[베어링 뉴스 레터] EV 모터 전식 파형 평가 방법 소개

모터 전식 현상에 대하여, 축전압 측정과 전압파형의 유형을 분석하여 축전압이 발생하고 소멸하는 현상상을 자세하게 설명한 자료가 있어 소개합니다.

아마도 모터 전식 현상에 대하여 처음으로 접하신 분들은 많은 도움이 되리라 생각합니다. 

 

전기 자동차 구동 모터용 베어링의 전식 현상

베어링에 전류가 흐르게 되면, 베어링 내외륜 궤도면에 아래의 그림과 같이 하얀 구름과 같은 아주 미세한 전식 현상이 초기에 발생함.

하지만, 전류가 지속적으로 흐르면서, 내외륜 궤도면에 스파크가 발생하면서 궤도면의 일부분이 녹으면서 음푹파인 현상이 발생함.

이러한 현상이 지속적으로 발생하면, 아래의 오른쪽 그림과 같은 RIDGE MARK 현상이 내외륜 궤도면의 원주 방향으로 진행 발전하면서 전식 현상이 발생함.

 

이러한 현상(전식)을 방치하면, 베어링의 이음이나 진동 상승으로 이어짐.

베어링의 수명 저하의 원인이됨. 
이러한 전식 현상에 대하여 메모리 하이코더 MR6000을 사용한 축전압의 측정 방법을 소개함.

 

측정기 소개

https://www.hiokikorea.com/product/product_view.html?c_id=A001001&p_no=322

메모리 하이코더 MR6000

 

 

 

:주요한 대상 메이커

• 모터 메이커
• 인버터 메이커
• EV 구동 모터 시스템 제조업체
• 베어링 제조업체 등의 설계, 개발, 품증

:전기 자동차 모터 시장의 동향

 

인버터 모터의 구동 전압은 해마다 증가해 전기자동차(EV) 800V 구동 시스템도 개발되고 있음.

높은 구동 전압이  걸리면 전식의 원인이 되는 축 전류가 흐르기 쉬워짐.

특히 EV에서는 모터 유닛과 더불어 모터와 변속기의 유닛의 경우,

다수의 베어링으로 구성되어 있어 전식에 대한 리스크가 커지고 있음.

모터의 수명 연장이나 베어링 파손의 미연 방지를 위한 설계 품질은, 점점 중요해지고 있음.

 

축전압 방전에 의한 전식이란.

인버터 구동 모터는 펄스폭 변조(PWM)를 사용하여 제어하므로 스테이터와 로터간의 정전용량을 통해 모터축에 공통모드전압이 발생함.

전압이 그리스 내의 절연 파괴를 일으키는 레벨에 이르면 방전이 반복되어 전식에 의한 윤활의 열화나 베어링의 손상(방전시의 EDM=Electrical Discharge Machining에 의한 피트 형성이나 용융한 금속 성분에 의한 마모)이 진행되어 모터의 수명의 저하의 원인이됨.

 

축전압의 전류 방전에 반복에 의한 베어링 전식 파괴 현상의 현상

 

EDM 방전에 의한 베어링 내외륜 궤도면에 미소 용융 발생 현상

 

전식 현상의 전형적인 손상 사레

 

 

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메모리 하이코더 MR6000을 사용한 축전압 측정

전식의 원인이 되는 축 전압의 방전 파형을 측정하는 방법을 소개함.

회전하고 있는 모터 축의 전압을 측정하기 위해 전용 축 전압 프로브를 사용함.

측정을 통하여 축전압 방전 현상을 분석을 통하여 방전의 현상에 대하여 분석함.

 시험 모터를 사용한 축전압측정
 ·사용기기 : 메모리 하이코더 MR6000, 고속 아날로그 유닛 U8976, 이지스 ® 축전압프 로브PP 510
 ·측정방법 : 축전압  프로브의 선단을 모터의 회전축에 접촉시켜 그 출력을 MR6000에 입력
 ·샘플링 속도: 100MS/s, 기록 포인트 100M포인트

 

 

 

 

COMMOM MODE 축전압 파형

 

 

일반적으로는 20Vp-p~120Vp-p의 공통 모드 전압이 로터와 스테이터와의 정전용량을 통해 모터의 축상서 나타남.

단상파형은 인버터의 3상 펄스에 의한 것으로, 인버터에서 모터로 입력되는 펄스폭변조(PWM)의 펄스에 의해 방형파처럼 되기도 함.

