모터(Motor)의 결함과 진동-공극(Air gap)관련

모터(Motor)의 결함과 진동-공극(Air gap)관련

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모터의 고정자와 회전자는 서로 닿지 않는다. 고정자로부터 유도된 전류로 회전자는 회전하게 되는데 이 두 구조간의 공간을 Air gap(공극)이라 한다. 이 공극은 서로 일정하게 조립되어 있어야 한다. 이 것이 불균일하지 않고 편심이 있으면 전기적인 문제가 기계적인 문제(진동)로 발산된다. 이 것은 전자기력의 힘으로 균형이 깨진 상태로 지속되면 결국 모터의 수명에 지장을 주게 되어 있다. 공극의 균형상태는 모터제조사의 조립기술을 대변하기도 하는데 좋지 않는 저급의 모터가 소음과 진동이 심한 것은 당연하다고 하겠다.

Uneven Air Gap(불균형 공극)

Rotor와 Stator 사이의 Air gap이 일정하다면 Rotor에 작용하는 전자기력(Magnetic force)은 균형이 유지된 상태이다. Air gap이 일정하다는 것은 유도모터에서 대단히 중요한 점이다. 왜냐하면 Air gap은Rotor에 유도된 전류의 양에 영향을 주기 때문이다. 다시 말하면, Rotor의 전자기력은 Stator 전류의 양보다 Air gap의 평등상태에 더 좌우된다. 이 Uneven Air gap은 결과적으로 매우 불평형(Imbalanced)한 전자기력을 유도하게 된다.

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Air gap을 측정하기 위해 Rotor의 각 끝부분에서 8부분으로 정확히 나눠 편심 상태를 측정한다. 그리고 둥글지 않은 상태(Out of round)와 Rotor의 굽힘(Bow)상태를 확인한다. 또한 Stator의 Run out과 Coil의 저항을 확인하며, 모터 프레임의 Twist상태를 확인하기 위해 Soft foot을 측정한다. “Soft foot”은모터의 연약한 지지상태(Poorly shimmed foot)이며, 완전하게 모터를 고정시킬 경우 모터의 프레임이 변형하며, Stator의 편심 상태로 발생된다.

Stator의 편심 상태로 유발된 Rotor의 진동은 Stator의 극수(Poles)에 관계없이 전원주파수(Line frequency)의 2배로 나타난다. 이 진동값은 부하에 비례하며, 전원을 없앨 경우 즉시 사라진다.

이 2´Line frequency는 모터의 프레임의 여러 부분에서 원형 방식(Circular pattern)으로 측정하며 관찰해보면, 공진이 없을 경우, 진동의 최대값은 Rotor와 Stator의 사이의 힘이 가장 크게 작용하는 곳이며, 또 가장 가까운 곳이다.     

Air gap의 불균형 상태를 진동스펙트럼으로 확인해보면 2´line frequency의 sidebands를 동반한RBPF(Rotor Bar Pass Frequency = # Rotor Bar x RPM)와 Rotor frequency에서의 진동으로 유발된다.

편심 회전자(가변공극) (Eccentric Rotor and Variable Air Gap)

로터의 편심은 로터 층간단락에 기인한 국부적인 온도상승으로 로터의 휨이 발생하는 현상 혹은 단순히 로터가 진원이 아닌 현상 때문에 발생한다.

2X Fl에서 높은 진동이 발생하며 Fp (#Pole x Slip Frequency)의 Sideband가 존재함. 정비활동 중 2X Fl과 Fp의sideband의 추이를 확인하여야 하며 급히 증가하지 않을 경우 더 이상의 손상은 진행되지 않는 것으로 볼 것. 그러나 수명은 단축. 로터가 편심된 전동기는 온도가 상승하면 더욱 고진동이 발생.

공극 측정법

고정자와 회전자 양측에 Marking을 하여 간극을 점검하여야 한다. 즉 Mark를 서로 정렬하여 45˚씩 로터를 회전하면서 고정자에 표시한 점에서 공극을 측정한다. 만약 차이가 5%이상 발생하면 공극의 편차는 로터의 편심에 기인 하는 것으로 보아야 하며 그다음 다시 로터를 45˚씩 회전시키면서 로터에 표시한 점에서 측정한다. 만약 간극이 이들 측정치간에 편차가 5%이상 발생하면 고정자가 편심된 것으로 보아야 한다.

Out of Round Rotor(둥글지 않은 회전자)

Rotor가 Stator의 중심에 있다 해도 완전히 둥글지(Perfect Round)않을 수 있다. 이 경우에 진동은Rotor Frequency에서 그리고 Fp (#Pole x Slip Frequency)에서의 “Beat”(진폭이 오르락 내리락 하는 것)으로 나타난다. 모터에서 하중을 증가할 지라도 이 Slip frequency는 증가하며, 그것은 Out of round rotor 에 기인한 “Beat”를 포함하여 오히려 진동을 크게 할 뿐이다.

