로봇 프레임리스 토크 모터의 주요 매개변수에 대한 자세한 설명: 토크 밀도, 토크 리플 및 모터 상수를 평가하는 방법

이 세 가지 매개변수가 중요한 이유

휴머노이드 로봇과 협업 로봇은 실험실에서 생산 라인으로 빠르게 이동하고 있습니다. 관절 작동의 핵심 구성 요소인 모터의 올바른 선택은 로봇의 부하 용량, 모션 정밀도 및 내구성을 직접적으로 결정합니다. 다양한 모터 유형 중에서 프레임리스 토크 모터는  컴팩트한 구조와 조인트 모듈에 직접 내장될 수 있는 능력으로 인해 주류 선택이 되었습니다. Tesla Optimus의 28개 조인트 액추에이터는 모두 프레임리스 토크 모터를 핵심 구동 장치로 사용합니다.

그러나 다양한 제품 데이터시트를 볼 때 '정격 전력' 또는 '정격 속도'와 같은 기존 사양만 보는 것만으로는 충분하지 않습니다. 프레임리스 토크 모터가 로봇 관절 작동 조건을 처리할 수 있는지 여부를 결정하는 세 가지 심층 매개변수는  토크 밀도, 토크 리플 및 모터 상수(Km) 입니다  . 그들은 '충분히 강한가?', '충분히 안정적인가?', '성능을 유지할 수 있는가?'라는 세 가지 핵심 질문에 답합니다. 이 기사에서는 엔지니어와 기술 애호가가 데이터시트 번호 뒤에 숨은 진정한 의미를 이해할 수 있도록 각 매개변수를 분석합니다.

I. 첫째, 이해: 프레임리스 토크 모터란 무엇입니까?

매개변수를 이해하려면 먼저 이 '주요 구성요소'가 어떻게 생겼는지 알아야 합니다.

프레임리스 토크 모터는 '하우징이 벗겨진' 모터입니다.  고정자와 회전자의 두 가지 핵심 전자기 구성 요소로만 구성됩니다 . 하우징도 없고 베어링도 없고 출력 샤프트도 없습니다. 즉, 기존 모터처럼 독립적으로 작동할 수 없습니다. 대신 로봇의 관절 구조에 직접 내장되어야 합니다. 고정자는 관절 하우징에 고정되고 회전자는 부하 샤프트에 직접 연결됩니다.

이 '프레임 없는' 설계는 세 가지 주요 이점을 제공합니다. 즉,  단위 부피당 토크 밀도가 기존 모터보다 약 30% 더 높고, 구동계의 백래시가 제거되어 약 50% 더 높은 강성이 있으며, 중공 구조가 내부 로봇 배선 요구 사항을 수용합니다.  이러한 이유로 협동 및 휴머노이드 로봇 관절 모듈의 핵심 전력 구성 요소가 되었습니다.

II. 토크 밀도 – 모터의 '강력한' 정도

토크 밀도란 무엇입니까?

토크 밀도는 간단히 말해서 모터가 단위 부피 또는 단위 중량당 얼마나 많은 토크를 출력할 수 있는지를 나타냅니다. 이는 일반적으로 체적 토크 밀도(Nm/L)와 중량 토크 밀도(Nm/kg)의 두 가지 방식으로 표현됩니다.

로봇 관절 공간은 극히 제한되어 있습니다. 더 높은 토크를 얻기 위해 모터 직경을 끝없이 늘릴 수는 없습니다. 그러면 조인트가 커지고 통합이 어려워집니다. 따라서 토크 밀도는 본질적으로 전자기 설계의 '콤팩트함'을 측정합니다. 즉, 주어진 공간에서 더 강한 자기장과 더 높은 전류 효율을 가진 모터는 더 많은 토크를 출력할 수 있습니다.

이 매개변수를 평가하는 방법은 무엇입니까?

모터를 선택할 때  최악의 작동 조건에서 최대 토크 요구량을 기준으로 결정하고 10%-20%의 안전 여유를 확보해야 합니다.  휴머노이드 로봇 관절의 경우 최대 토크 요구량은 정격 토크의 5~10배에 이를 수 있습니다. 예를 들어, 한쪽 다리가 전체 체중을 지탱하는 보행 주기 동안 고관절 모터는 일정한 속도로 걷는 데 필요한 토크의 몇 배를 순간적으로 출력해야 합니다.

