초고속 전동기 기술

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고속 회전기 시스템최근 초고속 회전기 시스템은 산업 현장이나 특수 목적용 구동 시스템으로써 각광받는 분야 중 하나다. 특히 공작기계의 스핀들 구동용 또는 터보 압축 펌프, 마이크로 터빈과 같은 고용량, 콤팩트 시스템에 필수적인 요소 기술이라 할 수 있다. 초고속 회전기는 기어가 필요없이 직접 구동 드라이버나 가스터빈 등에 접속되어 직접 초고속 회전력을 얻을 수 있으므로, 시스템에서 초고속 회전기류를 적용할 경우 소형 콤팩트화, 비용의 절감 및 고효율화를 꾀할 수 있는 장점을 갖는다. 그러나 고속회전에 따른 회전자의 기계적인 스트레스나 초고주파 입력전원에 의한 철손 증가, 제어 기술, 베어링, 방열과 냉각 등 전기적, 기계적으로 여러 형태의 문제가 야기되므로, 더욱 활발한 연구개발이 요구된다.그림 1은 초고속 회전을 얻기 위한 시스템 비교를 나타낸다. 기존의 증속 기어를 사용하는 고속화 시스템에 비하여 초고속 전동기를 응용하는 고속 회전 시스템은 성능면에서 더욱 고효율화가 가능하며, 시스템의 부피가 증속 기어를 사용한 일반 고속 회전기 시스템에 비하여 1/10로 줄어듦으로 해서 소형, 경량화, 저소음화, 효율화에 매우 적합하다.그 동안에는 농형 유도전동기(그림 2-(a))가 견고성과 유지보수, 안정적 운전 등의 장점 때문에 산업체의 여러 분야뿐만 아니라 고속 특성이 우수하므로, 고속 회전기의 구동원으로도 많이 사용돼 왔다. 그러나 저속 영역에서 효율이 낮고, 초고속 구동시 농형 알루미늄 바, 슬롯-치의 자기적 구조가 내구성 측면에서 적합하지 않다. 뿐만 아니라, 항상 슬립이 존재하는 기본 특성 때문에, 2차측 회전자 바의 동손에 의한 열이 크게 발생하므로 효율 및 역률 저하 등의 많은 문제점을 야기한다. 또한 회전자의 구조가 간단하고 내구성이 강한 릴럭턴스 전동기(그림 2-(b), (c))의 경우 가격이 저렴하고 저속에서도 토크가 큰 장점을 갖고 있으나 토크의 맥동이 크고, 소음 및 진동 등의 문제점으로 근본적 제약을 받으며 정밀한 제어도 불가능한 단점을 갖는다.또한 회전자의 적층에 관련된 기계 구조적 문제는 고속 회전에 적합하지 못하다는 평을 받기도 한다. 하지만 최근 회전자 구조가 간단하고 전력전자분야의 발달에 따른 고속 스위칭이 가능하면서 300,000rpm이상의 초고속 구동 시스템으로도 개발이 되고 있다.최근 희토류계 영구자석의 발달로, 구조가 간단하고, 콤팩트한 NdFeB 영구자석을 회전계자로 하는 브러시리스 기기 (그림 2-(d))가 수십만rpm 까지의 초고속화에 가장 적합한 것으로 평가되고 있다. 영구자석형 전동기의 경우 고정자에만 권선이 배치되어 있어, 고정자와 회전자가 동시에 발열하는 유도전동기에 비해 냉각을 단순화할 수 있다. 또한 고밀도 영구자석의 사용으로 작은 체적으로 높은 출력을 낼 수 있다는 큰 장점을 갖는다.그림 3은 각종 전동기 종류에 따른 고속 회전기의 적용 사례/개발현황을 나타낸다.고속 전동기 설계 기술초고속 전동기의 설계는 전자기적 기본 설계뿐만 아니라 고속 회전에 적합하도록 기계적 구조 설계 및 회전자 축의 동적 설계 등이 동시에 이뤄져야한다. 또한 고속 운전에서의 속도 및 토크 특성의 신뢰성 확보를 위한 제어 시스템 및 인버터의 설계가 이뤄져야한다. 그림 4는 초고속 전동기의 설계 기술에 관련된 전자기 설계, 기계적 설계, 제어 시스템 설계의 상호 보완성을 나타낸다.전자기 설계전동기의 영구자석 회전자, 고정자 등의 기계적 제반 치수 및 권선, 기타 파라미터 등의 계산을 위하여 정확한 전자기 설계가 요구된다. 그런데 전자기 설계를 위한 전동기 등의 전기기기 특성해석 방법은 수치 해석법과 전자장 이론에 의한 해석적 기법으로 구분된다.전동기의 정특성 및 동특성을 지배하는 방정식은 편미분 방정식으로 표현되므로 이를 정밀, 신속하게 해를 구해야만 한다. 수치 해석법의 경우 물리적으로 연속적인 형상을 갖는 제반의 형상들을 편미분 방정식으로 표현하여 유한개의 이산치 값을 구하는 방법으로 치환하여 푸는 방법이다. 최근 컴퓨터의 급속한 발달에 따라 계산 시간이 매우 빨라져 많은 분야의 전기기기 연구 및 복잡한 기하학적 형상의 정밀 해석에 적용되고 있다.