전자기, 기계 및 열 시뮬레이션과 함께 설계 최적화를 수행하면 에너지 효율을 개선하고 소음을 최소화하며 강건한 전기 모터의 베어링 수명을 향상시킬 수 있다.

전기 모터는 전기를 가장 많이 소비하는 단일 장비다. 국제에너지기구(IEA)의 분석에 따르면, 산업 전력 소비 중 약 3분의 2, 전 세계 전력 소비 중 약 45%를 차지한다. 2012년 세계 에너지 전망(World Energy Outlook 2012)에서는 세계 선진국들이 향후 25년에 걸쳐 에너지 효율을 해마다 1.8%씩 증가시킬 계획을 세우고 있다고 밝혔다. 이러한 개선 계획은 주로 전기 모터 설계의 향상을 통해 이루어져야 한다.

전기 모터 장치를 개발하는 기업은 동작 소음을 줄이고 수명이 길어진 모터를 제작해야 한다. 엔지니어들은 거의 두 세기에 걸쳐 전기 모터의 설계를 개선하고 최적화하기 위해 이러한 두 요구사항의 균형을 맞추려고 노력해 왔으며, 이제 한 발 더 나아가기 위해서는 새로운 방식과 툴이 필요하다.

WEG는 미국 최대의 산업용 전기 모터 제조업체이자 세계 최대 규모의 산업용 전기 모터 제조업체 중 하나로서, 연간 천만 대 이상의 장치를 생산한다. WEG엔지니어들은 전자기, 기계 및 열 시뮬레이션을 활용하기 위해 전기 모터에 ANSYS의 포괄적인 설계 솔루션을 사용했다. 엔지니어링 팀은 설계 최적화를 통해 새로운 W50 전기 모터 제품군으로 최적의 에너지 효율, 동작 소음 감소 및 베어링 수명 연장을 실현했다.

ANSYS의 광범위한 기능은 각 설계 대안을 개별적으로 평가할 필요 없이 전기 모터를 설계하고 최적화하기 위해 사용됐다.

에너지 효율 증가

125 HP에서 1,750 HP에 이르는 대형 전기 모터에는 일반적으로 각각 모터 내/외부를 냉각하기 위한 두 개의 팬이 들어 있다. 두 팬은 상당한 양의 전력을 소비한다. WEG 엔지니어들은 에너지 효율을 개선하는 확실한 방법은 팬 효율을 향상시키는 것이라고 확신했다.

그들은 내부 팬에서 공기가 모터를 통해 흐를 때 손실을 줄일 수 있는 방법에 특별히 집중했다. 팬에서 생성되는 공기 흐름은 프레임 내의 개구부를 통해 흐른다. 이들 개구부를 늘리면 손실을 줄일 수 있겠지만, 이 경우 모터의 전자기 성능도 줄어들게 된다.

WEG 엔지니어들은 ANSYS CFD 소프트웨어를 사용해 모터 내부를 통한 공기 흐름을 모델링했다. 공기가 프레임을 통해 지나가는 개구부 같은 주요 파라미터를 파라메트릭 치수 변수로 정의했다. 이러한 여러 설계 파라미터는 모터의 전자기 성능에 영향을 미치므로 엔지니어들은 ANSYS Maxwell 전자기 모델을 CFD 모델처럼 동일하게 모터의 파라메트릭 변수를 포함하도록 구성했다. 또한 각 파라미터에 대한 여러 값을 가지는 테이블을 생성했다.

WEG은 ANSYS DesignXplorer를 사용해 설계 공간을 세분화하는 실험계획법(DOE)을 작성했다. 이를 통해 비교적 최소한의 시뮬레이션 실험으로 모든 설계 공간을 효율적으로 탐색하고 작업자의 개입없이 다중물리 시뮬레이션을 실행할 수 있었다. WEG은 ANSYS Workbench 환경의 포괄적인 시뮬레이션 툴과 ANSYS DesignXplorer를 활용한 설계 최적화를 통해 2005년의 1개월당 4회에서 현재는 1개월당 800회까지 시뮬레이션 실행 횟수를 늘릴 수 있게 됐다. 또한 고성능 컴퓨팅(HPC)도 이러한 향상에 일조했다. WEG에서는 CFD에 HPC Pack을 사용하고 Maxwell을 8대의 워크스테이션에 걸쳐 분산된 64코어를 통해 실행한다.



각 설계 점에 대한 출력 결과는 테이블에 저장되었으며 설계 공간을 완벽하게 배치하는 반응 표면 맵으로 시각화됐다. 반응 표면은 변수가 팬 손실에 미치는 영향을 그래픽으로 도표화하는 데 사용됐다. 이번 경우에는 컴퓨팅 리소스의 제약으로 인해 시뮬레이션을 결합하지 않았지만, 향후에 WEG는 결합된 다중물리 시뮬레이션을 활용하여 모든 물리를 고려함으로써 파라메트릭 변수에 대한 최적의 값을 더욱 정확하게 결정할 계획이다.

