 mm, 20 g의 RI20 KV600은 정격 토크 0.024 Nm, 최대 토크 0.072 Nm, 정격 출력 18 W, 16 V에서 정격 속도 7452 rpm입니다. 정격 전류는 1.47 A, 최대 전류는 4.4 A로 드라이버와 케이블 요구 사항이 작습니다. 하네스가 관절 내부를 통과해야 하는 경우 이는 중요한 제약이 됩니다. ToBMS 개요에서는 이 제품을 재활 로봇, 관절 모듈, 소형 로봇 팔을 위한 초소형 이너 로터 제품으로 소개하고 있습니다.

RI30 KV260: 40 g 키트에서 높아진 토크

RI20에서 한 단계 올라간 RI30 KV260은 직경이 13 mm 커지고 질량이 20 g 증가하며, 토크 수치는 대략 세 배가 됩니다. 정격 0.076 Nm, 최대 0.23 Nm, 24 V에서 정격 출력 33 W입니다. 정격 속도는 4110 rpm, 정격 전류 1.98 A, 최대 전류 7.72 A입니다. RI20과 RI30 모두 극쌍이 일곱 개이므로 속도에 따라 전기적 주파수가 빠르게 상승합니다. 크기만을 기준으로 소형 모델을 선택하기 전에 드라이버의 최대 정류율과 비교해 확인할 필요가 있습니다.

Lite 제품군: RO40 KV140과 RO50 KV108

Lite 아우터 로터 제품은 초소형 RI 제품과 중형 이너 로터 제품 사이의 공백을 메우며, 이 제품군에서 홀 센서 없이 등록된 두 모델입니다. 피드백은 통합 업체가 제공한다는 전제의 설계 선택입니다.

RO40 KV140 Lite: 60 g, 최대 0.6 Nm

Ø46.3 × 13 mm, 60 g인 RO40 KV140 Lite는 정격 0.2 Nm, 최대 0.6 Nm 토크를 내며 24 V에서 정격 출력 51 W, 정격 속도 2450 rpm으로 회전합니다. 적층 길이가 짧아 축 방향 길이가 작으며, 이것이 편평한 관절에서 이 제품이 매력적인 이유입니다. ToBMS 개요에서 제조사는 이 제품을 경량 로봇 관절에서 반응성이 뛰어난 직접 구동(direct drive) 동작을 구현하는 방안으로 제시합니다. 그리고 직접 구동은 홀 센서의 부재를 드라이버 측에서 해결해야 하는 영역이며, 통상적으로 관절의 출력 엔코더나 센서리스 기동 루틴으로 대응합니다.

제품명에는 KV140으로 표기되어 있으나 기록된 속도 상수는 141입니다. 이 두 수치는 속도 계산을 확정하기 전에 제조사의 최신 데이터시트와 대조해 확인할 가치가 있습니다.

RO50 KV108 Lite: 같은 개념의 대형 모델

Lite 제품군에서 한 단계 큰 RO50 KV108 Lite는 Ø61.7 × 14.5 mm, 105 g으로 커지며 정격 0.3 Nm, 최대 0.9 Nm 토크, 24 V에서 정격 출력 66 W, 정격 속도 2100 rpm입니다. ToBMS 기록에는 정격 전류 3.4 A에 대해 최대 전류 9.3 A로 기재되어 있으며, 이 모델은 신규 입고 제품으로 표시되어 있습니다. 제조사가 전용 소개 영상을 공개했으며 아래에 삽입되어 있습니다.

중형 이너 로터: RI50, RI60, RI70

세 모델은 하나의 설계 개념을 공유합니다. 비교적 길고 직경이 작은 이너 로터에 다중 전압 정격을 적용하여, 아우터 로터 Standard 제품의 직경을 감수하지 않으면서 Lite 제품보다 높은 연속 토크가 필요한 관절을 겨냥한 제품입니다.

RI50 KV100 and RI60 KV120

먼저 RI50 KV100은 Ø54 × 27 mm, 181 g 패키지에서 66 W로 연속 0.58 Nm, 최대 1.67 Nm입니다. RI60 KV120은 같은 급이면서 직경이 더 크고 질량은 약간 작습니다. 156 g에 정격 0.57 Nm, 최대 1.63 Nm, 85 W이며, RI50의 7개가 아니라 14개의 극쌍을 갖습니다. 두 모델 모두 24, 36, 48 V에서 규정되며 그에 따른 속도 및 전류 수치가 제공됩니다. 따라서 버스 전압이 아직 결정되지 않은 로봇에서도 사용할 수 있는 모델입니다.

