Technical Support

1. 기술 원리와 구조적 혁신

프레임리스 토크 모터는 기존 모터의 케이싱, 베어링 및 기타 구성 요소를 폐기하고, 핵심 로터(영구 자석 조립체)와 스테이터(구리 권선 및 강판)만 유지하고 이를 기계 구조에 직접 내장하여 전력 출력을 달성합니다. 디자인 특징은 다음과 같습니다.

높은 전력 밀도: 프레임리스 구조는 중복되는 구성 요소를 줄이고, 부피를 30-50% 줄이며, 토크 밀도를 15-20% 증가시킵니다.

낮은 관성 반응: 로터의 관성이 낮고 반응 시간이 짧아 로봇 관절의 순간적인 폭발력 요구 사항(예: 점프 및 달리기)을 지원할 수 있습니다.

맞춤형 호환성: 모듈형 설계를 지원하고 다양한 관절 크기에 적응합니다(예: Tesla Optimus는 프레임 없는 모터 구동 관절 28개를 사용함).

기술적 어려움은 자기 회로 최적화와 방열 설계에 있습니다. 예를 들어, 독일의 TQ Robodrive는 20극 18슬롯 자기 회로 레이아웃을 채택하고 에폭시 포팅을 통해 방열 효율을 향상시켰습니다. 미국의 콜모겐은 토크 맥동을 줄이고 원활한 작동을 보장하기 위해 12극 39슬롯 설계를 사용합니다.

2. 응용 시나리오: 산업에서 생체공학까지 포괄적 침투

프레임리스 토크 모터의 핵심 적용 분야는 기존 산업용 로봇에서 인간형 로봇, 의료 장비 등 고정밀 분야로 확장되었습니다.

인간형 로봇 관절:

테슬라 옵티머스의 28개 조인트 중 프레임리스 모터는 회전과 선형 구동을 담당하며, 각 유닛 가치의 약 15.4%를 차지합니다.

Wolong Electric Drive의 조인트 모듈은 AI 기술과 결합되어 인간의 동작 특성을 시뮬레이션하고 복잡한 환경에서의 검사 및 구조 작업에 적응합니다.

협동 로봇: 협동 로봇 하나당 프레임리스 모터 6~7개가 필요하며, 컴팩트한 디자인(최소 직경 25mm)으로 매우 유연한 작업이 가능합니다.

의료 및 정밀 제조:

수술 로봇의 경우 모터 정확도가 마이크로미터 수준에 도달하여 최소 침습 수술을 지원할 수 있습니다.

공작기계 분야에서 직접 구동 기술은 기계적 전달 오류를 제거하고 가공 반복성을 향상시킵니다.

3. 제조 공정: 정밀 가공 및 국산화 혁신

프레임리스 토크 모터의 제조에는 고정밀 기계 가공과 전자기 설계가 필요합니다. 핵심 링크는 다음과 같습니다.

재료 및 장비:

와인딩 및 포팅 공정:

Buke의 3세대 제품은 분할 꽃잎 와인딩 디자인과 프레임리스 포팅 기술을 채택하여 방열 효율과 구조적 안정성을 향상시켰습니다.

Leadshine Intelligent의 FM1 시리즈는 권선 슬롯 채움 속도를 최적화하여 동급 제품보다 토크 밀도가 15% 더 높습니다.

현지화 진행 상황:

Buke의 주식은 국내 시장 점유율의 약 50%를 차지하고 있으며, 제품의 외경은 52mm~132mm에 이르러 다양한 시나리오의 요구에 적응할 수 있습니다.

레이사이 인텔리전트는 2024년에 시험 생산 단계에 들어갈 25mm 마이크로 모터를 출시했습니다. 대상 고객에는 여러 휴머노이드 로봇 회사가 포함됩니다.

4. 경쟁 구도: 외국자본 주도 하 국내 대체 기회

외국 브랜드: 콜모겐(미국), TQ 로보드라이브(독일) 등이 하이엔드 시장을 점유하고 있으며, 이들 브랜드의 기술적 장점은 자기 회로 시뮬레이션과 공정 안정성에 있습니다.

국내 제조업체:

(주)부케 : 3세대 제품의 성능은 국제 기준에 부합하며, 4세대 연구개발은 경량화와 비용 최적화에 집중하고 있습니다.

레이사이 인텔리전트: 마이크로 액추에이터와 휴머노이드 관절 모듈이 시험 판매에 들어갔으며, 2024년 생산 능력 계획은 명확합니다.

