구리 로터를 사용한 유도 전동기: 모터 효율을 높이는 새로운 기회

이 소개 논문의 내용은 [논문 제목: Induction motors with copper rotor: a new opportunity for increasing motor efficiency]을 [출판사: International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE)]에서 발행한 논문을 기반으로 합니다.

1. 개요:

  • 제목: 구리 로터를 사용한 유도 전동기: 모터 효율을 높이는 새로운 기회
  • 저자: Percy R. Viego Felipe, Vladimir Sousa Santos, Julio R. Gómez Sarduy, José P. Monteagudo Yanes, Enrique Ciro Quispe
  • 출판 연도: 2023
  • 출판 저널/학회: International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE)
  • 키워드: 구리 로터 유도 전동기, 경제적 타당성, 전기 모터, 에너지 효율, 고효율 모터

2. 초록:

구리 로터 유도 전동기(CURIM)는 알루미늄 로터(ALRIM)보다 로터 융합 손실이 적기 때문에 최근에 도입되었습니다. 또한 CURIM을 사용하면 IE4 및 IE5 효율 수준에 더 쉽게 도달할 수 있습니다. CURIM은 소형 모터, 에스컬레이터 및 전기 자동차 애플리케이션에 유리합니다. 그러나 CURIM은 슬립, 역률, 온도 상승 및 토크 감소 문제를 나타내므로 분석해야 합니다. 본 연구에서는 할인 기법을 적용하여 CURIM과 ALRIM을 사용하는 경제적 타당성을 비교했습니다. 순환 작동이 있는 설탕 회사에서 사례 연구를 수행했으며, 여기서 5.5kW 모터가 제분기 공급 장치의 중간 도체에 설치됩니다. 이 시설은 3~6개월 동안 3교대로 운영됩니다. ALRIM에 대한 CURIM의 비용 증가(ACI)는 1.1~1.5배였습니다. 3,600시간/년 및 4,000시간/년 작동 시 ACI가 10%보다 크면 투자 회수 기간이 4년 이상이고 순 현재 가치(NPV)가 선형적으로 증가하는 것으로 나타났습니다.

3. 서론:

알루미늄 로터 유도 전동기(ALRIM) 대신 구리 로터 유도 전동기(CURIM)를 사용하면 로터 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 이는 주로 구리의 전기 전도도가 알루미늄의 약 170%이기 때문입니다. 따라서 전체 기계 손실도 감소합니다. 중전력 유도 전동기에서 총 손실의 15%~25%에서 효율이 2%~5% 증가합니다[1], [2]. 그러나 알루미늄에 비해 구리의 높은 용융 온도(구리의 경우 1,083°C, 알루미늄의 경우 660°C)로 인해 구리 주조 공정에 대한 문제가 먼저 해결되어야 했습니다. 나타난 근본적인 어려움은 다이 수명 단축, 순수 구리 주조 공정에서의 산화, 용융 구리에 분산된 다공성이었습니다[2].

전력 비용이 증가함에 따라 모터 수명 주기 비용이 필수적이라는 인식이 높아졌고 소비자는 더 효율적인 모터에 더 높은 초기 비용을 지불하는 편의성을 인식했습니다[3]. 또한 정부 규제 및 인센티브가 추진 요인이었습니다. 따라서 많은 회사와 협회에서 구리 주조의 단점을 제거하기 위해 노력했으며 로터 제조를 위한 다이 재료 및 주조 공정을 개발하여 대량 생산이 가능하고 경제적이 되었습니다[1], [2], [4].

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

구리 로터 유도 전동기(CURIM)는 알루미늄 로터(ALRIM)보다 로터 융합 손실이 적기 때문에 최근에 도입되었습니다. 또한 CURIM을 사용하면 IE4 및 IE5 효율 수준에 더 쉽게 도달할 수 있습니다. CURIM은 소형 모터, 에스컬레이터 및 전기 자동차 애플리케이션에 유리합니다.

기존 연구 현황:

알루미늄에 비해 구리의 높은 용융 온도(구리의 경우 1,083°C, 알루미늄의 경우 660°C)로 인해 구리 주조 공정에 대한 문제가 먼저 해결되어야 했습니다. 나타난 근본적인 어려움은 다이 수명 단축, 순수 구리 주조 공정에서의 산화, 용융 구리에 분산된 다공성이었습니다[2].

