휴머노이드 로봇 공학의 급증하는 물결 속에서 프레임 없는 토크 모터는 작은 크기, 높은 전력 밀도 및 저속에서 높은 토크 덕분에 관절 작동을 위한 핵심 선택이 되었습니다. 기존 모터와 달리 프레임리스 토크 모터는 하우징, 베어링, 베이스가 필요 없으며 고정자와 회전자만 두 가지 주요 구성 요소로 유지하므로 전체 시스템에 직접 내장할 수 있습니다. 그러나 이 '하우스리스' 설계는 높은 통합을 위한 뛰어난 유연성을 제공하는 동시에 휴머노이드 로봇의 대규모 상용화를 제한하는 중요한 병목 현상인 열 방출, 통합 및 비용이라는 세 가지 주요 문제점을 발생시킵니다.
문제점 1: 열 방출 – 고온은 모터의 '보이지 않는 킬러'입니다.
발열 문제는 프레임리스 토크 모터는 고유한 구조적 특성에서 비롯됩니다. 독립된 하우징과 팬이 없기 때문에 모터에서 발생하는 열은 기존 모터처럼 하우징 기반 공기 냉각을 통해 빠르게 방출될 수 없습니다. 로봇이 지속적으로 작동하면 모터에서 상당한 열이 발생합니다. 고온에 장기간 노출되면 권선 절연의 노화가 가속화되고 베어링 윤활 성능이 저하되며 모터 결함이 자주 발생하고 작동 안정성이 심각하게 저하됩니다.
더욱 심각한 것은 폭발적인 열 시나리오입니다. 로봇이 높은 동적 모션 명령을 실행하면 순간 전류가 급증하고 냉각 시스템이 열을 충분히 신속하게 제거하지 못해 내부 온도가 급등하는 경우가 많습니다. 온도가 모터의 열 한계를 초과하면 권선 단락, 절연 손상, 심지어 모터 소진 및 로봇 제어 상실이 쉽게 발생할 수 있습니다. 학계 연구에서도 줄 열과 와전류 효과로 인한 온도 상승이 프레임리스 토크 모터 적용 시 주요 과제임을 지적했습니다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 업계에서는 재료와 프로세스라는 두 가지 측면에서 획기적인 발전을 이루고 있습니다. 자기 회로 최적화는 자기장 설계를 개선하고 고급 네오디뮴-철-붕소(NdFeB) 재료와 저손실 자기 전도체를 사용하여 소스에서 열 발생을 줄이며, 히스테리시스 손실, 와전류 손실 및 구리 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 자기 회로 최적화를 통해 전체 손실은 20% 감소하고 동일한 입력 전류에서 토크는 10% 증가합니다. 포팅 기술은 방열 경로에 획기적인 발전을 가져왔습니다. 진공 포팅은 초고열 전도성 포팅 컴파운드로 모터 내부 틈을 채워 열원의 열을 외부 냉각 구조로 효율적으로 전달합니다. 또한 열 전도성 매체를 통해 고정자 권선을 조인트의 금속 하우징에 직접 '납땜'하고 하우징 핀 또는 내장된 액체 냉각 채널을 사용하여 열을 방출하는 것도 연속 출력 성능을 향상시키는 효과적인 수단이 되었습니다.
문제점 2: 통합 – '작은 공간 최대한 활용하기'
프레임리스 토크 모터의 '하우스리스' 설계는 원래 높은 통합을 가능하게 하기 위해 고안되었지만 통합 자체가 새로운 과제가 되었습니다. 로봇의 관절 공간은 매우 제한되어 있어 매우 작은 부피 내에서 높은 토크 밀도 출력이 필요하며 고조파 감속기, 브레이크, 센서, 드라이버 및 기타 여러 구성 요소도 수용합니다.
통합 문제는 케이블링 에서 가장 먼저 드러납니다 . 조인트의 비좁은 내부 공간으로 인해 기존 솔리드 샤프트 모터에서는 케이블을 내부적으로 라우팅하는 것이 불가능합니다. 케이블을 외부로 배선해야 하므로 공간을 차지하고 미적 측면과 신뢰성이 저하됩니다. 이 문제를 해결하기 위해 업계에서는 대형 중공 샤프트 설계를 도입했습니다.전원 케이블, 신호 라인, 심지어 유체 파이프까지 모터 내부를 통과할 수 있도록 모터 중앙에 관통 구멍을 확보하는
또 다른 과제는 조립 정밀도 입니다 . 프레임 없는 모터에는 위치 지정 기준이 되는 하우징이 없기 때문에 고정자와 회전자는 로봇 구조에 직접 내장되어야 하며 조립 동심도 및 동축도에 미크론 수준의 요구 사항이 적용됩니다. 전통적인 '눈 + 손' 조립 방식은 더 이상 충분하지 않습니다. 또한 축방향 자속 모터와 같은 신기술은 더 높은 전력 밀도를 제공하지만 로봇 플랫폼에서의 시스템 통합 성숙도는 여전히 부족하며 업계 공급망 역량은 여전히 강화되어야 합니다.
