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환경오염의 심화와 선진국의 에너지 절감 제품에 대한 수입 규제 등으로 인하여 에너지 절약형 제품 개발 중요성이 높아져가고 있다.
에너지 절감제품에 대한 규정 및 소비자들의 고효율 제품에 대한 인식이 높아져 단상유도전동기의 효율 향상은 필수적이라고 할 수 있다.
단상유도전동기의 특성 해석 및 설계 기법을 확립한 90[W]급과 750[W]급 고효율 단상유도전동기가 기존의 저효율 단상 유도전동기에 대체되면, 에너지절감과 수출증대가 될 것으로 기대된다. <편집자 주>
목 차
제1장 연구개발과제의 개요
1. 기술개발 개요 및 필요성
가. 기술의 개요
나. 기술개발 필요성
1) 기술적 측면
2) 경제적 측면
제2장 국내외 기술개발 현황
1. 국내의 기술개발 현황
2. 국외의 기술개발 현황
제3장 연국개발수행 내용 및 결과
1. 기술개발 목표
2. 연차별 기술개발 내용
3. 기술개발 결과
제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도
1. 연국 목표별 기술 결과
2. 기타 연구 성과
제5장 연구개발결과의 활용계획
제1장 연구개발 과제의 개요
1. 기술개발 개요 및 필요성
가. 기술의 개요
산업자동화 및 가정용기기의 발달과 양적 팽창에 의해 환경 파괴 및 지구 온난화 등의 문제가 국제적 이슈로 대두되어 전기구동 시스템의 고효율화에 대한 요구가 강력해지고 있다.
특히 단상 유도전동기는 널리 보급되어 총 전력량 중 많은 부분을 소비하고 있다. 가전기기중 냉장고, 에어컨, 선풍기의 팬 용 혹은 콤프레셔용으로 단상 유도전동기가 주로 사용되고 있다.
또한 농·공용의 펌프, 산업용 콘베어 시스템에도 단상 유도전동기가 사용된다.
최근 유가의 상승과 에너지 자원의 부족으로 인하여 가전기기 및 산업용기기의 고효율화가 중요하게 다뤄지고 있으며, 이로 인하여 단상 유도전동기의 고효율화가 필요하다.
또한, 선진국에서는 일정 수준의 효율을 갖추지 못한 제품에 대한 수입을 금지하고 있으며 국내에서도 고효율 제품에 대한 여러 가지 규제 및 장려 정책을 통하여 고효율 제품 사용에 대해 권장하고 있다.
단상유도전동기는 상용화된 전원을 변환장치 없이 직접 사용할 수 있다는 장점이 있어 산업자동화기기, 팬 및 펌프 구동용 기기 및 가전의 전 분야에 걸쳐 동력원으로 널리 적용되고 있으며 그 수요는 매우 큰 반면 단상유도전동기의 고효율화에 대한 개발 사례는 거의 전무한 상태이다.
또한 전동기 시장이 다양화 되면서 시스템의 성능 및 기능 위주로 전동시스템 사업이 증가하면서 인버터 구동 전동기의 보급이 팽창하고 있다.
하지만 인버터 구동 전동기의 경우 현재 고가의 장비에 적용 가능하며 단상유도전동기와 같은 다양하고 매우 넓은 시장을 갖지는 못한다. 단상유도전동기의 경우 AC Servo Motor의 보급이 팽창하고 있다.
하지만 인버터 구도 전동기의 경우 현재 고가의 장비에 적용 가능하며 단상유도전동기와 같은 다양하고 넓은 시장을 갖지는 못한다.
단상유도전동기의 경우 AC Servo Motor의 보급 등으로 시장 규모는 축소되고 있지만, 중국 및 기타 아시아 지역의 출하량 증가로 총 생산 대수는 증가하는 추세다.
선진국의 관련업체들은 축적된 기술력을 바탕으로 하여 다양한 용량의 표준형 유도전동기 및 Gear Head Motor를 지속적으로 개발, 고품질화를 이루어 국내시장 및 해외시장을 점유하고 있다.
그러나 현재 국내에서의 단상유도전동기 설계기술과 전문 이력이 부족하여 가전은 LG, 삼성 등 대기업에서 자사의 전동기를 자체 생산하고 있고, 몇몇 중소기업만이 산업자동화용 단상유도전동기를 생산하고 있는 실정이다.
따라서 단상유도전동기의 성능 수준은 전반적으로 낙후되어 외국의 기술수준에 비해 상당히 뒤떨어져 있어 수요량이 많은 부분은 외국기업에 잠식당해 있는 상태이다.
