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[SPECIAL FEATURE ③] 인버터 구동 모터를 포함한 IE4, IE5에 대한 전망
2018년 4월 1일 (일) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2018년 4월호 - 전체 보기 )

[SPECIAL FEATURE ③]
인버터 구동 모터를 포함한 IE4, IE5에 대한 전망


모터 효율 규제가 강화되면서 영구자석 모터로 대표되는 고효율 모터가 주목을 받고 있다. 본고에서는 영구자석 모터와 이를 구동하는 인버터를 중심으로 산업기기의 에너지 절약화를 위한 대처 방안 및 최근의 동향을 소개한다.
정리 편집부

인버터의 활용
팬, 펌프, 압축기에 사용되는 일반 산업용 모터 분야에서는 새로운 효율 규격에 대응하기 위해 유도 모터의 고효율화, 나아가 고효율 영구자석 모터의 라인업 확충이 진행되고 있다([그림 1] 참조).
인버터는 상용전원(50/60Hz)에서 임의의 주파수 교류를 발생하는 장치로, 유도 모터의 가변속 운전 및 영구자석 모터의 구동에 필수적이다. 최근에는 공장의 IoT(Internet of Things)화에 수반하여 ▲고기능·고성능 ▲에너지 절약 ▲시스템 대응력 ▲기능 안전에 대한 대응 ▲사용 편리성 등이 요구되고 있다.
최신 인버터([그림 2] 참조)에는 직감적으로 조작이 가능한 컬러 액정 오퍼레이터를 채용하고 ▲각종 통신 방식에 대한 대응 ▲유도 모터·영구자석 모터 운전 시의 구동성 및 제어성의 대폭적인 향상 ▲국제적인 기능안전규격에 대한 표준 대응 등 다양한 기능을 탑재하고 있다. 일례로 펌프에서는 모터를 일정 속도로 구동하고 밸브로 유량을 제어하는 반면, 인버터에서는 모터의 가변속 제어를 실시함으로써 필요 동력, 즉 소비전력을 대폭적으로 절감할 수 있다([그림 3] 참조). 크레인 및 승강장치 등의 운반기계에서는 진동을 억제하여 원활한 안정 동작을 실현한다([그림 4] 참조).


인버터를 일체화한 모터
모터 설치 환경에 대응한 일체화 구조
산업기기에 인버터를 적용할 시의 하나의 과제로서 인버터를 격납하기 위한 제어반의 신설, 그리고 이를 위한 공간과 비용의 확보 문제가 있다. 이에 영구자석 모터에 인버터를 탑재한 컨트롤러 일체형 모터가 개발되고 있다.
컨트롤러 일체형 모터는 기존의 유도 모터 대신에 영구자석 모터를 적용해 소형화한 공간에 인버터를 탑재한 것이다([그림 5] 참조). 제어반이 불필요해지면서 기존의 유도 모터와 마찬가지로 상용전원을 단자대에 연결해 넣는 것만으로 운전이 가능하다. 치수는 유도 모터와 동등하며 기존의 기계를 변경하지 않고 모터를 교체할 수 있다. 또 모터 효율은 IE4다.
단, 모터에 인버터를 일체화하면, 모터에서의 열 및 진동, 비바람과 먼지 등 가혹한 환경에 노출된다. 이러한 점 때문에 인버터의 기판 및 전자부품을 모터의 하우징 표면에 분산 배치해 방열성(放熱性) 및 고정 강도를 향상시키고 있다. 회전축에 직결된 외선 팬은 바깥 커버에 의해 형성된 유로(流路)를 통해 인버터와 모터 표면에 바람을 흘려 주요 열원인 IGBT나 모터권선을 냉각시키고 있다. 또 주회로 기판 및 콘덴서를 수지로 밀봉함으로써 내진동, 내충격 강도의 확보, 방수·방습· 결로 대책을 취하고 있다.


펌프에 대한 적용 사례
컨트롤러 일체형 모터를 탑재한 HE 펌프의 소비전력을 [그림 6]에 나타냈다. 소비전력은 IE1 유도 모터+밸브 제어에 대해 55%, IE3 유도 모터+인버터 제어에 대해서도 6%의 절감이 이루어지고 있다. 또한, 이 펌프에는 기존의 제어반에 탑재되었던 수량(水量)의 수요에 따라 펌프의 운전 대수를 변화시키는 교호운전(交互運轉, alternating operation) 및 병렬운전과 수량(水量)이 적을 시에 펌프를 정지시키는 소수량 정지(少水量停止) 등의 고기능을 갖춘 전용 기판도 탑재되어 있다.


