Motor System Efficiency Trends

본 기사에서는 [EU-MORE]에서 발행한 논문 ["D 4.1. MOTOR SYSTEM EFFICIENCY TRENDS"]를 소개합니다.

1. Overview:

• Title: D 4.1. MOTOR SYSTEM EFFICIENCY TRENDS
• Author: João Fong, Anibal T. de Almeida, Konstantin Kulterer
• Publication Year: 2024
• Publishing Journal/Academic Society: EU-MORE
• Keywords: Motor efficiency, MEPS, IE4, IE5, Induction Motors, Synchronous Motors, VSD, Digital Technologies

2. Abstracts or Introduction

논문 "D 4.1. MOTOR SYSTEM EFFICIENCY TRENDS"는 에너지 효율성의 중요성에 대한 인식이 높아지고 모터에 대한 Minimum Energy Performance Standards (MEPS)를 시행하는 국가가 증가함에 따라 모터 시스템 효율성 동향에 대한 개요를 제공합니다. 이 문서는 모터 효율 등급의 발전 과정을 강조하며, IE3를 넘어 super-premium (IE4) 및 ultra-premium (IE5) 수준에 도달했습니다. 또한 유도 모터, 영구 자석 모터 및 동기 릴럭턴스 모터를 포함한 다양한 모터 기술을 논의하고, 특히 고정 속도 및 가변 속도 애플리케이션에 중점을 두어 효율성과 적용 가능성을 평가합니다. 보고서는 모터 시스템 효율성을 최적화하는 데 있어 Variable Speed Drives (VSDs)의 역할과 향상된 모니터링, 유지 보수 및 전반적인 시스템 성능을 위한 디지털 기술 통합을 탐구합니다.

3. Research Background:

Background of the Research Topic:

에너지 효율성 및 다수의 이점의 중요성에 대한 정부와 산업계의 인식이 증가하고, 모터에 대한 Minimum Energy Performance Standards (MEPS)를 구현하는 국가의 수가 증가하는 추세가 본 연구 주제의 핵심 배경을 형성합니다. 이러한 글로벌 추세는 모터 에너지 효율성의 상당한 발전을 촉진하여 IE3 표준을 넘어 super-premium 효율 모터 (IE4 및 IE5)를 달성하게 되었습니다. 본 논문은 이러한 발전과 산업 응용 분야에 미치는 영향을 이해해야 할 필요성을 다룹니다.

Status of Existing Research:

현재 시장에서 IE4 효율의 유도 모터를 구할 수 있으며, 영구 자석 모터 및 동기 릴럭턴스 모터와 같은 기술은 IE4 및 IE5 제한을 초과하는 효율성을 가능하게 합니다. 3상 squirrel cage induction motors (SCIM)는 신뢰성 때문에 고정 속도 애플리케이션에 여전히 선호되는 선택입니다. 그러나 line-start permanent magnet motors (LSPM) 및 DOL synchronous reluctance motors (SynRM)과 같은 기술도 대안으로 등장하고 있습니다. 가변 속도 애플리케이션의 경우, permanent magnet synchronous motors (PMSM) 및 Synchronous Reluctance Motors (SynRM)은 유도 모터에 대한 효율적이고 신뢰할 수 있는 대안으로 인식되고 있으며, 동기 속도에서 로터 손실을 제거하여 IE5 효율 수준을 초과할 수 있습니다.

Necessity of the Research:

모터 효율성 동향을 이해하는 것은 산업계가 에너지 효율적인 솔루션을 채택하고 진화하는 MEPS 규정을 준수하는 데 매우 중요합니다. 본 연구는 사용 가능한 모터 기술, 효율성 특성 및 모터 시스템 성능을 더욱 최적화하기 위한 디지털 기술의 잠재력에 대한 포괄적인 개요를 제공하기 위해 필요합니다. 이 지식은 에너지 절감 및 운영 효율성을 극대화하기 위해 모터 선택, 적용 및 유지 보수에 대한 정보에 입각한 결정을 내리는 데 필수적입니다.