따라서 국내적으로는 에너지 절감의 가시적 효과와, 국외적으로는 고효율 단상유도 전동기의 수출을 통한 국가 수익의 증대를 위해서, 단상유도전동기의 효율향상이 필수적이다.
단상유도전동기의 설계 기술은 전동기를 구성하고 자성재료, 도전재료 및 각종 생산기술의 결합 등으로 이루어진다.
설계기술은 자기회로 설계 기술과 열 발산구조 및 회전축의 정밀도 등 구조적 설계 기술로 나눌 수 있다.
자기회로 설계에 대한 기술은 고정자 및 회전자 철심 형상설계, 회전자 도체 Bar의 형상설계를 통한 전동기 효율 향상 및 소음·진동 저감의 효과를 기대할 수 있다.
단상유도전동기의 경우 3상 평형기와는 달리 불평형 자계가 발생하여 전동 토크가 발생하므로 효율 향상과 더불어 진동·소음의 영향을 반드시 고려해야 한다.
본 과제에서는 단상유도전동기의 특성해석 및 설계 기법을 확립하여 60[W]급과 90[W]급 고효율 단상유도전동기를 개발하고자 한다.
단상유도전동기는 불평형 자계가 발생하며 운전 중에 철심의 비선형성과 회전자 바의 온도변화, 공간 고조파로 인하여 회로정수가 변화한다.
그러나 현재는 회로 정수 변화를 고려한 단상 유도전동기의 특성 해석 프로그램을 개발하여 향후 수십에서 수백[W]급 또는 3상 유도전동기에 본 과제의 기술을 접목하여 괄목할만한 에너지 절감 효과를 얻고자 한다.
또한 단상유도전동기 개발의 핵심기술은 고효율화와 더불어 진동토크 및 소음 저감도 요구된다.
기술과제 개발 후 고효율화의 요구뿐만 아니라 소재에서 생산, 운전, 보수 및 폐기까지의 전 Line cycle의 환경부하 저감을 고려한 친환경형 제품 개발로 연구·개발을 확장하고자 한다.
<그림 1> 단상유도전동기 구조
나. 기술개발의 필요성
1) 기술적 측면
따라서 단상 유도전동기의 특성 해석의 신뢰성을 확보하고 효율 향상을 위한 설계를 하기 위해서는 각종 회로 정수들을 자사에 맞도록 현실화하는 것이 필요하므로 반드시 단상유도전동기를 설계·제작하여 생산하고 있는 기업 주도로 이루어져야 한다.
그러나 국내 현황을 살펴보면 설계적인 측면에서는 일부 대학에서 성능 예측 및 효율 향상을 위해 해석 프로그램을 개발하여 설계에 적용하지만 이는 전동기 생산을 위한 기계적 특성을 제대로 파악하지 못하고,재료의 분석 및 적용에 대한 Back data가 부족한 상태이다.
또한 일부 단상유도전동기를 생산하는 메이커에서는 전동기의 사양이 주어지면 경험을 바탕으로 치수를 결정한 후 특성이 만족되지 못할 경우 치수 제원이나 재료를 변경해 가면서 요구 특성을 만족시키는 시행착오적인 방법을 이용하고 있어 고효율을 위한 정확한 파라메터를 산출하지 못하고 있는 실정이다.
단상유도전동기의 고효율화를 위해서 철손 저항을 고려한 새로운 등가회로를 구성한 후 회전자계설의 이론을 바탕으로 불평형 상태를 해석하기 위해 불평형 상태를 각각의 대칭성분으로 분해해서 해석하는 대칭좌표계법을 이용하고자 한다.
해석의 신뢰성을 증가시키기 위하여 전가계의 수치해석적인 방법으로 널리 적용되고 있는 유한요소법과 등가 회로법을 혼합 적용하여 회로정수 산정 및 특성 해석을 수행한 후 효율 향상을 위해서 전동기 재질 및 회전자 형상, 권선 수 및 배치 형상 등을 다각적으로 분석하여 비교한 후 제작하여 전동기의 Dynamo-test를 통해 해석의 타당성과 효율 향상을 위한 형상 설계의 타당성을 실험으로 입증하고자 한다.
본 과제의 단상유도전동기 고효율화 기법은 단상뿐만 아니라, 3상 유도전동기에도 적용 가능하며 자기회로 설계 기법은 개발 종료 후, 유도기동형 동기전동기, BLDC Motor, Linear Induction Motor 등 산업용 전동기 전반에 적용할 수 있을 것으로 생각하며 에너지 절감의 측면에서 이의 파급효과는 매우 클 것이다.
