모터 진동 소음의 원인, 베어링 전식(Electric Erosion)

모터 진동 소음의 원인, 베어링 전식(Electric Erosion)

 
안녕하세요. 스칸디대디 엔지니어입니다.
 
베어링 전식(Electric Erosion)에 대해 알아보고 발생 원인과 대책으로 검증한 것을 정리해보고자  합니다.

최근 들어 전기자동차가 판매량이 급증하고 있습니다.
이에 전기자동차 기술 분야에서 우위를 차지하고 있는 현대기아차의 세계 자동차 판매 순위가 글로벌 Top 3를 차지했다는 소식을 뉴스로 전해 들을 수 있었습니다.
 
전기자동차 판매량이 증가하면서 그동안 업계에서는 수면 위로 올라오지 않았던 베어링 불량이 많이 언급되고 있습니다.
내연기관을 밀어내고 그 자리에 구동 모터가 장착되면서 베어링의 사용량이 늘었고, 이에 따라 베어링 불량, 특히 베어링 전식 문제도 많이 발생하고 있습니다. 2020년에는 미국 전기자동차 메이커인 테슬라에서 베어링 전식으로 인한 리콜 사례도 있었습니다.
 

 

1. 베어링 전식의 원인

베어링 전식의 원인은 국소적으로 발생하는 Arc 방전입니다. 그리고 그 요인은 인버터의 고주파 성분에 의해 발생합니다.
인버터는 전력 저감 효과 및 과부하를 예방하는 역할을 하는데, 이 인버터를 사용하는 모터는 치명적인 단점이 있습니다. 고속 스위치 전압 또는 PWM(Pulse Width Modulation, 펄스 폭 변조)으로 인한 고주파 전류가 발생합니다. 
Common Mode 전류에 의해 Motor Shaft에 전압이 발생하고 일정치를 넘으면 Arc 방전하여 베어링에 외륜에 궤도면과 수직 방향의 흠집을 만듭니다.
 

베어링 전식 현상

 
발생 순서를 간단하게 설명하면,
- 모터 운전 전 초기 상태의 베어링 전동체(베어링 볼 또는 롤러)는 내륜과 외륜을 모두 접지
- 모터가 운전하며 Shaft에 고정된 내륜이 움직이기 시작하여 그리스(Grease)가 전동체를 도포하며 절연
- 인버터의 고주파 성분에 의해 Shaft를 통해 내륜에 전하가 축적
- 일정 수준 이상의 전압/전류가 넘으면 Arc 방전하여 외륜 마모
 
 

2. 베어링 전식 방지 대책

베어링 전식 방지에 대한 대책은 크게 두가지로 나눌 수 있습니다.
 
1) 전기회로 설치
인버터의 고주파 상분이 Shaft와 베어링 내륜에 축적되지 않도록 전기 회로를 만들어서 전압/전류가 계속 흐르도록 합니다.
즉, 스테이터(Stator)와 Shaft를 통전하는 방식입니다.
대표적인 부품이 Shaft Ground Ring 입니다. 

출처. VFDs

 
2) 절연
인버터 고주파 성분이 Shaft에 축적되더라도 베어링으로 전달되지 않도록 절연시키는 것입니다.
Shaft에서 베어링으로 가는 경로를 전기절연체로 단락시켜 전압/전류가 베어링 전동체로 이동할 수 없도록 하는 방식입니다.
여기서 중요한 점은 절연되는 거리가 스테이터와 로터 사이의 공극(Air gap) 이상이어야 한다는 점입니다. 고주파 성분이 스테이터에서 로터를 타고 Shaft에 축적된다는 점을 이해하면 왜 절연 거리가 공극 이상이 되어야 하는지 이해할 수 있습니다.
대표적인 부품이 절연 베어링 즉, 세라믹 베어링입니다.

 

출처. NSK

 
베어링 전식은 진행성 불량이라 초기에 발생하지 않습니다. 짧게는 수일, 길게는 수년이 지나야 관찰되는 불량입니다.
전기자동차, 가전 제품 등은 소비자가 구입 후 많은 시간이 지나서 모터의 진동, 소음으로 AS 요구하는데, 이는 베어링 전식으로 발생한 불량도 존재합니다.
초기 설계 시에 베어링 전식 방지 대책을 반영하지 않으면 나중에 큰 비용이 발생하게 됩니다.
 
이미 많은 전식 방지 대책들이 있습니다. 그러나 여러 모터 제조사에서 전식 방지에 대한 대책을 특허로 출원해뒀습니다. 쉽고 간편하게 해결하려다가 특허 소송에 휩싸일수도 있으니 적용하고자 하는 대책이 타사 특허에 저촉되지 않는지 먼저 특허 검색을 꼭 해보시기 추천드립니다.
 
마지막으로 베어링 전식 방지 대책에 대한 한가지 팁을 드리면, 전도성 테이프, 전도성 본드 등을 활용하면 가장 손쉽고 저렴하게 해결할 수 있습니다.