휴머노이드·수술로봇·우주항공에 최적화된 차세대 프레임리스 모터 ‘TBM2G’
오늘날 모든 산업군에서 모터(Motor)는 빠르고 정밀한 모션 구현을 위한 핵심 부품으로 자리잡고 있다. 최근에는 로봇 시장의 급성장과 함께 경량화·소형화가 지속되고 있으며, 48Vdc 이하 저전압 구동이 필수화 되면서 높은 토크밀도를 가진 컴팩트한 모터의 수요 또한 급증하고 있다. 이러한 요구사항에 부합하는 최적의 솔루션은 프레임리스 모터(Frameless Motor)이다. 세계 최초의 프레임리스 모터는 미국의 Kollmorgen사에 의해 탄생했고, 1950년대 미 해군의 잠수함 프로젝트에 적용되었 다. 이후 KBM시리즈, RBE시리즈, TBM시리즈 등을 거쳐 최신 TBM2G시리즈에 이르기까지, 프레임리스 모터는 오늘날 Kollmorgen을 대표하는 제품이 되었다.
휴머노이드, 우주, 방위산업 등다양한 분야에 걸친 최적의 호환성
KOLLMORGEN의 TBM2G시리즈는 로봇 기술의 고도화에 발맞춰, 구동 모터에 요구되는 다양한 성능을 충족할 수 있는 차세대 구동 솔루션으로 자리잡고 있다. 실제 현장에서 검증된 폭넓은 응용 가능성을 바탕으로 휴머노이드, 의료로봇, 항공·우주, 방위 산업 등 다양한 분야에서 최적화된 성능을 발휘하고 있다.
7종의 제품 라인업과 수십 종의 표준화된 파생 제품을 통해, 별도의 스페이서나 어댑터 없이도 ‘drop-in’ 방식으로 로봇 관절 모듈에 직접 통합이 가능하다. 이는 다양한 하모닉 감속 기와 최적의 호환성을 보여주며, 기구적 복잡성을 줄여 설계 간소화는 물론, 조립 공정의 효율을 극대화시켜 시스템 구성을 더욱 용이하게 한다. 다양한 요구에 최적화된 7종 프레임과 3단계 스택 길이 구성은 아래 그림과 같다.
시스템의 동적 특성을 고려한 모터 선택
로봇의 원활한 구동을 위해서는 역동적인 가감속이 필요하기 때문에 액추에이터의 크기, 무게, 소비전력이 주요 고려 사항 이다. 특히 휴머노이드 분야에서는 지속적으로 발생하는 하중의 이동뿐만 아니라, 로봇 자체의 무게를 지탱하고 균형을 유지해야 하므로 모터의 선택이 더욱 까다롭다. 아래 그래프는 이러한 동적 가속 및 감속 특성을 보여준다.
파란색 그래프는 시스템이 요구하는 토크 값이다. 주황색 그래프는 실제 구동되는 모터의 토크 피드백 값이다. 이 그래프를 통해 우리는 시간에 따른 토크와 속도가 빠르게 변화한다는 사실을 확인할 수 있다.
바로 이것이 휴머노이드의 특징적인 구동 특성이다. 휴머노이 드는 예측할 수 없는 양방향 이동이 빈번하게 발생한다. 이러한 특성은 일정한 방향과 속도로 부하의 이동이 발생하는 일반 산업용 어플리케이션과는 확연히 구별된다.
이럴 경우 모터 선정단계에서부터 다양한 요소들을 추가로 검토해야 한다. 일반적으로 모터 선택 시 참고하는 연속 토크및 속도 등급은, 빠르게 방향을 전환하면서도 전체 속도 범위 에서 일정한 토크를 유지해야 하는 휴머노이드의 특성과는 다소 거리가 있다.
휴머노이드 어플리케이션에 적합한 모터를 선택하기 위해서는 먼저 모터 상수(Km으로 표시)를 살펴봐야 한다. 이 값은 토크 상수를 모터 권선의 선간 저항의 제곱근으로 나눈 값으 로, 아래 방정식과 같이 계산된다.
