전문가들은 세계적인 경제 불황에도 전동기 산업은 매년 10% 정도 꾸준하게 성장할 것으로 전망한다. 그 이유로 ▲최저 효율제(MEPS)로 말미암은 고효율 전동기로의 개체改替▲유압, 운송 기기의 유압 컴프레서와 내연기관을 전동기로 대체 ▲고정밀 위치 제어를 요하는 분야에서 직구동 전동기의 수요 증가 등을 꼽는다. 특히, 전동기는 기존 활용 분야뿐만 아니라 새로운 응용 분야로 그 범위를 넓히는 추세다. 그러나 우리나라는 전동기 생산액보다 수입액이 더 많고, 수입이 수출의 3배 이상이며, 기술 부족으로 극심한 무역 적자 현상을 나타낸다. 수입은 값비싼 특수 전동기가, 수출은 값싼 산업용 전동기가 주를 이룬다. 이에 따라 정부는 수입 대체 가능한 전동기부터 개발해 내수 시장을 넓히고, 이를 바탕으로 해외 시장을 개척하기로 했다. 《온실가스 감축 기술 전략 로드맵 2011- 전동기》에서 밝힌 전략 품목은 슈퍼 프리미엄 전동기(IE4), 고속 전동기, 직구동 전동기 등이다.
전기산업진흥회는《2012 국내외 전기산업 동향 및 전망》에서 2012년 우리나라 전기 산업이 경제 성장률 하락, 건설 및 사회간접자본(SOC)사업 감소, 원화 강세, 대수요처인 한전과 발전 자회사의 경영 적자로 말미암은 투자 불확실로 고전할 것으로 전망했다. 반면, 전동기 부문은 정부의 최저 효율제 시행에 따른 프리미엄급 전동기 보급확대로 2011년 대비 24.6% 증가할 것으로 전망했다.
국제에너지기구(IEA)는 플랜트 산업의 핵심 동력 장치인 고압 유도 전동기의 2015년 세계 시장규모를 30조 원 이상으로 예상했다. 고압 전동기는 최근 유럽, 중동, 중국, 인도 등을 중심으로 세계 시장 규모가 급증하는 추세다. 고압 전동기 세계 시장점유율이 높은 기업은 지멘스, ABB, 히타치 등 대기업과 중국 등의 신생 기업이다. 국가별로 독일, 일본, 프랑스, 영국, 스웨덴 등이 70% 이상을 점유한다.
우리나라 전동기 산업은 약 1조 원 규모로 효성중공업, 현대중공업, 하이젠모터 등 대기업과 중견기업이 고마력 · 고효율 전력 산업용 전동기 시장의 70∼80%를 점유한다. 그리고 에스피지, 일진중공업, 을지전기, 시대전기, 태양전기, 신명전기 등 중소기업이 저가 범용 소형 전동기 시장에서 경쟁하는 형태다. 대기업은 제작 및 생산 체계를 갖추고, 세계적인 영업망을 구축해 마케팅을 펼치는 반면, 중소기업은 협력 업체 형태로 고압 유도 전동기 제품 생산 시 코어 설계, 금형 개발, 회전자 다이캐스팅, 프레임 제작 등 부품을 제조해 완제품 주요 생산 업체에 공급한다. 또한, 핵심 부품 소재와 고정자 권선 절연 설계 등은 전문 소재 및 전문 기술 업체에서 담당하며, 관련 부품을 주요 생산 업체와 중소 협력 업체에 제공한다.
한국전기연구원은 "2010년 시행한 전동기 최소효율제 표시제에 따라 산업용 유도 전동기 시험이 증가하는 추세다"면서, " 정부에서 녹색 산업을 신성장 동력 산업으로 지정해 지원함에 따라 고효율 또는 프리미엄급 전동기 개발이 활성화돼 동 다이캐스팅 유도 전동기 연구 개발과 특수용 전동기인 초고속 영구 자석 전동기 시스템(15㎾, 12만rpm) 등의 연구 진행도 활발하다"라고 밝혔다.
