고효율 모터는 탄소 배출량을 줄이고, 에너지 소비를 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 그러나 모터의 전체 수명주기를 넘어선 성능의 최적화를 고려할 때, 다른 중요한 특징들 또한 고려돼야 한다. 이 특징들은 각 어플리케이션, 정확한 크기 그리고 베어링과 권선의 신뢰성 등을 고려할 때 모터가 얼마나 적합하게 사용될 수 있는지를 내포하고 있다. ABB는 고효율뿐만 아니라 극도의 신뢰성과 이용도를 제공하는 고품질의 모터를 생산하고 있다.
고효율 모터의 배경
고효율 모터는 에너지 비용과 탄소 방출량을 줄이는 데 일조하며 고객에게 중요한 이득을 제공한다. EU에서는 에너지 등급제도 도입을 통해 에너지 효율에 포커스를 맞추고 있다. 이 제도는 모터 효율 등급을 가장 높은 Eff1에서 가장 낮은 Eff3로 나누고 있다. 또한 이 제도는 시장에서 저효율 모터의 수를 줄이는 데 기여했으며, Eff1 등급은 효율마크뿐 아니라 품질의 일반적인 식별 표시로서도 이용되어 왔다. 현재 이 제도는 여러 제조사의 모터가 더 쉽게 비교될 수 있도록 효율 시험 방법을 통일하는 데 더욱 기여하고 있다.
ABB는 오랫동안 모터에 효율의 필요성을 주창해왔다. 그 착수단계부터 고효율 모터를 표준으로 채용함으로써 어떠한 추가 비용 없이 기성 제품으로 사용될 수 있도록 제공했다. 결과적으로 EU 제도가 도입될 때, 모든 ABB 모터는 표준 제품범위에서 가장 높은 2가지 등급의 효율(Eff1/Eff2)로 지정됐다. 좋은 기동과 동작 특성을 가지고 설계, 제작된 신뢰성 있는 모터는 효율 및 비용뿐 아니라 베어링, 슬롯 그리고 팬 설계, 온도 상승, 진동 그리고 소음을 포함한 많은 요인들 사이에 균형을 맞추고 있다. 정확한 균형만으로도 효율적이고 신뢰성 있는 고품질 모터를 만들어낼 수 있고, 최적화된 무게로 모터는 긴 수명을 지니게 된다. ABB는 효율적인 측면만 고려한 것이 아니라 모터의 수명 주기도 고려해, 그 수명이 다하더라도 이득을 최대화하고 비용을 최소화하는 방법을 찾고 있다. 효율뿐만 아니라 수명에 대한 고려는 제조사의 신뢰성을 높이고 모터의 유효성에 초점을 맞춘다. 에너지는 일반적으로 모터의 수명과 관련된 비용과 매우 큰 연관이 있다. 치솟는 에너지 값은 에너지 비용부분과 효율면에서 지속적으로 관심의 대상이 되어 왔다. 세계적으로 알려진 권위 있는 협회들은 여러 모터효율 관련 제도를 통해 산업 분야에서 사용자들이 고효율 모터를 사용하도록 소개하고 있다. 이러한 상황은 모터 제조업체들이 다른 성능면은 고려하지 않고 모터 효율 등급만을 향상시키도록 해 왔다. 이러한 국제적인 에너지 절감 정책에 부응해 우리나라도 고효율 제품을 장려하기 위한 국가적인 고효율 제품 정책을 수립, 시행하고 있다. 그 중 모터와 관련해서는 'MEPS'라는 최저 소비 효율제를 시행하고 있다. 이는 모터의 효율이 최소한 제시된 효율이상이어야 하며 ABB는 'MEPS'규정 조건의 모터를 생산하고 있다.
