월간전기



[특별기고] 에너지 효율 향상 기술(1) 축방향 자속형 멀티 브러시레스 전동기 개발

2008-02-03

1. 개발 배경과 의의 최근 기존 에너지 자원의 한계에 대한 인식과 배럴 당 100$에 육박하는 초고유가 시대의 도래로 에너지 절약을 위한 효과적인 수단으로써 고효율 전동기가 큰 주목을 받고 있다. 특히 산업용 공작기계, 섬유기계, 전기자동차용 동력 장치, 엘리베이터, 로봇 동력장치 등과 같이 본질적으로 고토크, 고효율, 고신뢰성을 요하는 산업용 동력기기 부문에서는 기존의 감속 기어를 사용하지 않고 각종 시스템을 직접 구동할 수 있는 고토크 전동기의 수요가 급속히 늘어나고 있다. 인버터를 이용한 전동력 시스템은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 변환기기로서, 힘 발생 원리에 따라크게 유도전동기, 동기전동기, 직류전동기로 분류할 수 있으며, 저속 고토크 전동기 분야에서는 영구자석을 이용하여 전동기의 효율을 높이고 체적을 줄인 전동기 개발이 활발히 진행되고 있다. 축방향 자속형 전동기는 저속 고토크 분야에서 기존의 감속기를 사용하지 않고 직접 구동이 가능하므로 전체 시스템이 간단해지고, 유지 보수비가 많이 절감되며 자체적인 에너지 효율도 높아 에너지가 절약되고 설치 공간이 절약되는 장점을 가지고 있다. <그림 1> (a)는 일반 산업기기의 동력 장치 시스템을 나타낸 것이다. <그림 1> (a)의 부하장치에 고토크를 공급하기 위해서는 전동기를 고속 운전을 하고, 감속기를 사용하여 필요한 고토크를 얻는다. 이때 전동기의 고속 운전을 하기 위해서는 인버터에 높은 주파수를 발생하여 전동기에 인가하게 되는데, 이런 전동기의 고속 운전을 위한 주파수 상승으로 인해 전동기의 효율이 떨어지며 이때 발생하는 소음, 진동이 문제시된다. 또한 감속기 사용으로 동력 전달 효율이 낮아진다. <그림 1> (b)와 같이 직접 구동 방식의 축방향 자속형 멀티 브러시레스 전동기를 적용하면 감속기를 사용이 불필요하게 되어 에너지 전달 효율이 향상되고 유지보수가 쉽고, 신뢰성이 높은 시스템 구현이 가능해진다. 본고에서는 한국전기연구원, 일성기계, 동아대 산학연 공동연구로 수행 완료된 축방향 전동기의 성과 및 연구결과에 대해서 소개한다. 2. 원리 및 구조 기존의 원통형 영구자석 전동기는 <그림 2>와 같이 고정자 및 회전자 철심이 축방향으로 적층되어 있는 구조로, 직경이 크고 축방향 길이가 짧은 공간의 제약이 따를 경우 단위 체적 당 발생토크 면적이 회전자 표면의 유효 단면적으로 한정되므로 고토크를 발생할 수 없으며, 효율이 낮은 문제점을 지니고 있다. 또한 구조적으로 그림에서와 같이 고정자 및 회전자를 거쳐 가는 자속 경로가 길고, 권선에서 발생되는 열이 철심을 통해 외부 프레임으로 전달되므로 발생된 열을 효과적으로 냉각시키기 어렵다는 단점이 있다. 축방향 자속형 전동기는 원통형 전동기의 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안되었으며, 출력밀도가 높고 축방향 길이에 비해 전동기 직경이 커서 상대적으로 많은 극수를 설계할 수 있으므로 고주파수 또는 저속 구동에 적합한 것으로 알려져 있다. 또한 요구되는 전동기 용량에 따라 <그림 3>과 같이 회전자 및 고정자를 축방향으로 다층으로 구성할 수 있는 특징을 가지고 있다. 축방향 자속형 전동기는 <그림 4>와 같이 여러 형태가 있으며 세부 분류는 <표 1>과 같다. 기존의 축방향 자속형 전동기는 일반적으로 코어리스 전동기 형태로서 고정자 슬롯에 코어가 없는 구조로 그 크기가 소형이며, 코깅 토크를 최소로 요구하는 가전제품용이나 사무기기용으로 주로 개발되었다. 코어가 있는 경우에도 롤링한 규소강판을 절단한 고정자 코어의 형태로서 제작상 어려움이 많았다. 본 연구에서는 이러한 제작상의 어려움을 해소하기 위해서 <그림 5>와 같이 돌극형 치 구조를 가지는 새로운 형태의 축방향 전동기를 제안하였다. 제안된 축방향 전동기는 기존의 축방향 전동기와는 달리, 고정자 치와 축방향 적층 코어 및 고정 외부프레임으로 나누어진다. 외경에서 내경방향으로 슬롯팅된 원판 고정자 적층 코어에 적층된 고정자 치를 삽입하여 슬롯을 형성하는 새로운 타입을 갖고 있으며, 고정자 외부프레임에 지지하는 구조로 되어 있다. 