모터 고효율 규제와 제품 개발 동향

세계적으로 에너지 절약 요구가 강화되는 가운데 일본 국내의 인덕션 모터 보급 대수 중 64%가 펌프, 압축기에 사용되고 있다. 따라서 그 효율을 높이면 소비 에너지 절감의 성과는 크다. 그렇지만 펌프, 압축기, 송풍기 등의 유체기기에서는 부하 특성에서 기대되는 에너지 절약 효과가 못 미치는 경우가 있어 이에 관해 말하고자 한다.

세계적인 환경보호 관점의 영향으로 각국 공장의 에너지 절약, 이산화탄소 삭감 목표달성에 모터의 고효율화가 중요 과제의 한 가지가 되고 있다. 2009년에 실시한 자원 에너지청의 조사결과에 따르면, 삼상유도전동기는 산업 부문에서 펌프, 송풍기, 압축기 등 다양한 용도로 사용되고 있으며, 보급 대수는 약 1억대에 이른다. 또한, 소비전력량은 일본 산업 부문 소비전력량의 75%, 전체 소비전력량의 약 55%를 차지할 정도로 상당량의 에너지를 소비하는 기기이다.



판매 실적을 보면, 닛세이가 속한 동력전달 기기 시장은 전체의 9%, 펌프·압축기 시장은 63%나 점유하고 있다. 용도 비율을 그림1에 나타낸다. 이것으로 Fluid Power 기기에의 고효율화는 에너지 절약에 크게 기여하고 있다고 말할 수 있다.



여기에서는 각국 인덕션 모터의 고효율 규제에 관하여 고객 요구와 규제에 부합하는 모터 제품개발에 대한 생각을 말하고자 한다.

세계 고효율 규제의 움직임

인덕션 모터 고효율 규제의 움직임은 1997년 미국에서 에너지 정책에 의해 모터 전체가 규제 대상이 되며 이후 각국이 모터 전체에 대해 규제를 가했다. 당시에는 모터와 기계부가 일체화된 기어드 모터 및 유공압 기기는 규제 대상에서 제외였지만 2010년 한국이 세계 최초 기어드 모터, 펌프까지를 고효율(이하, IE2) 규제 대상으로 지정했다.
이것은 모터 단품뿐만 아니라, 기어드 모터, 유압 기기의 사용이 많은 산업계라는 점을 고려할 때 당연하다고 할 수 있다.
2015년부터 17년에 걸쳐 각국에서는 프리미엄 효율(IE3) 규제가 기어드 모터, 유공압 기기에 까지 적용될 것으로 예상된다. 더욱이 모터 용량 범위도 0.75Kw이상뿐만 아니라 0.18Kw이상도 대상으로 하고, 비표준 모터, 단상모터에까지 고효율 규제 범위를 강화하려는 움직임이 일고 있다.
그동안 세계 시장에서는 기존 표준 효율 IE1/ 고효율 IE2/ 프리미엄 효율 IE3이 혼재하고 있으며, 기어드 모터 메이커, 유공압 기기 메이커도 각각의 규제에 대응하는 제품 제공을 요구받고 있다.

참고 | 모터 0.75Kw, 50Hz의 효율값
· 표준 효율(IE1) 72.1％
· 고효율(IE2) 79.6％
· 프리미엄 효율(IE3) 82.5％ 
· 슈퍼프리미엄 효율(IE4) 85.6％

고효율 규제에 대한 닛세이 개발 콘셉트

모터 설계자가 IE2를 설계한 경우, 모터치수(외경)를 크게 하고 모터 토크를 올리는 것이 일반적이다. 따라서 타사 IE2는 기동 토크가 높은 모터이고 거기에 맞춘 고강도로 대형 감속기를 붙일 필요가 있다(그림2). 이것은 설치가 바뀌고 비용이 오르게 된다.



닛세이는 IE2 모터 개발에 맞춰 아래 고객 요구에 대응한 제품 개발을 목표로 했다.