따라서 본 과제를 통해서 산업자동화 구동기기 및 팬 등에 대량 적용되고 있는 단상유도전동기의 특성해석의 신뢰성 및 정밀성을 확보하고 이를 바탕으로 콘덴서 구동형 단상유도전동기의 고효율화를 위해 자기회로 설계 및 개발을 통해 산업용 및 가전기기 등의 단상전동기를 적용하는 어플리케이션에서의 에너지 절감 효과를 극대화 하고자 한다.
2) 경제적 측면
1992년 미국 에너지부로부터 EPAct의 법제화가 발표되어 법률에 정해진 효율을 만족하지 않는 전동기에 대해 벌금을 부과함에 따라 1997년 10월 24일부터 규제가 적용되고 있다.
이 규제는 기준 효율치를 만족하지 않는 전동기, 또는 전동기가 조립된 제품이 미국에서 생산·판매되는 것은 물론이고 미국 이외의 국가에서 수입되는 것을 규제 대상으로 하고 있다.
일본에서도 1997년 10월부터 미국 에너지 정책법에 의한 전동기의 효율 규제가 실시되고 있으며, 미국으로 수출되는 기계 등에 조립된 전동기에 관련 구제가 적용되면서 일본 산업계에도 고효율 전동기가 주목을 끌고 있다.
국내에서도 에너지 절약을 촉진하기 위해 에너지 효율관리 제도를 운영하고 있어 냉장고, 냉방기, 세탁기 등의 제품이 에너지 소비효율 등급 품목으로 지정되어왔고 2003년에 단상유도전동기도 인증대상에 새롭게 포함되었다.
전자부품연구원과 중소기업진흥공단에서 조사 발표한 소형모터 산업현황 분석 자료를 보면 , 2003년 기준 모터 총 생산대수는 6억 4천만대이고 이 중 유도전동기의 생산대수는 2003년 약 9000만대, 2004년은 약 1500만대를 예상하고 있다.
이는 전체 소형모터 시장의 약 25[%]에 달하며 특히 소형모터 대부분이 단상유도전동기를 채용하고 있지만, 에너지 절감의 측면에서 단상유도전동기의 효율은 매우 낮은 실정이다.
현재 단상유도전동기를 생산·판매하는 국내·외 제품의 효율 특성은 약 60~65[%] 정도이고, <표 1>의 KS 규격에도 100[W]까지는 효율이 60[%] 이상인 경우 고효율로 명하고 있고, 100~200P[W]급은 효율이 69[%] 이상, 200~400[W]급은 78[%] 이상인 경우 고효율로 전동기로 인정하고 있다.
단상유도전동기 시장은 현재 산업용 표준품이 년 150만대, Fan 및 Pump용은 년 100만대, 기타 소형모터가 약 50만대로 년 300만대 정도 생산 판매되고 있다.
이 중 약 60~70[%]가 30~100[W]급에 집중하고 있어 평균출력을 100[W], 효율은 60[%]로 설정한 경우 2004년도 생산되는 단상유도전동기의 년간 총 사용전력량은 500[MW]이고 효율을 8[%] 향상한 경우 총 사용 전력량은 441[MW]로 약 59[MW]의 에너지 절감을 기대할 수 있어 단상유도전동기의 효율향상은 매우 시급한 실정이다.
단상유도전동기는 상용화된 전원을 변환장치 없이 직접 사용할 수 있다는 장점이 있어 적용 분야 및 범위가 매우 광범위하다. 따라서 국내적으로는 에너지 절감을, 국외적으로는 수출을 통한 국가 수익을 증대하기 위해서는 단상 유도전동기의 효율 향상이 필수적이다.
<표1> 고효율 전동기의 전부하 특성 및 최대 기동 전류(KS규격)
제2장 국내외 기술개발 현황
1. 국내의 기술 개발 현황
단상유도전동기는 단상 교류전원으로 동력을 발생시켜 회전하는 전동기로 산업용기기나 가전 전 분야의 동력원으로 이용되어왔다.
산업용기기에서는 3상 유도전동기, 가전제품으로는 단상유도기를 이용하는 것이 보편적이다.
DC모터, 유도전동기 등 전통적인 소형모터의 경우 별다른 기술적 접근의 어려움은 없으나 고효율 모터, 고 정밀 모터 및 신규 특수모터에 대한 각국의 기술보호주의가 강화됨으로써 일본 등 선진국으로부터의 핵심기술의 기술이전이나 제품 개발 시 부품공급에 많은 견제를 받고 있다.
국내의 경우 단상 유도전동기에 대한 연구는 일부 대학의 연구소 및 기업에서 수행되었다.