4. Research Purpose and Research Questions:

Research Purpose:

본 보고서의 주요 목적은 모터 설계의 기술 발전, 가변 속도 드라이브의 역할 및 디지털 기술의 통합에 초점을 맞춰 모터 시스템 효율성의 현재 동향을 분석하고 제시하는 것입니다. 이해 관계자에게 이 분야의 최신 개발 및 기회에 대한 정보를 제공하기 위해 모터 기술 및 효율성 개선에 대한 핸드북 수준의 개요를 제공하는 것을 목표로 합니다.

Key Research:

• IE4 및 IE5 수준을 가능하게 하는 모터 효율 등급 및 기술의 진화를 간략하게 설명합니다.
• 효율성, 성능 및 적용 적합성 측면에서 유도 모터, 영구 자석 모터 및 동기 릴럭턴스 모터를 포함한 다양한 모터 기술을 비교합니다.
• 모터 시스템 효율성에 대한 Variable Speed Drives (VSDs)의 기여와 VSD 기술의 발전을 조사합니다.
• 조건 모니터링, 예측 유지 보수 및 프로세스 최적화를 포함하여 모터 시스템 최적화를 위한 디지털 기술 통합과 관련된 기회와 과제를 탐구합니다.

Research Hypotheses:

본 보고서는 특정 가설을 테스트하기보다는 동향 및 기술 개요를 제시하는 데 중점을 둔 기술적 및 분석적 성격을 가지고 있습니다. 따라서 연구 가설은 명시적으로 공식화되지 않았습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 보고서는 모터 기술 및 효율성 동향과 관련된 기존 문헌, 산업 표준 및 시장 데이터 검토를 기반으로 한 기술적 연구 설계를 채택합니다. 정보들을 종합하여 모터 시스템 효율성의 현재 상태와 미래 방향에 대한 포괄적인 개요를 제공합니다.

Data Collection Method:

데이터는 전기 모터, 가변 속도 드라이브 및 모터 시스템의 디지털 기술과 관련된 카탈로그 데이터, 기술 문헌, 산업 보고서 및 표준 문서에서 수집됩니다. 특정 출처는 카탈로그 데이터를 기반으로 한 ISR-UC 및 VSD 효율성에 대한 IEA-4EMSA를 포함하여 문서 전체에서 참조됩니다.

Analysis Method:

분석은 다양한 모터 기술 및 효율 등급에 대한 비교 평가를 포함하는 질적 분석입니다. 효율성 동향, 기술 비교 및 모터 시스템 성능에 대한 다양한 요인의 영향을 설명하기 위해 그림과 표를 통해 데이터를 제시합니다. 보고서는 정보를 종합하여 모터 시스템 효율성의 주요 동향, 기회 및 과제를 식별합니다.

Research Subjects and Scope:

연구 범위는 3상 radial-flux 모터에 중점을 두고 산업 응용 분야와 관련된 다양한 전기 모터 기술을 포함합니다. 여기에는 유도 모터, 동기 모터 (영구 자석 및 동기 릴럭턴스) 및 이러한 기술의 line-start 버전이 포함됩니다. 범위는 모터 시스템에 적용 가능한 가변 속도 드라이브 및 디지털 기술로 확장됩니다. 지리적 범위는 주로 EU 규정 및 EU-MORE와 같은 이니셔티브를 고려하여 유럽 맥락에 중점을 둡니다.

6. Main Research Results:

Key Research Results:

• Motor Efficiency Classes: 모터 효율성은 영구 자석 및 동기 릴럭턴스 모터와 같은 기술로 IE4 및 IE5 수준에 도달하여 크게 발전했습니다. IE4 효율의 유도 모터를 널리 사용할 수 있습니다.
• Induction Motor Improvements: 유도 모터의 효율성 개선은 우수한 재료, 최적화된 설계 및 slot fill factor를 높이고 손실을 줄이는 hairpin windings와 같은 고급 권선 기술을 통해 달성됩니다. (Figure 3, Figure 4, Figure 5)
• Synchronous Motors Advantages: 동기 모터 (PMSM, SynRM)는 특히 가변 속도 애플리케이션에서 로터 손실을 제거하여 유도 모터보다 높은 효율성을 제공합니다. Axial flux motors는 높은 전력 밀도와 컴팩트한 설계를 제공합니다. (Figure 6, Figure 8, Figure 9, Figure 10, Figure 11, Figure 12, Figure 13, Figure 14)
• Line-Start Motors: Line-start permanent magnet motors (LSPM) 및 line-start synchronous reluctance motors (LSSynRM)는 높은 효율성과 direct-on-line 시동 기능을 제공하여 특정 애플리케이션에서 유도 모터에 대한 대안을 제공합니다. (Figure 15, Figure 19)
• Variable Speed Drives (VSDs): VSD는 가변 부하 애플리케이션에서 모터 시스템 효율성을 최적화하는 데 매우 중요합니다. VSD의 Wide Band Gap (WBG) 재료 (GaN, SiC)는 손실을 더욱 줄이고 성능을 향상시킵니다. (Figure 20, Figure 21, Figure 22, Figure 23)
• Motor System Efficiency Approach: 모터 시스템 효율성을 최적화하려면 전원 공급 장치, 제어 장치, 변속기, 구동 장비 및 프로세스 구성 요소를 포함하여 전체 motor driven unit (MDU) 및 모터 시스템을 고려하는 전체적인 접근 방식이 필요합니다. (Figure 24, Figure 25)
• Digital Technologies for Optimization: 스마트 센서 및 IIoT를 포함한 디지털 기술은 실시간 모니터링, 조건 기반 유지 보수, 예측 유지 보수 및 프로세스 최적화를 통해 효율성과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기회를 제공합니다. (Figure 30, Figure 31, Figure 32, Figure 33, Figure 34, Figure 35)

Analysis of presented data:

• Figure 1: IEC600-34-30-1에 정의된 효율 등급과 시판되는 모터 효율성을 보여주며, LSPM 및 PM 모터는 IE5 효율에 도달할 수 있지만 SCIM 및 SynRM은 일반적으로 IE4/IE5에 부합합니다.
• Figure 2: 유도 모터 손실 유형별 분석을 보여주며, 고정자 I²R 손실과 로터 I²R 손실이 상당한 기여 요인임을 나타냅니다.
• Figure 6: 다양한 모터 기술의 총 모터 무게를 비교하여 동기 릴럭턴스 모터와 영구 자석 모터의 무게 이점을 보여줍니다.
• Figure 12: 차량 애플리케이션용 상용 모터 전력 밀도를 제시하여 axial flux motors의 높은 전력 밀도를 강조합니다.
• Figure 15: 시판되는 LSPM IE4 모터의 효율성을 보여주며, 다양한 프레임 크기 및 전력 출력에서 높은 효율성을 입증합니다.
• Figure 18: IE3 등급 SCIM 및 IE5 등급 SynRM을 갖춘 110kW PDS의 효율성을 비교하여 SynRM의 우수한 부분 부하 효율성을 보여줍니다.
• Figure 26: cage-induction motors의 일반적인 역률 및 에너지 효율성 대 부하율 대역을 표시하여 부분 부하에서 효율성 저하를 보여줍니다.
• Figure 29: 펌프 시스템에서 다양한 정적 비율에 대한 전력 요구량 곡선을 보여주며, 에너지 소비 및 VSD 효과에 대한 정적 헤드의 영향을 입증합니다.
• Figure 33: 전기 모터의 고장난 부품의 분포를 제시하여 베어링이 주요 고장 원인임을 나타냅니다.
• Figure 35: 모터에 설치된 스마트 센서의 연간 에너지 소비의 예를 들어 잠재적 절감량에 비해 에너지 소비가 미미함을 보여줍니다.

Figure Name List:

• FIGURE 1: OVERVIEW OF THE MOTOR EFFICIENCY CLASSES DEFINED BY IEC600-34-30-1 AND OF THE COMMERCIALLY AVAILABLE MOTOR EFFICIENCIES (SOURCE: ISR-UC BASED ON CATALOGUE DATA)
• FIGURE 2: TYPICAL BREAKDOWN BY TYPE OF LOSSES IN 50-HZ, FOUR-POLE IMS (ALMEIDA, FERREIRA, & BAOMING, 2014)
• FIGURE 3: HIGH EFFICIENCY INDUCTION MOTOR IMPROVEMENTS (SOURCE ISR-UC)
• FIGURE 4: EXAMPLES OF CONVENTIONAL AND ADVANCED WINDING TECHNIQUES (GIRAUD & PLASSE, 2017)
• FIGURE 5 RECTANGULAR SECTION WIRE
• FIGURE 6: TOTAL MOTOR WEIGHT (11 KW; 1500 RPM; CAST IRON FRAME; CATALOGUE DATA)
• FIGURE 7: EVOLUTION OF NEODYMIUM PRICES (2018-2023)(100% = 70US$/KG)(STRATEGIC METALS INVEST, 2023); GLOBAL MINE PRODUCTION OF RARE-EARTHS (GENG, SARKIS, & BLEISCHWITZ, 2023)
• FIGURE 8: RADIAL AND AXIAL FLUX MOTOR CONFIGURATION (NIDEQ CORPORATION)
• FIGURE 9: IRON CORE IN A STATOR OF A RADIAL FLUX MOTOR VS PCB STATOR OF AN AXIAL FLUX MOTOR (FALTER, 2023)
• FIGURE 10: TYPICAL TYPES OF TOPOLOGIES FOR AXIAL-FLUX MOTORS (HAO, MA, WANG, LUO, & CHEN, 2022)
• FIGURE 11: LAYERED COMPONENTS OF AN INFINITUM ELECTRIC AXIAL-FLUX MOTOR WITH TWO ROTORS AND PRINTED CIRCUIT STATOR (GUEDES-PINTO, 2022)
• FIGURE 12 COMMERCIAL MOTORS POWER DENSITY (FOR VEHICLE APPLICATIONS) (IDTECHEх, 2022)
• FIGURE 13: COMPACT INTEGRATED MOTOR+VSD+PUMP/FAN+IoT - SEVERAL MODELS
• FIGURE 14: DIRECT DRIVE IN AN ELEVATOR (SOURCE: KONE)
• FIGURE 15: EFFICIENCY OF COMMERCIALLY AVAILABLE LSPSM IE4 (SOURCE: WEG)
• FIGURE 16: SYNRM MOTOR PRINCIPLE (SOURCE: ABB)
• FIGURE 17: POTENTIAL EFFICIENCY INCREASE DUE TO ROTOR LOSS REDUCTION IN SYNR MOTORS (SOURCE: ABB)
• FIGURE 18: EFFICIENCY COMPARISON OF AN 110-KW PDS (POWER DRIVE SYSTEM) WITH IE3-CLASS SCIM AND WITH IE5-CLASS SYNRM CONSIDERING A QUADRATIC-TORQUE LOAD FAN OR PUMPING SYSTEM WITHOUT STATIC HEAD. (ALMEIDA, FERREIRA, & FONG, 2023)
• FIGURE 19: TYPICAL CONFIGURATION OF LSSYNRM ROTOR.
• FIGURE 20: CONFIGURATION OF AN INVERTER BASED VSD.
• FIGURE 21: EFFICIENCY LEVELS AND CDM CLASSIFICATION AS DEFINED IN IEC 61800-9-2.
• FIGURE 22: VSD EFFICIENCY AT THE (90:100) DUTY POINT (SOURCE: IEA-4EMSA).
• FIGURE 23: OVERVIEW OF WIDE BAND GAP (WBG) PERFORMANCE CHARACTERISTICS (SOURCE: IEA PECTA).
• FIGURE 24: EXAMPLE OF A MOTOR SYSTEM INCLUDING THE MOTOR DRIVEN UNIT.
• FIGURE 25: THE ENERGY EFFICIENCY OF AN ELECTRIC MOTOR SYSTEM AND ITS IMPROVEMENT POTENTIAL (DE ALMEIDA, FERREIRA, & BOTH).
• FIGURE 26: BANDS OF A) TYPICAL POWER FACTOR, AND B) ENERGY EFFICIENCY, VERSUS LOADING FOR FOUR-POLE, THREE-PHASE, CAGE-INDUCTION MOTORS OF DIFFERENT OUTPUT POWERS (IEC60034-31).
• FIGURE 27: TYPES OF TORQUE-SPEED CURVES:
• FIGURE 28: EXAMPLE OF PUMP AND SYSTEM CHARACTERISTIC CURVES FOR DIFFERENT SHARES OF STATIC HEAD (KULTERER, DIMOV, HOFMANN, TESCH, & ANGERMAYR, 2022).
• FIGURE 29: EXAMPLE OF POWER REQUIREMENT CURVES FOR DIFFERENT STATIC PROPORTIONS (KULTERER, DIMOV, HOFMANN, TESCH, & ANGERMAYR, 2022).
• FIGURE 30: POTENTIAL AREAS OF MEASUREMENTS AND OF APPLICATION OF SENSORS IN MOTOR DRIVEN SYSTEMS (ADAPTED FROM (KULTERER, DAWODY, WIDERSTROM, & WERKHOVEN, 2022)).
• FIGURE 31: DIGITISATION IN MOTOR SYSTEMS (SOURCE: ISR-UC).
• FIGURE 32: EXAMPLES OF SMART SENSORS FOR ELECTRIC MOTORS (SOURCE: ABB & WEG).
• FIGURE 33: DISTRIBUTION OF FAILED COMPONENTS IN ELECTRIC MOTORS (BONNETT, 2012).
• FIGURE 34: CONDITION BASED MONITORING IN ELECTRIC MOTORS (SOURCE: STMICROELECTRONICS).
• FIGURE 35: EXAMPLE OF THE YEARLY ENERGY CONSUMPTION IN A SMART SENSOR INSTALLED IN A MOTOR.