· 표준을 만족 하는 것
· 기어드 모터로서 기존의 표준효율(이하, IE1)품 제품 설치와 사용 조건의 변경이 없는 것
· 기존과 동등한 단납기 대응, 특주 대응이 가능한 것

일반적으로 모터 고효율화에는 동손(고정자의 1차 동손)의 개선이 주목되고 있지만, 닛세이는 그 이외의 항목(로터 2차 동손, 철손, 표류 부하)을 개선하여 IE1에 비해 모터 토크를 올리지 않는 고효율 IE2 모터를 개발할 수 있었다.
그 결과 모터 치수, 기어드 모터(기구부)의 강도, 설치 및 사용 조건을 변경하지 않고 제품화시킬 수 있었다. 그림2는 IE2 토크 특성과 닛세이 IE2 토크 특성을 비교한 것이다.
기어드 모터에 적합한 토크 특성을 가진 닛세이 IE2 모터는 동력전달 기기뿐만 아니라 펌프, 압축기, 송풍기 용도로도 IE1에서 사용 용도 변형 없이 고효율화 가능한 모터라고 생각한다.

부하특성에 따른 에너지 절약 효과의 차이­: 고효율 모터로 교체했지만 에너지 절약이 되지 않는다!?

IE2 모터의 교체에 의해 일반적으로는 전력 절감효과를 볼 수 있지만 펌프, 압축기, 송풍기 등의 유체기기는 에너지 절약이 되지 않는 경우가 있다. 그래서 이에 대한 설명을 하겠다. 먼저 인덕션 모터 특성을 보다 빠른 이해를 돕기 위해 간단한 설명부터 들어간다.

1. 인덕션 모터의 회전원리
인덕션 모터의 회전원리를 간단하게 말하면 삼상교류전력을 받아 고정자(사진 1)에 의해 회전자계가 생겨 로터(사진 2)의 내부에 위치하는 바구니 부분(사진 3)이 회전자계에 이끌려 회전하고 자속의 소밀(疏密)에 의해 토크를 발생하는 것이다.





운전 상태를 예로 들면, 인덕션 모터를 무부하 상태로 기동시켜 그 후 정격 부하를 가한 경우 회전속도는 그림 3처럼 된다.



시동 시에는 ①의 회전속도 0rpm부터 토크 특성라인을 따라서 토크를 발생하면서 가속하고 무부하 회전속도 ②（표준자속의 상태를 그림 4로 나타냄)에 달한다.



그 후 부하를 가하면 고정자의 회전자기장과 로터 회전속도에 미끄러짐이 발생하고 자속의 소밀에 의해 발생하는 토크와 부하 토크 및 공정한 속도 ③（모식적인 자속 상태를 그림 5에 표시）의 상태에서 계속 회전한다.



2. 정토크 부하특성에 의한 에너지 절약 효과
먼저 부하특성에 대해 설명하면, 부하특성은 그림 6처럼 회전속도를 올려도 부하 토크가 변하지 않는, 즉 정토크 부하특성(대표적인 장치로 컨베이어)과 회전속도를 올리면 속도의 제곱에 비례하여 부하 토크가 증가하는 체감 토크 부하특성(대표적인 장치로 펌프, 압축기, 송풍기 등의 유체기기)이 있다.



우선, 정토크 부하특성 부하로 고효율 IE2 모터로 대체한 경우에 대해 정량평가 한다. 그림 7에서 표준효율 모터 IE1의 회전속도는 1410rpm이었지만, 닛세이 IE2에서는 1421rpm로 타사 고효율 IE2에서는 1442rpm으로 올라가 있다.



표 1은 IE1 모터를 고효율 IE2모터로 교체한 경우를 적용하여 계산한 결과이다. 표 1의 정토크 부하특성에서 볼 때 고효율 IE2모터로 하여 5~7%의 전력 절감 효과를 얻을 수 있었다.



3. 유체기기에서 체감토크 부하특성일 경우의 에너지 절약 효과
펌프, 압축기, 송풍기 등의 유체기기에서는 다음과 같은 관계가 있다.