고효율 모터의 설계
ABB의 관점에서 볼 때, 전체 모터의 효율뿐 아니라 수명도 고려해 모터를 교체하는 주기 비용을 최소화하면서 효율적인 모터를 만들어 왔고, 그 핵심은 모든 설계와 제조단계가 고품질에 기초로 제품성능을 보증한다. 모터의 효율은 전기에너지를 얼마나 잘 유용한 일로 바꾸는가에 의해 결정된다. 손실되는 에너지는 열의 형태로 발생된다. 이러한 손실은 효율을 높이기 위해 반드시 감소돼야 한다. 전동기 손실은 주로 다섯 가지 종류로 나뉜다. 이 중 2가지인 코어의 ① 철손, ② 마찰손(풍손, 마찰손)은 무부하 손실로서 취급한다. 그러한 손실들은 부하와 관계없이 일정하기 때문이다. 부하 손실은 부하가 변함에 따라 그 값이 달라지는데 ③ 고정자동손, ④ 회전자 손실 그리고 ⑤ 표유 부하 손실이다. 모든 모터 손실은 설계와 구조에 의해 영향을 받을 수 있다. 즉 설계와 제작 과정의 품질로 인해 손실 값이 변한다. 코어의 철손은 코어 재질에서 자계변화의 저항을 이겨내는 데 필요한 에너지로 인해 발생한다. 설계자는 더 좋은 품질의 철을 이용하거나 자속밀도를 줄이는 코어를 연장함으로써 이 손실을 줄일 수 있다. 풍손과 마찰손은 공기저항과 베어링 저항에 의해 발생한다. 고효율 모터에서 이 손실들은 향상된 베어링과 밀폐 기술에 의해 줄일 수 있다. 팬은 냉각을 위해 충분히 커야 하지만 너무 크면 효율을 떨어뜨릴 수 있고 소음을 발생시킨다. ABB모터는 팬 사이즈와 피치가 최적의 결과로 설계된다. 부하에 의해 변화되는 손실 중 고정자 동손 'I²R'은 고정자 권선의 저항을 통해 흐르는 전류로 인한 열에 의해 발생한다. 이 손실을 줄이기 위해 권선 슬롯 설계를 최적화하는 방법이 있다. 고정자 적층은 자계의 세기를 최대화할 수 있는 균일하고 얇은, 낮은 손실의 철을 사용해야 한다. 적층된 강판은 주의 깊게 적층돼야 한다. 일반적으로 강판이 얇을수록 가격이 비싸고, 정확한 적층 기술이 필요하다. 회전자 손실은 회전자 전류와 철손에 의해 발생한다. 고효율 모터에서 이 손실은 낮은 저항을 발생시키는 회전자 봉과 끝링을 늘려 줄일 수 있다. 표유부하손은 부하 전류에 의해 유도되는 누설 자속에 의해 발생한다. 이는 슬롯 설계를 개선함으로써 줄일 수 있다.
모터의 신뢰성
가끔 사용되거나 치명적이지 않은 어플리케이션에서 동작하는 모터는 극도로 높은 신뢰성을 가질 필요는 없다. 반면 산업현장 그리고 작업 공정에서는 특히 그 신뢰성이 매우 중요하다. 오일, 가스 산업 혹은 제지 기계 운동에서 냉각 어플리케이션과 같이 연속운동하는 공정 시, 예상치 못하게 작업이 중지되는 경우 발생되는 손실이 일어나서는 안 된다. 단시간이라도 생산라인이 정지되면 많은 비용이 지출될 수 있다.
신뢰성은 또한 OEM 업체에 있어 모터를 사용하는 제품에 중요한 요소로 작용한다. 모터가 고장나면 OEM 제품은 신뢰할 수 없게 되고 그 OEM 제품에 대한 평판에 금이 갈 것이다. 신뢰성에 대한 ABB의 접근법은 효율에 대한 접근법과 같다. 고품질과 신뢰성은 특히 사용되는 재료의 품질에 의해 결정된다. 평균적으로 재질은 모터 비용의 55%를 차지한다. 제작 총 비용의 거의 절반이 재질에 들어가기 때문에, 가격을 싸게 하려는 제작사들은 재질에서 그 비용을 줄일 수 밖에 없고 결과적으로 신뢰성에 영향을 주게 된다. 모터에서 가장 일반적인 결함은 베어링과 권선이고, 이 부분들은 전체적인 신뢰성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 베어링과 권선의 온도 상승은 부품의 수명에 막대한 영향을 준다. 전부하에서 동작하는 고품질, 고효율 모터는 일반적으로 온도상승이 60~80도이지만, 저품질 모터에서는 100도까지 올라갈 수 있다. 온도상승은 고온에서 동작하기 위해 설계된 모터에서만 더 높이 올라갈 수 있고, 이러한 온도를 견딜 수 있는 적당한 절연시스템을 가지고 있어야 한다. 