고급 로봇 공학 및 정밀 자동화에서는 기존 파워트레인 구성 요소의 물리적 제약으로 인해 시스템 성능과 설계 소형화가 점점 더 병목 현상을 일으키고 있습니다. 기계식 변속기와 결합된 표준 내장 모터는 백래시를 발생시키고 설치 공간을 늘리며 무게를 추가하고 필수 시스템 유틸리티의 라우팅을 복잡하게 만듭니다. 전력선, 데이터 케이블, 유체 및 광학 장치는 부피가 큰 기어박스와 모터 하우징 주위로 어색하게 배선되어 실패 지점이 생기고 동작 범위가 제한되는 경우가 많습니다. 중공 프레임리스 모터는 기계적 컴플라이언스를 제거하고 기계 구조에 직접 통합되는 직접 구동 대안을 제공합니다. 이 가이드에서는 고성능 애플리케이션을 위한 프레임리스 아키텍처 지정의 기술적 이점과 통합 장단점을 평가합니다. 엄격한 공차를 관리하고, 회전자-고정자 공극을 유지하고, 다음 기계 제작을 위한 맞춤형 열 관리 솔루션을 엔지니어링하는 데 필요한 공간 효율성, 유틸리티 라우팅, 동적 성능 및 기계 설계 기능을 검토합니다.
최적화된 공간 효율성: 프레임리스 모터는 엔드벨, 베어링 및 외부 하우징을 제거하여 전체 질량과 설치 공간을 줄여 매우 컴팩트한 조인트 설계를 가능하게 합니다.
단순화된 유틸리티 라우팅: 내부 직경이 크므로(중공 구멍) 케이블, 레이저 빔 또는 유체 라인이 회전축을 통해 직접 방해받지 않고 통과할 수 있어 외부 케이블 마모 및 걸림 위험이 줄어듭니다.
뛰어난 동적 성능: 부하에 직접 연결되어 기어박스 백래시와 기계적 탄성이 제거되어 서보 강성이 높아지고 설정 시간이 빨라지며 위치 정확도가 높아집니다.
통합 복잡성: 이러한 이점을 실현하려면 엄격한 공차를 관리하고, 회전자-고정자 에어 갭을 유지하고, 특수 조립 툴링을 설계하고, 맞춤형 열 관리 솔루션을 엔지니어링하기 위한 엄격한 내부 기계 설계 기능이 필요합니다.
프레임리스 모터는 전자기 발전의 가장 순수한 형태를 나타냅니다. 모든 외부 포장을 제거합니다. 토크를 생성하는 데 필요한 필수 활성 구성요소만 제공됩니다. 이 두 부분으로 구성된 구조는 별도의 자기 회전자와 권선형 고정자로만 구성됩니다. 공장에서는 베어링, 샤프트 또는 피드백 장치를 설치하지 않습니다. 기계 제작자는 이러한 요소를 최종 조립품에 통합해야 합니다. 구성요소를 정렬하고 회전하는 질량을 지지하는 책임은 사용자에게 있습니다.
로터는 일반적으로 고에너지 네오디뮴-철-붕소(NdFeB) 영구 자석을 사용합니다. 고정자 설계는 성능 요구 사항에 따라 다릅니다. 집중형 고정자 권선과 분산형 고정자 권선 중에서 선택해야 합니다. 집중 권선은 더 짧은 끝 회전과 더 높은 슬롯 채우기 계수를 제공합니다. 분산 권선은 보다 부드러운 역기전력 파형을 제공합니다. 로터 구성도 다릅니다. 표면 영구 자석(SPM) 설계는 회전자 외부에 자석을 장착합니다. IPM(내부 영구 자석) 설계는 회전자 적층 스택 내에 자석을 내장하여 고속 작동을 위한 더 높은 구조적 무결성을 제공합니다.