연구 목적:

본 논문에서는 구성 특성 및 관련 비용, 작동, 손실, 전기 기계, 에너지 및 온도 특성을 기반으로 CURIM과 ALRIM을 비교합니다. 마지막으로, 동일한 용량의 ALRIM으로 CURIM을 교체한 결과를 비교하여 설탕 공장에서 5.5kW 모터를 교체하는 경제적 타당성 연구를 수행합니다.

핵심 연구:

CURIM의 구리 주조 공정에 대한 연구는 제조업체에서 제작한 특정 유형(즉, 정격 전력, 극수, 전압)의 구리 로터 모터를 설계, 주조 및 설치하는 비용이 다른 제조업체의 비용과 다를 수 있음을 나타냅니다.

5. 연구 방법론:

연구 설계:

순환 작동이 있는 설탕 회사에서 사례 연구를 수행했으며, 여기서 5.5kW 모터가 제분기 공급 장치의 중간 도체에 설치됩니다. 이 시설은 3~6개월 동안 3교대로 운영됩니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

경제 분석은 차등 순 현재 가치(Differential NPV)[27] 기준을 사용하여 사례 연구에서 수행되었으므로 동일하거나 거의 동일한 비용(예: 고정자 비용, 설치 비용, 유지 보수 비용)이 제거됩니다.

연구 주제 및 범위:

동일한 용량의 ALRIM으로 CURIM을 교체한 결과를 비교하여 설탕 공장에서 5.5kW 모터를 교체하는 경제적 타당성 연구를 수행합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • 표 1. 11.2kW CURIM 7개의 평균 손실 분리 [5]
  • 표 2. 11.2kW 모터의 기타 성능 특성 [5]
  • 표 3. 11.2kW 모터의 측정된 토크 값 [5]
  • 표 4. ALRIM과 비교한 다양한 CURIM의 효율 증가 및 총 손실 감소 [5]
  • 표 5. Al 및 Cu 소형 로터 75kW 모터 비교 [2]
  • 표 6. 11kW, 6극 에스컬레이터 구리 로터 모터의 매개변수 [2]
  • 표 7. 160kW 전기 자동차의 매개변수 [2]
  • 표 8. 5.5kW 모터에 대한 차등 NPV 방법을 사용한 경제 분석 매개변수 [27]
Figure 1. NPV and Payback period function as the initial incremental cost for 4,000 h of operation
Figure 1. NPV and Payback period function as the initial incremental cost for 4,000 h of operation
Figure 2. Payback period and NPV as a function of initial differential cost and 8,000 hours of operation
Figure 2. Payback period and NPV as a function of initial differential cost and 8,000 hours of operation
Figure. 3. NPV and payback period as a function of initial incremental cost and variable operating time
Figure. 3. NPV and payback period as a function of initial incremental cost and variable operating time

그림 제목 목록:

  • 그림 1. 4,000시간 작동에 대한 초기 증분 비용으로 NPV 및 투자 회수 기간 함수
  • 그림 2. 초기 차등 비용 및 8,000시간 작동의 함수로 NPV 및 투자 회수 기간
  • 그림 3. 초기 증분 비용 및 가변 작동 시간의 함수로 NPV 및 투자 회수 기간

7. 결론:

본 연구에서는 에너지 효율을 높이기 위한 유도 전동기의 새로운 기술 개선 중 하나인 CURIM의 장점과 단점을 평가했습니다. 그 결과 로터, 마찰 및 구동의 구리 손실과 추가 손실이 ALRIM보다 CURIM에서 더 낮고 따라서 효율이 더 높다는 것을 보여줄 수 있었습니다.

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9. 저작권:

  • 이 자료는 "[Percy R. Viego Felipe]"의 논문입니다. "[Induction motors with copper rotor: a new opportunity for increasing motor efficiency]"를 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: [DOI: 10.11591/ijece.v13i3.pp2409-2418]

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Tags: Applications; , Copper Rotor; , Die casting; , Efficiency; , 고효율 모터; , 자동차