또한 토크 밀도는 냉각 조건과 밀접한 관련이 있습니다. 프레임리스 모터는 열 방출을 위해 내장된 기계적 구조에 의존하기 때문에 밀봉된 조인트 내부에서 실제로 지속적으로 사용할 수 있는 토크는 명판 값의 50%-70%에 불과할 수 있습니다. 따라서 토크 밀도 사양을 평가할 때는 제품 데이터시트에 제공된 경감 곡선을 반드시 참조하십시오.

현재 중국에서 국산 모터의 토크 밀도 수준이 빠르게 개선되고 있다. 예를 들어, 한 회사의 U 시리즈 프레임리스 토크 모터는 16~200mm의 외경과 0.01~65Nm의 정격 토크를 지원하여 마이크로 조인트부터 고강도 조인트까지 다양한 요구 사항을 충족합니다.

III. 토크 리플 – 모터의 '안정성' 정도

토크 리플이란 무엇입니까?

모터에 이상적인 정전류를 공급하더라도 출력 토크는 완벽하게 부드러운 직선이 아닙니다. 작은 주기적인 변동이 있습니다. 이는  토크 리플 이며 일반적으로 정격 토크에 대한 리플 진폭의 백분율로 표시됩니다.

토크 리플의 두 가지 주요 원인은 다음과 같습니다.

• 코깅 토크:  고정자 톱니/슬롯과 회전자 영구 자석 사이의 자기 인력 변화로 인해 발생하는 변동입니다. 이는 토크 리플의 주요 원인이자 영구자석 모터의 고유한 특성입니다.

• 고조파 토크:  정현파 패턴을 따르지 않는 권선 분포 및 자기 회로 포화와 같은 요인으로 인해 발생하는 전자기 고조파 구성 요소입니다.

로봇 응용 분야의 경우 토크 리플의 실제 영향이 중요합니다. 과도한 토크 리플은 저속 관절 작동 중 지터 및 불연속성으로 나타나는 '코깅'을 유발하여 정밀 조립 및 의료 수술과 같은 응용 분야의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

이 매개변수를 평가하는 방법은 무엇입니까?

업계 최고의 수준에서는 일반적으로  1% 미만의 토크 리플이 필요합니다.  손재주가 있는 정밀 작업의 경우 토크 리플을 2% 이내로 제어해야 할 수도 있습니다.

토크 리플을 줄이는 것은 모터 설계의 핵심 과제 중 하나입니다. 일반적인 엔지니어링 방법에는 폴-슬롯 조합 최적화, 기울어진 슬롯 또는 기울어진 폴 사용, 영구 자석 폭 및 아크 계수 조정, 톱니 끝에 보조 슬롯 추가 등이 포함됩니다. 그러나 코깅 토크 감소와 출력 토크 증가 사이에는 상충 관계가 있는 경우가 많습니다. 코깅 토크를 억제하는 일부 설계(예: 에어 갭 길이 ​​증가)는 출력 토크를 감소시킬 수 있습니다. 또한 매우 엄격한 토크 리플 요구 사항이 있는 응용 분야의 경우 제조업체는  슬롯리스(에어 코어) 프레임리스 토크 모터를 제공할 수 있습니다.일부 전력 밀도를 희생하면서 코깅 토크를 완전히 제거하는

따라서 토크 리플 사양을 평가할 때는 '낮을수록 좋다'가 아니라 '작동 원활성'과 '토크 출력 성능' 사이의 최적의 균형을 찾는 것이 중요합니다.

IV. 모터 상수 Km – 모터가 '성능을 유지할 수' 있는지 여부

모터 상수 Km은 무엇입니까?

모터 상수 Km은 아마도 세 매개변수 중 '가장 익숙하지 않은' 것이지만 '가장 실용적인' 것일 것입니다. 많은 제품 데이터시트에서는 이 값을 직접 제공하지도 않지만 모터 선택에서 이 값의 중요성은 토크 및 속도 못지않게 중요합니다.

Km의 정의는 다음과 같습니다.

Km = Kt / √R

여기서 Kt는 토크 상수(단위 전류당 생성된 토크)이고 R은 권선 저항입니다. 물리적인 의미는 다음과 같습니다.  1W의 저항 손실 전력을 소산하는 조건에서 모터는 얼마나 많은 토크를 출력할 수 있습니까?  단위는 Nm/√W입니다.

이 정의가 왜 중요한가요? 모터가 작동하면 권선 저항에 의해 열이 발생하기 때문입니다. 축적된 열은 온도를 상승시켜 궁극적으로 모터의 연속 작동 능력을 제한합니다. Km 값이 높을수록 동일한 양의 열 발생(동일한 저항 전력 소비)에 대해 모터가 더 많은 토크를 출력할 수 있음을 의미합니다. 즉,  Km은 열 제약 하에서 모터의 실제 토크 출력 성능을 측정합니다.

