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로보틱스에 최적화된 모터, 코어리스 모터(Coreless Motor) 고효율, 저전력 등 로봇에 필요한 강점 두루 갖춰 김지연 기자입력 2018-06-29 10:10:02

코어리스 모터(사진. 위키피디아)

 

로봇에 적합한 초소형 모터

코어리스 모터는 빠른 가·감속과 정밀한 제어성, 그리고 우수한 전력 감소 능력으로 인해 로봇 분야에 많이 사용되는 고효율 모터이다. 본지에서는 휴머노이드 로봇을 비롯해 다양한 비(非)제조용 로봇에 활용되고 있는 코어리스 모터를 개괄적으로 소개한다.
자동화 기계의 개념을 벗어난 일반적인 로봇의 관절은 여러 방향으로의 전환이 자유롭고, 정밀한 제어가 가능해야 하며, 파워 케이블 대신 별도의 배터리로 구동되는 경우가 많다. 
일반적으로 PM(Permanent Magnet, 영구 자석) DC모터의 이론적인 모터 효율은 70%로 알려져 있으며, 여기에 실질적인 현장 요소를 고려하면 60% 내외로 예상할 수 있다. 
그러나 휴머노이드 로봇, 탐사 로봇 등 다양한 서비스·전문서비스 로봇을 비롯해 의료기기, 우주·항공, 자동차 등에는 일반적인 효율의 모터 대신 고효율 모터가 요구된다. 여기에 사용되는 모터가 바로 ‘코어리스 모터(Coreless Motor)’이다. 

 

맨슨모터의 신제품 ECX 시리즈(사진. 맥슨모터)


코어리스 모터가 일반 DC모터와 가장 차별화되는 특징은 로터 권선이다. 코어리스 모터 내부의 코일을 살펴보면 회전자 대신 구리선으로 된 바구니 모양의 코일이 자리잡고 있다. 
보통 로터의 철심이 관성의 90%에 기여하기 때문에 철심이 없는 형태의 코어리스 모터는 가속 및 감속이 크게 개선됐다. 
또한 일반 DC모터의 경우 지속적인 방향 전환으로 인해 히스테리시스(Hysteresis) 손실이 발생되는데 코어리스 모터는 히스테리시스 손실이 일반 DC모터보다 적고, 코깅 토크가 없으며, 무엇보다도 최소 전압이 필요한 일반적인 모터와 달리 매우 낮은 전압에서도 회전 운동이 시작된다. 작동 중 낮은 토크로 매끄러운 동작이 가능하며, 코일 주위에 철심이 감겨있지 않기 때문에 인덕턴스가 낮아 스파크가 적다. 덧붙여 점성 소실(운동에너지가 열로 전환되는 현상)을 감소시킬 수 있어 로보틱스, 제어 시스템, 포터블 디바이스, 고속 CNC 등에 유용하게 사용될 수 있다. 

 

코어리스 DC모터 구성(사진. Allied Motion Technology)


로터의 철심은 높은 자기장 및 토크에 기여한다. 코어리스 모터는 철심이 없는 대신 모터를 수용하는 철제 케이싱으로 이 같은 효과를 달성, 충분한 토크를 발생시킨다. 한편 위치 제어는 엔코더 결합을 통해 가능하다.  
반면 코어리스 모터는 복잡한 코일 디자인 등으로 인해 가격이 비싸고, 코일의 열 발산을 용이하게 하기 위해 보다 섬세한 연구와 분석, 설계가 필요하다. 덧붙여 다른 모터 대비 연결이나 세팅 등이 조금만 어긋나도 쉽게 이상이 발생될 수 있다. 코어리스 모터 분야 관계자는 “코어리스 모터가 내구성이 약하다고 오해하는 경우가 있는데, 내구성이 약하다기 보다 민감하다고 표현하는 것이 적합하다”라고 말하기도 했다.   

 

포르테스캡(Portescap)의 Athlonix(사진, 포르테스캡)

 

세계 코어리스 모터 시장을 선도하는 기업들
코어리스 모터는 글로벌 시장을 선도하는 맥슨모터(Maxonmotor), 포르테스캡(Portescap), 파울하버(Faulhaber)의 메이저 3사로 대표되며 휴머노이드 로봇, 탐사 로봇, 의료기기, 우주·항공 등 하이엔드 시장의 전유물로 인식됐다.   
그러나 최근 드론 시장의 확산과 더불어 코어리스 모터에 대한 관심이 대중들에게도 높아지고 있다. 드론의 회전날개나 카메라 구동 등에 코어리스 모터가 많이 활용되기 때문이다. 
메이저 3사의 코어리스 모터의 경우 가격적인 부담으로 인해 일반적인 드론 시장에서의 포지션은 크지 않지만, 파울하버는 특수 정찰 등의 군사용 드론 등에는 적용 사례가 있다고 밝혔다. 또한 다양한 시장에 맞춰 제품을 개발하고 있는 맥슨모터의 경우 드론을 타깃으로 한 코어리스 모터 신제품 개발을 예고하기도 했다.
한편 코어리스 모터 ‘원조’에 대한 논란은 현재 진행 중이다. 코어리스 모터는 모든 메이커가 동일한 구조를 채용하고 있으며, 코일을 감는 디자인, 즉 얼마나 작은 부피로 많은 코일을 감는가에 대한 부분에서 차별화되고 있다. 그렇다면 이 코어리스 구조를 개발한 사람은 누구일까.

 

일반 DC모터와 코어리스 모터(자료. 맥슨모터, MAXON ACADEMY 2012)


일반적으로 코어리스 모터에 대한 아이디어는 Fritz Faulhaber 박사가 고안한 것으로 알려져 있다. 그는 1947년 코어리스 모터 구조를 개발하고, 1957년 회사를 설립해 모터를 생산하기 시작했다. 
하지만 메이저 3사 관계자들의 이야기는 모두 다르다. 1931년도에 설립된 포르테스캡의 경우, Fritz Faulhaber 박사가 파울하버를 설립하기 전 포르테스캡의 연구소 소속이었다는 점을 근거로 들었다. 
시장 측면에서는 현재 가장 높은 점유율을 확보한 기업으로 이견 없이 맥슨모터가 꼽혔다. 통상적으로 코어리스 모터는 커스텀 모델 사양에 대한 유저들의 요구가 높은데, 맥슨모터의 경우 풍부한 라인업을 기반으로 유저가 요구하는 사양에 가장 근접한 모델들을 제안하고 있다는 게 강점으로 보인다. 

 

파울하버 코어리스 모터(사진. 스위스아미에트)


이 밖에 코어리스 모터 분야의 기술 트렌드에 대해서는 3사 모두 ‘작은 구조에 높은 토크, 우수한 효율과 낮은 전류 소모’라고 입을 모았다. 또한 시장 측면에서는 기존 모터 대비 하이엔드 코어리스 모터에 대한 대체 수요가 지속적으로 증가하고 있으며, 특정 분야의 경우 기존의 메이저 기업들 외에 신흥 기업들이 가격경쟁력을 앞세워 치열한 경쟁이 전개되고 있는 것으로 파악됐다.
 

김지연 기자
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