분수 마력 모터(Fractional Horsepower Motors)와 기어 모터의 효율성 ①

Groschopp

서론

모터와 기어 모터의 효율성을 여러모로 검토해보면, 효율성 문제와 애플리케이션의 여러 특성이 영향을 주고받는다는 것이 분명해진다. 에너지 효율성은 전체 모션 시스템에 있으며 특정 구성 요소 하나로 국한되지 않는다.

때문에 다양한 모터, 기어 박스, 제어의 효율성 그리고 작동 특성을 탐구하고, 애플리케이션 내에서 최적으로 작동하도록 구성 요소의 크기를 결정하는 것이 중요하다. 일부 설계자는 기어 모터 요소의 가변성 때문에 효율이 높을수록 애플리케이션에 더 적합하다고 가정한다.

에너지 효율적인 모터는 탁월한 선택이다. 이때 효율의 균형을 고려하는 것 역시 중요하다. 설계자는 간단한 수식을 통해 시스템과 운영 비용을 쉽게 평가하고, 효율성 및 설계 요구 사항을 충족할 수 있다. 효율 효과를 살펴 보면 디자이너가 애플리케이션의 절충안과 효율성에 대한 요구 사항을 평가하는 데 도움이 된다.
 

효율성의 중요성

분수 마력 모터(fractional horsepower motors) 및 기어 모터와 관련된 효율성을 논의할 때, 대부분의 엔지니어는 주로 비용과 연관 지어서 생각한다. 하지만 효율성은 비용 외에도 다른 중요한 설계 고려사항들과 밀접하게 관련돼 있다.
 

- 비용

많은 설계자는 구매 비용과 효율성에 관해서 전체 상황을 고려하지 않는다. 효율성은 에너지 사용뿐만 아니라 구매 비용에도 영향을 미친다.

좀 더 나아가서, 저효율 모터에 전력을 공급하는 것과 관련돼 시스템 비용이 증가한다. 전기 시스템의 거의 모든 구성 요소는 전류 소모량을 기준으로 크기를 지정해야 한다. 더 큰 전류는, 더 무거운 와이어 게이지와 더 큰 릴레이 그리고 기타 절충을 필요로 한다.

운영 비용을 결정하는 세 가지 주요 단계가 있다(표 1). 첫 번째, 입력 전력을 계산하기 위해 시스템 효율과 필요한 출력 전력을 사용한다. 두 번째, 연간 사용 시간과 입력 전력을 곱해 에너지 사용을 설정한다. 세 번째, 에너지 사용량 및 전기요금은 연간 운영 비용을 계산하는 데 사용된다. 예를 들어, 70% 효율인 ½hp 모터(373W)를 고려하면 533W의 입력 전력이 필요하다. 모터가 하루 8시간, 일주일에 7일 가동되는 경우 총 운영 시간은 2,912시간이 되고, 듀티 사이클(duty cycle)에서의 연간 에너지 사용량은 1,552kWh가 된다. 연간 운영비는 12센트/kWh의 전기요금으로 186.24달러다(표 2).

애플리케이션을 설계할 때, 모터의 출력은 필요한 애플리케이션의 출력 값을 근거로 한다. 하지만 많은 설계자들은 다음 단계 즉, 모터 구동에 필요한 전력을 계산하는 부분에서 실패한다. 애플리케이션에 전력공급 장치가 충분한지 확인하는 것이 필요하며, 전류 출력 제한이 있는 애플리케이션에서는 모터의 효율에 대해 특별히 주의해야 한다.
 

- 일반 디자인

효율성은 모든 부품과 관련돼 있다. 때문에 구성 요소의 효율성에 영향을 받는 시스템의 모든 측면을 검토해야 한다. 예를 들어, 효율은 모터의 크기와 무게로부터 영향을 받을 수 있다. 모터 크기를 결정짓는 주요 요인 중 하나는 방열이다. 충분한 열을 발산하는 모터의 기능은 부분적으로 표면적에 달려 있다. 열은 모터의 에너지 손실의 주요 형태이므로, 효율을 높이면 열 손실이 줄어들어 소형 모터를 사용할 수 있다.
 

- 환경

모터 효율성에서 고려할 마지막 요소는 환경적 관점이다. 모터가 사용되는 것뿐만 아니라 모터를 제조하는 데 필요한 에너지의 환경적 영향도 고려돼야 한다. 에너지 사용 측면에서, 분수 마력 모터에 직접 적용되는 규제가 많지 않다. 그러나 분수 마력 모터가 사용된 최종 제품에 적용되는 몇몇 규정(1992년 - EPAct : 에너지 정책법, 2007년 - EISA : 에너지 독립 및 보안법 등)이 있다.
 

구성 요소의 효율성

분수 마력 모터의 효율을 분석할 때 각 구성 요소의 효율을 확인해야 한다(입력 전원에서부터 모터와 기어 박스까지). 비효율적인 구성 요소는 전체 시스템의 효율성에 부정적인 영향을 미친다.

