디젤 출력, 전기 입력: 선박 전력 시스템이 모터에 의해 재조명되고 있습니다.

​글로벌 해운산업은 역사적인 전환점에 서 있다. 국제해사기구(IMO)의 점점 더 엄격한 탄소 배출 규제 시행과 지속 가능한 운송에 대한 전 세계적 요구로 인해 전통적인 디젤 엔진 동력 시스템은 중대한 변화를 겪고 있습니다. 이러한 변화의 핵심에는 선박 동력 아키텍처를 근본적으로 재정의하고 업계를 더욱 효율적이고 깨끗한 미래로 이끄는 전기 구동 시스템과 모터 기술의 부상이 있습니다.

​패러다임 전환: 기계식 변속기에서 통합 전기 추진 장치로​

한 세기가 넘도록 디젤 엔진은 신뢰성과 높은 출력 밀도로 인해 선박의 절대적인 동력원으로 자리매김해 왔습니다. 그러나 높은 배기가스 배출, 상당한 소음, 에너지 최적화에 대한 제한된 잠재력, 복잡한 기계 변속기 시스템의 유연하지 못한 레이아웃 등의 단점은 분명합니다.

현대의 전기 구동 시스템은 이러한 환경에 혁명을 일으켰습니다. 이들의 핵심 원칙은 발전과 추진의 분리입니다.

• ​주요 엔진​(예: 디젤 엔진, 가스 터빈, 심지어 연료 전지)은 효율적인 전력 생산에 중점을 둡니다.

• 전력은 전기 네트워크를 통해 선박 전체에 유연하게 분배됩니다.

• ​모터​는 최종 액추에이터 역할을 하여 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하여 프로펠러나 다양한 보조 기계를 구동합니다.

이 "통합 전력 시스템"은 혁신적인 이점을 제공합니다. 매우 유연한 레이아웃, 크게 향상된 에너지 효율성, 리튬 배터리 및 수소와 같은 새로운 에너지원의 기반을 마련하고 선박 조종성과 편안함을 크게 향상시킵니다.

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핵심역량: 선박용 모터의 다양한 혁신​

모터는 더 이상 단순한 전력 장치가 아니라 선박의 다양한 기능 요구 사항에 맞게 맞춤화된 고도로 전문화된 핵심 구성 요소입니다. 전기 구동 시스템의 뛰어난 성능은 다음과 같은 다양한 모터 기술을 기반으로 합니다.

• ​주 추진 모터: 선박의 "전기 심장"​​

  프로펠러를 직접 구동하는 주 엔진을 대체하는 동력원인 최신 추진 모터는 수십 메가와트의 정격 출력을 달성할 수 있습니다. 제한된 엔진룸 공간 내에서 엄청난 추력을 전달하기 위해 중전압(예: 3.3kV, 6.6kV, 11kV) 전원 공급 장치, 다극 저속 설계를 사용하고 고급 수냉식 또는 하이브리드 냉각 기술을 통합하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 일부 주요 제조업체가 채택한 "내부 순환 + 외부 순환" 복합 냉각 방식은 높은 출력 밀도에서 열 방출 문제를 성공적으로 해결하여 모터 부피와 무게를 크게 줄이는 동시에 출력 밀도를 크게 높여 대형 유람선 및 컨테이너 선박의 소형 추진 시스템에 대한 엄격한 요구 사항을 충족했습니다.

• ​기동 및 위치 조정 모터: 민첩한 "전기 조타수"​​

  여기에는 선수 추진기 및 방위각 추진기(Azipod®)용 모터가 포함됩니다. 이러한 모터는 높은 토크, 빠른 동적 응답 및 정밀한 제어를 강조하여 민첩한 선박 핸들링 및 동적 위치 지정(DP)을 가능하게 합니다. 일반적으로 뛰어난 환경 적응성을 갖춘 수직 구조를 특징으로 하며 높은 진동, 습도 및 극한의 추운 조건에서도 안정적인 작동이 가능합니다.

• ​보조 장비 모터: 선박 전체 시스템의 "조용한 초석"​

  펌프와 팬부터 압축기와 갑판 기계에 이르기까지 선박 전체의 보조 장비가 점점 더 고효율 모터로 구동되고 있습니다. 추세는 가변 주파수 드라이브 제어 영구 자석 또는 유도 모터를 지향하여 주문형 전원 공급이 가능합니다. 이는 "작은 부하에 큰 모터를 사용"하는 데 따른 에너지 낭비를 제거하고 선박의 "호텔 부하" 에너지 소비를 줄이는 데 핵심입니다.

