한국전기연구원, ‘동 다이캐스팅 프리미엄 고효율 전동기’ 국내 최초 개발 성공
구대현 박사
프리미엄 전동기는 기존 전동기보다 4~5% 높은 효율을 가지는 전동기로서 국내에서 가장 전기에너지를 많이 사용하는 분야인 전동기를 새로 개발된 프리미엄급 고효율 전동기로 대체할 경우 연간 수천억원 가량의 에너지 절감을 이루어 낼 수 있어 실효성 있는 에너지 절감 대책의 하나로 주목 받고 있다.
이번에 개발 성공한 프리미엄급 고효율 전동기는 일반 고효율 전동기에 비하여 효율은 높이는 대신 체적은 줄이는 등 성능과 경제성면에서 탁월하여 획기적인 성과로 평가받고 있다. 특히 이번 프리미엄급 고효율 전동기에 적용된 동 다이캐스팅 기술은 프리미엄급의 고효율을 달성하기 위한 핵심기술로 국내에서 처음으로 시도된 것이다. 일반적으로 다람쥐쳇바퀴 모양(농형)으로 제작되는 유도전동기 회전자 케이지(cage) 재질로 알루미늄을 사용하고 있는데, 구리를 사용하면 알루미늄보다 도전율이 높아서 회전자 케이지에서 발생하는 열손실을 대폭 저감할 수 있다. 그러나 알루미늄(660℃) 보다 구리의 용융점(1084℃)이 높아서 기술적으로 다이캐스팅하여 양산하기에 많은 한계가 있고, 금형 재질 또한 높은 온도를 고려하여 특수 재질로 제작되어야 하는 등 고난도의 제작기술이 필요해 선진국에서도 동 다이캐스팅을 적용하여 전동기를 제작한 사례가 드문 상황이다.
2007년 기준 현재 우리나라의 전체 전력사용량 368,605GWh 중에서 약 60%인 223,163GWh가 전동기로 인해 소비되고 있다. 평균 효율을 4% 높인 프리미엄급 고효율 전동기로 기존의 일반전동기의 70%를 대체한다고 가정할 때, 약 4,954GWh의 전력(화력발전소 3.4기의 발전량에 해당)을 절감할 수 있으며 이는 곧 약 3,864억원의 비용절감 효과를 뜻한다. 더욱이 늘어나는 전력수요를 충족하기 위해 필요한 발전소 및 건설 부지선정, 공사기간 등을 감안하면 그 경제적 파급효과는 수 조원이 넘을 것으로 기대된다.
한편, KERI는 산업전기연구단을 통해 고효율·고출력·고속·고정밀 전동력 응용기술을 개발하고 있으며, 현재 에너지 절감을 위한 고효율 전동기, LCD 및 반도체장비용 고출력 횡자속 전동기, 산업용 고속회전기 분야 등 산업과 직결된 연구 수행을 통해 국가경제발전과 에너지 절감대책 수립에 기여하고 있다.
[고효율 전동기 구조 및 용어정리]
*외부팬 : 전동기 냉각을 위한 장치.
*프레임 : 전동기의 고정자 및 회전자를 둘러싸는 보호 구조물.
*고정자 철심 : 전동기의 자속(magnetic flux)이 지나가는 자로(magnetic path) 역할을 함. 보통 손실을 저감하기 위해 두께 0.35[㎜] 또는 0.5[㎜]의 규소 강판(silicon sheet)을 축 방향으로 적층하여 만듬.
*고정자 권선 : 절연된 구리선을 고정자 철심의 도체 홈(slot)에 감아 넣은 것을 고정자 권선이라 하며 외부에서 3상 전원이 입력되면 회전자계(rotating magnetic field)를 생성하여 회전자에 자속이 유도(induction)되고 회전자는 고정자의 회전자계를 따라서 회전하게 됨. 이러한 회전원리에 의해 구동되는 전동기를 유도전동기라고 하며 전체 전동기의 70% 이상을 유도전동기가 차지하고 있음.
*회전자 철심 : 고정자 철심과 같이 규소 강판을 적층하여 만들며, 고정자로부터 발생되는 자속이 회전자 철심을 통과하게 됨.
*회전자 Cage : 회전자 철심의 원형 또는 사각형 모양의 반폐홈(semi closed slot)에 용융 금속(알루미늄 또는 구리)을 다이캐스팅(die-casting: 주조)하여 만든 것. 일반적으로 농형(squirrel cage: 다람쥐 쳇바퀴 모양)이 사용됨.
*다이캐스팅(Die-casting): 다이 주조라고도 하며, 필요한 주조형상에 완전히 일치하도록 정확하게 기계가공된 강제(鋼製)의 금형(金型)에 용융금속(熔融金屬)을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조법. 치수가 정확하므로 다듬질할 필요가 거의 없는 장점 외에 기계적 성질이 우수하며, 대량생산이 가능한 특징이 있음. 이용되는 금속은 아연 · 알루미늄 · 주석 · 구리 · 마그네슘 등의 합금이며, 다이캐스트 주조기를 사용하여 공기압, 수압, 유압 등에 의해 주입하여 냉각 응고시킴. 제품으로는 자동차부품이 많으며, 전기기기, 광학기기, 방직기, 건축, 계측기의 부품 등이 있음.
*동(銅) 다이캐스팅 : 일반적으로 유도전동기 회전자에는 농형이 주로 사용되며, cage 재질로서 알루미늄을 사용하고 있으나, 구리(동)을 사용하면 알루미늄 보다 도전율이 높아서 회전자 cage에서 발생하는 열손실을 대폭 저감할 수 있은 장점이 있음. 그러나 알루미늄(660℃) 보다 동의 용융점(1084℃)이 높아서 기술적으로 다이캐스팅하여 양산하기에 많은 어려움이 따르며, 금형 재질 또한 높은 온도를 고려하여 특수 재질로 제작되어야 함. 보통 동일 모델에서 회전자의 알루미늄 cage를 동으로 바꾸면 전동기의 효율은 3~5% 향상 효과가 있음.
*베어링 : 회전자 축(軸)에 고정되어 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 회전자를 회전시키는 역할을 함.
한국전기연구원 개요
한국전기연구원(KERI)은 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관이다. 1976년 국가공인시험기관으로서 첫 출발한 이후 2017년 기관평가에서 우수 등급을 획득하는 등 최고 수준의 전기전문연구기관이자 과학기술계 대표 정부출연연구기관으로 성장했다. 현재 경남 창원에 소재한 본원 외에 2개의 분원(안산, 의왕)이 있으며, 전체 직원수는 620여명에 달한다. KERI는 실현 가능하면서도 대규모 파급효과가 기대되는 연구과제를 집중 선정하여 국가사회에 기여하는 대형 성과창출을 위해 연구개발에 매진하고 있다. 주요 업무분야는 차세대전력망 및 신재생에너지, 초고압직류송전(HVDC), 전기추진 및 산업응용 기술, 나노신소재 및 배터리, 전기기술 기반 융합형 의료기기, 중전기기 시험인증 등이 있다.
웹사이트: http://www.keri.re.kr
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한국전기연구원 산업전기연구단 전동력연구그룹 구대현 박사 055)280-1403