고정자는 적층된 강철 적층으로 구성됩니다. 이러한 적층은 와전류 손실을 줄입니다. 구리선은 적층 스택의 슬롯을 통해 감겨 있습니다. 권선 패턴은 모터의 전기적 특성을 결정합니다. 엔지니어들은 권선을 고온 수지로 캡슐화합니다. 이 포팅 공정은 열 전도성을 향상시키고 와이어를 환경적 손상으로부터 보호합니다. 로터는 표면에 접착되거나 내부에 영구 자석이 내장된 강철 허브로 구성됩니다. 고정 슬리브는 표면에 장착된 자석을 감싸는 경우가 많습니다. 이 슬리브는 높은 회전 속도에서 자석이 분리되는 것을 방지합니다.
직접 구동 원리는 이러한 모터가 작동하는 방식을 정의합니다. 로터는 구동 부하에 직접 연결됩니다. 중간 기계식 변속기가 존재하지 않습니다. 벨트, 풀리, 기어박스가 필요 없습니다. 이는 모션 제어를 위한 고성능 기준을 설정합니다. 이 기술을 지정하려면 특정 성공 기준을 충족해야 합니다. 저속에서 높은 토크 밀도를 요구하는 응용 분야에서는 프레임 없는 설계를 고려해야 합니다. 극도의 정밀도 요구 사항과 심각한 공간 제약도 통합 노력을 정당화합니다.
이 모터의 특징은 내부 직경이 크다는 것입니다. 이 중공 보어는 중앙 집중식 유틸리티 라우팅을 가능하게 합니다. 로봇 팔과 같은 다축 시스템에서는 케이블 관리가 훨씬 쉬워집니다. 중앙 보어를 통해 전원, 인코더 케이블 및 공압 라인을 라우팅하면 케이블 피로가 방지됩니다. 비틀림 및 외부 걸림 위험을 제거합니다. 귀하의 기계는 깨끗한 외부 프로필을 유지합니다.
6축 로봇 팔을 생각해 보세요. 전통적인 디자인은 암 외부를 따라 케이블을 라우팅합니다. 이 케이블은 움직일 때마다 구부러지고 휘어집니다. 시간이 지나면 내부 전선이 끊어집니다. 중공 보어를 사용하면 각 조인트의 중심을 통해 직접 케이블을 내부적으로 라우팅할 수 있습니다. 케이블의 굴곡이 최소화됩니다. 이는 와이어링 하니스의 평균 고장 간격을 대폭 향상시킵니다. 손상된 케이블을 교체하는 데 소요되는 시간은 줄어들고 생산 운영에 더 많은 시간이 소요됩니다.
많은 고급 응용 분야에는 방해받지 않는 중심 축이 필요합니다. LiDAR 시스템은 레이저 빔을 모터 센터를 통해 직접 통과시킵니다. 레이저 가공 헤드는 보어를 통해 광학 장치를 라우팅합니다. 의료 영상 및 화학 처리 장비는 회전축을 통해 유체 라인을 통과합니다. 중공형 디자인은 이러한 요구 사항을 완벽하게 수용합니다. 또한 슬립 링 통합도 단순화됩니다. 로터 내부에 관통형 슬립 링을 쉽게 장착할 수 있습니다. 이를 통해 케이블이 묶이거나 꼬이지 않고 연속 360도 회전이 가능합니다.
프레임리스 모터는 기계의 기존 구조를 활용하여 무게를 최적화합니다. 기계 프레임은 모터 하우징 역할을 합니다. 중복된 기계 케이스, 엔드벨 및 무거운 출력 샤프트를 제거합니다. 이러한 질량 감소는 모바일 및 로봇 응용 분야에 매우 중요합니다. 로봇 연결 장치의 원위 중량을 낮추면 무게 중심이 향상됩니다. 관성이 감소한다는 것은 시스템을 가속 및 감속하는 데 더 적은 토크가 필요하다는 것을 의미합니다.