모터 상수(Km)는 본질적으로 모터의 효율성을 비교하는 척도로 사용된다. 다수의 모터 제조 업체에서는 주변 온도(25° C)를 기준으로 모터 상수 값을 제공한다. 그러나 로봇 관절과 같은 좁은 공간에서는 열이 쉽게 축적되기 때문에, 단순히 주 변온도를 기준으로 산출된 모터 상수를 기준으로 모터를 선정하는 것은 신중해야 한다. 모터를 로봇에 장착하여 구동할 경우, 실제 온도 조건은 업체에서 제공한 기준보다 더욱 가혹할 가능성이 높기 때문이다. 그러므로 최적의 성능을 구현하기 위해서는 모터의 실제 적용 환경을 고려하여, 해당 온도 조건에서 요구 성능을 충족시킬 수 있는지를 검토해야 한다.
열 관리와 토크 특성
TBM2G 모터는 발열이 매우 낮은 제품으로, 동일 환경에서더 낮은 온도를 유지하며 안정적인 성능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 일반적인 서보모터에는 최대 권선온도 155℃를 보장하는 F종 권선이 적용되어 있다. 이를 근거로, 모터 자체만을 생각했을 때는 155℃까지는 온도가 상승하여도 문제가 없다고 판단하기 쉽다. 그러나 이는 잘못된 생각이다.
모터의 온도가 155℃까지 상승할 경우, 엔코더 및 감속기가 위치한 모터 주변부의 공칭온도는 140℃가 되어야 한다. 설령 그런 조건을 충족시키는 부품이 있다 한들, 이를 휴머노이드 로봇에 적용할 수는 없는 일이다. 그러므로 액추에이터를 구성하는 부품들을 통합적으로 고려했을 때, 모터의 발열은 더이상 모터만의 문제가 아니게 된다.
반면 TBM2G 시리즈처럼 85℃를 초과하지 않고도 탁월한 성능을 제공하는 모터를 적용할 경우 로봇 관절의 신뢰성과 수명을 향상시킬 수 있다. 위의 그래프는 타사 제품과 Kollmorgen TBM2G 시리즈의 성능곡선이다. 타사 모터가 최고 속도 구간에서 토크 성능이 급격히 감소하는 것과 달리, TBM2G 모터는 권선 온도 85℃ 환경에서도 전체적으로 우수한 성능을 유지한다.
고토크임에도 컴팩트한 패키지
경량화와 낮은 발열은 TBM2G의 활용 가능성을 증폭시켜준 다. 구동부의 무게와 발열 문제를 동시에 해결할 수 있기 때문이다. 예를 들어 15kg이하의 6축 협동로봇에 TBM2G를 적용할 경우, 액추에이터의 무게는 평균 350g(약10%), 발열은 약 15K 감소하게 된다. 이러한 변화는 로봇의 전체적인 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
TBM2G는 기구부의 치수나 액추에이터의 두께를 거의 늘리지 않고도 목표 토크를 확보할 수 있는 우수한 솔루션이 다. TBM2G는 7종에 달하는 외경(50~115mm)과, 각각에서 선택 가능한 세 가지 스택 길이(8/13/26mm)만으로도 연 속 0.27~6.03Nm, 피크 14.5Nm의 퍼포먼스를 보여준다. 이는 토크밀도 기준 1세대 프레임리스 모터인 TBM시리즈 대비 30% 이상 향상된 성능이다.
이처럼 컴팩트하면서도 우수한 토크밀도의 비밀은 D² L 법칙으로 설명할 수 있다. 토크는 직경(D)의 제곱과 두께(L)에 비례한다. TBM2G는 두께를 얇게 유지하면서 직경을 확대하여, 동일한 토크 기준 더 얇은 두께를 제공한다. 또한 하우징과 베어링을 제거해 질량과 관성을 크게 줄였으며, 최대 57mm의 대구경 중공(through hole)을 통해 케이블, 샤프트 등을 관통시킴으로써 손쉽게 시스템을 통합할 수 있다.
이러한 특징은 설계의 자유도를 높이고 IP등급 확보에도 유리하게 작용한다. 로봇 관절부나 의료기기처럼 무게와 공간의 제약이 큰 분야에서는 프레임리스 모터의 장점이 더욱 부각 된다. ‘경량이면서도 높은 토크’라는 다소 모순적인 요구사항을 충족시킬 수 있는 최선의 해법이기 때문이다.
자료제공: (주)삼정오토메이션(www.sjautomation.com)