고효율 전동기 기술 개발 현황
 ■ 최처 효율제 시행에 따른 고효율 유도 전동기 상용화 기술 개발(0.75㎾∼7.5㎾)
- 에너지자원기술개발사업(2007. 10∼2010. 9)
■ 프리미엄급 고효율 유도 전동기 개발
- 에너지자원기술개발사업(2008. 10∼2011. 9)
•프리미엄급 고효율 삼상 유도 전동기 개발
•프리미엄급 고효율 단상 유도 전동기 개발
•프리미엄급 고효율 유도 전동기용 다이캐스팅 기술 개발
■ 37㎾ 이하 공용 코어 기술 개발 - 에너지자원기술개발 사업(2009. 6∼2012. 5)
•37㎾ 이하 공용 코어용 고효율 유도 전동기 기술 개발
•37㎾ 이하 공용 코어용 고효율 유도 전동기 금형 기술
개발
■ 슈퍼 프리미엄급 동 다이캐스팅 제어용 유도 전동기 및 산업용 유도 전동기형 동기 전동기 개발 - 에너지자
원기술개발사업(2010. 6∼2013. 5)
■ 30㎾ 이하 다중 게이트 방식 동 다이캐스팅을 이용한 고속, 고효율 삼상 유도 전동기 개발 - 에너지자원기술
개발사업(2010. 6∼2013. 5)
※ 자료 : 대한전기협회, 《2011 전기연감》, <제4편 전기기기산업> |
  전동기 기술 전략 로드맵
에너지기술평가원의《온실가스 감축 기술 전략 로드맵 2011-전동기》를 보면, 2010년 기준 전동기의 국산화율은 67%, 기술 수준은 63%다. 세계 시장을 개척하려면 각국의 최저 효율제 시행에 대응하도록 효율을 조속히 개선해야 하며, 희토류와 자성磁性재료 가격 상승에 따른 전동기 가격 상승에 대비해 저가격 신재료 개발이 필요하다.
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에기평은 전동기 로드맵에서 중소 · 중견기업 대상 전략 품목과 핵심 기술을 선정했다. 중소 · 중견기업은 핵심 기술을, 대기업은 시스템 통합 · 조정기술을 개발해 국내 중소기업 제품의 활용도를 높이는 것이 목표다.
슈퍼 프리미엄급 전동기(IE4)는 효율이 평균적으로 일반 효율 전동기(IE1)보다 7∼8% 높고, 고효율 전동기(IE2)보다 3∼4% 높고, 프리미엄 전동기(IE3)보다 1∼2% 높다.
고속 전동기와 전력 변환 장치로 이뤄진 고속 전동기 시스템은 고속 회전을 이용해 일반 산업용 전동기 대비 소형 · 경량, 고출력, 고효율 성능을 얻는 전동력 구동 장치다. 일반 산업용 전동기의 최고 속도는 2극기의 경우 최대 3600rpm인데, 이를 초과하면 고속 전동기로 분류한다.
직구동 전동기(Direct Drive Motor)는 고토크 · 고정밀 위치 제어가 필요한 공작 기계 등에서 시스템 효율 향상, 비용 절감, 신뢰성 향상, 반복 정밀도 향상을 위해 기계적인 감속 없이 직접 구동하는 전동기다. 일반 전동기로 고토크 부하를 구동하려면 감속기어를 사용해야 하고, 백래시Backlash(기어의 회전을 원활하게 하기 위해 맞물린 이와 이 사이에 두는 틈새)에 의한 정밀 위치 제어가 어렵다. 이때 직구동 전동기를 사용하면 기어가 없어져 유지 보수 측면에서 유리하며, 정밀하게 위치를 제어할 수 있다.
전략 품목과 사업화 전략
전동기 로드맵 방향은 ▲세계 효율 기준에 신속하게 대응해 세계 표준 선도 ▲새로운 응용 분야 기술 선도 ▲동 다이캐스팅 기술, 고속 베어링 기술, 고정밀 위치 센싱 기술 등 원천 기술 확보로 전동기 산업 기술 경쟁력 확보 ▲전동기 산업을 수출 주도 산업으로 육성 ▲고효율화(슈퍼 프리미엄급 전동기), 고속화(고속 전동기), 고정밀화(직구동 전동기)로 구분해 기술을 개발하는 것이다.
사업화 전략은 ▲슈퍼 프리미엄급 고효율 삼상 유도 전동기 - 국내 시장에 보급해 실증 및 수출 경쟁력 확보, 동 다이캐스팅 및 전기 강판 양산 기술을 확보해 제품 경쟁력 강화 ▲고속 전동기 - 고속 베어링 개발 및 출력 밀도 향상 제품의 수출 경쟁력 강화, 고속 전동기 응용 분야 발굴로 시장 확대 ▲직구동 전동기 - 저가 · 고정밀 센서 기술 확보로 국산화율 증대, 고정밀 · 고토크 제품 개발로 시장 경쟁력 강화 등이다.
 슈퍼 프리미엄급 고효율 삼상 유도 전동기
선진국을 중심으로 최저 효율제를 프리미엄급 전동기로 확대함에 따라 리베이트 대상 슈퍼 프리미엄급 전동기에 대한 수효는 꾸준하게 늘어날 것으로 보인다. 산업용 교류 전동기를 중심으로 2015년 유도 전동기 세계 시장은 약 38조 800억 원 규모로 추산한다. 우리나라 유도 전동기 제조업체는 30여 개이며, 그중 고효율 에너지 기자재 인증을 받은 업체는 효성중공업, 현대중공업, 하이젠모터, 에스피지, 시대전기, 을지전기, 일진중공업, 태양전기 등이다(2011년 11월 기준).