하지만 콤프레셔용 단상 유도전동기가 주로 연구되고 팬 및 산업용 단상유도전동기의 고효율화에 대해서는 연구되지 않았다.
단상 유도전동기는 운전 방식에 따라 분상 기동형, 콘덴서 기동형, 콘덴서 운전형, 콘덴서 기동 및 운전형이 있으며 각각의 성능 및 특성이 다르다.
따라서 부하의 종류에 따라 알맞은 종류의 전동기를 선택하여야 하며 그에 대한 고효율화 연구가 진행되어야 한다.
그러므로 단상 유도전동기의 고효율화 연구에 대하여 많은 연구가 필요하다.
상기 도표에서 나타나듯이 국내·외의 유도기 효율이 60%대의 수치를 보이고 있다.
그 구조가 국·내외를 망라하여 전기적 특성이 유사한 수준으로 파악되고 있다.
이에 70~80[%]대의 DC 모터수준의 고효율 단상유도전동기 개발 시 대체효과가 매우 클 것으로 판단된다.
대기업의 소형유도기 개발의 기피로 중소기업이 AC모터의 대부분을 생산, 이에 따른 설계기술 및 인력부족, 고정밀 생산기술이 매우 부족한 현실이다.
단상유도전동기의 장·단점 및 사용분야를 <표 2>과 <표 3>에 나타내었다.
<표2> 단상유도전동기의 장단점
<표3> 단상유도전동기의 사용 분야
<표4> 소형 단상유도전동기 시장 사용 분야별 구성비(단위:천대)
<표5> 업무용 및 산업용 단상유도전동기 시장 타입별 구성비(단위:천대)
2. 국외의 기술 개발 현황
일본 제조회사의 소형 단상유도전동기 시장은 ‘주거설치관련’(에어콘, 환풍기, 공기청정기, 팬히터, 급탕기 등)과 가전(냉장고, 세탁기, 선풍기, 전자레인지 등)과 산업용기기 등으로 크게 구별된다.
주거설치 관련이 59.0[%]로 약 4450만대, 가전 분야가 32.8[%]로 약 2470만대이고 산업용기기가 8.2[%]로 620만대가 된다.
주거설치 관련에서는 에어콘이 최대시장으로 동 분야의 54.7[%]로 2440만대를 차지한다.
가전에서는 냉장고용이나 세탁기용 등의 “백색가전”이 많아, 양쪽에서 55.9[%]로 1380만대가 된다.
산업용기기에서는 업무용 및 산업용기기가 77.4[%]로 480만대, PPC 및 기타 산업기기 관련이 22.6[%]로 140만대이다.
금액기준으로는, 전체에서 559억엔 내외의 규모가 될 것으로 보이지만, 그 내역은 주거설치관련이 52.1[%]로 291억엔, 가전관련이 20.2[%]로 113억엔, 산업용기기 분야가 27.8[%]로 155억엔으로 추정된다.
개별 분야로 보면, 시장규모가 두드러진 것은 에어콘과 산업용기기로 에어콘은 전체의 29[%] 내외(160억엔 내외), 산업용기기는 28[%] 내외(150억엔 내외/사무기기용은 포함하지 않음)를 점유하고 있다.
산업용기기는 단가가 높은 기어드 모터를 많이 포함하기 때문에, 수량규모에 대하여 금액기준의 시장규모가 커지고 있다.
단상유도전동기에서 산업용기기의 향후 전망은 다음과 같다. 소형 단상유도전동기 분야에서는, ATM이나 CD, 자판기, 자동개찰기, 소형 반송기기나 각종 제조장치 등의 업무용 및 산업용기기용도 중요한 수익원이 되고 있다.
동 시장은 범용 소형 기어드모터와 기타 타입으로 크게 구별되고, 현재는 범용 소형 기어드모터가 250만대 내외(추정치), 기타 타입이 230만대 내외의 시장규모가 되고 있지만, 금액 기준으로 기어드모터 쪽이 압도적으로 크다.
제조회사로 오리엔탈, 마쓰시다, 일본서보 등의 업체가 있다. 범용 소형 기어드모터에 대해서는 오리엔탈이 50%이상, 마쓰시다가 30%미만 양사에서 80%를 차지하는 것으로 추정된다.
이 시장도 전동기 효율과 SIZE의 COMPACT화로 BLDC Motor로의 움직임이 있는 것으로 파악되고 있다.
실제로 기존 2년간 출하량이 30%정도로 감소했다.
상기의 추세를 고효율 모터로 보완할 경우 매년 BLDC Motor로 전환되는 30%의 시장을 대체할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
