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[기술특집] 동(銅) 다이캐스팅 프리미엄 고효율 전동기

편집부 기자
입력 2009.01.14 15:03

동(銅) 다이캐스팅 프리미엄 고효율 전동기

▶ 개요 최근 배럴당 100달러가 넘는 초고유가 시대로 접어들면서 화석에너지 자원의 한계에 대한 인식과 더불어 이산화탄소 과다 방출에 의한 지구 온난화 문제가 심각하게 대두되고 있다. 또한 2005년 2월 16일 온실가스 배출 저감을 위한 교토의정서가 발효됨으로써 에너지 소비 규모가 세계 10위인 우리나라의 경우 향후 에너지 자원의 효율적 사용에 대한 종합적이고 체계적인 정책 준비가 절실한 실정이다. 이러한 배경에서 우리나라에서 생산되는 총 전력의 40% 이상을 차지하고 있는 유도전동기의 고효율화는 반드시 필요하다. 고효율 유도전동기는 일반 유도전동기의 발생 손실을 저감시키는 것으로, 적은 소비전력으로 에너지를 절약할 수 있고 운전비용이 낮아 단기간에 초기 설비 투자비용 회수가 가능하며 온도 상승이 크지 않아 전동기 수명을 연장시킬 수 있다. 특히 동(銅) 다이캐스팅 유도전동기의 경우 유도전동기 고정자는 그대로 사용하고 회전자 알루미늄 바 재질만을 동으로 교체함으로써 기존 알루미늄 다이캐스팅 제조 공정을 크게 바꾸지 않고도 전동기 효율을 3~5% 정도 높일 수 있다. 이로 인해 예전부터 많은 주목을 받아 왔으나 동과 알루미늄은 용융점이 400℃ 이상 서로 차이가 나므로 동 다이캐스팅 기술 상용화에 많은 어려움을 겪고 있었다. 현재 전 세계적으로 동 다이캐스팅 기술 개발을 위한 연구 및 상품화가 활발히 진행되고 있는 실정이다. 국내에서도 동 다이캐스팅에 대한 체계적이고 독자적인 국내 연구 개발이 필수적이다. 이에 따라 한국전기연구원에서는 2005년부터 동 다이캐스팅 기술을 적용한 프리미엄급 고효율 유도전동기를 산 · 학 · 연 공동으로 개발 중이다.

▶ 동 다이캐스팅 프리미엄 고효율 유도전동기 1. 프리미엄급 고효율 유도전동기 개발된 지 100년 이상의 역사를 가지고 있는 유도전동기는 그동안 특성 향상, 소형, 경량화, 저소음, 저진동화, 가격 저감 등이 실현되어 가정용에서 산업용까지 여러 용도에서 구동용으로 가장 널리 사용돼 왔다. 지난 수십 년간 유도전동기 기술을 살펴보면 1930년대 NEMA 445 Frame의 50HP 출력 전동기가 지금은 200HP의 출력을 내고 있으며, 이러한 유도전동기의 기술 발전은 설계 기술, 재료기술, 가공 기술, 전력변환 기술 등 전동기 관련 요소 기술의 진보에 기인한다. <그림 2>에서 알 수 있듯이, 20HP 유도기의 경우 이상적인 유도전동기의 효율이 100이면 프리미엄 고효율 유도전동기는 일반 고효율 유도전동기보다 2~3% 효율이 높아, 전세계적으로 그 개발에 주목하고 있는 전동기다.

