분수 마력 모터(Fractional Horsepower Motors)와 기어 모터의 효율성 ②

Groschopp

 

시스템 효율성

모터 및 기어 박스의 효율이 분석됐다면, 시스템 효율을 계산해 전체 시스템을 확인해야 한다. 전체 시스템 효율이 계산되면 각 구성 요소를 평가해서 비용을 최적화해야 한다.

- 시스템 효율 계산

시스템 효율은 각 구성 요소의 효율성을 알고 있다면 계산하기 쉽다(그림 3). 주요 구성 요소뿐 아니라, 모든 구성 요소가 포함돼야 한다. 시스템 효율성은 개별 구성 요소의 효율성을 모두 곱한 결과다. 시스템 효율을 계산 하는 것은 비교적 간단하지만, 효율 값을 얻는 것은 쉽지 않다. 특히 구성 요소가 정격보다 다른 부하 지점에서 실행되는 경우, 실제 효율이 바뀐다는 점으로 인해 더욱 복잡해진다.

일부 애플리케이션은 다중 로드 포인트(multiple load points)를 갖고 있어서 여러 시스템 효율성을 고려해야 한다. 주어진 애플리케이션에 대해 일단 시스템 효율이 계산되면, 설계 효율을 재검토해 시스템 효율이 애플리케이션 요구 사항을 충족시키는지 여부를 결정할 수 있다.

 

- 최적의 모터와 기어 박스 조합의 선택

시스템 효율성을 극대화하는 가장 중요한 요소 중 하나는 최적의 모터와 기어 박스 조합을 선택하는 것이다. 많은 설계자가 표준의 개별 부품을 선택한 다음 기어 모터에 붙인다. 대체 옵션은, 이전에 설계된 기어 모터를 선택하는 것이다. 과거 시스템 효율을 결정할 때 가장 어려웠던 부분은 개별 구성 요소의 효율을 얻는 것이었다. 사전에 설계된 기어 모터를 선택하면 문제를 해결할 수 있다.

특징 및 장점은 다음과 같다. 첫째, 제조업체의 엔지니어가 모터와 감속기를 잘 결정했으며, 대개 시스템 효율을 계산하고 공개한다. 둘째, 일반적으로 시스템 효율을 계산할 때 이미 커플러 효율성 손실을 고려한 요소 사이에 내장 인터페이스를 가지고 있다.

마지막으로, 모터와 기어 박스의 효율이 비슷한 범위에 있는지 확인하는 것이 중요하다. 저 비용·저효율의 낮은 모터를 고비용·고효율의 모터와 조합시키지 않아야 한다.

다시 말해서, 시스템의 한 구성 요소의 특성이 다른 구성 요소의 효율성에 어떤 영향을 미치는지를 고려해야 한다. 예를 들어 설계자가 기어 모터를 선택하고 특정 출력 속도를 충족시키려는 경우, 목표에 도달할 모터 속도와 감속기 비율에 대한 조합이 여럿 있다.

비율이 낮아짐에 따라 감속기 효율이 올라가고, 이에 따라 모터 효율에도 영향을 미친다. 반대로, 감속비가 증가하면 기어 모터 속도가 내려간다. 공식에는 효율이 포함되지 않으므로 계산하기 쉽다. 낮은 비율의 기어 박스가 선택되면 느리게 작동하는 모터를 기어 박스에 매칭해야 한다. 모터는 필요한 토크를 생산하기 위해 더 커야 하며, 비교적 작고 빠른 모터보다 훨씬 효율적일 수 있다.

기어 모터 비용

설계자는 시스템의 각 구성 요소의 효율성이 나머지 구성 요소의 크기와 비용에 어떻게 영향을 미치는지 인식해야 한다. 표 4는 효율적인 시스템에 대한 비용의 가치가 있는지 여부를 평가해서 보여준다. (설명을 위해 기어 모터의 상대적 시장가격을 사용했다. 실제 가격은 옵션, 수량, 기타 애플리케이션의 세부 사항에 따라 다르다.)

