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1. 개요 산업자동화 및 가정용 기기의 발달과 양적 팽창에 의해 환경파괴 및 지구온난화 등의 문제가 국제적 이슈로 대두되어 전기구동 시스템의 고효율화에 대한 요구가 강력해지고 있다. 특히 단상유도전동기는 널리 보급되어 총 전력량 중 많은 부분을 소비하고 있으며 주로 가전기기 중 냉장고, 에어컨, 선풍기의 팬용 혹은 컴프레서용으로 사용되고 있다. 또한 농·공업용의 펌프, 산업용 컨베이어시스템에도 단상유도전동기가 사용된다. 최근 유가의 상승과 에너지자원의 부족으로 인하여 가전기기 및 산업용 기기의 고효율화가 중요하게 다뤄지고 있으며, 이로 인하여 단상유도전동기의 고효율화가 필요해졌다. 또한, 선진국에서는 일정 수준의 효율을 갖추지 못한 제품에 대한 수입을 금지하고 있으며, 국내에서도 고효율 제품에 대한 여러 가지 규제 및 장려 정책을 통하여 고효율 제품 사용을 권장하고 있다. 단상유도전동기는 상용화된 전원을 변환장치 없이 직접 사용할 수 있다는 장점이 있어 산업자동화기기, 팬, 펌프 구동용 기기 및 가전(家電)의 전 분야에 걸쳐 동력원으로 널리 적용되고 있다. 하지만 그 수요가 높은 것에 비해, 단상유도전동기의 고효율화에 대한 개발사례는 거의 전무한 상태이다. 선진국의 관련업체들은 축적된 기술력을 바탕으로 하여 다양한 용량의 표준형 유도전동기 및 기어헤드 모터(Gear Head Motor)를 지속적으로 개발, 고품질화를 이루어 국내시장 및 해외시장을 점유하고 있다. 그러나 현재 국내에서는 단상유도전동기 설계 기술과 전문 인력이 부족하여, 가전은 LG, 삼성 등 대기업에서 자사의 전동기를 자체 생산하고 있고, 몇몇 중소기업만이 산업자동화용 단상유도전동기를 생산하고 있는 실정이다. 기술적인 측면에서 단상유도전동기의 효율 향상은 회로정수의 정밀한 산정 및 특성 해석을 통해 자기회로 최적설계로부터 이루어지지만, 유도전동기의 경우 그 특성은 기계적 치수 및 구조적 형상 뿐 아니라 재질과 메이커의 제조 공정에 따라서도 민감하게 변화한다. 따라서 단상유도전동기의 특성 해석의 신뢰성 확보와 효율 향상을 위한 설계를 위해서는 각종 회로정수들을 자사에 맞도록 현실화하는 것이 필요하므로, 반드시 현재 생산하고 있는 기업 주도로 단상유도전동기 설계·제작의 생산이 이루어져야 한다. 또한 전동기의 수출 지향적인 사업 전개를 위해서는 미국과 유럽 그리고 일본에서 적용하고 있는 고효율 전동기에 대한 의무 규제를 이행해야만 한다. 1992년 미국 에너지부(Department of Energy)에서 EPAct(미국의 에너지정책법)의 법제화가 발표되어 법률에 정해진 효율을 만족하지 않는 전동기에 대해 벌금을 부과함에 따라 1997년 10월 24일부터 규제가 적용되고 있다. 이 규제는 기준 효율치를 만족하지 않는 전동기나 전동기가 조립된 제품이 미국에서 생산·판매되는 것은 물론, 미국 이외의 국가에서 수입되는 것을 규제 대상으로 하고 있다. 일본에서도 1997년 10월부터 미국 에너지정책법에 의한 전동기의 효율 규제가 실시되고 있으며, 미국으로 수출되는 기계 등에 조립된 전동기에 관련 규제가 적용되면서 일본 산업계에도 고효율 전동기가 주목받고 있다. 국내에서도 에너지절약을 촉진하기 위해 에너지 효율관리 제도를 운영하고 있어 냉장고, 냉방기, 세탁기 등의 제품이 에너지소비효율등급 품목으로 지정되어 왔고, 2003년 단상유도전동기도 인증대상에 새롭게 포함되었다. 2. 원리 및 구조 단상유도전동기의 구조를 <그림 1>로 나타내었다. 단상유도전동기의 설계 기술은 전동기를 구성하는 자성재료, 도전재료 및 각종 생산기술의 결합 등으로 이루어진다. 설계 기술은 자기회로 설계 기술과 열 발산구조 및 회전축의 정밀도 등 구조적 설계 기술로 나눌 수 있다. 자기회로 설계에 대한 기술은 고정자 및 회전자 철심 형상설계, 회전자 도체바의 형상설계를 통한 전동기 효율 향상 및 소음·진동 저감의 효과를 기대할 수 있다. 단상유도전동기의 경우, 3상 평형기와는 달리 불평형 자계, 진동 토크가 발생하므로 효율 향상과 더불어 진동·소음의 영향을 반드시 고려해야 한다. 본 연구에서는 단상유도전동기의 해석을 위해, 순 단상유도전동기의 운전 원리에서 보조권선을 적용한 일반 유도전동기의 등가회로 해석 방법을 고찰하였다. 또한 허용범위 내 오차를 수반하는 해석 프로그램을 제작하였으며, 해석 프로그램은 윈도우 환경으로 제작되어 설계 및 해석 시 사용자의 편의를 도모하였다. 단상유도전동기는 일반 3상 유도전동기보다 훨씬 많은 설계변수를 갖고 있다. 우선, 주권선과 보조권선 각각에 대해 권선경과 권수(turns)를 달리 설계해야 한다. 권선법은 동심권이므로 매 슬롯에 대해 권선의 배치를 결정해야 한다. 또한 중요한 설계 요소로 보조권선에 직렬로 연결되는 콘덴서의 용량이 있다. 