전기 드라이브에 대한 전망

전기 드라이브가 갈수록 중요해지고 있다. 자동차 산업, 제조 산업, 에너지 공급장치 분야에서 전기 드라이브의 사용 영역은 계속 늘어나고 있다. 전기 드라이브는 이들 사용 영역에서 다양한 요건을 충족해야 한다. 기존의 기술로 계속할 수 있을까? 구동 기술에서 혁신적이고 근본적인 변화는 없었지만, 제조업체와 연구원들이 향후 전기 드라이브의 발전 방향을 제시하였다. 

슈테파니 미헬(Stefanie Michel)

아주 먼 미래에는 워프 드라이브로 우주를 날아다니거나 우리 몸을 통신처럼 „전송“할 수 있을까? 워프 드라이브는 영화 „스타트렉의 팬“들이 좋아하는 흥미 위주의 미래의 드라이브로, 현실성이 없는 영화의 시나리오에 불과하다. 미래에는 지하의 튜브를 통과하는 자기 부상 열차가 주요 이동수단이 될 가능성이 크다. 그러나 이것도 아직은 상상에 불과하다. 기술 발전들이 더디게 진행되고 있기 때문이다. 예언이 쉽지는 않지만, 몇 가지 트렌드와 발전은 예측할 수는 있다. 이제 어디로 갈 것이며 어디로 갈 수 있는지 살펴보자.

이전의 전기 모터를 살펴보면 지난 수 십 년간 전기 모터가 어떻게 발전되어 왔는지를 뒤돌아 볼 수 있다. 전기 모터는 150여 년부터 우리 주변에서 폭 넓게 사용되어 왔다. 처음에는 DC 모터만 사용되었지만 이후 동기 모터와 비동기 모터가 이후에 개발되었다. 오늘날에도 DC 모터를 여전히 사용하고 있으니 큰 변화가 없었다고 할 수도 있다. 하지만 그 사이 많은 변화가 있었다. 독일 박물관에는 1893년에 제작된 88kW의 BBC 동기 모터가 전시되어 있다. 이 모터는 사람 키 만한 큰 덩치로, 당시에는 제지 공장의 구동 장치로 사용하였던 실물이다. 오늘날에는 Voith 최신 다이렉트 드라이브는 100kW 출력을 낼 수 있다. 이 드라이브 역시 제지기계를 위해 개발되었다. „Voith Drive“라고 하는 이 구동 시스템은 매우 조밀하여, 바로 롤러에 장착할 수 있다. 또한 효율이 95%로 19세기 모델보다는 훨씬 효율적이다.

구동 기술의 핵심적 미래 트렌드

그렇다면 산업용으로 사용하는 드라이브나 드라이브 시스템은 향후 어떻게 발전해 나갈 수 있을까? 혁신적 도약을 예견할 수 없더라도, 다음의 핵심적 트렌드는 확인할 수 있다.

■ 자원 효율과 에너지 효율,

■ 소형화에 더욱 뛰어난 성능,

■ 디지털화와 지능,

■ 저렴한 생산비(제조사)와 저렴한 투자비(사용자)

개발을 통해 자원을 줄이고 구동 시스템의 에너지 효율을 높이는 방향으로 전개되고 있다. 개발은 새로운 트렌드가 아니다. 오랜 세월 보다 효율적인 전기모터 설계에 집중해 왔다. 2015년 유럽 에너지 효율 표준 EN 50598은 전체 구동 시스템의 효율성 평가를 포커스를 맞췄다. 또한 입법 기관의 규정으로 그 사이 유명한 전기 모터 제조사들은 에너지 절감형 모터를 제품 라인에 포함시켰다. 물론 기존의 모터 기술로 이러한 발전이 얼마나 진전될 수 있는가 하는 의문이 생긴다. 비동기 모터로는 보다 높은 효율성 측면에서 미래 보장이 의심스럽다.

제조사들은 상태 데이터를 기록하고 전달하는 센서 장치를 전기 모터에 장착하여 디지털화 트렌드에 대응한다.

2년 전 ABB Automation Products 저전압 모터 제품 매니저인 랄프 페셸은 다음과 같이 언급하였다. „모터를 보다 효율적으로 만들기 위해서는 보다 긴 라미네이션 스택과 더 많은 구리를 장착할 수 있습니다. 이게 합리적인지는 별개의 문제입니다.“ Oswald Elektromotoren의 요하네스 오스발트도 비동기 모터에는 미래의 드라이브가 없으며, 단종될 것이라고 예견하였다. 그의 비판은 ABB의 랄프 페셸이 언급한 자재 이용률이 높다는 것 외에 기술적인 뒤처짐을 의미한다. Siemens도 비동기 모터와 동기 모터가 중기적으로는 다른 기술에 대체될 수 없고, 특히 중간 및 높은 출력 범위에서는 지금까지 대안이 없다는 것을 지적하였다. 기존 기술을 개선하려면 전기 모터를 단순히 최적화하는 것으로는 충분하지 않다. Oswald Elektromotoren의 경우 전체 기계 최적화와 고객의 요구 사항을 중심에 둔다. 고객의 요구 사항을 위해 Oswald Elekromotoren은 다양한 다이렉트 드라이브로 최적의 드라이브 구성을 개발한다. 개발의 추진력은 크기는 점점 작게 하면서 충분한 역동성과 효율을 달성한다는 목표이다.