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해양 모터의 응용 시나리오​

수백 또는 수천 개에 달하는 다양한 모터가 대형 선박에 설치되어 추진, 조종 및 다양한 보조 시스템 전반에 걸쳐 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 중국 최초의 국내 건조 대형 유람선에는 HVAC부터 소방 펌프까지 136개 하위 시스템을 포괄하는 20,000세트 이상의 모터 장비가 장착되어 있습니다.

안전한 항해와 일상적인 작동은 이러한 모터의 정상적인 기능에 크게 좌우됩니다. 단일 모터의 고장은 추진 시스템이나 중요 장비에 영향을 미쳐 잠재적으로 항해를 위험에 빠뜨릴 수 있습니다. 따라서 선박용 모터는 일반적으로 높은 신뢰성과 열악한 환경을 견딜 수 있는 능력이 필요합니다. 높은 습도, 염수 분무 부식, 해상에서의 강렬한 진동 및 충격으로 인해 선박용 모터는 방습, 내식성 및 내진동성을 위한 특수 설계를 통합해야 합니다.

많은 해양 모터는 습하고 진동하는 환경에서 일년 내내 지속적으로 작동합니다. 부적절한 유지 관리로 인해 절연체 노화 또는 베어링 마모와 같은 결함이 발생할 수 있습니다. 설계 및 사용법에서는 안정적이고 신뢰할 수 있는 모터 작동을 보장하기 위해 정기적인 검사, 유지 관리, 개선된 냉각 및 진동 차단을 강조해야 합니다. 해양 모터는 주 추진 장치, 전기 추진 장치, 스러스터/선수 스러스터, 데크 기계, 펌프, HVAC 및 기타 시나리오에 널리 사용됩니다. 이들의 성능은 선박의 전반적인 성능 및 안전과 직접적인 관련이 있습니다.

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기술 프론티어: 녹색 배송의 미래를 주도하다​

현재 해양 ​모터​ 및 ​전기 구동 시스템​의 기술 개발은 세 가지 주요 방향에 초점을 맞추고 있습니다.

• ​초고효율 및 영구자화​

  모터 효율을 개선하는 것은 배기가스 배출을 줄이는 직접적인 경로입니다. 매우 효율적인 IE4/IE5 등급 모터는 신조선이 선호하는 선택이 되었습니다. 그 중 ​영구자석동기전동기(PMSM)​는 높은 출력 밀도, 고효율, 높은 토크 성능을 갖춰 추진 및 발전 분야에서 급속한 추진력을 얻으며 차세대 '그린 파워'의 핵심으로 자리잡고 있습니다.

• ​시스템 통합 및 인텔리전스​

  현대의 전기 구동 시스템은 고도로 통합된 전체입니다. 모터는 주파수 변환기, 변압기 및 에너지 관리 시스템(EMS)과 긴밀하게 통합되어 있습니다. 디지털 트윈과 사물 인터넷(IoT)을 기반으로 한 지능형 모니터링 시스템은 모터 상태를 실시간으로 분석하여 예측 유지 관리를 지원하고 운영 안정성과 효율성을 극대화할 수 있습니다.

• ​다양한 에너지원에 대한 적응​

  미래의 선박 에너지는 하이브리드가 될 것입니다. ​전기 구동 시스템은 고유한 호환성으로 인해 디젤 발전, 리튬 배터리, 연료 전지, 심지어 해안 전력까지 원활하게 통합할 수 있습니다. 통합 전력 출력 포트 역할을 하는 모터를 통해 선박은 사용되는 1차 에너지원에 관계없이 최적의 추진 성능을 달성할 수 있습니다.

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해양 모터의 유형 및 기술적 특성:​​

선박 시스템의 다양한 요구 사항에 따라 해양 모터는 다양한 특수 유형으로 발전했습니다.

