일진전기㈜(www.iljinelectric.co.kr)
중전기사업부 중전기연구소_서왕벽 소장
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친환경 회전기기의 기술 동향

1. 회전기기의 개요
회전기기는 바깥의 원통모양의 고정자와 그 안쪽에서 회전하는 회전자로 구성되어 있으며, 고정자와 회전자는 공극에 의해 서로 분리되어 있다. 회전자나 고정자는 각각의 코어와 자속을 발생시키기 위한 권선 그리고 절연물로 구성되어 있다. 회전자는 베어링에 의해 축상에 지지되어 있고, 이 축은 모터의 경우에는 기계적 부하에 연결되어 있으며, 발전기의 경우 벨트, 풀리, 체인이나 다른 기계적 연결에 의해 원동기에 연결된다. 권선은 흐르는 전류의 속성에 따라 분류할 수 있으며 부하 전류가 권선에 흐르면 전기자라고도 한다. 직류나 교류 동기 기계에서는 계자 전류와 전기자 전류가 흐르는 권선이 분리되어 있다. 그러나 유도 모터에서는 자화 전류와 부하 전류가 입력 권선 또는 1차권선이라 불리는 동일한 권선을 흐르며, 이때 출력 권선은 2차권선이라 한다.
에너지 변환 특성에 따라 회전기기를 발전기와 전동기로 분류할 수 있는데, 전기에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 주는 것을 전동기라 한다. 전동기는 매우 광범위하게 사용되기 때문에 발전기보다 높은 관심의 대상이 되기도 한다.
전동기는 약 200여 년 전 아라고(프랑스)의 원판이라는 실험에 의해 확인됐고, 이즈음에 플레밍의 왼손법칙, 오른손법칙, 패러데이의 전자기 유도법칙 등이 발견되어 이를 기초로 최초의 전동기가 제작됐다. 이처럼 전동기는 전기와 자기와 힘의 상관관계를 가지고 있으며, 전기와 기계가 혼합되어 있는 구조로서 기본적인 원리는 바뀌지 않고 재료 및 기술의 발달로 점차 발전되어 왔다. 회전체로서 생기는 소음, 진동, 온도 상승, 효율에 대해서는 기존에는 단지 구동 및 동작하는 데 의의를 두었지만 이제는 시대가 요구하는 에너지 변환장치에 걸맞은 에너지 변환효율에 대해 많은 관심을 갖게 됐다. 이에 따라 전기기기에서 에너지의 손실은 필수적인 사항으로 부각됐다.

2. 회전기기의 성능 특성
회전기기의 효율을 해석하는 데에는 여러 가지의 손실을 고려해야만 한다. 회전기기에서의 손실원은 전기손(I²R 손실), 철손(Core Loss), 기계손(Mechanical Loss) 등 3가지로 나뉜다. I²R 손실은 보통 75℃에서의 권선의 직류 저항을 기준으로 계산되며, 실제로 이 손실은 동작조건에 따라 변한다.
공칭손실과 실제손실의 차이는 보통 표유부하손(Stay Load Loss)에 포함시킨다.
기계손은 주로 베어링에서의 마찰과 회전자의 운동에 반대로 적용하는 공기 마찰인 풍손(Windage)때문이다. 게다가 온도를 낮추기 위해서 기계를 통해 공기를 순환시키는 장치를 사용한다면 이 또한 기계손에 포함된다. 개방회로 철손(Open Circuit Core Losses)은 히스테리시스손(Hystresis Loss)과 와전류손(Eddy Current Loss)인데, 여자권선에 전류가 흐를 때 발생된다. 흔히 이런 손실은 마찰손과 풍손이 결합되어 무부하 회전손실을 발생시킨다.
무부하 회전손실은 간단히 효율을 계산하고자 할때 유용하다. 개방회로 철손은 부하 전류에 의한 자속밀도의 변화를 고려하지 않았기 때문에 부가적인 자기손실(Magnetic Losses)이 발생한다. 표유부하손은 권선에서의 비이상적인 전류 분포의 영향과 부가적인 철손의 영향을 총괄해 칭하는 데 사용된다. 표유부하손은 정확히 결정하기 어려우므로, 직류기에 대해서는 흔히 출력의 1%로 가정된다.

3. 회전기기의 기술 개발 동향
초기의 전동기는 전기에너지를 가지고 회전력을 발생시키는 데 의의를 뒀으며, 점차 재료 및 기술의 발달로 경량화, 디자인화 되어 왔다. 얼마 전까지는 전동기를 얼마나 오랜기간 안정되게 사용할 수 있는가에 대한 신뢰성에 중점적인 가치를 두었다. 하지만 최근에는 에너지 저감과 맞물려 내환경성, 친환경성, 편리성, 디자인 등 소비자의 욕구도 점차 늘어나 저소음, 저진동, 고효율을 고려한 제품설계가 실시되고 있으며, 친환경적 요소들도 세계화에 맞게 규격이 제정되고 의무화 되고 있는 추세다.
이러한 시대적 요구에 따라 앞으로는 이산화탄소저감 측면에서 고효율 전동기보다 더욱 높은 효율을 가진 프리미엄 전동기로 시장이 변화할 것으로 예상된다. 또한 소재의 사용면에서도 각종 유해물질에 대한 규제에 따라 부품의 선택 및 사용 시에도 주의를 기울이는 방향으로 점진적으로 변화해 나아가고 있다.

전동기와 전력에너지

1. 전동기와 이산화탄소의 관계
우리가 일상에서 가장 많이 사용하는 에너지원인 전기는 안정성, 가격 경쟁력, 제어가 용이, 무공해, 수송이 용이한 이유로 광범위하게 사용되고 있다. 하지만 무공해 에너지인 전기는 아쉽게도 화석연료를 연소해 얻어지므로, 거기서 발생하는 이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 주범이 된다.
전기에너지를 사용하는 기기를 크게 3종류로 나누어 본다면, 전동기, 조명기기, 전열기기로 나눌 수 있다. 이 중 전동기는 가장 대표적인 에너지 변환기기로, 펌프, 컴프레서 등 다양한 동력원에 활용되어 국내에서 생산된 전력의 60%를 사용하고 있다. 또한 여러 전동기 중에서도 가격이 싸고 견고해 광범위한 부하에 사용되는 3상 유도전동기는 전체 전동기의 70%를 차지한다. 전력사용량의 관점에서 본다면 3상 유도전동기는 우리나라 전체 소비전력의 42%에 해당하는 최대 전력소비원이다. 이를 전력량과 금액으로 표현한다면 <표 1>과 같다.