엔지니어는 맞춤형 폼 팩터를 지정하여 엄청난 유연성을 얻을 수 있습니다. 직경이 크고 축 길이가 짧은 팬케이크 프로파일을 선택할 수 있습니다. 이러한 평면 디자인은 기존 원통형 모터가 작동하지 않는 좁은 공간 공간에 적합합니다. 기계가 모터에 적응하도록 강요하는 것이 아니라 폼 팩터가 기계에 맞춰집니다. 예를 들어, 팬-틸트 짐벌 메커니즘에서 팬케이크 모터를 사용하면 광학 페이로드를 회전축에 가깝게 유지할 수 있습니다. 이렇게 하면 짐벌의 스위프 볼륨이 최소화되고 카메라를 안정화하는 데 필요한 토크가 줄어듭니다.
기계적 컴플라이언스를 제거하면 시스템 성능이 변화됩니다. 기어박스, 벨트 및 커플링은 비틀림 히스테리시스를 발생시킵니다. 하중이 가해지면 구부러집니다. 직접 구동은 이러한 규정 준수 요소를 제거합니다. 부하는 로터에 단단히 결합됩니다. 이는 탁월한 서보 강성을 가져옵니다. 제어 루프는 불안정성 없이 훨씬 더 높은 이득으로 작동할 수 있습니다.
동적 응답이 비약적으로 향상됩니다. 더 높은 대역폭, 더 빠른 정착 시간, 뛰어난 추적 정확도를 달성할 수 있습니다. 시스템은 명령 변경에 즉시 반응합니다. 최신 프레임리스 디자인은 슬롯 및 폴 구성도 최적화합니다. 토크 리플과 코깅을 최소화하기 위해 기울어진 적층을 사용합니다. 이는 매우 낮은 속도에서도 매우 부드러운 작동을 보장합니다. 또한 기어 맞물림을 제거하면 가청 소음과 기계적 진동이 줄어듭니다. 정밀 가공 응용 분야에서 이러한 진동 부족은 제조된 부품의 우수한 표면 마감으로 직접적으로 해석됩니다.
성능을 평가하려면 토크 밀도와 속도 특성을 살펴봐야 합니다. 프레임리스 모터는 활성 전자기량에 비해 탁월한 연속 및 최대 토크를 제공합니다. 저속, 고토크 영역에서 탁월합니다. 하우징 모터는 일반적으로 저속에서 유사한 토크를 달성하기 위해 기어 감소가 필요합니다. 직접 연결은 기계적 비효율성으로 인해 전력이 손실되지 않음을 의미합니다.
시스템 시간 상수도 다릅니다. 전기적 시상수와 기계적 시상수는 모터의 응답 속도를 나타냅니다. 프레임리스 직접 구동 설계는 종종 내장형 기어모터에 비해 우수한 기계적 시간 상수를 나타냅니다. 기어박스에 내재된 변속기 마찰과 점성 감쇠 손실을 제거하므로 효율성이 향상됩니다. 더 많은 전력을 유용한 기계 작업으로 직접 변환합니다.
미터법 |
중공 프레임리스 모터(다이렉트 드라이브) |
기어박스가 있는 하우징 모터 |
|---|---|---|
토크 전달 |
부하에 직접 작용하고 저속에서 높은 토크를 제공합니다. |
높은 토크를 위해서는 기계적 감소가 필요합니다. |
백래시 |
영. |
현재(기어 유형에 따라 다름). |
유틸리티 라우팅 |
내부 관통 중공 보어. |
외부 라우팅이 필요합니다. |
기계적 효율성 |
높음(전송 손실 없음). |
더 낮습니다(마찰 및 감쇠 손실). |
통합 노력 |
높음(맞춤형 하우징/베어링 필요) |
낮음(플러그 앤 플레이). |
서보 강성 |
직접 결합으로 인해 매우 높습니다. |
기어박스 규정 준수로 제한됩니다. |
프레임리스 모터의 크기를 결정하려면 신중한 듀티 사이클 분석이 필요합니다. 임의의 마력 지표에 의존할 수는 없습니다. 전체 모션 프로파일에 대해 열 등가 RMS 토크를 계산합니다. 이렇게 하면 연속 작동 중에 모터가 과열되지 않습니다. 피크 토크 요구 사항은 가속 중에 드라이브가 공급해야 하는 최대 전류를 나타냅니다.
