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[전문가 기고] 로봇용 외측 로터 브러시리스 휠 인 서보모터의 디자인 AGV, AMR, 서비스로봇 등 자율주행 로봇을 위한 서보모터 설계 정대상 기자입력 2021-10-01 11:29:28

(주)모터114 기술연구소 전용철 상무가 자율주행로봇 개발자들을 위해 AGV, AMR, 서비스 로봇에 있어 배터리 주행 구동부의 핵심 부품인 휠 인 모터의 구조와 주요 디자인 요소, 그리고 내부 발열 방지 기술, 고신뢰성 엔코더 장착 기술, 저속·고토크 구조 및 제어 정밀성 기술, 관련 특허 등 핵심 기술을 소개했다.  

사진. 모터114

 

1. 기술적 매개 변수 설계

빠른 응답, 작은 회전 관성, 큰 과부하 토크, 작은 토크 변동, 높은 효율성 및 저속에서의 안정성을 포함한 로봇의 기능에 따라 구체적인 기술적 매개 변수는 정격 전력 Pn, 위상 수, 역률 λ, 로터 외경 R0, 토크 과부하 배수, 정격 전압 Un, 정격 속도, 효율성 η, 코어 길이 l, 토크 변동 등이 설계시 주요 고려 사항들이다.

 

2. 모터 크기

모터의 주요 크기는 동력, 속도 및 토크와 관련이 있다. 모터 크기에 영향을 미칠 수 있는 주요 매개 변수로는 스테이터(Stator) 내경, 철심 길이, 정격 속도, 자극호 계수, 전력 및 공극 자기장의 폼팩터 등이 있는데 정격전압에 따라 코일의 와인딩(Winding)이 달라져 모터의 토크와 속도가 변한다.

 

3. 영구자석(마그네트)과 모터 성능

1) 영구자석 선택의 중요성
외측 로터 브러시리스 허브 모터는 기계적 감속기를 대체 사용코자 저속 및 높은 토크 특성을 가지고 있어 영구자석의 선택이 특히 중요하다.


허브 모터가 구동되면 구리와 철이 차지하는 공간 등 내부 공간에 전자기장이 생기고, 이 전자기장은 스테이터와 로터의 전류에 의해 생성된다. 모터의 성능은 전자기장의 분포, 변화 및 서로 다른 매체 내 전류와의 상호 작용에 의해 결정되므로 허브 서보모터를 설계하고 분석할 때 가장 중요한 것은 모터의 전자기장을 고려하는 것이다.

 

사진. 모터114


모터는 전자기 유도 법칙에 따라 전기 에너지를 회전에너지로서의 변환이나 전달을 실현하는 전기기기로서 이때 자석은 모터에 고정된 자기장을 생성하고, 코일은 자기장을 따라 움직이며 전류를 발생시키는데 이를 전자기 유도라고 한다. 정전력의 경우, 자석의 자력이 강할수록 모터의 토크는 커지지만 속도는 낮아진다. 반대로 자석의 자력이 약할수록 모터 속도는 빨라지고 토크는 작아진다. 특정 자기장 강도에서는 자석의 자력이 강할수록 모터 성능이 향상된다. 그러나 코일의 자기장 강도가 일정 값을 초과하면 모터에 미치는 자석의 영향이 줄어든다. 모터에 있는 자석의 자기 크기는 자석이 출력하는 전력과 관련이 있는데 일반적으로 자력이 클수록 출력 전력도 커진다.


허브 모터의 핵심 부품으로 자석의 수요가 매우 높다. 현재 대부분의 중소형 휠 인 허브 서보모터는 NdFeB 영구자석을 사용한다. 
자석 등급에 따라 최대 에너지 생성량과 보자력이 다른데 즉, 부피가 같은 자석의 성능이 다르고 자석 등급이 높을수록 성능이 좋아진다. 자석을 선택할 때 무작정 강한 자력을 추구할 것이 아니라 자석의 적용 목적도 고려해야 한다. 자력이 과도하면 자력이 낭비되고 제조비용이 너무 높아지므로 자석의 크기까지 고려해 비용 낭비를 방지하고 크기에 따라 적절한 자기 등급을 선정할 수 있다. 

 

사진. ZLTECH


참고로 숫자 뒤의 글자와 자석 비자기 온도도 다르고, 자석 에너지 생성량과 보자력도 다를 수 있다. 예를 들어 N35H의 최대 작동 온도는 120℃이지만, 일반적으로 80℃에서 어떤 비자기 현상이 나타나는데 반해, N35SH의 최대 작동 온도는 150℃이지만, 일반적으로 130℃에서 약간의 비자기 현상이 나타난다.

 

2) 영구자석 재료
영구자석의 자력이 강할수록 모터의 토크도 커지므로 자력이 강한 영구자석이 선호되는데 현재 외측 로터 브러시리스 허브 모터에는 NIB(네오디뮴철붕소) 영구자석이 사용되고 있다.

 

3) 영구자석 두께
영구자석의 두께는 포화 계수, 공극 계수, 공극 자기 밀도, 평균 공극 길이, 진공 투과성 및 모터 성능과 밀접한 관련이 있는 외부 자기 회로의 고유 보자력에 영향을 미친다. 동시에 전력 성능과 비용을 고려하고, 필요한 공극 자속 밀도에 따른 자기 회로 계산을 통해 가장 적합한 영구자석 두께를 선택하는 것이 효율적이다.

 

4. 전기자 설계

1) 전기자 슬롯(Slots) 수
영구자석 브러시리스 DC 모터에서 슬롯을 더 많이 사용하면 코일의 회전수를 줄일 수 있으며 정류에도 유용하다. 그러나 슬롯의 단열재 증가와 슬롯 활용률 감소로 루트가 너무 좁아져 모터 성능에 영향을 미칠 수 있다.