- 입력 전원

입력 전력은 실제 구성 요소는 아니지만 모터의 효율에 영향을 미치는 중요한 요소다. 입력 전원은 전압 및 전류 상의 한계로 간주해야 한다. 라인 전원, 배터리 전원, 태양광 전원 및 모터 제어를 포함해 고려해야 할 몇 가지 입력 전원이 있다. 라인 전력은 전류 제한 및 차단기에 대해, 트리핑(tripping) 없이 적절한 전류를 공급할 수 있는지를 평가해야 한다.

입력 전원으로 배터리를 사용하는 애플리케이션은 배터리 용량(Amp-hours)에 따라 제한될 수 있다.

비슷한 맥락으로, 태양 패널이 입력 전력으로 사용된다면 전류는 크기와 수의 패널에 의해 제한된다. 보다 효율적인 모터를 선택하면 설계자가 필요한 패널 수를 줄일 수 있다. 모터 제어장치 또는 드라이브는 제어유형에 따라 효율성이 달라지므로 시스템 평가 시 무시해야 한다. DC 모터에서 효율적인 제어의 핵심은 DC 버스가 생성되는 프로세스다. 제어 상의 정류단계는 85%의 효율 제어와 98%의 효율(혹은 이상)에서의 실행 차이를 의미 한다.
 

- 모터

모터 효율은 설계자 대부분이 인식하고 있는 것보다 복잡하다. 많은 사람이 알고 있는 것과는 달리, 모터의 효율은 정적(static)이 아니라 부하에 따라 변한다. 효율성은 무부하의 제로 상태에서 시작해 스톨 포인트(stall point)의 제로 상태로 끝나, 중간의 어딘가에 도달한다. 또한, 작동 범위에 따라 효율이 일정하지 않다. 이로 인해 크기가 너무 작거나 큰 모터를 사용할 때 트레이드오프가 발생한다.

그림 1의 효율성 곡선은 부하로 인한 효율 변동성을 보여준다.

잘 설계된 모터에서 연속 사용 정격은 파란색으로 표시된 최대 효율 또는, 최대 효율 근처에서 발생해야 한다. 대부분의 모터는 연속 사용 영역에서 작동하도록 설계됐으며, 게시된 데이터는 영역의 사양을 근거로 한다. 곡선에서 알 수 있듯이 모터의 효율은 모터가 과부하일 때 점차적으로 감소하고, 모터의 부하가 부족한 상태일 때 급격히 떨어진다.

듀티 사이클을 조정하면 모터가 과부하 상태로 작동할 수 있다(녹색으로 표시). 이는 애플리케이션에서 주기적으로 작동하는 경우 장점이 될 수 있다. 좀 더 작은 모터의 사용이 허용되기 때문이다. 효율성 저하가 우려되지만, 비교적 짧은 듀티 사이클은 종종 총 에너지 비용이 최소화된다는 것을 의미한다.

간헐적인 듀티 사이클은 좋은 효율과 온도를 유지하면서 더 작은 모터의 사용을 허용한다. 그러나 주황색으로 표시된 대형 모터나 언더로드(under load) 모터는 그렇지 않다(그림 1). 부하가 감소함에 따라 효율성이 급격히 떨어진다. 이 영역에서의 사용은 가능한 한 피해야 한다. 효율성이 감소되고 에너지 비용이 증가할 뿐만 아니라, 모터가 필요 이상으로 커지기 때문이다. 그러나 변동 부하가 있는 애플리케이션의 경우, 사이클이 진행되는 동안엔 피할 수 없다. 애플리케이션에 가변 부하가 있을 땐 모터가 과열되지 않도록 주의해야 한다. 일부 유형의 모터는 전 부하(full load)보다 작은 부하(light load)에서 더 많은 전류를 끌어온다.

트레이드오프 발생을 설명하기 위해 표 3에서 크기가 다른 90VDC 영구자석 모터 3개를 비교했다. 모터 크기가 증가함에 따라 효율성 및 구매가격이 증가한다. 모터가 부하와 모터 정격이 거의 일치하는 애플리케이션에서 사용되면, 적절한 전압인가에 따라 정격 속도로 작동한다.

모터 3개 전부가 3인치 직경의 모터에 적합한 애플리케이션에 사용되면, 2인치 모터는 소형이, 4인치 모터는 대형이 될 것이다. 가장 큰 모터와 가장 작은 모터는 더 이상 최대 효율로 작동하지 않게 된다. 사실상 이 부하에서 연속적으로 작동하면 가장 작은 모터가 타버릴 가능성이 높다. 그러나 듀티 사이클이 간헐적이라면, 소형 모터는 3인치 모터보다 효율이 낮지만 작은 크기로 인해 비용 효율성이 더 높을 수 있다.

