로봇 프레임리스 토크 모터: 외부 로터 대. 내부 로터 — 구조적 차이점 및 적용 시나리오

소개

인간형 로봇의 모든 민첩한 회전과 정확한 파악 뒤에는 조용히 일하는 '근육' 그룹이 있습니다. 프레임리스 토크 모터 . 이 모터는 기존 모터의 부피가 큰 하우징을 제거하고 고정자와 회전자만 핵심 구성 요소로 유지합니다. 베어 '원동기'처럼 로봇의 관절 구조에 직접 내장되어 어깨, 엉덩이, 무릎과 같은 주요 관절을 구동하는 중요한 작업을 초소형 및 초고 토크 밀도로 수행합니다.

그러나 프레임리스 토크 모터는 모든 경우에 적용되는 단일 솔루션이 아닙니다. 회전자와 고정자의 상대적인 위치에 따라  외부 회전자  와  내부 회전자 의 두 가지 주요 유형으로 나눌 수 있습니다  . 두 가지 모두 구조적으로 다르며 각각 고유한 성능 강점을 갖고 있으며 적용 시 명확한 업무 분업을 보여줍니다. Tesla Optimus의 회전 관절과 MIT Cheetah 4족 로봇의 고유 감각 액추에이터는 모두 이 두 구성 사이에서 신중한 선택을 합니다.

01 기본 이해: 프레임리스 토크 모터란 무엇입니까?

외부 로터와 내부 로터의 차이점을 이해하려면 먼저 프레임리스 토크 모터 자체에 대한 근본적인 이해가 필요합니다.

기존 모터는 완전한 패키지 장치입니다. 하우징, 엔드 캡, 베어링 및 샤프트(전원에 연결되면 회전할 수 있는 독립형 전원 모듈)가 함께 제공됩니다. 프레임리스 토크 모터는 이 개념을 완전히 뒤집습니다.  고정자와 회전자라는 두 개의 독립적인 구성 요소로만 구성되며 하우징도, 베어링도, 출력 샤프트도 없습니다.

이 미니멀한 디자인은 프레임 없는 토크 모터를 독립형 장치에서 기계 구조에 직접 통합할 수 있는 '파워 셀'로 변환합니다. 엔지니어는 고정자를 로봇의 조인트 하우징에 고정하고 회전자를 부하 샤프트에 직접 장착하여 모터에서 조인트로 동력을 '제로 전송 체인'으로 전달할 수 있습니다.

이 설계의 핵심 장점은 상당합니다. 공간 활용도를 획기적으로 높이고(30% 이상의 부피 감소) 변속기 백래시를 제거하며 95% 이상의 변속기 효율을 달성하고 조인트의 특정 치수 및 토크 요구 사항을 기반으로 높은 수준의 맞춤화가 가능합니다.

둘 다 고정자와 회전자의 조합이라는 점을 감안할 때 외부 회전자와 내부 회전자를 정확히 구별하는 것은 무엇입니까?

02 구조 해독: 로터가 '내부'와 '외부'가 다른 경우

외부 로터 모터와 내부 로터 모터의 근본적인 차이점은 한 문구로 요약할 수 있습니다.  로터와 고정자 사이의 공간적 관계는 완전히 반전됩니다..

내부  로터  구성은 보다 '전통적인' 설계 접근 방식을 나타냅니다. 내부 회전자 프레임리스 모터에서 회전자(영구 자석 포함)는 모터 중앙에 위치하며 고정자 권선은 회전자 외부를 둘러싸고 감싸줍니다. 로터는 출력 샤프트를 통해 부하에 연결되어 전체 구조가 가늘고 길다. 이 구성은 엔지니어가 깊은 설계 경험을 보유하고 있는 일반적인 산업용 모터의 계보를 따릅니다.