슈퍼 프리미엄급 전동기는 동 다이캐스팅 등의 제작 기술에 따른 비용 상승, 영구 자석 전동기에 필요한 희토류 가격 상승, 자성 재료의 전반적인 가격상승 등으로 말미암아 제작비가 높아졌다. 이에 따른 전동기 가격 상승을 상쇄하도록 비용 효율적인 기술 개발로 경쟁력을 높여야 한다. 전자계, 열, 구조적 설계 기술과 더불어 안정된 제작 기술, 기존 알루미늄 다이캐스팅 기술에서 동 다이캐스팅 기술로의 전환이 필요하다.
고속 전동기
국내외 고속 회전기 시장은 터보 기기, 터보 펌프, 공작기계용 고속 스핀들 전동기, 플라이휠Flywheel 에너지 저장 장치, 연료전지용 공기 공급 장치 등의 제품에서 초기 단계다. 정확한 시장 규모는 아직 밝혀지지 않았으나 세계 시장은 약 1조 원 규모로 추산한다.
고속 회전기의 연구 개발은 정부 출연 연구소 중심으로 이뤄지며, 대학이나 산업계는 미진하다. 고속 회전기를 응용한 터보 기기를 삼성테크윈, 한국 터보, 뉴로스에서 출시했다. 삼성테크윈은 150HP, 6만 5000rpm급 터보 압축기에 미국 칼네틱스Calnetix 사 고속 회전기를 전량 수입해 적용했으나, 2005년부터 스테이터Stator 조립체를 국산화해 사용하기 시작했다. 뉴로스는 한국전기연구원의 기술 이전을 통해 수만rpm, 300HP 이하급 터보 송풍기를 국내외 시장에 출시했다.
고속 전동기는 일반 전동기와 다른 손실 분포를 가지므로 전자계 설계 단계에서 충분한 고찰과 연구가 필요하다. 고속 회전체에 대한 안전한 기계적 구조를 전자계 특성보다 우선시하기에 기술력 확보의 성패는 오랜 기술 검증과 경험, 충분한 연구 인원이 좌우한다. 고사양 고속 전동기 기술을 확보하려면 설계 기술뿐만 아니라 고강도 전기 강판 제조기술, 베어링 기술(속도 제한), 전력 전자 소자(전동기 출력 제한), 냉각 기술(고출력 제한) 등을 모두 융합해야 한다.
 직구동 전동기
소형 정밀 분야 공작기계와 전동 프레스 인덱서Indexer 등 고출력을 요하는 동력 부분에서 직구동화하는 추세다. 기어를 없앨 수 있다는 점과 고정밀 위치 제어가 가능하다는 특성으로 연구자들의 관심이 높다. 반면, 현재 시장 진입이 쉽지 않고, 기술적 위험도가 높으며, 관련 산업이 발전하지 않아 우리나라는 생산 업체가 제한적이며 기술자도 부족하다. 최근 저스텍과 LS메카피온에서 토크 50Nm 이하, 출력 1㎾ 이하 직구동 전동기를 출시했으나, 그 응용 시스템은 FA(factory Automation), 반도체, FPD(Flat Panel Display) 분야에 치우쳐 있다.
일반 전동기를 직구동 전동기로 대체하는 데 필요한 기술은 고신뢰성과 고효율화다. 고신뢰성은 베어링 설계 기술과 냉각 기술을, 고효율화 설계는 고집적 권선 기술과 신소재 응용 기술을 개발해야 한다. 또한, 직구동 전동기의 제어 성능을 높이려면 고분해능 엔코드 기술과 정밀 제어 알고리즘 구현 기술 개발이 필요하다. 이러한 제어 기술을 확보하려면 전동기 설계 단계부터 직구동 전동기 제어 특성을 고려하고, 전동기 설계 기술과 제어 기술을 융합해야 한다.
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전동기 기술은 고출력화, 고효율화, 고정밀화로 발전하는 추세다. 특히, 친환경 고효율 전동기 시장은 에너지 절감과 CO2 저감에 대한 관심 증대로 지속적으로 증대할 것이다. 고효율 전동기로 화석연료 사용을 줄이고, 온실가스 저감과 에너지 절약효과를 기대할 수 있기 때문이다. 에기평은《온실가스 감축 기술 전략 로드맵 2011-전동기》에서 "기준 효율 이상의 전동기에 대해 고효율 전동기로 분류해 생산과 보급을 장려하고, 세계 시장 점유율 확대를 위한 지원 방안을 마련해야 한다"면서, " 슈퍼 프리미엄급 고효율 전동기에 도달하려면 최저 효율제의 사후 관리가 지속적으로 이뤄져야 하며, 현재 최저 효율제 기준인 고효율 전동기 보급을 정착하려면 선진국처럼 2015년에 최저 효율제 기준을 프리미엄급 고효율 전동기로 상향해야 한다"라고 제안했다.