4인치 모터는 3인치 모터보다 효율이 떨어진다. 그러나 ‘더 큰 것이 좋다’라는 개념은 설계자에게 흔한 일이다. 많은 설계자가 대형 모터를 사용할 때 전반적인 시스템의 성능이 얼마나 희생되는지를 완전히 인식하지 못한다.

다만 정당화되는 몇 가지 경우가 있다. 이를테면 가끔씩 부하가 급상승하는 애플리케이션은 설계에 ‘안전 마진’이 필요할 수 있다. 또 다른 예로, 필요한 정격의 모터가 없을 때는 설계자는 다음으로 사용 가능한 크기를 선택 해야 한다. 크기가 작으면 과열돼 고장 나므로 큰 모터를 사용해야 한다. 마지막으로 모터가 높은 주변 작동 온도(40°C 이상)에서 작동할 경우, 더 큰 모터를 사용해 방열을 위한 적절한 표면적을 만들어야 한다. 설계자는 대형(또는 소형) 모터를 선택할 때 이와 같은 상충 관계에 대해 알고 있어야 한다.

추가로 고려해야 할 것은 모터의 전류 소비량이다. 표 3의 모터 3개가 동일한 전력을 생산한다는 것을 명심해야 한다. 그러므로 앰프 드로우(amp draw)의 차이가 효율성에 영향을 준다. 이론적으로 모터는 명판상의 ‘정격’ 부하로 작동해야 하지만, 때로는 크기가 작거나 큰 모터를 사용해야 할 이유가 있다. 이런 경우 설계자는 명판상의 효율성을 넘어, 부하로 인해 효율이 변하기 때문에 절충안을 찾아야 한다.

언뜻 보기에는 표 3의 4인치 모터가 3인치 모터에 비해 6% 더 효율적이지만, 175달러의 비용이 더 드는 것처럼 명판상의 효율성을 잘 살펴봐야 한다. 애플리케이션 부하에서의 효율을 살펴보면 3인치 모터가 더 효율적이고 경제적이다.
 

- 변속기 (감속기)

변속기의 효율은 부하 외에 입력 속도에 의해서도 변한다. 저속인 50RPM을 예로 들면, 윤활제가 기어 면으로부터 밀려 나가서 금속과, 금속의 접촉으로 인한 더 높은 마찰을 일으킬 수 있다.

고속인 5,000RPM(혹은 그 이상)에서 기어 박스 동력 중 일부는, 윤활유의 교반을 하기 위해 소비되므로 효율이 저하된다. 윤활유로 오일을 사용하는 경우 대부분이 해당한다.

또 다른 요소로 감속비가 기어 박스 효율에 영향을 미친다. 일반적으로 비율이 증가하면 효율이 떨어진다. 접촉면이 더 많기 때문이며 기어를 추가할 때 특히 그렇다. 마지막으로, 기어 유형은 기어 박스의 효율을 결정하는데 있어 매우 중요한 역할을 한다. 기어 유형은 감속기 구성에 따라 달라진다. 예를 들어 대부분의 직각 감속기(right angle reducers)는 웜 기어를 사용하며, 대부분의 평행 샤프트 및 유성 기어 감속기에 사용되는 스퍼 기어보다 훨씬 효율적이다.

기어 박스의 효율과 부하 및 기어의 수명 간에는 서로 관련이 있다. 기어 박스 효율 곡선(그림 2)은 고정 속도에서 토크 vs 효율을, 효율과 부하 및 기어의 수명 간의 관계를 명확하게 보여준다.
 

감속기가 너무 큼’의 범위(오렌지색 표시)에서는 부하가 감소함에 따라 기어 박스의 효율이 떨어지는 것이 분명하다. 때론 과부하가 심한 일부 응용에서 대형 감속기가 고려될 수 있다.

그러나 기어 박스의 크기가 너무 크면 적절한 입력 전원을 공급하기 위해 대형 모터가 필요할 수 있다. 따라서 기어 박스의 크기가 초과되고, 곡선의 비효율적인 부분에서 작동하는 것이 좋은 방법은 아니다.

또 다른 곡선 부분에서 주목할 곳은 녹색으로 표시된 ‘수명 단축’ 범위이다. 주목할 만하게도, 기어 박스가 최고 효율에 도달하는 영역이다. 그러나 이 부분에서의 사용을 저해하는 것은 효율이 아닌 기어 박스의 수명이다.

하중의 증가에 따라 기어 박스는 기어 톱니가 부서질 때까지 효율성을 유지한다. 이 영역에서 작동이 허용될 수는 있지만, 애플리케이션이 요구하는 기어 박스 수명이 우선으로 충족돼야 한다.

파란색으로 강조해 표시된 곡선의 영역은 ‘최적의 범위’다. 효율과 기어 수명의 균형을 유지한다. 대부분의 적용 분야에서 감속기가 작동되는 곳이다.

자료 제공 : Groschopp(www.groschopp.com)