외부  로터  구성은 '인사이드 아웃' 디자인입니다. 외부 로터 프레임리스 모터에서는 고정자 권선이 중앙 베이스에 고정되어 있으며, 속이 빈 컵 모양의 쉘과 유사한 로터가 외부에서 고정자 전체를 감싸고 있습니다. 로터 쉘 자체는 회전 부품으로, 장비 부하에 직접 연결되므로 전체 구조가 더 평평해집니다.

간단히 말해서, 내부 회전자 모터를 가져와서 '안팎으로' 돌리면 원래 외부 고정자를 안쪽으로 이동하고 원래 내부 회전자를 바깥쪽으로 뒤집으면 외부 회전자 모터가 생성됩니다. 이러한 구조적 반전은 성능에서 응용까지 모든 면에서 포괄적인 차이로 이어집니다.

03 성능 대결: 6차원 비교

구조적 '반전'은 외부 로터 모터와 내부 로터 모터의 완전히 다른 성능 특성을 직접적으로 결정합니다. 다음은 6가지 핵심 차원에 대한 자세한 비교입니다.

1. 토크 출력: 아우터 로터의 '엄청난 힘'

토크 성능은 외부 회전자 모터의 가장 두드러진 성능 라벨입니다. 동일한 볼륨과 전류를 고려할 때 외부 로터 프레임리스 모터는 내부 로터보다 30%-50% 더 높은 토크 출력을 제공합니다. 이유는 간단합니다. 토크 = 힘 × 레버 암입니다. 외부 로터는 회전 반경이 더 크고 레버 암이 길어서 동일한 전자기력에 대해 자연스럽게 더 큰 토크를 생성합니다. 이러한 장점은 저속, 고부하 시나리오에서 특히 두드러집니다.

2. 속도 및 동적 반응: 내부 로터의 '빠른 단계'

내부 회전자 모터의 회전자는 중앙에 위치하므로 회전 관성이 낮습니다. 이를 통해 시작, 정지, 가속 시 더욱 민첩해지며 보다 빠른 동적 반응이 가능해집니다. 또한 내부 회전자 모터는 일반적으로 극 쌍 수가 적고 속도가 높기 때문에 고속 작동과 빈번한 시작 및 정지가 필요한 응용 분야에 적합합니다. 로터의 질량이 크고 관성이 높기 때문에 외부 로터 모터는 동적 응답이 상대적으로 느리지만 속도 변동이 적고 더욱 부드럽게 작동합니다.

3. 열 방출: 외부 로터의 '내장 라디에이터'

외부 로터 모터의 로터 쉘은 공기와 직접 접촉하여 넓은 열 방출 영역을 제공합니다. 열을 외부 환경으로 빠르게 방출할 수 있어 장시간, 고출력 작동에 적합합니다. 내부 회전자 모터에서 고정자 권선은 외부 회전자로 둘러싸여 있어 열을 내부에 가두어 방산을 어렵게 만듭니다. 이를 위해서는 열 관리를 위해 모터 베이스나 추가적인 열 전도성 구조에 의존해야 합니다. 이러한 차이는 지속적인 고부하 조건에서 더욱 중요해집니다.

4. 제어 정밀도: 각각의 장점이 있습니다.

위치 정확도와 관련하여 두 가지 모두 흥미로운 보완성을 제공합니다. 빠른 동적 응답을 갖춘 내부 로터 모터는 높은 위치 응답 속도가 요구되는 애플리케이션에 더 적합합니다. 부드러운 작동과 낮은 토크 리플을 갖춘 외부 로터 모터는 엄격한 위치 정확도와 모션 부드러움이 요구되는 시나리오에 더 적합합니다.

5. 구조적 복잡성 및 설치 난이도

외부 회전자의 쉘은 자속 전도, 열 방출, 영구 자석 베어링 등 여러 기능을 동시에 수행해야 합니다. 이로 인해 재료 및 제조 공정에 대한 수요가 높아져 상대적으로 비용이 높아집니다. 또한 설치에는 고정자와 회전자 사이의 공극 균일성과 동축성을 정밀하게 제어해야 하므로 내부 회전자 모터보다 더 까다롭습니다. 내부 로터 모터는 상대적으로 구조가 간단하고 비용이 저렴하며 현재 휴머노이드 로봇 분야에서 주류로 선택되고 있습니다.