• ​주 추진 모터:​​ 선박의 주요 추진 동력원 역할을 하는 선박의 출력 범위는 수 메가와트에 달할 수 있습니다. 이는 일반적으로 690V, 3kV, 6kV, 10kV를 포함한 표준 전압 레벨과 수천 또는 수만 킬로와트에 달하는 전력 정격을 갖춘 고전압, 고전력 모터입니다. 제한된 공간 내에서 막대한 출력을 전달하기 위해 추진 모터는 종종 고극, 저속 설계(750~1200rpm) 및 효율적인 냉각 방법을 사용합니다. 대부분의 주류 대형 추진 모터에는 열 방출 효율을 향상시키기 위해 수냉식 또는 복합 냉각 시스템이 장착되어 있습니다. 국내 제조사가 개발한 특정 추진모터는 '내부순환+외부순환+공기+해수' 하이브리드 교차냉각 기술을 개척했다. 이를 통해 저전압 조건에서 고전류, 고출력 모터의 방열 병목 현상을 성공적으로 해결해, 동일 출력 모터의 무게와 부피를 기존 대비 60%로 줄이고 전체 효율을 약 20% 향상시켰습니다. 이러한 혁신적인 설계는 모터 전력 밀도를 효과적으로 향상시켜 대형 유람선 및 고출력 소형 추진 모터에 대한 기타 선박의 엄격한 요구 사항을 충족합니다.

• ​선박 조종 및 위치 결정 모터:​​ 여기에는 선수 스러스터(사이드 스러스터) 및 방위각 스러스터(Azipod)용 모터가 포함됩니다. 이러한 모터는 일반적으로 수직 설치 및 높은 토크 출력 설계를 특징으로 하며 선박 기동성 요구 사항을 충족하기 위한 신속한 시작-정지 및 속도 조절 성능을 강조합니다. 선수 구획과 같이 습기와 충격에 취약한 위치를 견딜 수 있도록 탁월한 방습, 내진동 및 저온 내성을 갖추고 극지 항해 중 얼음이 얼은 조건에서도 신뢰성을 유지해야 합니다. 구조적으로 이러한 모터는 일반적으로 제한된 선체 공간에 쉽게 설치할 수 있고 유지 관리가 편리하도록 소형입니다.

• ​보조 장비 모터:​​ 각종 펌프, 팬, 압축기, 윈치 크레인 등 선상 보조 장비 다수가 중소형 전동기로 구동됩니다. 이는 부하 요구 사항에 따라 저전압 및 고전압 범주로 구분됩니다. 저전압 보조 모터는 대부분 380~690V 전압 범위에 속하며 수 킬로와트에서 수백 킬로와트의 전력을 제공하며 일반적으로 단순성과 신뢰성을 강조하는 TEFC(전폐형 팬 냉각식) 구조를 특징으로 합니다. 고전압 보조 모터는 일반적으로 3~6kV에서 작동하고 최대 수천 킬로와트의 전력을 공급하며 대형 펌핑 및 압축 장비와 같은 고강도 응용 분야에 사용됩니다. 일반적으로 덕트 환기 또는 수냉과 같은 향상된 냉각 설계를 사용합니다. 고온 엔진실 구역 또는 수중 펌프와 같은 특정 특수 환경에서는 고온, 방폭 또는 수중 조건에서 안전한 작동을 보장하기 위해 수냉식 재킷 또는 방폭 인클로저가 있는 특수 모터가 필요합니다. 기술 발전으로 추진 및 발전용 PMSM, 특정 보조 장치용 고속 모터, 특수 목적 선박의 DC 모터 등 새로운 해양 모터 형태가 실용화되고 있습니다. 이러한 다양한 제품 범위를 통해 선도적인 기업은 다양한 선박의 요구 사항을 충족하기 위해 30개 이상의 시리즈와 2,000가지 이상의 해양 모터 제품 라인을 포괄할 수 있습니다.

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해양 모터 기술 개발 동향:​​

해양 모터 산업은 현재 효율성, 녹색 기술, 지능이라는 세 가지 주요 방향을 중심으로 혁신을 가속화하고 있으며 다양한 신기술과 협력이 등장하고 있습니다.

• ​고효율, 에너지 절약 및 초고효율 등급 모터:​​ 에너지 소비와 배출을 줄이기 위해 모터 효율을 개선하는 것은 주요 산업 추세입니다. 국제적으로는 기존 모터를 훨씬 능가하는 효율성을 갖춘 초효율 IE5급 모터 제품이 출시되어 조선 산업의 에너지 절약 변혁을 가속화하고 있습니다.