직접 구동 모터의 크기를 결정하려면 다음과 같은 몇 가지 중요한 단계가 필요합니다.
모션 프로필 정의: 필요한 가속, 일정한 속도 및 감속 단계를 매핑합니다.
부하 관성 계산: 회전자에 연결된 모든 움직이는 부품의 정확한 관성 모멘트를 결정합니다.
피크 토크 결정: 원하는 속도로 부하 관성을 가속하는 데 필요한 토크를 계산합니다.
RMS 토크 계산: 전체 듀티 사이클에 대한 RMS 토크를 결정하여 열 요구 사항을 평가합니다.
모터 선택: 계산된 RMS 토크보다 높은 연속 토크 등급과 계산된 피크 토크보다 높은 피크 토크 등급을 갖는 모터를 선택합니다.
직접 구동 애플리케이션은 관성 매칭 규칙을 변경합니다. 기어 시스템은 전통적으로 안정성을 위해 1:1의 부하 대 회전자 관성 비율을 요구합니다. 직접 결합은 이러한 제한을 우회합니다. 100:1 이상의 부하-회전자 관성비로 성공적으로 작동할 수 있습니다. 견고한 기계적 연결과 고급 제어 알고리즘이 이를 가능하게 합니다. 이를 통해 모터가 충분한 토크를 생성할 수 있다면 상대적으로 작은 모터로 막대한 부하를 구동할 수 있습니다.
프레임리스 통합에는 엄격한 기계 설계가 필요합니다. 하우징이 없는 회전자와 고정자 사이의 정확한 동심도와 공극을 유지하는 것은 중요한 엔지니어링 과제입니다. 이 공극은 종종 10분의 1밀리미터까지 측정됩니다. 가공 부품에 공차가 쌓이면 이 간격이 쉽게 소모되어 치명적인 회전자-고정자 접촉이 발생할 수 있습니다. 고정자 하우징과 회전자 샤프트를 정확한 공차로 가공해야 합니다. 런아웃은 절대 최소로 유지되어야 합니다.
자기 인력은 상당한 조립 위험을 초래합니다. 회전자와 고정자 사이의 방사상 자기 당김은 엄청납니다. 비자성 조립 고정 장치 및 가이드를 사용해야 합니다. 적절한 툴링 없이 조립을 시도하면 구성 요소가 손상되고 작업자가 심각한 부상을 입을 위험이 있습니다. 우리는 일반적으로 알루미늄 또는 300 시리즈 스테인리스강을 사용하여 맞춤형 삽입 도구를 설계합니다. 이러한 도구는 방사상 당김에 저항하면서 회전자를 고정자로 유도합니다.
베어링 선택도 시스템 설계자의 몫입니다. 자기 방사형 힘에 저항하면서 페이로드를 처리하는 베어링을 지정해야 합니다. 모든 작동 조건에서 견고한 축방향 및 반경방향 런아웃 프로파일을 유지해야 합니다. 크로스 롤러 베어링은 프레임 없는 모터 조인트에 널리 사용됩니다. 매우 작은 축 방향 설치 공간 내에서 반경 방향, 축 방향 및 모멘트 하중을 동시에 처리합니다.
직접 구동에는 고해상도 피드백이 필요합니다. 광학 또는 자기 링 인코더를 중공축에 직접 장착하면 정렬이 복잡해집니다. 엔코더 판독 헤드는 스케일을 기준으로 정확한 거리와 방향을 유지해야 합니다. 샤프트의 런아웃은 위치 정확도를 직접적으로 저하시킵니다. 베어링 저널과 동일한 정밀도로 엔코더 장착 표면을 가공해야 합니다.