6. 공간 활용 및 통합 방법

내부 로터 모터는 콤팩트하고 길쭉한 구조로 되어 있어 좁은 관절 공간에 장착하기에 적합합니다. 외부 회전자 모터는 평평한 팬케이크 모양의 구조로 되어 있어 로드 롤러나 플랜지에 직접 연결하기가 쉽고 허브 드라이브 및 권선 장비와 같은 응용 분야에서 고유한 이점을 제공합니다.

직관적인 비교를 위해 아래 요약표를 보면 한눈에 알 수 있습니다.

 

04 응용 매핑: 로봇 관절의 역할 분할

성능 차이가 '하드 파워'라면 애플리케이션 시나리오의 구분은 이러한 차이를 실제에 생생하게 투영합니다. 로봇 공학에서 내부 및 외부 로터 모터는 각각 고유한 역할을 수행합니다.

내부 로터: 민첩한 모션을 위한 '주력'

휴머노이드 로봇에서 관성이 낮고 응답이 빠른 내부 로터 프레임리스 토크 모터는 허리와 어깨와 같이 빈번한 시작, 중지 및 빠른 자세 조정이 필요한 관절에 선호되는 선택입니다. 현재 차지합니다. 휴머노이드 로봇에서 프레임리스 토크 모터 선택의 70% 이상을 .

Tesla Optimus의 로터리 조인트는 고조파 감속기 및 토크 센서와 결합된 내부 로터 프레임리스 토크 모터를 광범위하게 사용하여 어깨 및 엉덩이와 같은 큰 관절에 폭발적인 힘과 정밀도를 결합한 출력을 제공합니다. 4족 로봇 영역에서 원래 MIT 치타(Cheetah)도 고유 감각 액추에이터 설계를 위해 내부 로터 구성을 선택했습니다.

외부 로터: 내하중 및 충격 저항을 위한 '강력한'

외부 로터 모터의 높은 토크와 탁월한 부드러움으로 인해 고부하 조인트에서는 대체할 수 없습니다. 국내 기업은 외부 로터 프레임리스 모터로 산업적 혁신을 달성하여 285Nm의 최대 출력 토크를 달성했습니다(비교를 위해 주류 내부 로터 모델의 피크는 50-150Nm). 이 모터는 정격 토크의 5배에 달하는 충격 저항 테스트를 통과하여 점프 및 하중 지지와 같은 고강도 동작을 조용하게 처리할 수 있습니다.

산업용 로봇 분야에서는 높은 토크와 정밀도가 요구되는 허리, 손목 관절 부위에 아우터 로터 모터가 널리 사용되고 있다. 4족 로봇 중 MIT 치타 미니는 외부 로터 구성을 채택해 평면 구조와 높은 토크의 장점을 최대한 활용해 콤팩트한 관절 설계를 구현했다.

크로스오버 애플리케이션: 로봇공학에서 더 넓은 세계로

이 두 가지 모터 유형의 적용 환경은 로봇 관절을 훨씬 뛰어넘습니다. 아우터 로터 모터는 평평한 구조와 높은 토크 특성을 바탕으로 허브 드라이브(전기자전거, 전기스쿠터), 의료영상장비(CT스캐너 회전부품), 정밀 짐벌 등에 탁월한 성능을 발휘합니다. 내부 로터 모터는 고속 응답의 장점을 활용하여 고속 스핀들(CNC 기계, 조각 기계), 드론 추진 시스템 및 다양한 소형 서보 시스템에 널리 사용됩니다. 협동 로봇과 외골격에는 둘 다 고유한 장점이 있습니다. 외골격 시나리오는 통합 유성 기어박스가 있는 외부 로터 모터를 사용하는 경향이 있는 반면 협동 로봇은 대부분 고조파 감속기와 통합된 프레임 없는 토크 모터를 채택합니다.