마지막으로 회전자의 농형도체의 형상을 들 수 있다. 이같이 많은 설계 변수를 갖는 단상유도전동기의 설계를 위해서 다양한 최적화 기법을 적용할 수 있으나, 설계결과에 대해 전역 최소점(global minimum)에 대한 보장과 물리적 의미 전달이 힘들다. 따라서 본 연구에서는 단상유도전동기의 성능을 제약하는 역방향 회전자계의 제거 조건을 수학적으로 유도하였다. 이와 같은 수학적 최적조건에서 구현 가능한 물리적 최적조건으로 단계적으로 현실화하였으며, 이를 통해 설계변수의 개수와 범위를 최소화하고 최적의 설계안을 결정하였다. 고효율 단상유도전동기의 이상적인 운전 시, 기존 단상유도전동기에 비하여 월등한 성능을 발휘할 수 있으나, 이상적인 운전조건을 만족하기 위한 전동기는 제작이 불가능하다. 그래서 본 연구에서는 준평형 운전조건(Quasi-Balanced Operation) 설계 이론을 정리하였다. 준평형 운전조건이란 고정자 권선의 보조권선 저항을 실현 가능한 수준으로 결정한 뒤, 주권선과 보조권선의 기자력만을 같게 하는 방법이다. 준평형 운전조건 설계를 통하여, 평형상태와 유사하고 기존 대비 월등한 토크특성과 효율향상을 확인할 수 있었다. 또한, 준평형 운전조건 시 감소하는 기동성능 저하를 보완하기 위하여 기동과 크게 연관된 변수를 변동시킴으로써 기동성능을 만족하며 고효율을 유지하는 설계방법을 선택하였다. (<그림 2>, <그림 3> 참조) 또한 단상유도전동기 회전자 바(Bar)의 다이캐스팅 과정에서 알루미늄의 용융온도와 사출 압력은 회전자 바에 기포생성 및 성형에 중요한 변수이다. 실제 제작상의 재질 및 제작 조건에 따른 회전자 저항의 특성 개선 및 데이터 연구를 통하여 이론적인 설계 방법 이외의 부분을 개선하였다. 회전자 바의 도전율을 개선하기 위하여 알루미늄의 용융온도의 변화에 따른 특성을 검토하였다. 제작 조건은 온도별로 90W는 680℃, 700℃, 725℃의 조건으로 샘플을 제작하였고, 750W는 680℃, 710℃, 760℃의 조건으로 회전자를 제작하여 특성을 분석하였다. 또한 고정자의 변화에 따른 특성 변화를 고려하여 하나의 고정자로 회전자를 바꾸어가며 실험하였다. 3. 특징 및 효과 현재 각 나라에서는 산업기기에서 많이 사용하고 있는 단상유도전동기의 고효율 설계를 위하여 많은 노력을 쏟고 있다. 국내 현황을 살펴보면, 설계적인 측면에서는 일부 대학에서 성능 예측 및 효율 향상을 위해 해석 프로그램을 개발하여 설계에 적용하고 있기는 하다. 하지만 아직 전동기 생산을 위한 기계적 특성을 제대로 파악하지 못하고 있으며, 또한 재료의 분석 및 적용에 대한 백데이터(back data)가 부족한 상태이다. 일부 단상유도전동기를 생산하는 메이커에서는 전동기의 사양이 주어지면 경험을 바탕으로 치수를 결정한 후, 특성이 만족되지 못할 경우 치수 제원이나 재료를 변경해가면서 요구 특성을 만족시키는 시행착오적인 방법을 이용하고 있어 고효율을 위한 정확한 파라미터(parameter)를 산출하지 못하고 있다. 하지만 이번 연구를 통한 설계 기법에 의해 이론적이고 실제적인 방법을 정립하여 단상유도전동기의 고효율 설계를 달성할 수 있었다. 또한 이러한 단상유도전동기 고효율화 기법은 단상 뿐 아니라 3상 유도전동기에도 적용 가능하다. 이러한 자기회로 설계 기법은 개발종료 후, 유도기동형 동기전동기, BLDC 모터, 리니어 인덕션 모터(Linear Induction Motor) 등 산업용 전동기 전반에 적용할 수 있을 것이며, 에너지절감의 측면에서도 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다. 4. 제품개발 사례 개발 시작품 (1) 90W 모델 : (주)모터넷 인터내셔날 (2) 750W 모델 : (주)오양공조기 5. 향후 과제 본 과제의 주관 기업인 (주)모터넷 인터내셔날은 단상유도전동기 및 감속기, BLDC 모터, 스텝 모터(Step Motor)를 개발하여 양산하고 있으며, (주)오양공조기는 에어컨용 단상유도기, 산업용 팬 및 공장자동화용 모터를 양산하고 있다. 양산규모는 단상유도전동기 분야에서만 연간 6만 대로, 총 40억의 매출실적을 가지고 있어 고효율 단상유도전동기 개발 즉시 양산 가능하다. 또한 개발완료 첫해에는 약 160억, 2년차에는 300억 이상의 매출을 기대하고 있다. 현재 개발 목표 모델은 개발 종료와 맞추어 양산화 계획이 과제 수행 3년차에 제시되어 있으며, 매출 증가를 대비한 양산 설비 및 라인의 투자를 개발 종료와 맞추어 준비할 것이다. 또한 개발 모델 뿐 아니라, 본 과제의 기술을 소형 단상유도전동기 전 모델에 적용하여 세계 최초로 소형 고효율 단상유도전동기 시리즈(series)화를 시도할 예정이다.
<Energy News>
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