7. Conclusion:

Summary of Key Findings:

본 연구는 모터 효율성이 기술 발전과 규제 압력에 의해 지속적으로 개선되고 있다고 결론 내립니다. 동기 모터 기술과 고급 유도 모터 설계는 IE4 및 IE5 효율 수준을 달성하는 데 핵심입니다. Variable Speed Drives와 새롭게 떠오르는 Wide Band Gap 반도체는 특히 가변 부하 애플리케이션에서 모터 시스템 효율성을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. 디지털 기술은 향상된 모니터링, 유지 보수 및 프로세스 최적화를 통해 효율성을 더욱 향상시킬 수 있는 상당한 잠재력을 제공합니다. 그러나 이러한 이점을 실현하려면 모터 구동 장치의 모든 구성 요소를 고려하고 디지털 기술 구현에 대한 장벽을 해결하는 시스템 수준의 접근 방식이 필요합니다.

Academic Significance of the Study:

본 보고서는 다양한 출처의 정보를 구조화되고 접근 가능한 형식으로 통합하여 모터 효율성의 최신 동향에 대한 귀중한 핸드북 수준의 개요를 제공합니다. 높은 효율성을 달성하는 데 있어 모터 설계, 제어 전략 및 디지털 통합 간의 상호 작용을 강조하면서 모터 기술 진화에 대한 학문적 이해에 기여합니다. 다양한 모터 유형과 성능 특성에 대한 포괄적인 분석은 전기 공학 및 에너지 효율성 분야의 지식 체계에 추가됩니다.

Practical Implications:

본 연구 결과는 에너지 효율성을 개선하고 운영 비용을 절감하려는 산업계에 중요한 실질적인 의미를 갖습니다. 본 보고서는 엔지니어와 의사 결정자가 특정 애플리케이션에 적합한 모터 기술 및 VSD를 선택하는 데 지침을 제공합니다. 모터 시스템 설계 및 최적화에 대한 시스템 수준 접근 방식의 중요성을 강조합니다. 또한 조건 모니터링, 예측 유지 보수 및 프로세스 최적화를 위해 디지털 기술을 채택하는 것의 이점을 강조하여 산업 환경에서 스마트 모터 시스템을 구현하기 위한 로드맵을 제공합니다.

Limitations of the Study and Areas for Future Research:

본 보고서는 주로 기존 정보의 검토 및 종합이며, 독창적인 경험적 연구는 포함하지 않습니다. 분석은 참조 자료의 가용성 및 범위에 의해 제한됩니다. 향후 연구에서는 실제 산업 응용 분야에서 특정 모터 기술 및 디지털 솔루션의 에너지 절감 잠재력을 정량화하는 데 초점을 맞출 수 있습니다. 모터 시스템에 디지털 기술을 구현하는 데 대한 장벽을 해결하고 이러한 과제를 극복하기 위한 전략을 개발하기 위한 추가 연구가 필요합니다. 재료 사용 및 환경 영향을 고려한 다양한 모터 기술 및 VSD의 자세한 수명 주기 평가도 향후 연구에 유용한 영역이 될 것입니다.

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