05 기술동향 및 시장전망

프레임리스 토크 모터는 급속한 발전의 황금기에 있습니다. QYResearch에 따르면, 프레임리스 토크 모터의 글로벌 매출은 2025년에 54억 6100만 위안(약 8억 300만 달러)에 달했고, 약 8.4%의 복합 연간 성장률로 2032년까지 96억 3000만 위안(약 14억 1600만 달러)으로 성장할 것으로 예상됩니다.

이러한 성장의 핵심 동인은 휴머노이드 로봇 산업의 폭발적인 성장이다. 한 연구에 따르면 2030년까지 휴머노이드 로봇 모터의 글로벌 시장 공간은 917억6천만 위안에 달할 수 있으며, 휴머노이드 로봇용 프레임리스 토크 모터 부문만 23억9천700만 달러에 달할 것으로 예측됩니다.

기술 진화 측면에서 외부 로터와 내부 로터는 별도의 개발 경로에 있습니다. 내부 로터 모터는 더 높은 전력 밀도와 더 낮은 코깅 토크를 위해 계속 최적화되어 인간형 로봇 관절에서 주류 위치를 통합합니다. 외부 로터 모터는 더 높은 토크 출력과 더 나은 열 설계를 향해 나아가고 있습니다. 한편, 제조 공정이 성숙해짐에 따라 비용은 점차 감소하고 있으며, 보다 견고한 조인트 및 산업 시나리오에서 기존 솔루션을 대체할 것으로 예상됩니다.

06 요약 및 선정 권고사항

외부 로터와 내부 로터 프레임리스 토크 모터 사이에는 절대적인 우월성이 없습니다. 핵심은  '관절에 맞게 모터를 조정'하는 것입니다.  다음 선택 원칙을 참고할 수 있습니다.

• 부하 고려:  고부하, 저속, 고토크 관절(예: 엉덩이 및 무릎)의 경우 외부 로터 모터를 우선시합니다. 경부하, 고속, 빈번한 시작/정지 관절(예: 어깨 및 손목)의 경우 내부 로터 모터가 더 적합합니다.

•  공간 고려:  축방향 공간은 충분하지만 반경방향 공간은 좁은 가느다란 조인트의 경우 내부 로터 모터가 잘 맞습니다. 평면 설계가 필요한 상대적으로 느슨한 방사형 공간이 있는 시나리오의 경우 외부 회전자 모터가 분명한 이점을 갖습니다.

• 냉각 조건 고려:  냉각이 자연 대류에 의존하는 장기간의 고부하 작동의 경우 외부 회전자 모터가 더 안정적입니다.

• 비용 및 설치 고려:  예산이 제한되어 있거나 신속한 통합이 필요한 경우 내부 회전자 모터가 보다 실용적인 선택입니다. 토크 부드러움과 충격 저항이 극도로 요구되는 응용 분야의 경우 외부 회전자 모터는 투자할 가치가 있습니다.

• 정밀 요구 사항 고려:  빠른 위치 결정 응답을 위해 내부 로터 모터를 선택합니다. 동작의 부드러움과 위치 정확도를 위해 외부 로터 모터를 선택하십시오.

휴머노이드 로봇이 실험실에서 대량 생산으로 이동함에 따라 프레임리스 토크 모터의 기술 반복과 산업화가 가속화되고 있습니다. 외부 로터와 내부 로터의 핵심 차이점을 이해하면 엔지니어가 복잡한 선택 결정에서 최적의 솔루션을 찾는 데 도움이 됩니다. 마치 서로 다른 위치의 조인트에 적합한 '근육'을 선택하는 것과 같습니다. 각각은 힘을 행사하는 가장 적합한 방법을 가지고 있습니다.