인더스트리 4.0에서 드라이브 콤포넌트들도 상태 데이터를 수집하기 위해 센서 장치를 갖추고 있다. ABB와 Siemens도 저전압 모터를 „스마트하게“ 만들 수 있는 방법을 개발하였다. ABB는 „ABB Smart Sensor“라는 간단한 센서 박스를 통해 제조사과 상관없이 모든 저전압 모터에 무선으로 연결할 수 있다. 이 센서는 진공, 온도 또는 과부하에 대한 데이터를 공급하고 에너지 소비량을 확인한다. 이를 위한 소프트웨어가 데이터를 분석하여 사용할 수 있는 정보로 만들고, 이를 정비 계획에 제공한다. 다운타임을 줄이고 수명을 늘리며 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다.

Siemens도 차세대 Simotics-SD 모터를 위해 ABB 솔루션과 유사한 디지털 패키지를 제공한다. 이 패키지도 센서 박스를 통해 상태 데이터를 수집하여, ABB의 제품과는 다른, Siemens 자체적인 클라우드 기반 메모리에서 수집한 데이터를 평가한다. 이후 정보를 관련 앱이 기계 운영자에게 제공한다. 또한 모터에 부착된 데이터 매트릭스 코드를 통해 모터를 식별하고, 모터 정보뿐만 아니라 3D 설계 모델에도 접근할 수 있다. 확실한 것은, 오늘날 디지털화가 구동 기술을 바꾸고 있으며 앞으로도 그 영향력을 체감할 수 있을 것이라는 것이다. 이런 맥락에서 점점 강력해지고 있는 통합도 중요한 역할을 한다. 앞으로 드라이브는 기계에 통합하게 될 것이다. 다른 한편으로 컨트롤 시스템, 모터 그리고 기어도 하나의 유닛으로 융합될 것이다.

구동 요소와 전자 장치의 통합

유성기어 모터는 기어와 모터를 하나의 콤팩트하고 효율적인 전기 드라이브로 결합한다.

2017년 하노버 박람회에서 선보인 비엔나 공과대학의 유성기어 모터는 전혀 다른 유형의 통합을 선보였다. 이름에서 알 수 있듯이, 유성기어 모터는 기어와 모터를 하나의 콤팩트한 효율적인 전기 드라이브에 결합하였다. 이 드라이브는 기어와 모터가 두 개로 분리된 유닛이라는 기존의 사고 방식을 바꾸었다. 만프레드 슈뢰들 교수를 필두로 한 이 연구팀은 전기 자동차에 필요한 고회전 모터의 성능 한계를 원주 속도로 일정하게 유지하면서, 로터 회전속도를 높여 상승시키는 방법을 연구하였다. 이에 모터와 기어를 조합하는 새로운 접근법이 생겼다. 이때 모터는 다수의 로터를 적용한 분산 시스템으로 형성되고, 기어는 유성 기어로 형성된다. 첫 번째 단계는 전기 모터를 하나의 유닛으로 조합하는 것이다. 다수의 모터를 서로 정교하게 배치하면, 모터의 움직이지 않는 구간인 이른바 고정자가 더 이상 필요 없어 전체 구조를 단순화할 수 있고 공간이 절감되어 손실도 줄어든다. „예를 들면 세 줄 코일을 장착한 전기기계 4개를 사용하여 총 12개의 자기 코일을 갖게 됩니다. 하지만 우리 방식대로 기계를 배치하면 6개의 코일이면 충분합니다.“(만프레드 슈뢰들)

두 개의 로터가 함께 하나의 큰 내기어 스프로켓을 구동하고, 다른 방향으로 회전하는 다른 두 개의 로터는 작은 외기어 휠을 구동한다. 여기에서 한 단계의 유성 기어와 유사한 모습이 되고, 전기 유성기어 모터라는 이름이 생겼다. „우리가 직접 모터와 출력부에 통합한 기어는 매우 단순합니다. 이를 이용하여 효율을 높이고 제조 비용을 낮출 수 있습니다.“(만프레드 슈뢰들) 제어는 복잡하지 않다. 센서 없이 현재 로터 위치는 전류가 흐르는 케이블을 통해 판독된다.