IE5를 달성한 어모퍼스 모터
재료의 특성을 감안한 모터 구조
이 장에서는 재료 및 생산, 설계 기술을 구사하여 모터의 고효율화를 도모한 일례를 소개한다.
어모퍼스 금속은 모터에서 일반적으로 사용되고 있는 전자강판에 비해 철손이 약 1/10로 작은 재료이다. 이미 리액터 및 변압기 등에는 폭넓게 이용되고 있지만, 모터에 대한 적용은 진척되고 있지 않다. 이는 얇고 딱딱한 어모퍼스 금속을 모터의 복잡한 철심 형상으로 가공하기 어렵기 때문이다. 그래서 2개의 회전자를 갖는 액시얼 갭 모터(Axial gap motor)에 착안하여 그 고정자 철심에 어모퍼스 금속을 적용했다. [표 1]에 일반적인 레이디얼 갭 모터(Radial gap motor)와의 구조 차이를 나타냈다. 액시얼 갭 모터의 고정자 철심은 축방향이 동일한 단면형상의 기둥체(柱體)로, 복잡한 가공을 하지 않고 비교적 용이하게 제작할 수 있다. 또, 액시얼 갭 모터는 모터의 축 길이가 짧은 경우, 토크에 기여하는 갭 면적이 레이디얼 갭 모터보다 크다. 이 특징을 살려 어모퍼스 모터에서는 고효율 영구자석 모터에 일반적으로 사용되는 희토류 자석을 채용하지 않고, 자기력이 1/3 정도로 낮은 페라이트 자석을 채용하고 있다.


생산성 향상 및 손실 저감을 도모한 철심 구조
기둥체 철심의 개발에 있어서는 절단, 적층 등 가공시간의 단축 및 철손의 저감을 도모했다. 철손은 철심의 가공이나 조립 시에 가해지는 응력에 의해 증가하기 때문에 모터로 조립된 상태에서 철심의 자기특성을 측정할 수 있는 평가기술도 개발했다. [그림 7]에 개발한 철심 구조를 나타냈다. 어모퍼스 금속박대를 절단·적층한 다음 수지제의 철심 유지 부재에 삽입함으로써 철심 형상을 구성하고 있다. 이에 의해 철심 자체가 응력 등의 외란을 덜 받게 되면서 저손실화가 이루어지고 있다.


재료의 특성을 고려한 정밀 설계

모터의 설계에는 액시얼 갭 모터의 3차원적 자계, 온도, 응력의 분포를 예측하기 위해 3차원 해석을 사용한다([그림 8] 참조). 자계 해석에 의해 모터의 손실 및 출력 토크, 전자력을 산출하고, 손실을 입력으로 하여 전열해석을 실시한다. 이로부터 구한 모터의 효율과 권선의 온도 상승이 목표치를 만족하는 경우, 응력해석(stress analysis)에 의해 수지부(樹脂部)의 응력이 온도특성 및 장기간 사용에 따른 열화를 고려한 목표치 이하가 되는 것을 확인한다. 자계 해석에서는 모터 조립 시의 철심 특성을 이용하여 손실을 정밀하게 예측함으로써 설계의 예상 마진을 줄이고 모터의 손실을 억제한 설계가 가능하다.
[그림 9]에는 시작기(試作機)의 외관 및 효율의 비교를 나타냈다. 2012년도의 시작기에서는 유도 모터 이하의 체격에서 1E4를 달성했다. 이어 철심의 손실 저감 및 모터 설계의 재검토를 실시한 2014년도의 시작기에서는 IE5을 크게 뛰어넘는 효율을 얻고 있다.
보다 높은 효율을 달성하기 위해 최신 재료특성의 진보에 주목할 필요가 있다. 최근에는 철기(鐵基, Iron -based) 어모퍼스 합금보다도 뛰어난 자기특성을 갖는 연자성(軟磁性, soft magnetism) 재료([그림 10] 참조) 및 고자력(高磁力) 페라이트 자석이 개발되어 모터에 응용되고 있다.


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