정류 정렬 또는 위상 조정은 또 다른 단계를 추가합니다. 인코더 영점 위치와 회전자의 자극 사이의 정확한 오프셋 각도를 결정해야 합니다. 서보 드라이브는 적절한 정현파 정류를 위해 이 정보가 필요합니다. 잘못된 위상 조정은 비효율적인 작동 또는 회전 실패로 이어집니다. 많은 최신 드라이브는 깨우기 및 흔들기 알고리즘을 사용하여 전원을 켤 때 이 오프셋을 자동으로 결정합니다. 또는 고해상도 인코더로 전환하기 전에 초기 정류에 홀 효과 센서를 사용할 수 있습니다.
열 관리 책임은 전적으로 시스템 통합업체에게 있습니다. 기계 프레임은 기본 방열판 역할을 합니다. 고정자 권선에서 생성된 열을 방출하기 위해 적절한 열 경로를 설계해야 합니다. 열 방출이 불량하면 권선 온도가 높아집니다. 열 저항을 최소화하려면 고정자와 하우징 사이에 꼭 맞는 억지 끼워 맞춤을 보장하거나 열 전도성 에폭시를 사용해야 합니다.
과도한 열은 심각한 감자 위험을 초래합니다. 고온은 NdFeB 회전자 자석을 비가역적으로 감자시킬 수 있습니다. PTC 서미스터, NTC 서미스터 또는 RTD와 같은 온도 센서를 고정자 권선에 직접 내장해야 합니다. 이러한 센서를 통해 드라이브는 온도를 모니터링하고 손상을 방지할 수 있습니다. 냉각 방법은 듀티 사이클에 따라 다릅니다. 기계 프레임을 통한 수동 전도는 다양한 응용 분야에서 작동합니다. 높은 연속 토크 애플리케이션에는 맞춤형 액체 재킷 또는 강제 공기 순환과 같은 능동 냉각이 필요할 수 있습니다. 액체 냉각 재킷을 설계할 때 열 전달을 극대화하려면 고정자와 냉각 슬리브 사이에 꼭 맞는 억지 끼워맞춤을 보장해야 합니다.
의료 장비는 프레임리스 기술에 크게 의존합니다. MRI 기계, CT 스캐너 및 수술 로봇 관절은 이러한 모터를 사용합니다. 민감한 이미징 환경에는 비자성 변형이 존재합니다. 중공 구멍을 통해 이미징 구성 요소와 케이블이 회전 축을 통과할 수 있습니다. 부드럽고 톱니 없는 움직임으로 수술 과정에 필요한 정밀한 조작이 가능합니다. 수술용 로봇에서 외과의사는 촉각 피드백에 의존합니다. 관절의 마찰이나 반발로 인해 이러한 피드백이 왜곡됩니다. 직접 구동 프레임리스 모터는 정확한 햅틱 렌더링에 필요한 투명성을 제공합니다.
항공우주 응용 분야에는 극도의 최적화가 필요합니다. 짐벌 시스템, 타겟팅 포드 및 위성 통신 안테나는 프레임리스 모터를 사용합니다. 주요 가치 동인은 SWaP-C(크기, 무게, 전력 및 비용) 최적화입니다. 이러한 직접 구동 시스템은 기어박스가 고장날 수 있는 혹독하고 진동이 심한 환경에서 탁월한 신뢰성을 제공합니다. 위성 안테나 포인팅 메커니즘에서 모터는 진공 상태에서 작동해야 합니다. 이는 대류 냉각을 제거합니다. 시스템은 짐벌 구조를 통한 전도성 열 전달에 전적으로 의존해야 합니다.