 

2) 전기자의 구조
외측 로터 브러시리스 허브 모터에서 가로와 세로의 비율 선택은 모터의 성능과 경제성에 큰 영향을 미친다. 주요 요인에는 파라미터, 온도 상승, 관성 모멘트, 구리 소비량 및 로터의 기계적 강도가 포함된다. 숏 샤프트(Short Shaft)와 롱 다이어미터(Long Diameter) 전기자 구조는 가느다란 구조의 모터보다 제조가 용이해 생산효율 개선에 유리하다. 동시에 로터는 관성 모멘트가 커서 모터의 고유 주파수에 가까운 모터 토크의 강제진동 주파수로 공진을 피할 수 있고, 부하변동에 따른 진동의 진폭도 제한할 수 있다. 이는 축이 짧고 직경이 긴 전기자 구조가 선호되는 이유다.


ZLTECH는 브러시리스 외측 로터 허브 모터에 1,024라인 또는 4,096라인의 광학/자기/앱솔루트 엔코더가 장착되고, 용도별로 4~16인치 크기와 1~80Nm 토크를 가지는 휠 인 모터의 라인업을 제공한다. 이에 따라 페이로드 50~500㎏의 부하 용량과 전용 드라이버의 벡터제어를 통한 ±1RPM 이내의 저속 제어 성능을 갖춤으로써 자동 충전 시 도킹의 안정성을 구현한다.

 

사진. ZLTECH

 

5. 타이어(Rubber/PU)

정격 타이어를 선택할 경우 주요 고려사항은 타이어 재료(고무 및 폴리우레탄), 트레드 패턴, 쇼어 경도(Shore Hardness), 사용 수명, 마찰, 지면에 흔적이 있는지 여부 등이며, 일반적으로는 로봇의 무게와 기준 도로 조건이다.


폴리우레탄 타이어는 하중지수와 마모지수 측면에서 큰 장점을 가지고 있으므로 클린 룸 등 깨끗한 실내 구동 환경에서 운용되는 고하중 산업용 AGV 구동부에 적합한 선택이다. 반대로, 고무 타이어는 실내 및 실외에서 다양한 노면 조건하에 운전하는 저하중 AGV 및 서비스로봇 구동부에 적절하다. 


폴우레탄 타이어는 고무 타이어 대비 내부에서 발생한 열을 외부로 빠르게 발산하지 못 하지만, 일반적으로 정격 운전 온도의 상한선은 80~90°C이며, 그 이상 온도가 올라가게 될 경우 피로 저항 및 굴곡 강도와 같은 물리적 특성이 급격하게 악화돼 타이어가 조기 파손된다. 고무 타이어의 경우는 최대 90°C까지 응용가능하다


타이어의 접지력 성능은 타이어를 평가하는데 있어서 큰 비중을 차지하는 요소 중 하나이다. 폴리우레탄 타이어와 비교해, 고무 타이어는 훨씬 높은 수준의 접지력을 가지고 있다. 특히 주의할만한 사용 환경은 노면이 물기로 젖어 있는 조건에서의 AGV 주행으로, 폴리우레탄 타이어 보다 높은 접지력 특성을 보이는 고무 타이어 사용 시 더욱 안정적으로 주행할 수 있다.


AGV 및 서비스 로봇 운전 시 높은 정밀도와 부드러운 운전을 구현하려면 필히 알맞은 타이어 소재를 선정하는 것이 필수적이다. 또한 스티어링(Steering) 시 마찰력 등 다양한 운행 애플리케이션별 요구사항이 제품 설계 단계에서 반영돼야 한다.

 

사진. 모터114


ZLTECH는 고신뢰성 제품으로 해외 고객들인 에이비비(ABB), 소프트뱅크(Softbank), 시아선(SIASAN), 푸두(PUDU), 베어로보틱스(Bear Robotics) 등에 양산품을 공급하고 있으며, 저전압 서보 기술력을 바탕으로 개발된 다수의 특허를 수년 전부터 국내외에 출원 중이다. 이는 기본 설계특허로서 발열 대책 및 엔코더 구조 등에서 회피가 매우 어려워 다수의 경쟁업체들의 모방 개발 시 적극적인 소송으로 지적재산권을 보호하고 있다. 
 

ZLTECH 휠 인 허브모터 출원 특허
1. Outer Rotor Motor Brake System and Low-speed Motion Device
2. Magnetic Sensor Outer Rotor Motor
3. Rotor Unit with Split type Sealing Design of Outer Rotor Motor
4. Novel External Rotor Motor
5. Structure of Circuit Board and Stator Main Shaft of Outer Rotor Motor
6. Novel Sensor Outer Rotor Motor
7. Magnetic Encoding Sensor Outer Rotor Motor and Assembling Method Thereof
8. Heat Dissipation Integrated Motor
9. Anti-interference Integrated Motor

공개일자 2016. 1~2020. 6, 총 17개 중 일부

 

AGV와 배달로봇 산업이 급속도로 발전함에 따라 자동배송업계는 향후 허브 서보모터의 토크, 부피, 비용에 대한 요구사항이 더욱 엄격해질 전망이다. ZLTECH 측은 “앞으로도 제품 디자인과 생산 기술을 최적화하고, 제품 소재와 성능을 지속적으로 개선하며, AGV와 로봇 산업에 탄력을 불어넣고, 모바일 로봇 산업을 견인할 것”이라고 강조했다. 
 

필자

(주)모터114 기술연구소 전용철 상무

정대상 기자
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