업계에서는 통해 통합 장벽을 낮추고 있습니다 표준화 와 모듈화를 . 표준화된 기계 인터페이스와 플러그 앤 플레이 드라이브 모듈은 고객이 통합 복잡성을 줄이는 데 도움이 됩니다. 동시에 모터, 감속기, 센서 및 기타 구성요소를 사전 조립하는 통합 조인트 모듈을 통해 로봇 제조업체는 사내에서 조립하는 대신 완전한 모듈을 구매할 수 있습니다.
문제점 3: 비용 – 고성능의 '비싼 가격'
비용은 프레임리스 토크 모터의 광범위한 채택을 가로막는 가장 실질적인 장애물입니다. 현재 단일 프레임리스 토크 모터 비용은 RMB 2,000 이상이며 전체 로봇 비용의 15%를 차지합니다. 휴머노이드 로봇에는 약 30개의 관절이 있으며, 드라이버와 보조 구성 요소를 제외하면 모터 비용만 RMB 60,000를 초과합니다.
높은 비용은 여러 요인에서 비롯됩니다. 재료비 — 고성능 NdFeB 영구 자석은 모터의 핵심이며, 희토류 조성 및 입자 경계 확산 과정이 토크 밀도를 직접적으로 결정하지만 희토류 공급망의 변동으로 인해 가격이 높게 유지되는 경우가 많습니다. 제조 공정 - 프레임리스 모터의 권선, 포팅 및 조립 단계에는 극도로 높은 정밀도가 필요하며, 기존 생산 방법은 수작업에 크게 의존하여 주기 시간이 일관되지 않고 수율 변동이 발생하여 단가가 더욱 상승합니다.
비용 절감 경로는 여러 방향에서 동시에 추구되고 있습니다. 공정 개선은 가장 직접적인 경로입니다. 로터 제조 공정을 최적화하고 큰 비율의 중공축 설계를 채택하여 비용을 효과적으로 절감했습니다. 제품은 부피가 30% 감소하고 토크가 20% 증가하여 국제 브랜드와 동등한 성능을 보였습니다. 자동화된 생산 라인은 규모에 따른 비용 절감의 핵심입니다. 완전 자동 지능형 라인은 98.6%의 수율로 '분당 모터 1개'의 출력을 달성하여 기존 수동 방식의 효율성 병목 현상을 완전히 제거합니다. 고정밀 자동화 장비와 지능형 검사 시스템은 모든 모터에 대해 일관된 성능 매개변수를 보장합니다. 소재 혁신 도 진행되고 있습니다. 중희토류 환원 기술을 통해 희토류 자성 소재의 비용 점유율을 18%로 낮췄습니다. 통합 다이캐스팅 공정으로 생산 비용이 18% 절감되었습니다.
결론
프레임리스 토크 모터의 실험실에서 대량 생산에 이르기까지 열 방출, 통합 및 비용은 세 가지 체크포인트를 구성합니다. 소실은 신뢰성에 영향을 미치고, 통합은 타당성을 결정하며, 비용은 상업적 실행 가능성에 영향을 미칩니다. 이 둘은 서로 얽혀 있으며 하나의 링크에 약점이 있으면 전체 프로세스가 저하됩니다. 다행스럽게도 업계에서는 자기 회로 최적화, 포팅 공정, 중공축 설계, 자동화된 생산 라인을 비롯한 다양한 차원에서 이러한 과제를 체계적으로 해결하고 있습니다. 앞으로는 내장형 마이크로 채널 냉각, 비정질 합금 코어 등 신소재 적용과 대규모 생산이 계속 진행됨에 따라 프레임리스 토크 모터가 진정한 휴머노이드 로봇을 모든 가정에 구현하는 '신뢰할 수 있는 코어'가 될 것으로 기대됩니다.