울롱 전기 구동: AI 기술과 결합하여 생체 관절 시스템을 개발하고 전기 및 의료와 같은 수직적 시나리오를 확장합니다.

시장 전망: 인간형 로봇용 프레임리스 모터의 글로벌 시장 규모는 2025년에 60억 위안에 이를 것으로 예상되며, 2030년에는 280억 위안을 넘어설 것으로 예상됩니다. 국내 대체율은 30%에서 50%로 증가할 것으로 예상됩니다.

5. 과제 및 미래 동향

기술적 병목 현상:

고급 제품의 토크 밀도와 신뢰성은 여전히 외국 브랜드에 비해 뒤처져 있습니다.

온도 상승 제어 및 맞춤화 요구 사항으로 인해 프로세스가 더욱 복잡해집니다.

혁신 방향:

듀얼 스테이터 설계: 예를 들어, 특허 솔루션은 산업용 로봇의 높은 부하 요구 사항을 충족하기 위해 내부 및 외부 스테이터의 레이아웃을 통해 충격 저항성을 향상시킵니다.

지능형 통합: 신호 간섭을 줄이기 위한 드라이버, 인코더 및 모터의 통합 설계(예: Haozhi Electromechanical의 조인트 모듈)

산업 체인 협업: 상류 자성 소재 회사와 하류 로봇 제조업체가 공동으로 시나리오 구현을 가속화하기 위한 맞춤형 솔루션을 개발합니다.

6. 서보 일체형 휠: 프레임리스 토크 모터의 성능 도약

프레임리스 토크 모터의 통합 캐리어로서, 서보 통합 휠은 모터, 드라이버, 인코더 및 휠 바디를 긴밀하게 통합하여 "파워-제어-실행"의 삼위일체를 이루는 컴팩트한 장치를 만들어냅니다. 이 기술의 핵심 장점은 뛰어난 공간 활용도와 폭발적인 동적 반응에 있습니다. 예를 들어 외경 80mm의 일반적인 설계를 살펴보면 최대 토크 150N·m를 출력하고 동적 하중 100kg을 지탱할 수 있지만, 기존의 감속기 및 변속 구조가 필요 없으므로 AGV 섀시 또는 인간형 로봇 관절의 배치 자유도가 40% 이상 증가합니다.

프레임리스 토크 모터의 낮은 관성 특성으로 인해 휠 반응 시간이 2ms 수준으로 압축됩니다. 0.5m 좁은 차선에 창고 로봇을 ±0.1mm의 정확도로 주차시키거나, 인간형 로봇의 발목이 땅에 닿자마자 순간적으로 후진 주행하는 것처럼, 밀리초 수준의 힘 제어 상호작용을 구현할 수 있습니다. 직접 구동 기술은 기계적 전달 손실을 더욱 제거하고 동일한 부하에서 에너지 소비를 15~20%까지 줄입니다. IP65 보호 수준을 갖춘 통합 패키지와 결합하면 먼지, 오일 또는 고주파 진동이 있는 산업 환경에서도 20,000시간 이상의 문제 없는 작동을 보장할 수 있습니다.

더 중요한 점은 이러한 유형의 설계가 내장된 버스 프로토콜(예: EtherCAT)을 통해 다중 휠 조정 및 힘-위치 하이브리드 제어를 지원한다는 것입니다. 예를 들어, 경사면을 오르거나 장애물을 극복할 때 시스템은 실시간으로 각 바퀴에 토크를 분배하여 생물학적 근육 그룹의 조화로운 힘을 시뮬레이션할 수 있습니다. 수술 로봇과 같은 매우 민감한 상황에서도 미크론 수준의 위치 정확도와 유연한 출력 특성을 통해 인간 손가락의 작동 감각을 회복할 수도 있습니다. "알고리즘을 전달하는 하드웨어" 기능은 로봇 동작 제어의 경계를 새롭게 정의하고 있습니다.

결론

인간형 로봇의 "근육 시스템"인 프레임리스 토크 모터의 기술적 혁신과 제조 업그레이드는 로봇의 성능 한계와 직접적으로 관련이 있습니다. 국내 기업은 아직 기술 축적과 고급 시장에서 격차가 있지만, 차별화된 혁신(소형화, 고비용 성능 등)과 산업사슬 협업을 통해 점차 외국자본의 독점을 깨고 있습니다. 미래에는 AI 기반 인간형 로봇이 대량 생산되면서 이 분야는 '폭발적인 성장 주기'를 맞이하게 될지도 모릅니다.