한국전기연구원 전동기 보유 기술
동 다이캐스팅 프리미엄 전동기
  한국전기연구원 구대현 박사 연구팀이 2008년에 국내 최초로 개발한 '동 다이캐스팅 프리미엄 고효율 전동기'. 2005년부터 3년간 지식경제부 · 에너지관리공단의 과제 지원을 받아 ㈜시대전기, ㈜에스피지, ㈜성신 등 전동기 제조업체와 협력해 미국, 유럽 등 선진 제품과 비교해 10~20% 중량이 가벼우면서 동등 이상의 성능을 갖는 프리미엄급 고효율 전동기를 기존 알루미늄 다이캐스팅 기술과 새로운 동 다이캐스팅 기술을 이용해 개발한 것이다. 개발 당시 일반 고효율 전동기에 비해 효율을 높이고 체적을 줄이는 등 성능과 경제성 면에서 탁월하다는 평가를 받았다.
기술 특징 | 프리미엄급 고효율 전동기 개발에 있어 설계 기술, 해석 기술, 재료 기술, 생산 및 시험 평가 기술 등은 주요 기반 기술이다. 특히, 국내에서 처음 개발한 다이캐스팅 기술은 세계적으로도 고난이도 고부가가치 기술이다. 이러한 기술을 바탕으로 일반 효율 전동기에 비해 효율을 높이고 체적을 줄였다.
고토크 고추력 횡자속형 전동기
 한국전기연구원 강도현 박사팀이 2007년에 개발한 '고토크 고추력 횡자속형 전동기'. 횡자속형 전동기는 자력선이 흐르는 평면이 전동기 이동 방향과 나란하게 놓인 전동기다. 종자속형 전동기에 비해 3차원적인 자력선 구조를 가지므로 다양한 형태와 고출력 전동기 개발이 가능하다. 기존에 저속에서 고토크가 필요한 회전기 응용 분야의 경우, 고속 회전기에 감속기를 결합해 사용해야 했기에 시스템 크기가 증가하거나 유지 보수가 어려웠다. 강 박사팀이 개발한 횡자속형 회전기는 특수 전동기의 한 형태로 저속에서 상대적으로 큰 힘을 내는 구조이므로 직축 구동이 필요한 공작기계용 전동기, 자동 도어, 무대 장비용 전동기, 구역 내에서 운행하는 유 · 무인 전동 차량 전동기, 승강기 주전동기 등 다양한 응용 분야에 적용함으로써 감속기 추가 설치로 말미암은 문제점을 해결할 수 있다.
정밀 위치 제어용 특수 전동기
 한국전기연구원 정시욱 박사팀이 2011년에 개발한 자속 역전 선형 전동기(Flux Reversal Linear Motor). 선형 전동기는 반도체, IT, 디스플레이 분야 제조 설비에서 마이크로미터(㎛)급 정밀 위치 제어(1㎛=0.001㎜) 및 이송용 장비로 광범위하게 쓰인다. 그러나 영구 자석을 이용한 선형 전동기는 고정자에 값비싼 희토류 영구 자석(주로 소결 NdFeB)을 사용하는 형태기에 이송 거리만큼 영구 자석을 부착한 고정자를 사용해 영구자석 비용이 크게 증가하는 등 경제성에 한계가 있었다. 정 박사팀이 개발한 자속 역전 선형 전동기는 소량의 영구 자석을 이동자에 부착할 뿐, 고정자에는 영구 자석이 없는 형태다. 동일한 이송 거리를 기준으로 기존 선형 전동기보다 영구 자석의 사용량을 획기적으로 절감(최소 1/20 수준에서 수백분의 1수준)할 수 있어 대형화 추세인 선형 전동기 응용 시스템의 가격을 낮출 수 있다. 아울러 추력(선형 전동기의 진행 방향으로 작용하는 힘=추진력)의 변동이 적어 결과적으로 속도 변동이 적고 열을 적게 발산하는 특성으로 정밀 위치 제어용으로 적합하며, 고정자에 영구 자석이 없기에 철계 물질이 고정자에 부착되는 현상이 발생하지 않아 금속성 분진이 발생하는 곳에도 적용할 수 있다. |
<Energy News>
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