전기 모터의 효율성과 지속 가능성을 향상시키기 위한 예측 진단 유지보수 솔루션

모터 결함이나 이상으로 인해 발생하는 모터 효율 저하는 장기간 지속될 수 있으며, 이는 상당한 경제적 손실로 이어져 점점 더 심각한 우려 사항이 되고 있습니다. 모터 작동 효율성을 향상시키기 위해서는 예측 진단 유지보수 솔루션을 채택하여 고효율 모터 성능을 보장하는 것이 필수적입니다. 이 기사에서는 일반적인 모터 결함이 모터 효율성에 어떤 영향을 미치는지, 그리고 Analog Devices의 Smart Motor Sensor (SMS) 및 관련 솔루션이 모터 작동 효율성을 어떻게 향상시킬 수 있는지 소개합니다.

산업 4.0은 제조업에서 기술, 로봇 공학, 인공지능, 자동화를 통합하여 매우 효율적이고 생산적인 제조 프로세스를 창출하는 새로운 시대로 간주됩니다. 산업 응용 분야는 전 세계 에너지 소비의 30%를 차지하며, 이 중 70%가 모터에 의해 소비됩니다. 모터가 최대 효율로 작동한다면 전 세계 전력 소비를 잠재적으로 10% 줄일 수 있습니다. 하지만 이 목표는 어떻게 달성할 수 있을까요? 운영 효율성을 조건 기반 모니터링 및 예측 유지 보수(CbM/PdM)를 통해 개선하면 생산성, 품질 및 물류 관리에서 성능을 최적화하고 지속 가능성 지표를 충족하는 데 도움이 된다는 증거가 있습니다.

최근 몇 년간 모터의 높은 에너지 소비량을 감안하여 제조업체들은 더욱 효율적인 유도 모터를 설계하기 위해 상당한 노력을 기울여 왔습니다. 하지만 모터 효율성에 큰 영향을 미치는 한 가지 요소가 종종 간과되고 있습니다. 일반적으로 산업용 모터는 50%에서 85% 사이의 효율로 작동하며, 모터 상태가 좋지 않을 경우 에너지 효율성이 눈에 띄게 저하될 수 있습니다. 제조업체에서 제공하는 정격 효율 값은 이상적인 모터 조건, 즉 작동 중에 중요한 이상, 결함 또는 고장이 없는 경우에만 유효합니다. 고장이 발생하면 초기 단계라고 하더라도 모터 효율성이 저하될 수 있습니다.

모터 전력 손실은 주로 두 가지 범주로 나뉩니다: 고유 전력 손실과 이상 전력 손실입니다. 고유 전력 손실에는 구리 손실(저항, 피부 효과), 철 손실(와전류, 히스테리시스), 기계적 손실(마찰, 바람막이) 등이 포함됩니다. 고유 전력 손실은 모터 설계 단계에서 최소화할 수 있습니다. 추가적으로, 이상 전력 손실은 비정상적인 모터 조건에서 발생하는 추가 손실을 포함합니다. 예를 들어, 로터 바 결함, 고정자 권선 결함, 모터 축 정렬 불량, 소프트 풋 결함, 냉각 팬 모터 결함 등이 있으며, 이는 모두 모터 효율을 저하시킵니다. 모터를 최적의 작동 조건으로 유지하면 이상 전력 손실을 최소화할 수 있으며, 이는 유지보수 전략과 밀접하게 관련되어 있습니다.

ADI의 OtoSense SMS는 산업용 전기 모터의 CbM(상태 기반 유지보수) 및 PdM(예측 유지보수)을 위한 포괄적인 AI 기반 하드웨어 및 소프트웨어 풀 턴키 솔루션입니다. 이는 첨단 센싱 기술과 데이터 분석을 결합하여 모터 상태를 모니터링합니다. 이 솔루션은 하드웨어 하위 시스템과 소프트웨어 하위 시스템으로 구성되며, 소프트웨어 하위 시스템에는 클라우드 플랫폼, 웹 애플리케이션, 모바일 애플리케이션이 포함되어 있으며, 클라우드 플랫폼은 모터 결함 진단을 위한 머신 러닝 기반 AI 알고리즘을 특징으로 합니다.

OtoSense SMS는 ADI에서 개발한 다수의 고성능 센서를 통합합니다. 여기에는 x축 및 z축 진동 감지를 위한 두 개의 저잡음, 고주파 MEMS 가속도계 (ADXL1002)와 모터 프레임 및 주변 온도 감지를 위한 두 개의 고정밀 16비트 디지털 온도 센서 (ADT7420)가 포함됩니다. 추가로 모터 속도 감지 및 전기 결함 진단을 위한 자기장 센서와 2.4GHz Wi-Fi 전송을 위한 데이터 수집 및 데이터 패킹을 지원하는 Wi-Fi 프로세서가 포함되어 있습니다. OtoSense SMS는 기계 데이터를 감지하고 해석하는 데 있어 시장에서 뛰어난 솔루션입니다.