전자장 이론에 의한 해석적 기법은 변수분리법이나 푸리에 급수에 기반을 둔 공간 고조파법 등이 이용되고 있다. 이들은 주로 컴퓨터가 발달되기 이전에 매우 우수한 정밀도에 의해 많이 이용되어 온 방법이다.특히 계의 지배방정식을 풀기 위하여 많은 가정을 수반하거나 정밀 해를 구하기 위하여 많은 수고로움이 요구되는데도 불구하고 현재까지 많은 설계자나 연구자에 의해 적용되고 있다. 그 이유는 초기 설계시 설계 변수에 따른 기기의 특성을 분석, 파악하는데 매우 빠르고 정확하게 적용될 수 있다는 장점을 갖는데 있다. 그러므로 전자기 설계를 위해서는 앞서 언급된 수치해석과 전자장 이론에 의한 해석적 기법 등의 적절한 상호 보완적 사용으로 최적의 전자기 조건을 만족하는 설계치수의 산정이 중요하다.그림 5는 수치해석 및 공간 고조파법에 의한 해석 예를 보여준다.또한, 전자기 설계 시에 가장 주의해야 할 것은 기기의 손실에 관련된 예측파악이다. 일반적으로 전기기기의 열원은 전기적 손실에 의한 것으로 동손과 철손으로 나눌 수 있다. 동손은 전류의 저항손에 해당되며 철손은 재질 자체의 자기 이력 특성으로 인한 히스테리시스 손과 유도 전류로 인한 손실인 와전류손으로 나눌 수가 있다. 또한, 공극 자속밀도의 비정현적 분포에 의한 회전자 손실 그리고 기계적 손실로 존재하는 베어링 마찰손과 풍손으로 분류할 수 있다.전기기기에 있어 손실은 기기의 운전 조건이나 효율 등을 결정하는 중요한 요소이기 때문에 손실을 정확하게 예측하여 설계 하는 것은 매우 중요하다. 특히 고주파 운전에 따른 고정자 철심에서의 철손과 고정자의 슬롯 구조에 따른 시간/공간 고조파 및 인버터에 의한 시간 고조파에 기인하는 회전자 손실은 초고속 전동기의 설계에 있어 매우 민감한 부분이라 할 수 있다. 이 밖에도 기계적 손실도 무시할 수 없을 정도의 크기를 갖게 되므로 이에 대한 개략적 예측은 필수적이다.그림 7은 고정자 측에서 인가되는 고조파에 따른 회전자의 와전류 분포 해석에 관한 예이다.기계구조 설계초고속 전동기의 축은 그 직경과 길이에 비해서 큰 출력을 내고 고속으로 회전하므로 동력전달에 의 한 축의 강도 해석과 축의 고유 진동수 해석이 필수적이다.축의 해석은 보통 유한요소 모델링에 의한 방법이 주로 사용되며 그림 7은 회전자 영구자석 및 캔의 구조해석 예를 나타낸다. 해석결과를 토대로 하여 영구자석 및 영구자석을 감싸주는 캔의 회전속도에 따른 스트레스를 설계에 반영하고 최적의 두께를 산정한다.한편 초고속 전동기 시스템에서 충분한 회전 안정성을 확보하기 위하여 사용하는 특수 베어링의 특성을 고려한 회전자 조립체의 동적 거동 해석이 요구된다. 그림 8은 회전자 동적 거동 해석에 관한 예를 나타낸다. 각각 Cylindrical Mode, Cornical Mode, 1st Bending Mode를 나타낸다. 이 해석 과정을 통해 설계된 전동기의 회전자가 기계적으로 충분히 안정적인 운전특성을 갖는지를 확인할 수 있다.초고속화 핵심기술요약초고속 회전 운동을 하는 초고속전동기의 핵심기술을 요약하면 아래와 같다.① 고주파 전원장치 설계·제작② 고주파에 따른 자성체의 와류손, 히스테리시스 손(철손) 저감방안③ 특수 베어링의 설계·제작 : - 자기 베어링, 공기 베어링, 유체 베어링 등의 특수 베어링 - 저진동, 저소음, 저손실로 장기간의 사용에 견딜 수 있는 고정밀도의 베어링 기술④ 회전자 구조의 기계적 스트레스를 고려한 설계·제작⑤ 단위 중량당 매우 큰 출력으로 인한 손실에 대한 대책, 즉, 회전자가 진공 내에서 회전할 경우 방열이 매우 어려우므로, 회전자에서의 발열을 억제하거나 효과적으로 열을 밖으로 빼내는 방열기술초고속 전동기 관련 기술의 시장 규모표 1은 일본의 일경산업신문 특집으로 다룬 ‘21세기의 신기술·신시장 조사’의 결과로 2020년까지의 신기술 세계시장 200위까지에서 고속전동기 필요기술의 신시장에 관한 자료이다. 표 1에서 전력 에너지 시스템을 포함한 고속전동기 필요 신기술분야의 시장이 816조원에 달하는 것을 볼 수가 있다.

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오영관 (webmaster@techworld.co.kr)

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