RI70 KV95

한 단계 위인 RI70 KV95는 연속 토크 0.94 Nm, 최대 토크 2.68 Nm, 125 W로 끌어올리며, Ø76 × 24 mm, 270 g에서 극쌍 14개를 유지합니다. ToBMS 개요에서는 족형 로봇, 관절 모듈, 정밀 로봇 팔을 대상으로 제시합니다. 최대 출력보다 부하 상태에서의 매끄러움으로 관절이 평가되는 설계입니다.

대형 이너 로터와 아우터 로터 Standard

350 g을 넘으면 두 제품군은 갈라지며, 선택은 토크 등급이 아니라 외형의 문제가 됩니다.

RI80 V2.0 KV75

대형 이너 로터인 RI80 V2.0 KV75는 Ø85 × 27 mm, 411 g에서 172 W로 정격 1.45 Nm, 최대 4.1 Nm 토크를 제공합니다. 이 제품군에서 두 번째로 큰 이너 로터이며 실제 현장 하드웨어에 사용됩니다. 제조사가 Gorilla MK1 점검 로봇을 구동하는 영상을 공개했으며 아래에 삽입되어 있습니다. 정적 자세를 장시간 유지해야 하는 관절, 즉 족형 로봇의 다리나 외골격의 고관절에서 172 W 정격과 21 극쌍이 아닌 구조(이 모델은 8 극쌍)는 최대 출력보다 연속 열 특성에 중점을 둡니다.

RI100 KV105

이너 로터의 최상단인 RI100 KV105는 Ø104 × 26 mm, 500 g에서 252 W로 정격 1.76 Nm, 최대 4.95 Nm 토크, 정격 전류 13.6 A, 최대 전류 38.6 A를 냅니다. RI80 대비 최대 전류가 크게 증가한 것은 14 극쌍, 105 KV 권선이 드라이버에 요구하는 바이며, 설계가 이 크기로 올라갈 때 전력단을 변경해야 하는지를 결정하는 수치입니다.

RO60, RO80 and RO100 Standards

세 아우터 로터 Standard 모델은 모두 홀 센서를 갖춘 48 V 제품이며, 직경을 늘리는 대신 적층 길이를 줄입니다. RO60 KV115는 248 g에 352 W로 정격 0.8 Nm, 최대 2.4 Nm이고, RO80 KV105는 352 g에 490 W로 정격 1.3 Nm, 최대 4 Nm이며, RO100 KV55는 710 g, 113.5 mm 바디에서 838 W로 정격 4 Nm, 최대 12 Nm에 도달합니다. RO100이 이 제품군에서 가장 낮은 KV와 가장 많은 극 수를 조합한 것은 의도된 토크 우선 설계이며, 이는 앞서 인용한 밀도 수치에도 나타납니다. 아우터 로터 관절에서는 회전하는 벨이 하중을 지탱하므로, 벨의 관성과 밸런스가 제어 문제의 일부가 됩니다. 이너 로터에는 없는 고려 사항입니다.

프레임리스 모터의 적용 분야

ToBMS에서 이 키트들은 일관된 적용 분야 묶음으로 분류되어 있으며, 적용 분야에 따라 어떤 사양이 우선하는지가 결정됩니다.

로봇 관절 및 인간 상호작용 장치

관절 모듈, 협동로봇 팔, 재활 로봇, 휴머노이드 로봇 및 외골격(Exoskeletons)이 모두 이 카테고리에 포함되어 있습니다. 각각의 경우 관절은 모터에 맞춰 구성되는 것이 아니라 모터를 중심으로 구축되며, 매끄러움, 질량, 열 경로가 모터 자체의 외함 등급보다 중요합니다. 외함이 없기 때문입니다.

이동형 및 족형 플랫폼

4족 보행 로봇, 바퀴 로봇(Wheel Robots), AGV는 중력이나 구름 저항에 대항하는 연속 토크에 부하를 두며, 잦은 역전이 발생합니다. 이러한 역할에서 프레임리스 모터는 통상적으로 저감속비 감속기 뒤에 배치되므로, 앞서 설명한 백래시 논의가 그대로 적용됩니다.