2. 유도전동기 손실 유도전동기 효율을 향상시키기 위해서는 무엇보다도 손실에 대한 정확한 분석 및 예측이 중요하다. 그러나 유도전동기의 손실은 복합적인 데다 세부적으로 아직 그 발생기구가 명확하지 않아 고정밀 예측 및 실험이 어렵다. 손실은 크게 고정손과 부하손으로 나눌 수 있다. 고정손은 각각 철손과 기계손으로, 부하손은 1차/2차 동손, 표류부하손으로 나눌 수 있다. <그림 3>은 유도전동기의 손실 분류, 구조 및 3.7㎾급 전동기의 손실 비율을 나타낸 예다. 동손은 도체에 전류가 흐름으로써 발생하는 줄열로, 동손을 줄이기 위해서는 도체 저항의 저감이 최대 포인트가 된다. 철손은 적층된 전기강판에 외부에서 회전자계가 인가되어 발생하는 손실로, 와전류 손실과 히스테리시스 손실로 이루어진다. 철손을 줄이기 위해서는 철손이 작은 전기강판을 사용하거나 가공 후의 강판을 열처리하는 방법이 있다. 표류부하손은 전동기 총 입력 에너지에서 출력 및 1차/2차 동손, 철손, 기계손을 뺀 나머지 손실이다.

이것은 부하 시 고조파 동손, 고조파 자속에 의한 철손 등이 복합적으로 작용하여 발생하므로 아직 그 원인이 명확히 규명되고 있지는 않다. 기계손은 전동기 운전 중의 베어링 마찰손, 냉각팬 풍손 등에 의해 발생하는 손실로서 전동기 냉각팬 지름을 작게하거나 적정 베어링 선정 및 윤활유 사용 등으로 손실을 저감할 수 있다. 3. 동 다이캐스팅 유도전동기 프리미엄 고효율 유도전동기를 개발하기 위해서는 저손실 강판 및 동 다이캐스팅 회전자 등의 새로운 재료 기술 도입이 필수적이다. 특히 동 다이캐스팅 유도전동기의 경우 고정자는 그대로 두고 회전자 재질만 기존 알루미늄에서 동으로 바꾸면 2차 동손을 약 40% 가량 줄일 수 있다. 이로써 전체 효율은 평균적으로 3.5% 향상되기 때문에 많은 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다. 또한 회전자 동손이 낮아져 회전자 발열이 줄어듦으로써 알루미늄 다이캐스팅 유도전동기보다 약 5℃ 정도 온도가 낮아지므로 전동기 수명이 연장되며, 사용자 입장에서는 전동기 교체 비용과 교체 주기가 줄어들어 기업 운용에 많은 도움을 얻을 수 있다. 그리고 동 다이캐스팅 유도전동기의 경우 기존 알루미늄 전동기와 비교해 볼 때 전동기 크기를 대폭 줄일 수가 있어 재료비 경감 효과도 얻을 수 있다. 현재 동 원자재 가격이 이전과 비교 시 대단히 많이 상승하여 동 다이캐스팅 적용에 걸림돌이 되고 있지만, 향후 에너지 고갈 시에는 반드시 적용해야 할 기술이라고 판단된다.

[그림 4] 동 다이캐스팅 유도전동기

▶ 동 다이캐스팅 유도전동기 개발 현황 1. 국내 프리미엄 유도전동기의 기반 기술로는 재료 기술, 해석 기술, 설계 기술, 생산 기술 및 시험평가 기술 등이 있다. 이전에 수행된 고효율 유도전동기 개발 과제와는 동 다이캐스팅 주조, 금형 기술, 손실 해석 기술, 다목적 최적설계 등의 기술에서 큰 차이점을 가지고 있다. 국내 생산 유도전동기의 경우 100㎾급 이하 전동기는 전부 알루미늄 다이캐스팅을 이용하여 생산하고, 100㎾급 이상 대용량의 전동기는 회전자를 동으로 제작하고 있지만 다이캐스팅 방법이 아닌 용접을 이용하여 제작하고 있다. 동 다이캐스팅의 경우 알루미늄에 비해 동의 녹는점이 상당히 높은 약 1083℃에 달하므로, 동의 열에 의한 다이 내부 열팽창으로 인해 다이 크랙이 생기는 등 상용화에 큰 기술적 어려움이 있다.