OtoSense SMS를 사용하여 모터의 운영 효율을 개선하면 모터 결함을 줄이고 예기치 않은 가동 중단을 방지하여 경제적 이익을 극대화할 수 있습니다. 또한, 고효율 모터는 표준 효율 모터보다 전기 에너지를 적게 소비하기 때문에 모터 효율은 작업당 비용 절감에서 근본적인 역할을 합니다. 연구에 따르면, 다양한 유형의 결함이 모터 효율성에 다양한 정도로 영향을 미치며, 여기에는 회전자 결함, 고정자 권선 비대칭, 절연 시스템 결함, 불균형/부정렬, 환기 시스템 결함 등이 포함됩니다.

클라우드 플랫폼은 모터 작동 상태와 유지 보수 필요성에 대한 깊은 통찰력을 제공합니다. 독점적인 OtoSense SMS 예측 유지 보수 분석을 활용하여 사용자는 아홉 가지의 일반적인 모터 결함을 초기 단계에서 식별하고 모터 작동에 영향을 미치기 전에 이를 해결할 수 있습니다. 각 모터 결함에 대해 Fault Score Index (FSI)를 계산하여 모터 결함의 심각도를 나타냅니다. FSI는 0에서 10까지의 범위를 가지며, 7 이상의 FSI는 모터가 양호한 상태임을 나타내고, FSI가 5에서 7 사이에 있는 경우 초기 단계 결함을 나타내며 이메일을 통해 낮은 심각도의 경고 알림을 트리거합니다. 경고 상태의 모터는 일정 기간 동안 여전히 정상 작동이 가능하지만 최적의 상태가 아니므로 작동 효율이 감소합니다.

OtoSense SMS의 중요한 경제적 이점은 향상된 모터 효율을 통한 비용 절감에 있습니다. 더 많은 기업들이 운영 효율성 향상, 예기치 않은 가동 중단 감소, 지속 가능성 달성에 초점을 맞추면서, CbM 및 PdM 기술의 도입이 필수적이 되었습니다. OtoSense SMS 기술은 모터 상태의 실시간 모니터링, 초기 고장 감지, 그리고 권장 초기 문제 해결 조치를 제공합니다. 모터 고장의 조기 감지 및 제거는 예기치 않은 고장과 정지를 방지할 뿐만 아니라 모터가 높은 효율로 작동하도록 보장하여 에너지 절약을 가능하게 합니다. 향후 10년 동안 운영 효율성을 향상하고 지속 가능성 목표를 달성하려는 기업은 이러한 권장 사항을 구현해야 합니다.

예를 들어, OtoSense SMS는 압축기 모니터링에 사용될 수 있습니다. 압축기는 공장에서 가장 중요한 장비 중 하나이며, OtoSense SMS 장치를 설치하면 24시간 연속 모니터링이 가능합니다. OtoSense SMS는 공항 승객 수하물 컨베이어와 같은 고밀도 모터 구동 응용 분야인 자재 처리 시스템에도 적용될 수 있습니다. OtoSense SMS 솔루션을 채택함으로써 초기 베어링 결함을 감지하고 고객에게 경고 알림을 보낼 수 있어, 베어링의 영구적인 손상을 방지하고 예기치 않은 시스템 가동 중단을 피하며, 운영 에너지 소비와 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다.

ADT7420은 ADI OtoSense SMS 솔루션의 일부로, 4 mm × 4 mm의 LFCSP 패키지에 포장된 고정밀 디지털 온도 센서로, 넓은 산업용 온도 범위에서 뛰어난 성능을 제공합니다. 내부 밴드갭 온도 기준, 온도 센서, 및 16비트 ADC를 특징으로 하며 온도를 모니터링하고 0.0078°C의 해상도로 온도를 디지털화합니다. 기본 ADC 해상도는 13비트(0.0625°C)로 설정되어 있습니다. ADC 해상도는 사용자가 프로그래밍할 수 있으며, 시리얼 인터페이스를 통해 조정할 수 있습니다.

ADT7420은 2.7 V에서 5.5 V까지의 전원 전압 범위 내에서 작동이 보장됩니다. 3.3 V에서 평균 전원 전류는 일반적으로 210 µA입니다. ADT7420에는 디바이스를 전원 차단하는 셧다운 모드가 포함되어 있으며, 3.3 V에서 일반적인 셧다운 전류는 2.0 µA입니다. 동작 온도 범위는 -40°C에서 +150°C로 정격화되어 있습니다.