비유하자면, 토크 밀도가 모터의 '폭발력'을 측정한다면 Km은 모터의 '내구성'을 측정하는 것입니다. 모터는 매우 높은 피크 토크를 가질 수 있지만 권선 저항도 높은 경우(가는 와이어, 여러 회전) 지속적인 고전류 작동 중에 빠르게 가열되어 연속 출력 성능이 제한됩니다. 이 경우 Km 값은 높지 않은 경우가 많습니다.

이 매개변수를 평가하는 방법은 무엇입니까?

다양한 제조업체나 다양한 모델의 모터를 비교할 때 Km은 단순히 '정격 출력' 또는 '피크 토크'를 보는 것보다 더 공정한 측정 기준입니다. 이유:

• 같은 부피의 모터 두 개는 비슷한 피크 토크를 가질 수 있지만, 하나의 Km 값이 현저히 높을 경우 장기간 운전 중에도 보다 안정적인 성능을 유지할 수 있고 발열로 인한 출력 감소 가능성이 낮다는 의미입니다.

• Km은 토크 출력 기능과 열 손실을 결합하여 지속적인 로봇 작동 시 모터 성능에 대한 보다 현실적인 평가를 제공합니다.

실제 선택에서는 다음과 같이 진행할 수 있습니다.

1. 필요한 최소 Km을 계산합니다.  부하 토크 T와 허용 저항 손실 P가 주어지면 Km_min = T / √P입니다. 이 최소값보다 큰 Km 값을 가진 후보 모터를 선택합니다.

2. 테스트 온도에 주의하세요.  Km 및 Kt의 교정 온도는 일반적으로 20°C~40°C입니다. 제조업체에 따라 온도가 다를 수 있습니다. 온도가 높을수록 Kt 값은 낮아집니다. 교차 비교를 할 때 교정 조건이 일관된지 확인하십시오.

3. 사전에 데이터 요청:  앞서 언급했듯이 많은 데이터시트는 Km 값을 직접 제공하지 않습니다. 선택 과정에서 이 매개변수를 공급업체에 적극적으로 문의하는 것이 좋습니다.

V. 세 가지 매개변수의 관계 및 협력적 고려

토크 밀도, 토크 리플 및 모터 상수 Km은 독립된 지표가 아닙니다. 그들은 본질적인 관계와 디자인 상충관계를 가지고 있습니다.

모터가 토크 밀도를 개선하려고 하면(예: 공극 자속 밀도 향상) 토크 리플이 증가할 수 있습니다. 반대로, 낮은 토크 리플을 과도하게 추구하는 경우(예: 슬롯리스 구조 사용) 토크 밀도가 감소할 수 있습니다. 따라서 좋은 프레임리스 토크 모터 설계는  최적의 균형점을 찾습니다. 이 세 가지 매개변수 중에서

결론: 선택은 숫자 게임이 아닙니다

엔지니어의 일상적인 작업 시나리오로 돌아가서 구성 요소를 선택할 때 '매개변수가 클수록 좋다'는 사고방식에 빠지기 쉽습니다. 그러나 진정으로 성숙한 선택 전략은 기반으로 장단점을 결정합니다 . 실제 작동 조건을  로봇 관절의

• 튼튼한 하지 관절?  토크 밀도를 우선시하십시오 . 부하 용량과 과부하 여유를 보장하려면

• 정밀한 손재주인가 아니면 수술용 로봇인가?  토크 리플을 우선시합니다 . 저속 부드러움을 보장하기 위해

• 장기간 연속적으로 작동하는 산업용 로봇?  Km 값을 우선시하세요 . 열 안정성과 장기적인 신뢰성을 보장하려면

2026년 휴머노이드 로봇 산업이 대량 생산 규모 확대의 중요한 단계에 진입함에 따라 중국에서 국내에서 제조된 프레임리스 토크 모터는 토크 밀도 및 토크 리플과 같은 주요 매개변수에서 국제 수준을 빠르게 따라잡고 있으며 가격은 비교 가능한 해외 제품의 50%-70%에 불과합니다. 엔지니어의 경우 매개변수를 이해하고 데이터시트 번호 뒤에 숨겨진 물리적 의미를 파악하는 것이 '작동'에서 '잘 작동'으로 가는 핵심 단계입니다.