[그림 5] 동 다이캐스팅 회전자 시제품(2HP)

이에 따라 한국전기연구원에서는 2005년부터 동 다이캐스팅 유도전동기에 대한 기초 연구를 진행하여 <그림 5>와 같이 동 다이캐스팅 시제품을 제작했으며, 산·학·연 공동연구를 통해 2005년부터 2008년도까지 동 다이캐스팅 유도전동기를 포함한 프리미엄 유도전동기를 개발 중이다. 알루미늄 다이캐스팅 유도전동기로는 5HP, 7.5HP, 10HP급의 삼상 유도전동기 3모델과 1.5HP, 2HP, 3HP급 단상 유도전동기 3모델을 개발했다. 동 다이캐스팅 유도전동기로는 1.5HP, 2HP급 삼상 유도전동기 2모델(<그림 6>) 및 1/3HP, 1/2HP, 1HP급 단상 유도전동기 3모델(<그림 7>)을 개발 완료했으며, 선진사 대비 10% 이상 체적을 저감하는 동시에 목표 효율을 달성할 수 있었다. 2. 국외 ⑴유럽기술개발현황 European Commission이 만들어져 주로 전동기, 컴프레서, 팬, 펌프 등 시스템을 중심으로 에너지 효율을 향상시키기 위해 Motor Challenge라는 프로그램을 자발적으로 시행하고 있다. 이에 따라 프랑스, 독일, 이탈리아 등에서 동 다이캐스팅 전동기의 개발에 대한 국제 공동 연구가 이루어지고 있다. 특히 <그림 8>에서와 같이 프랑스 F사에서는 동 다이캐스팅을 이용한 유도기 개발에 성공하여 현재 상품화하고 있는 등 많은 연구와 실적이 나오고 있는 실정이며, 독일의 S사도 최근 개발에 성공하여 상용화하고 있다.

⑵미국기술개발현황 90년대 초반 에너지성 주도로 에너지정책법(EPAct)을 제정 시행하여 200HP 이하 대부분의 유도전동기를 대상으로 고효율 전동기 사용을 의무화하고 있다. 또한 NEMA(미국 전기기기 협회)에서는 <그림 9>와 같이 고효율 전동기의 기준보다 2~3% 정도 더 높은 효율의 프리미엄 유도전동기 규격을 제정하고 2011년부터 프리미엄 고효율 유도전동기를 일반화함으로써 보급 확대를 계획하고 있다. CDA(Copper Development Association : 미국 동 산업 협회)는 국가적 차원에서 산 · 학 · 연 공동 연구로 동 다이캐스팅 유도전동기의 손실과 효율 등에 대해 많은 실험과 연구를 활발히 진행하고 있다. 최근에는 제조원가 측면에서도 동 다이캐스팅 유도기가 일반 알루미늄 유도전동기에 비해 유리하다는 분석 결과까지 나왔다. ▶ 향후 과제 한국전기연구원에서 개발 중인 프리미엄급 유도전동기용 동 다이캐스팅 기술은 소용량 산업기기들 외에도 발전소, 선박용 엔진 등 대형 모터에도 적용이 가능하다. 국내 전동기 제조업체들의 제조공정 기술이 뛰어나므로 동 다이캐스팅 제품의 수입에 대한 대체 효과를 기대하며 국내 중소기업 및 대기업에서도 본격적인 생산 체제로 준비해야 할 것이다. 그러나 알루미늄에 비해 동의 녹는점은 상당히 높은 편인 약 1083℃에 달하므로, 동의 열에 의한 다이 내부 열팽창으로 인해 다이 크랙이 생기고 회전자 내부에 기공이 생기는 등의 기술적인 문제는 앞으로 동 다이캐스팅 프리미엄 유도전동기의 상용화를 위해 해결되어야 할 가장 큰 과제다. 또한 현재 큰 폭으로 상승한 국제 동 가격으로 인한 생산 원가 상승 부분도 신중히 검토되어야 할 문제다.