선정 체크리스트

프레임리스 모터는 일찍 사양이 정해진 뒤 구조물의 일부가 되므로, 관절 형상이 확정되기 전에 다음 항목을 점검할 가치가 있습니다.

듀티와 토크

1. 지레 팔(lever arm)과 동적 효과를 포함하여 관절에 걸리는 최악 조건의 토크를 계산하고, 여유를 두고 최대 토크와 대조합니다. 그다음 충격 시 로터와 베어링 배치가 견딜 수 있는 수준은 제조사에 별도로 확인합니다.
2. 실제 듀티 사이클에 대한 연속 토크를 산출하고 최대 토크가 아니라 정격 토크와 비교합니다. 프레임리스 모터에서 이 값은 스테이터가 고정되는 하우징에 크게 좌우됩니다.
3. KV 값을 비교하기 전에 필요한 각속도를 선택한 버스 전압에서의 모터 rpm으로 환산합니다.

기계 구조와 통합

1. 로터 지지 방식을 결정합니다. 관절 샤프트에 압입할지 감속기와의 인터페이스를 구성할지 정하고, 런아웃과 축 방향 위치를 규정합니다.
2. 열 경로를 의도적으로 계획합니다. 고정 면, 계면 재료, 그리고 듀티가 높은 경우 하우징을 통한 방열을 포함합니다.
3. 관절에 확보 가능한 직경 및 적층 길이와 외형을 대조합니다. 토크가 같아도 아우터 로터 Standard와 이너 로터는 서로 바꿔 쓸 수 있는 형상이 아닙니다.
4. 로터 밸런스와 코깅이 관절에 선택한 피드백 분해능을 방해하지 않는지 확인합니다.
5. 관절에 케이블 통과용 중공 보어가 필요한 경우, 중공 출력을 만들 수 있다고 가정하기 전에 스테이터와 로터 쌍을 관통하는 보어를 확인합니다.

피드백과 드라이브

1. 모델에 홀 센서가 포함되어 있는지 확인합니다. RO40과 RO50 Lite 제품은 홀 센서 없이 등록되어 있으며, 그에 따른 드라이버 측 결정은 초기에 내려야 합니다.
2. 극쌍 수와 최고 속도를 드라이버의 정류율과 대조합니다.
3. 열 비교를 수행하기 전에 제품군 간 권선 저항 단위를 정규화하고, 기준 값은 제조사의 최신 데이터시트를 사용합니다.

자주 묻는 질문

공식 자료

CubeMars는 RI 및 RO 제품군을 포괄하는 완전한 기술 자료를 공개하고 있으며, 각 모델에는 완전한 사양, 기계 도면, 드라이버 문서를 갖춘 공식 제품 페이지가 있습니다. 예를 들어 프레임리스 토크 모터 제품군을 들 수 있습니다. 저항 및 인덕턴스 표기법, 열 정격, 현재 펌웨어에 대해서는 제조사가 계속해서 확실한 정보원입니다. ToBMS는 검색과 비교가 가능한 발견 계층을 유지합니다.

다음 단계

조사보다 후보 압축이 목적이라면 플랫폼의 세 가지 도구를 순서대로 사용하면 됩니다. 프레임리스 토크 모터 카테고리 전체를 살펴 모든 모델과 사양을 나란히 확인하고, 제품 선정에서 토크, 전압, 질량으로 후보를 필터링한 뒤, 제품 비교에서 서로 비교합니다. 관절이 감속기와 드라이버가 이미 조합된 밀폐 모듈로 도입되어야 하는 경우 로봇 액추에이터 카테고리가 자연스러운 다음 지점입니다.

요약하면, 관절 형상에서 외형을 선택하고, 버스 전압과 요구 속도에서 KV를 선택하고, 열적 한계 내에서 듀티 사이클에 맞춰 정격 토크를, 과도 조건에 맞춰 최대 토크를 산정하며, 홀 센서 또는 외부 엔코더라는 피드백 결정을 처음부터 시야에 두어야 합니다. 나머지는 이 네 가지에서 파생됩니다.