· 동력 = 압력×유량
· 압력 ∝ (모터 회전속도)^２
· 유량 ∝ 모터 회전속도
· 동력 ∝ (모터 회전속도)³

모터 회전속도가 속도 1 ⇒ 속도 2로 변함에 따라 동력의 변화는 아래의 식으로 나타낸다.

동력증가 ＝（모터 속도 2／모터 속도 1)３
즉, 회전속도가 올라가면 동력도 상승하는 것으로 나타난다. 그림 8에 체감 토크 부하특성 시 회전속도 변화를 나타 낸다.



표2는 IE1 모터를 고효율 IE2 모터로 교체한 경우를 적용하여 계산한 결과이다. 표 2의 체감 토크 부하특성에서 모터 토크를 너무 올린 특성, 구체적으로 그림 8의 타사 IE2 토크 특성의 경우 고효율 IE2로 교체해도 기대만큼 에너지절약 효과를 얻을 수 없으므로 고효율IE2 모터의 채택 시에는 주의가 필요하다.



이제까지 설명한 내용은 회전속도 제어를 하지 않는 경우이며 인버터 등으로 필요한 회전속도 제어를 하거나 일정량의 작업이 완료된 후 모터 전원을 차단하는 것이 가능하다면 고효율 IE2 모터의 채택으로 확실하게 에너지절약 효과를 얻을 수 있다.
또한, 고효율 IE2 모터는 무부하부터 100% 정격부하까지 전 영역에서 기존 IE1 모터보다 효율이 반드시 좋다고는 할 수 없다. 특히 토크 특성이 큰 모터는 부하율이 50% 이하 영역에서 운전하는 상황(가변용량식 유압 펌프에 의한 데드헤드 시 운전을 가정)에서는 기대하는 에너지절약 효과를 얻을 수 없는 경우가 있기 때문에 주의가 필요하다.

닛세이 제품과 앞으로의 대응　　　　　

인덕션 모터에 대한 내용으로 설명했는데 고효율화와 고응답, 속도 안정성으로 제품을 고른다면 Brushless DC모터를 제안한다. Brushless DC모터는 슈퍼프리미엄 효율 IE4에 상당하고 IE1에 비해 10%이상 에너지 절약 효과를 기대할 수 있다. 더불어 변속 기능과 콤팩트 설계 등의 메리트가 있다.
인덕션 모터의 세계시장이 한 가지 고효율 기준으로 통합될 때까지(10년 이상)는 표준 효율 IE1/ 고효율 IE2/ 프리미엄 효율 IE3이 혼재할 것으로 예측된다.
환경보호의 시점에서 모든 인덕션 모터가 고효율화가 되는 것이 바람직하지만 가격 경쟁의 시점에서 각국 규제 범위에 대응하기로 한다.
닛세이의 인덕션 모터는 사내에서 설계, 제조하고 있어 각국의 전압, 효율 기준 IE1/IE2를 1대부터 단납기로 출하 가능한 체제를 구축하고 있다. 더욱이 프리미엄 효율(IE3)도 고효율 IE2와 동일한 콘셉트로 제품 개발을 진행하고 있다.
또한, 고객이 사용하기 편하게 선택할 수 있도록 각종 제품을 마련하고, 요청에 응할 수 있도록 체제를 충실하게 하여 앞으로도 주력해나갈 예정이다.

참고 | 닛세이 고효율 모터 인증품
· 한국　KS　C　4202　IE2 상당 
· 중국　GB18613-2012　GB2급 
· 유럽　IEC　60034-30　IE2

국내 장비 메이커 각 업체는 독자성을 가지고 사회적 존재 가치가 있는 제품을 제공해야 한다. 각각 고객의 가격에 맞는 제품을 제공하고 해외제품과 명확한 차별화 없이는 살아남기 어려울 것이다.
따라서 모터 메이커와 모터를 사용하는 장비 메이커 간의 기술 교류를 통해 경쟁력과 차별화되는 제품 개발을 목표로 해나야할 것이다.

자료 제공 : 인아코포 02-2026-0660(代)

나카네 하루히사 닛세이 설계부 부장