모터의 절연등급

모터의 절연등급

 
 
안녕하세요. 스칸디대디 엔지니어입니다.
 
고객사에서 모터 사양 의뢰가 왔을 때 모터 사용온도와 주위 온도를 요청합니다. 모터의 사용온도와 주위 온도는 모터 설계의 중요한 인자이기 때문입니다.
그리고, 절연등급은 모터의 외관 명판에도 기록하도록 되어 있습니다.
 
포스팅 내용을 통해 모터의 절연등급을 저비용으로 만족시킬 수 있는 팁을 남겨드립니다.
 

 

1. 절연등급이란 무엇인가?

모터의 절연등급이란 영어로 'Insulation Class'로, 모터 고정자(Stator)의 권선이 견딜 수 있는 온도를 구간별로 나눠서 분류한 것입니다. 다시 말하면 모터에 적용된 절연물의 최고 사용 허용온도 기준이라고도 할 수 있습니다.
모터에 전기가 인가되면 도체를 통해 전류가 흐르게 되는데 이때 도체의 저항에 의해서 열이 발생하게 됩니다. 발생하는 열이 너무 높으면 절연이 파손될 수 있습니다. 모터의 운전온도에서 요구되는 모터의 수명 시간을 달성할 수 있도록 권선의 절연이 얼마나 잘되어 요구 수명을 만족하는지를 구분하여 지정문자로 표시한 것입니다.
 
절연등급은 때때로 '열 분류'라고 불리기도 합니다. NEMA (National Electrical Manufacturers Association)에서는 모터의 절연 등급을 크게 4가지로 정의하고 있고, 세분화된 등급은 7가지로 정의하고 있습니다. 이 등급은 모두 40℃(104℉)의 주위 온도에서 허용되는 온도 상승을 나타냅니다. 모터의 절연등급은 모터의 크기, 제작 비용, 수명, 안정성 등을 좌우하는 중요한 요소입니다.
 
 

2. 절연등급의 종류

모터의 절연등급을 7가지로 구분하면 다음과 같습니다.

절연 등급	최고 허용 온도 [℃]	적용 분야**	NEMA 구분
Y종	90
A종	105		O
E종	120
B종	130	가전용 팬모터	O
F종	155	산업용 모터, 압축기 모터	O
H종	180	자동차 구동모터, 엘리베이터 모터	O
C종	180 ↑

** 적용 분야는 개인적 설계 경험을 기반으로 작성하였습니다. 
 

3. 절연등급이 모터의 성능에 미치는 영향

절연등급이 높은 모터는 높은 온도에서 작동할 수 있음을 뜻합니다. 이는 모터가 더운 지방에서도 과부하, 강한 기동 작업, 가변 속도 드라이브 응용 프로그램 등 모터에 열이 많이 발생하는 상황에서도 열에 대한 여유를 제공한다는 의미입니다.
현업에서 설계하시는 개발자들이 흔히 알고 있는 사항으로, 일반적으로 모터의 온도의 절연 온도가 10℃를 초과하는 경우, 절연 수명이 절반으로 줄어들고, 반대로 10℃ 낮아지면 절연 수명이 2배가 됩니다.
모터의 설계를 잘해서 절연등급 대비 낮은 온도를 갖는 것은 모터 성능 및 수명에 안정적인 영향을 미친다고 할 수 있습니다.
 
요약하자면 다음과 같습니다.
- 모터의 출력 : 절연등급이 낮을수록 모터의 전류 상승에 제한으로 인하여 권선의 온도 상승이 커지게 되고, 모터의 출력이 감소합니다.
- 모터의 효율 : 절연등급이 낮을수록 열손실에 의해 권선의 온도 상승하게 되어 모터의 효율이 감소합니다.
- 모터의 수명 : 절연등급이 낮을수록 모터의 절연 파괴 위험성으로 인하여 권선의 온도 상승이 커져서, 모터의 수명이 감소합니다.
 
고객사에서 요구하는 절연 등급을 어떻게 만족하느냐는 제작 비용적인 측면에서 몹시 중요한 요소입니다. 인슐레이션 사양을 올릴 수도 있고, 모터의 적층을 키우거나 영구 자석 사양을 업그레이드 시켜 요구되는 절연 등급을 맞출 수 있습니다. 그러나 만약 고객사에서 요구하는 절연 등급이 F종 이하라면 F종에 맞춰서 개발하는 것이 좋습니다.
일상 생활에서 알게 모르게 접해지는 모터의 절연 등급이 F종이 많습니다. 즉 F종을 만족시키기 위한 절연 재료들이 많아 수요와 공급의 법칙에 따라 다른 절연 등급의 재료보다 더 경제적입니다.
 
추가로 모터 개발 시에 고객사에서 요구하는 절연 등급보다 한단계 윗등급으로 설계하여 온도에 대한 안전 마진을 가지는 것이 일반적입니다.