고정자 치는 돌극형 구조의 슬롯 코어로 적층되어 있으며, 회전자는 양측면 고정자 사이에 영구 자석을 삽입한 고정 프레임으로 구성되어 있는 양측면식(double-sided) 내전형(inner rotor type) 축방향 전동기라 할 수 있다. 축방향 자속형 영구자석 전동기의 단면도는 <그림 6>, 구조 및 형상은 <그림 7>에 각각 나타내었다. 축방향 자속형 전동기는 자속의 흐름이 축방향으로 형성이 되므로, 기존의 일반 반경방향 자속형 전동기와 같이 축방향으로 적층이 불필요한 것이 특징이다. 또한 <그림 8>의 비교에서와 같이, 일반 유도전동기의 토크 식이 축방향 적층 길이 ℓ과 회전자 외경 D에 의해 결정이 되는 반면에 축방향 자속형 영구자석 전동기는 영구자석의 유효 단면적, 즉 D2out - D2in에 비례하게 되므로 최종 출력 또한 축방향의 길이와는 관계없이 내·외경의 길이의 조정에 의해 결정이 되는 것이 특징이다. 3. 특징 및 효과 <그림 9>는 동일 용량의 기존 유도전동기 및 개발된 축방향 전동기의 크기를 비교한 것이다. 그림에서처럼 기존 유도전동기의 축방향 길이와 직경은 496mm, 265mm에서 각각 150mm, 400mm로, 축방향 전동기의 경우 직경은 증가하였지만 축방향 길이가 70% 이상 대폭 저감되어 설치공간의 제약이 있는 경우 축방향 전동기가 유리함을 알 수 있다. 산업계에서 사용되고 있는 일반 산업용 동력장치는 주로 일반 유도전동기에 인버터를 사용하여 가변속 운전을 하거나 서보용 동기 전동기, 직류 전동기 등을 사용한다. 이때 필요한 부하 토크를 얻기 위해서는 감속기를 사용하며, 고속 회전의 전동기 토크를 감속하여 얻으므로 감속기의 효율 저하와 고주파수의 운전으로 전동기의 시스템 효율은 저하하게 된다. 본고에서 제시하는 축방향 자속형 전동기는 직접 구동 방식의 전동기 적용으로 감속기가 불필요하여 친환경적이고 시스템 유지보수가 용이하며, 에너지 전달 효율의 극대화와 시스템의 고신뢰성 구현이 가능하여 기존 동력 전달장치 대비 10%이상의 고효율 향상을 달성할 수 있다. 또한 동일 출력 당 체적비와 무게비는 일반 유도전동기에 대비하여 1/2∼1/3정도이며, 단위체적 당 및 단위무게 당 고토크, 고효율, 고역율 운전이 가능하다. 게다가 축방향 길이가 짧으므로 내구성이 뛰어나고, 정속운전이 가능하다는 장점이 있다. 전동기는 동력이 사용되는 산업분야의 핵심부품으로 '산업의 쌀'이라 불리고 있으며, 세계 전동기 시장 및 기술은 미국, 일본, 독일 등 선진국을 중심으로 매년 확대되고 있다. <표 2>는 일본의 전동기 시장 규모를 나타낸 것으로, 표에서와 같이 2002년 대비 2004년 전동기 시장의 성장 규모는 20%대에 이르고 있어 향후 산업용 전동기 분야의 미래 시장 전망을 예측해 볼 수 있다. 4. 기술응용 및 제품개발 사례 본고에서 소개한 축방향 전동기는 참여업체인 일성기계의 팬구동 전동기로 개발되었으며, 상용화를 위한 시험이 계속 진행 중에 있다. 축방향 전동기는 주로 저속 고토크를 필요로 하는 산업 분야에 적합하며, 주요 응용 분야는 각종 공장 자동화 기기의 동력 시스템 분야, 섬유기기의 탠타가공기, 쉬링크 드라이기, 패디망글기, 사이징 머신, 빔밍기, 코팅기, 인쇄기, 자동화 라인 등에 적용할 수 있다. 그 외에 직접 구동 응용분야는 다양하며, 최근 새로운 시장 창출 및 수요 급증으로 전기자동차 견인용 모터, 전기스쿠터 및 전기자전거용 모터로 활용될 것으로 기대된다. 5. 향후 과제 저속 고토크 분야에서는 전동기의 용도 및 응용 분야가 다양하고, 근래에는 산업 물류 시스템과 같이 새로운 전동기 수요가 급속히 증가하고 있다. 이러한 산업용 전동기 시스템은 전동기의 고효율화, 소형화, 대출력화 등이 요구되며, 특히 저속 고토크 분야에서는 영구자속을 사용한 직접구동 전동기가 크게 주목받고 있다. 축방향 전동기는 저속 고토크 분야의 직접 구동 전동기로 적합하며, 향후 영구자석 재료기술, 구동 드라이브 및 전동기 설계 제작 기술의 발전으로 전동기의 성능 향상이 기대되고 있다. 국내는 아직 연구 개발의 초기 단계로 상용화된 사례가 많지 않지만, 체계적이고 지속적인 연구 개발을 통해 향후 신재생 발전 및 전기자동차 견인용 전동기 등 여러 산업분야에서 주목받을 것으로 예상된다. < Energy News >