WEG 엔지니어들은 반응 표면 맵, CFD에 대한 도표 및 테이블, 전자기 분석 등을 수작업으로 비교하여 최적의 성능 조합을 나타내는 파라메트릭 변수 조합을 결정했다. 그런 다음 최적의 조합을 찾기 위해 전자기 및 CFD 시뮬레이션을 다시 실행하여 최고 성능을 나타내는 조합을 선택했다. 그 결과 팬 손실은 상당히 감소됐고 전자기 성능의 저하 없이 에너지 효율이 향상됐다.

소음 저감

또한 WEG 엔지니어들은 새로운 W50 모터 설계에서 발생하는 소음을 줄이기를 원했다. 전기 모터는 주로 공력과 전자기라는 두 가지 개별적인 소스를 통해 소음을 생성한다. 공력 소음은 팬 로터에서 생성되어 공기를 통해 전달된다.



WEG 엔지니어들은 ANSYS CFD를 사용해 팬 로터 형상을 최적화하여 공력 소음을 최소화했다. 전자기 소음은 고정자 및 로터에서 생성되는 자기장의 상호작용에서 발생한다. 합성력 주파수가 기계 구조의 고유 주파수를 자극하는 극단적 상황에서 이 소음은 급격히 증폭된다.

WEG 엔지니어들은 ANSYS CFD를 사용해 내부 팬 시스템을 최적화했다. 또한 모터 길이를 줄이기 위해 새로운 내부 팬 시스템을 설계했으며, 이를 통해 동적 성능을 향상시킬 수 있었다.

그러나 초기 설계는 용인될만한 수준이 아니었으므로 엔지니어들은 ANSYS DesignXplorer를 사용해 내부 팬 형상을 최적화했고 요구사항에 맞는 새로운 솔루션을 개발했다. 새로운 내부 팬은 진동이 줄어들었고 모터의 출력 밀도가 향상됐으며 최대 회전 속도도 증가했다.



WEG 엔지니어들은 프로토타이핑 단계 이전에 모터의 전자기 소음을 예측 및 방지하기 위해 전자기 시뮬레이션을 활용해 전자기력과 전자기 손실을 계산했다. 이 값은 구조 및 열 시뮬레이션에서 기계적 진동을 예측하기 위한 입력으로 사용됐다. WEG 엔지니어 들은 토폴로지 최적화 방법을 구현하기 위해 ANSYS ACT를 사용해 프레임의 고유 진동수를 향상시켰다. 그런 다음 파라메트릭 변수를 설정하고 ANSYS DesignXplorer를 사용해 설계점 테이블을 실행했으며 설계를 최적화하여 최저 수준의 소음을 구현했다.

베어링 수명 개선

대개 베어링은 전기 모터의 수명 기간 동안 가장 먼저 고장이 난다. 베어링의 수명은 작동 온도와 밀접한 연관이 있다. 베어링이 구동되는 온도가 낮을수록 수명도 길어지고 윤활 간격(그리스를 주입해야 하는 빈도)도 길어지므로 모터를 유지보수 할 필요성도 줄어든다. 엔지니어링 팀은 베어링 주변의 공기 흐름에 대해 CFD 분석을 실행했으며 해당 영역 내 일부 구성요소의 모양과 치수를 변경하여 공기 흐름을 안정화했고 작동 온도를 낮췄다.

WEG 엔지니어들은 이와 같은 몇 가지 다중물리 시뮬레이션을 통해 W50 모터에 대한 세부 설계를 개발했다. 그런 다음 프로토타입을 작성했다. 물리적 테스트는 설계가 시뮬레이션의 예측대로 정확하게 작동함을 보여 주었다.



따라서 프로토타입 단계에서는 그다지 큰 변경 작업이 필요하지 않았다. 다른 일반적인 경우라면 설계에서 보다 더 많은 사항을 변경해야 할 것이다. 첫 시도에서 정확한 설계를 구현할 수 있었으므로 비용이 대폭 절감됐다.

새로운 W50 모터는 동급의 기존 전기 모터에 비해 성능이 크게 향상됐다. 에너지 효율은 응용사례에 따라 다르지만 일반적으로 동일한 응용사례에서 기존 동급 최고의 모터보다 훨씬 더 나은 효율을 보여 준다. 새로운 모터는 3,600 rpm(60 Hz)에서 82 dB(A), 3,000 rpm(50 Hz)에서는 78 dB(A)의 매우 낮은 소음 수준을 보여준다. 베어링 수명은 이전의 40,000시간보다 더 나은 100,000시간의 L10h 수명으로 향상됐다. 제작된 모든 모터 중 90% 이상이 L10h 수명을 달성할 것이다. 또한 ANSYS 다중물리 툴을 사용해 전기 모터에 대해 동급 최고의 성능을 구현하면서 제품 개발 프로세스의 리드 타임과 비용을 크게 절약할 수 있게 됐다.

WEG을 위한 기술지원 및 영업은 남미지역 ANSYS 채널 파트너인 ESSS에서 제공한다.