현대의 공장 자동화는 컴팩트한 전력에 달려 있습니다. 협동로봇(cobot) 조인트, 회전식 인덱싱 테이블, 반도체 제조 장비는 프레임 없는 설계를 활용합니다. 컴팩트한 조인트 패키지로 높은 토크 밀도를 제공합니다. 직접 구동은 고유 감각으로 알려진 안전하고 예측 가능한 힘 피드백을 가능하게 합니다. 이를 통해 협동로봇은 충돌을 감지하고 인간 작업자와 함께 안전하게 작동할 수 있습니다. 반도체 웨이퍼 핸들링에서 모터는 클린룸에서 작동해야 합니다. 프레임리스 모터는 기어 톱니 마모 및 윤활유 성능 저하와 관련된 미립자 생성을 제거합니다.
중공 프레임리스 모터는 컴팩트한 통합, 백래시 제로, 높은 서보 강성, 정밀한 위치 지정 및 중앙 집중식 유틸리티 라우팅이 필요한 기계에 이상적인 솔루션입니다. 그러나 성공적인 구현은 정확한 모터 크기 조정, 엄격한 회전자-고정자 정렬, 적절한 베어링 및 인코더 선택, 특수 조립 도구 및 효과적인 열 관리에 달려 있습니다.
Shenzhen Tiger Motion Control Technology는 고급 자동화 및 정밀 장비 애플리케이션을 위한 모션 제어 솔루션을 제공합니다. 기술 지원은 기계 제작자가 모터 선택, 기계 통합, 제어 성능 및 시스템 신뢰성 요구 사항을 해결하는 데 도움이 됩니다.
애플리케이션 타당성을 평가하기 위해 모션 제어 엔지니어와 함께 포괄적인 설계 검토를 시작합니다.
공간 범위와 통합 지점을 확인하려면 제조업체에 3D CAD 모델을 요청하세요.
생산 단위를 주문하기 전에 특수 비자성 조립 툴링을 설계하고 제작하십시오.
열 성능과 제어 루프 강성을 검증하려면 프로토타입 평가 키트를 주문하세요.
A: 프레임리스 모터는 베어링, 엔드벨 또는 샤프트 없이 별도의 회전자 및 고정자 구성 요소로 제공됩니다. 기계 제작자는 이러한 활성 전자기 부품을 자체 기계 구조에 직접 통합합니다. 하우징 모터는 기계에 볼트로 고정할 수 있도록 공장에서 조립된 완전한 장치입니다.
답변: 일반적으로 압입식으로 고정하거나, 구조용 접착제로 접착하거나, 기계 프레임에 고정자를 기계적으로 고정합니다. 로터는 접착제, 열박음 또는 기계식 클램핑 링을 사용하여 구동 샤프트에 고정되어 정확한 동심도를 보장합니다.
A: 영구 자석은 극도의 반경 방향 당기는 힘을 생성합니다. 회전자가 중심에서 벗어나 삽입되면 고정자와 격렬하게 부딪혀 손가락이 부서지고 자석이 부서집니다. 조립 중에는 특수한 비자성 정렬 장치를 사용해야 합니다.
A: 아니요. 백래시를 제거하기 위해 부하에 직접 연결되는 직접 구동 구성용으로 설계되었습니다. 그러나 작은 공간에서 극도의 토크 증폭이 필요한 응용 분야에서는 중공축 스트레인 웨이브 기어와 함께 사용할 수 있습니다.
A: 열은 고정자에서 호스트 기계 구조로 전도를 통해 분산됩니다. 고전력 애플리케이션의 경우 통합업체는 맞춤형 액체 냉각 채널을 주변 하우징에 가공합니다. 내장된 열 센서는 권선 온도를 모니터링하여 자석 감자기를 방지합니다.
A: 대구경 광학 또는 자기 링 인코더가 이상적입니다. 이는 모터의 중공 프로파일과 일치하므로 케이블과 유틸리티가 모터와 피드백 장치의 중심을 완전히 통과할 수 있습니다.