• ​영구 자석 동기 모터 및 새로운 모터 토폴로지:​​ 영구자석 전동기는 고효율, 고출력 밀도, 우수한 속도 조절 성능으로 인해 해양산업에서 점점 더 주목받고 있습니다. 특히 대형 전전기 또는 하이브리드 추진 시스템에서는 메가와트급 PMSM이 점차 핵심 장비로 자리잡고 있습니다. 국내 기업도 엄격한 분류 요구 사항을 완벽하게 충족하는 제품을 통해 획기적인 발전을 이루었습니다. 기존 모터와 비교하여 이러한 고출력 영구자석 모터는 고효율, 에너지 절약, 높은 전력 밀도 및 안정적인 작동과 같은 뛰어난 이점을 제공하여 전체 선박 에너지 소비 및 탄소 배출을 효과적으로 줄이며 지속 가능한 항만 및 해운 산업 발전에 대한 시대의 요구에 부응합니다. 실제 응용 분야에서 샤프트 생성과 같은 시나리오에 PMSM을 사용하면 에너지 활용 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 테스트 결과 3MW급 영구자석 축 발전기를 추가하면 선박 전체의 연료 소비를 4~10% 절감할 수 있는 것으로 나타났습니다. 앞으로 PMSM은 자성재료와 제어기술의 발전으로 주추진장치, 전기추진장치, 대형 보조기관 등에 폭넓게 적용되어 선박의 '그린 파워'의 핵심 기둥이 될 것으로 예상됩니다.

• ​특수 냉각 및 소재 기술:​​ 선박의 제한된 공간 내에서 전력을 증가시키는 과제를 해결하기 위해 업계에서는 모터 냉각 및 재료 분야에서 혁신을 일으키고 있습니다. 앞서 언급한 하이브리드 냉각 모터는 영리한 공기 경로와 수냉식 조합 설계로 모터의 단위 전력량을 크게 줄여 대형 유람선의 좁은 엔진룸에 고출력 모터를 설치해야 하는 요구 사항을 충족한 한 예입니다. 해양 환경의 높은 염수 분무 및 온도 변화 또한 모터 제조 보호 재료의 업그레이드를 촉진하고 있습니다. 기업들은 부식 방지 코팅 접착력 및 수명 문제를 해결하기 위해 R&D에 막대한 투자를 하고 있으며, 염수 분무에 강한 "부식 방지 갑옷" 코팅을 개발하여 해양 환경에서 모터의 장기적인 신뢰성을 크게 향상시키고 있습니다.

• ​인텔리전스 및 디지털화:​​ 현대 선박이 점차 지능형 운영을 추구함에 따라 해양 모터 역시 지능형 모니터링 및 제어로 진화하고 있습니다. 주요 모터 제조사들은 조선소, 전기업체들과 협력해 IoT 기반 모터 모니터링 및 보호 장치를 개발하고 있다. 이는 모터 작동 데이터를 선박의 에너지 효율 관리 시스템에 통합하여 모터 상태에 대한 실시간 모니터링 및 조기 경고를 가능하게 합니다.

• ​산업 협력 및 표준 인증:​​ 선박용 모터 산업의 높은 기술 장벽과 맞춤화 요구로 인해 기업 간 및 권위 있는 기관과의 협업이 추세로 변하고 있습니다. 전체 시스템 통합업체, 장비 공급업체, 모터 제조업체는 공동 개발을 강화하고 있습니다.

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결론: 전기 구동의 돌이킬 수 없는 조류​

"Diesel Out, Electric In"은 단순한 슬로건이 아닌 글로벌 차량 전반에 걸쳐 펼쳐지는 현실입니다. 고급 크루즈 선박과 대형 페리부터 해양 선박, 심지어 원양 화물선까지, 비교할 수 없는 유연성, 효율성 이점 및 환경적 잠재력을 갖춘 전기 구동 시스템이 현대 선박 설계의 표준이 되고 있습니다.

이 시스템의 "근육과 관절" 역할을 하는 모터는 모든 기술 발전(더 높은 전력 밀도, 더 큰 환경 적응성, 더 스마트한 제어)을 통해 이 혁명을 더 깊고 넓은 차원으로 추진하고 있습니다. 선주, 조선소 및 설계자에게 전기 구동 기술을 이해하고 수용하는 것은 더 이상 규정 준수를 위한 선택이 아니라 미래 시장 경쟁에서 승리하기 위한 전략적 필수 요소입니다. 해운의 전기적 미래는 이미 경적을 울리고 항해를 시작했습니다.