이 시스템은 미래의 대안으로, 감속 기어를 이용한 구동 작업에 적합하다. 기계적 구성품을 많이 사용하지 않는 매우 콤팩트한 솔루션을 만들 수 있기 때문이다. 이 시스템의 프로토타입은 같은 부피일 경우 성능 밀도를 최대 50%까지 높일 수 있었다. 주어진 기어 품질과 재료 품질에서 내구성을 높이고 매우 평평한 구조가 가능하다. 두 가지 결정적인 특징, 즉 보다 낮은 제조 비용과 자동화 제작 비율을 높일 수 있는 가능성이 앞으로 이 시스템의 확산을 보장하고 있다.

기존 제품을 개선할 것인가 새로운 기술을 추구할 것인가?

기존 드라이브 시스템을 계속 최적화 하는 것은 막다른 골목으로 접어들 수 있거나, 혹은 기존 기술을 발전시켜 미래에도 사용할 수 있을 것이다. 후자의 경우가 릴럭턴스 기술인데, 지금까지는 업계에서 많이 사용하지 않았었다. ABB와 Siemens는 2~3년 전부터 동기 릴럭턴스 모터를 제공하고 있다. 칼스루헤 대학 전자기술 협회(ETI)도 스위치드 릴럭턴스 모터 개발에 집중하였다. 기존의 영구자석 서보모터도 아직까지는 개발을 위한 잠재력을 충분히 제공하고 있다. 요하네스 오스발트는 전자기 및 기계적 문제와 관련하여 최신 계산 프로그램과 시뮬레이션 프로그램을 통한 기술 개선을 위해 연구해야 한다고 강조하였다. 물론 큰 기술적 도약을 기대할 수는 없다.

현재 연구가 진행 중이거나 테스트 단계에 머물러 있는 기술로는 Festo와 Oswald가 연구하고 있는 초전도성 드라이브가 있다. Oswald Elektromotoren의 초전도성 모터 개발 부서장인 토마스 라이스는 다음과 같이 설명하였다. „우리는 완전한 초전도성 드라이브를 시장이 성숙되는 수준으로 개발하고 현재 기술과 기술의 개선으로 커버할 수 없었던 새로운 영역에 이 드라이브를 적용하는 것이 목표입니다.“ Oswald는 모터의 고정자를 초전도성으로 설계하고 있다. 이 고정자는 영하 200 °C 이하로 헬륨 가스로 냉각해야 하는데, 아직까지는 이 비용이 모터의 효율을 상쇄할 수 없을 만큼 높게 나타났다. 이용 분야는 주로 항공 우주 분야이다. 초전도성 토크 모터가 항공기의 드라이브 과제를 해결하는 데에 결정적인 기여를 할 것으로 보고 있다. 항공 우주 분야는 성능에 대해 최소한의 무게를 요구하는데, 이는 초전도성 모터를 이용해야만 가능할 수 있다.

Festo는 Supracarrier를 사용하여 편평한 공작물 캐리어가 플로팅 자기 운반 롤러 위에 위치하고 안내될 수 있는 방법을 선보였다.

Festo는 자동화 분야에 산업적으로 이용하기 위한 컨셉트를 선보였다. 실질적으로 가장 중요한 핵심인 극저온 기술이다. 초전도체는 대상을 비접촉 방식으로 마모되지 않게 에너지 효율적이로 이동하거나 취급하기 위한 이상적인 드라이브 시스템이라고 할 수 있다. „극저온 기술을 이용하면서 지금까지 자동화가 어려웠거나 불가능했던 분야에 침투할 수 있게 되었습니다.“(게오르크 베르너, Festo 콘체른 홀딩 전략적 사업 개발 매니저 및 Supramotion 컨셉트 프로젝트 코디네이터) 그 사이 다양한 응용 시나리오가 형성되었다. 이동 대상을 운반하기 위해 역동적으로 움직하고 정밀하게 위치 결정할 수 있는 플로팅 운반 슬라이드나 캐리어 플레이트에 플로팅 자기 운반 롤러 등이다. 초전도체는 자동화 분야에서 아직 개발 중이지만, 공간적 분리 또는 민감한 대상을 취급하는 비접촉 처리에서 그 응용 가능성이 점점 커지고 있다.

기존 시스템의 개선과 최적화로 원하는 기술 도약을 실현할 수 있을지 아니면 파괴를 통해서 발전을 이룰 수 있을지는 시간이 지나면 나타날 것이다. 확실한 것은 특정 기술은 처음에 언급한 추세를 제한적으로만 충족할 수 있다는 것이고, 그렇게 되면 기존 기술을 뒤엎고 진정한 혁신을 위한 새로운 컨셉트가 필요할 것이다.

진정한 기술 도약은 완전히 새로운 컨셉트로만 가능하다.

슈테파니 미헬(Stefanie Michel), 구동 기술 부문 에디터