1마력의 직각 기어 모터 적용을 고려해본다. 맨 윗줄은 저렴한 값의 직각 웜(RA) 기어 박스와 PMDC 모터의 일반적인 솔루션을 보여준다. 개별 구성 요소의 효율성은 인정되나 시스템 효율은 비교적으로 낮다.

두 번째 옵션은, 직각 웜 기어 대신 평행 축(PS) 기어 박스를 사용해서 얻을 수 있는 이점을 보여준다. 패키지 또는 설치제한으로 인해 항상 가능하지는 않다. 효율의 차이는 고려할 가치가 있음을 보여준다.

직각 기어 모터만 작동해야 하는 애플리케이션이 있다면, 이에 적용할 더 높은 효율의 직각 옵션이 있다. 직각 형 유성(RP) 기어 박스에 결합된, 보다 고가의 브러시리스 모터(BLDC)이다. 시스템의 효율이 좋지만 높은 효율로 인해 초기비용이 가장 높다. 브러시리스 모터는 제어가 필요하며, 비용이 표에 반영되지 않았음을 유의해야 한다.

예상 연간 운영비용은 모터 및 기어 모터의 비용, 그리고 효율과 관련된 가장 중요한 요소 중 하나다. 이 비용은 설계의 총비용 평가에서 고려되지 않을 수 있다. 표 4의 마지막 두 열에는 연간 운영비용이 포함돼 있으며 두가지 경우를 비교한다. 연간 100시간의 간헐적인 사용과 연간 2,000시간(하루 8시간)의 연속 사용이 바로 그것이다.

듀티 사이클은 효율성 요구 사항을 고려할 때 가장 중요한 요소다. 듀티 사이클이 짧은 애플리케이션을 예로 들면, 전력비용이 최소화돼 에너지 사용의 영향을 줄인다. 모터의 초기비용은 훨씬 큰 요소가 된다. 표 4는 듀티 사이클의 관련성을 보여준다.

첫 번째 경우, 연간 100시간 동안 더 비싼 기어 모터를 사용할 경제적 방법이 없다. 그러나 고효율 설계를 선택하는 다른 이유가 존재할 수 있다. 이를테면 설계자는 웜 기어 박스와 함께 PMDC 모터를 사용하는 대신, 유성기어 박스가 있는 브러시리스 모터로 전환할 수 있다. 그러면 기어 모터 중량이 24% 감소한다. 고효율 모터를 에너지 및 운영 비용 측면에서 보면, 전류 소모량이 비례적으로 낮아질지라도 더 비싼 기어 모터를 구입하는 것이 최선의 선택은 아니다.

이러한 옵션은 연간 2,000시간 연속 사용의 경우 평가가 변경된다. 표 4의 처음 두 행에 있는 옵션을 보면, 추가 100달러를 지출함으로써 연간 전기비용 121달러가 절감되는 걸 확인할 수 있다.

만약, 에너지 절감만 고려하면 브러시리스 모터는 선택될 수 없다.

그러나 브러시리스 모터는 PMDC보다 2~3배 더 오래 유지되며 유지보수가 덜 필요하기 때문에 비용 효율적인 옵션이 될 수 있다.

더 작은 ¼hp 모터(또는 기어 모터)를 사용하면 상황은 완전히 달라진다(표 5). 소형 모터는 에너지 비용의 차이가 구입 가격의 차이보다 훨씬 적으므로, 에너지 비용은 평가에서 비중이 낮다.

에너지 사용 비용을 평가할 때 효율성 요구가 충족되도록 주의를 기울여야 한다. 설계자는 한 구성 요소의 효율성이 다른 구성 요소의 크기와 비용에 어떻게 영향을 미치는지 평가하고, 비슷한 효율성과 비용을 가진 구성 요소를 선택해 효율성의 불일치를 피해야 한다.

 

결론

에너지 효율은 시스템의 거의 모든 특성과 연관돼 있다. 각 구성 요소의 효율성이 시스템의 나머지 구성 요소의 크기 및 비용에 영향을 주는 것에 대해 신중히 고려해야 한다. 효율성의 중요성은 개별 애플리케이션에 따라 다르며, 설계자는 각각의 새로운 설계 프로젝트에서 효율성의 중요성을 평가해야 한다.

자료 제공 : Groschopp(www.groschopp.com)