COMMON MODE 전압 파형이 최대 p-p인 경우는 베어링에서 방전을 일으키지 않을 때 볼 수 있는 상태이지만 절연되지 않은 베어링에서는 절연 파괴를 일으켜 방전되기 시작함.

이 기록 화면내에서의 축전압 파형에서는 방전은 보이지 않음.

현업에서 축전압 방전 유무에 따른 축전압 파형이 어떠한 것인지, 명확하게 디파인하기 쉽지 않으리라 생각합니다.

현업에서 느낀 생각은 베어링을 분석하면 조금이라도 전식 현상과 축전압 파형에 대하여 감을 잡을 수 있으리라 생각하여 아래와 같이 진행하면 도움이 되지 않을까 생각합니다.

 

축전압 파형에 따라 베어링 진동 소음 영향도 검사

• 모터의 진동 및 소음 측정
• 모터에서 베어링을 분해하여, 안데론 진동 소음 값 측정
• 베어링 분해하여, 내외륜 궤도면 현미경 측정하여, 시험 조건(하중 및 속도/ 유막 두께)에 따른 궤도면 현상 분석
• 시험조건과 진동 소음 측정 값, 베어링 내/외륜 궤도면 마찰 흔적의 구분하여 정리하여 정의함.

방전이 있는 경우의 EDM 방전 패턴 파형

 

축전압 측정 시, 위의 정상적인 파형에 비하여, 파형이 불규칙하고, 파형이 깨지는 현상이 일어나는 데, 이러한 경우 축전압에 의한 방전이 발생하는 것으로 이해하면 됨.

 

일반적으로 20Vp-p~ 80Vp-p로 방전하는 EDM 방전 패턴은 모터나 베어링의 종류 등에 따라 다르지만 파형을 보면 축전압이 상승해 급속하게 처져 방전하고 있는 것을 알 수 있음.

이것은 인버터의 캐리어 주파수에 따라 초당 수천 번씩 일어날 수 있음.

 

고주파로 1MHz~ 125MHz라고 하는 「방전의 주파수」임.
MR6000에서는 저장한 파형의 시간 축을 확대하고 그 모습을 트레이스 커서 기능으로 수치 확인할 수 있음.

 

메모리 하이코더 MR6000을 사용하여 많은 부분의 베어링도 효율적으로 측정하는 측정기

전기 모터, 인버터, 감속기가 일체형이기 때문에 많은 부분에 베어링이 사용되고 있음.
따라서 패키지화된 모터의 축전압의 영향을 전체적으로 측정하기 위해서는 다채널로 동시에 측정이 효과적임.

인버터의 PWM 전압·전류, 또한 구동 모터에서 발생한 축전압이 기어를 통해 다른 베어링에도 전식을 초래할 우려가 있으므로 각각의 상관 관계를 해석하는데 있어서도 MR6000에서의 다채널 측정은 유효한 수단임.

 

 

 

MR6000과 고속 아날로그 유닛 U8976, 축전압 로브의 조합에 의해 모터의 축전압 외에 인버터의 PWM 전압, 다채널 측정의 사례임.

 

모터 전식 현상을 처음 접하시는 분들은, 아래와 같은 파형 분석등을 응용하여 현업에 적용하면 많이 도움이 되지 않을까 생각합니다.

 

샘플 속도 100 MS/s, 포인트 수 100M 포인트, 축 전압(노랑), PWM의 전압(보라색), cos(핑크), sin(녹색)을 실측한 파형의 사례임.
회전각(주황색)은 파형 연산 처리한 결과를 표시(구간 커서 사이에서 한정)하고 있음.

 

 

서치 기능에 의해 방전 포인트를 좁혀 시간 스케일을 확대한 파형 사례

 

 

방전의 피크 값은 커서 기능으로 읽을 수 있음.
축 전압, PWM 전압, 회전각(파형 연산에 의한)만 표시.

 

 

화면상단 : 메모리 하이코더 MR6000으로 실측한 축전압
 화면 하단 : 시간 스케일을 확대하여 방전 파형 상세를 확인 가능

 

일본 HIOKI 업체의 측정기 사례

 

축 전압 측정기의 사레

•  HIOKI 메모리 하이코더 MR6000과 고속전압 유닛 U8976
• 축전압 측정용 브러시형 프로브의 조합에 의해 모터의 축전압 파형을 측정
• MR6000 본체에 U8976은,최대 16 ch의 동시 측정이 가능