높은 신뢰성을 위해 우수한 품질의 베어링이 사용돼야 하며 제작자들은 이를 보장해야 한다. 설계자들은 어플리케이션과 부하에 알맞은 타입의 베어링을 선택해야 하고, 어플리케이션과 운전 조건에 따라 적절한 그리스 처방을 해야 한다. 그리스는 고온에서 성능(냉각 및 윤활)이 떨어지게 되기 때문에, 초과 온도 상승이 일어나지 않도록 하는 것이 중요하다. 이론상, 동작 온도의 10~15도 감소는 베어링 그리스의 수명을 두 배로 늘릴 수 있다. 고온은 권선의 수명에도 영향을 준다. 이같은 경우 고온에 의해 권선의 절연기능은 떨어진다. 동작 온도보다 10도 상승하게 되면 권선의 수명은 반으로 감소될 수 있다. 이같은 이유로 대부분의 모터는 Class F(섭씨 155도) 절연으로 제조되어지나, 운전 시 ClassB(섭씨 130도) 이상 올라가지 않게 설계된다. 온도상승은 현재 연구 중인 모터 성능 중 중요 요인이다. 권선의 신뢰성 중 중요한 요소는 전압에 대한 내구성이다. 이는 권선이 전한가를 측정하는 것이다. 일반적으로 권선은 약 100V의 전압 내구성을 지니고 있다. ABB 모터는 100V 혹은 더 높은 전압에서 견딜 수 있도록 제공될 수 있다. 이때 권선은 가변속 드라이브에 의해 발생되는 전압과 같은 고압 스파이크를 견뎌내야 한다. 신뢰성는 서로 다른 환경에서 조금씩 다르게 얻어질 수 있다는 것을 명심해야 한다. 예를 들어 오일이나 가스 산업에서의 모터 사용은 안전도가 사용자에게 가장 큰 관심사이다. 모터는 종종 극도의 열과 추위를 견뎌야 하는 매우 거친 환경에서 운용된다. 이는 습도나 먼지가 많은 곳 또한 포함된다. ABB는 극도의 상황이나 전통적인 산업 환경 모두에 대해 지원해 온 아주 오랜 경험이 있다. 이같은 경험을 바탕으로 ABB는 공인된 요구나 안전도 특성뿐만 아니라 모터 수명에 대해 효율적이고 신뢰성 있는 동작 특성을 만족시키는 높은 품질의 모터를 개발하고 제조할 수 있다.
향상된 성능을 지닌 고품질 모터
현대사회의 '동력'인 전기모터는 에너지 소비와 이산화탄소의 발산을 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 산업현장에서 소비되는 전기의 65%가 모터로 추정되고 이 모터를 동작시키기 위한 전기를 발생시키기 위해 3,700만 톤의 이산화탄소가 매년 발생한다. 이러한 숫자를 놓고 볼 때, 각 모터의 효율이 조금이라도 올라가면 세계적으로 긍정적인 효과를 가져올 수 있다.
사용자 또한 효율적인 모터를 구매함으로써 경제적인 인센티브를 가질 수 있다. 고효율 모터가 일반모터와 비교할 때 5~7%(큰 모터), 15~20%(작은 모터) 비싸더라도 이러한 투자는 에너지 소비를 줄임으로써 회복될 수 있다. 수명을 넘어선 모터가 사용하는 에너지는 구매가의 100배 정도의 비용이 소요된다. 효율은 성능면에서만 나타낼 수 있지만 에너지 비용은 모터의 전체 수명, 유지주기 비용의 한 부분이다. 신뢰성 - 그리고 열악한 신뢰성으로부터 나오는 유지 비용, 정지 시간 - 은 어떤 어플리케이션에서 더욱 중요할 수 있다. ABB의 축적된 경험과 전문적 지식은 회사가 효율, 무게, 온도상승, 소음 그리고 진동과 같은 여러 요소들이 최적화된 기동과 안정적인 동작을 위해 서로 유기적으로 조합되어 있다. 고품질 제품을 만들고 전체 수명주기 비용을 줄이기 위한 방법을 찾기 위해, 전력(Power) 및 자동화(Automation) 분야의 선두주자로 자부하는 ABB는 효율, 신뢰성, 수명 성능 등을 비롯한 모든 측면에서 세계 최고의 모터를 공급할 것이다.
저자 Roelof Timmer ABB Oy, Automation Technologies, Helsinki, Finland Mikko Helinko, Ritva Eskola ABB Oy, Motors Vaasa, Finland
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