ADT7420의 A0 및 A1 핀은 주소 선택에 사용되며, 네 가지 가능한 I2C 주소를 제공합니다. CT 핀은 온도가 프로그래밍 가능한 임계 값을 초과할 때 활성화되는 오픈 드레인 출력입니다. INT 핀 또한 온도가 프로그래밍 가능한 한도를 초과할 때 활성화되는 오픈 드레인 출력입니다. INT 및 CT 핀은 비교기 및 인터럽트 이벤트 모드에서 작동할 수 있습니다.

제품 개발 속도를 높이기 위해, ADI는 ±0.1°C, ±0.25°C 및 ±0.5°C의 정확도를 가지는 온도 센서를 평가할 수 있는 플랫폼인 EV-TempSense-ARDZ를 포함하여 호환 평가 보드를 제공합니다. 또한, EVAL-ADT7420-PMDZ는 ±0.25°C의 온도 측정을 지원하는 PMOD 보드이며, EV-COG-AD3029는 초저전력 애플리케이션을 위한 ADuCM3029 Cog 개발 플랫폼입니다. EV-COG-AD4050는 MCU 및 RF 트랜시버 포트폴리오에서 ADI의 초저전력 기술을 위해 설계된 Cog 개발 플랫폼의 ADuCM4050 변형입니다.

ADI의 ADXL1001/ADXL1002는 산업 환경 모니터링에 최적화된 확장된 주파수 범위에서 초저소음 밀도를 제공하는 저소음, 고주파수 ±100 g/±50 g MEMS 가속도계입니다. ADXL1001(±100 g)과 ADXL1002(±50 g)는 각각 30 µg/√Hz 및 25 µg/√Hz의 일반적인 소음 밀도를 특징으로 합니다. 두 가속도계 모두 안정적이고 반복 가능한 감도를 제공하며 최대 10,000 g의 외부 충격을 견딜 수 있습니다.

ADXL1001/ADXL1002에는 내장 전기 정적 자체 테스트(ST)와 과범위(OR) 표시기가 포함되어 있어 임베디드 애플리케이션을 위한 고급 시스템 수준 기능을 제공합니다. 낮은 소비 전력과 3.3 V에서 5.25 V까지의 단일 전원 작동으로 무선 감지 제품 설계도 지원합니다. ADXL1001/ADXL1002는 5 mm × 5 mm × 1.80 mm LFCSP 패키지로 제공되며, -40°C에서 +125°C의 온도 범위에서 작동합니다.

ADXL1001/ADXL1002는 아날로그 출력을 제공하는 단일 평면 축 가속도계로, DC에서 11kHz(3dB 지점)까지의 선형 주파수 응답 범위와 21kHz의 공진 주파수를 제공합니다. 이 제품들은 초저잡음 밀도를 특징으로 하며, 빠른 복구를 위한 DC 커플링을 포함한 과도 범위 감지, 포괄적인 전자기계 자가 테스트, 및 민감도 성능을 갖추고 있습니다. 온도 민감도 안정성은 5%, 선형성은 ±0.1%의 풀 스케일 범위, 교차 축 민감도는 ±1%(ZX) 및 ±1%(YX)입니다. 단일 전원에서 동작하며 비례 출력 전압을 제공하며, 전력 소모는 단지 1.0mA입니다. 빠른 복구가 가능한 절전 대기 모드도 지원하며, 이 장치는 RoHS 준수를 만족합니다. ADXL1001/ADXL1002는 상태 모니터링, 예측 유지 보수, 자산 상태, 테스트 및 계측 그리고 Health and Usage Monitoring Systems(HUMS)에서 널리 사용됩니다. ADI는 또한 고객 사용을 위해 ADXL1001/ADXL1002 평가 보드를 제공합니다.

예측 진단 및 유지보수 기술을 채택하면 모터 시스템의 효율성과 지속 가능성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 센서 데이터, 엣지 컴퓨팅, 인공지능(AI)을 결합하면 모터 상태의 실시간 모니터링 및 선제적 고장 방지가 가능할 뿐만 아니라 장비 수명을 연장하고 에너지 소비를 줄이며 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다. 이 기사에서 소개된 ADI OtoSense SMS는 모터에 대한 예측 진단 유지보수를 어떻게 구현할 수 있는지 보여주는 사례입니다. 이러한 혁신적인 솔루션은 스마트 제조와 친환경 산업 변혁을 위한 핵심 동력으로 자리 잡으며, 기업에 안정적인 운영과 지속 가능한 개발의 기반을 제공합니다.