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키워드	모터회전수, 슬립주파수, slip frequency, line frequency, 전원주파수, 모터의 진동, 모터의 전자기 진동, 진동센서, 회전자, Rotor, Air gap

모터(Motor)의 결함과 진동-7-회전자 바(Rotor bar)관련 문제

모터(Motor)의 결함과 진동-7-회전자 바(Rotor bar)관련 문제

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모터의 비파괴형 건강진단을 진동과 전류신호로 파악하려면 모터의 회전자를 반드시 이해해야 하는데 그 중에서 모터의 회전자를 구성하는 주요 구성요소 중에서 회전자 봉은 빼놓고 이해할 수 없는 요소이다. 이 회전자의 구조 및 용도를 설명하면 회전자를 둘러 종방향으로 유도전류가 흐르는 통로가 있고 엔드링(바의 끝부분 마무리 연결부)을 통해 다른 횡방향으로 나열된 회전자봉들로 연결되어 있는 형태로 회전자기능에 중요한 역할을 하며 전자기적결함을 진동 또는 전류로 파악할 수 있는 신호를 발산한다. 이 신호는 사람의 건강진단에 비유하면 골밀도 분석이라고 할 수도 있겠다. 이 신호를 분석하고 결함의 수준을 이해할 수 있는 자료를 정리해 본다.

회전자 봉(Rotor bar)의 문제

베어링 이외의 모터의 결함의 원인은 상당수 “Rotor bar”와 연관되어있기 때문에 초기결함 진단에서 Rotor bar의 결함을 확인하는 것은 매우 중요하다. 특히 부하를 받아 구동원으로 사용되는 모터 중에서 250HP이상의 큰 모터일 경우 더욱 중요하다. 모터가 부하를 받고 전원을 받아 시동할 때 고전류가 Rotor bar에 공급이 되며 이것은 Rotor bar로 하여금 큰 응력(Stress)를 받게 한다. 이것이 과도할 경우 Rotor bar의 문제가 발생하며 다음의 여러 문제 들로 영향이 파급된다.

반복적인 고전류 응력(Stress)에 의한 Rotor bar crack상태->

국부과열(Spot heating)이 Crack을 발생시키며, Rotor를 Bow시킴. 이것은 마치 Imbalance상태처럼 보이나 실제로는 Rotor의 결함의 측면에서 분석하여야 함.->Rotor bar break and arcing발생-> 추가적인 가열과 Rotor bow발생. 모터를 다시 balancing해도 Rotor는 Stator와 결국 마찰에 이름.

->근접한 Rotor bar에 많은 전류를 공급, 더 높은 열과 기계적 Stress발생->Rotor lamination이 손상을 입고 모터가 완전한 결함으로 진전.

다음은 전류의 측정을 통해 모터의 Rotor bar상태를 확인한 결과이다. 좌측 그림은 정상상태의 Rotor bar를 가진 모터의 전류측정이며, 우측의 그림은 Rotor bar 가 Broken된 상태의 결과이다.

Broken Rotor bar의 수를 예측할 수 있는 공식

N=Broken Rotor bar의 예측된 수.

R=Rotor slot의 수

P=모터의 극수(pole number)

A=Line frequency의 진폭

B=”Line frequency-(극수´Slip frequency)”의 진폭

     ; 진폭을 “dB”로 읽을 경우,

     ; 진폭을 암페어(A)같은 Engineering unit으로 읽을 경우.

상세내역은 홈페이지내 첨부파일참조...

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모터(Motor)의 결함과 진동-5-공극(Air gap)관련 문제

모터(Motor)의 결함과 진동-5-공극(Air gap)관련 문제

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모터의 고정자와 회전자는 서로 닿지 않는다. 고정자로부터 유도된 전류로 회전자는 회전하게 되는데 이 두 구조간의 공간을 Air gap(공극)이라 한다. 이 공극은 서로 일정하게 조립되어 있어야 한다. 이 것이 불균일하지 않고 편심이 있으면 전기적인 문제가 기계적인 문제(진동)로 발산된다. 이 것은 전자기력의 힘으로 균형이 깨진 상태로 지속되면 결국 모터의 수명에 지장을 주게 되어 있다. 공극의 균형상태는 모터제조사의 조립기술을 대변하기도 하는데 좋지 않는 저급의 모터가 소음과 진동이 심한 것은 당연하다고 하겠다.

Uneven Air Gap(불균형 공극)

Rotor와 Stator 사이의 Air gap이 일정하다면 Rotor에 작용하는 전자기력(Magnetic force)은 균형이 유지된 상태이다. Air gap이 일정하다는 것은 유도모터에서 대단히 중요한 점이다. 왜냐하면 Air gap은 Rotor에 유도된 전류의 양에 영향을 주기 때문이다. 다시 말하면, Rotor의 전자기력은 Stator 전류의 양보다 Air gap의 평등상태에 더 좌우된다. 이 Uneven Air gap은 결과적으로 매우 불평형(Imbalanced)한 전자기력을 유도하게 된다.

Air gap을 측정하기 위해 Rotor의 각 끝부분에서 8부분으로 정확히 나눠 편심 상태를 측정한다. 그리고 둥글지 않은 상태(Out of round)와 Rotor의 굽힘(Bow)상태를 확인한다. 또한 Stator의 Run out과 Coil의 저항을 확인하며, 모터 프레임의 Twist상태를 확인하기 위해 Soft foot을 측정한다. “Soft foot”은 모터의 연약한 지지상태(Poorly shimmed foot)이며, 완전하게 모터를 고정시킬 경우 모터의 프레임이 변형하며, Stator의 편심 상태로 발생된다.

Stator의 편심 상태로 유발된 Rotor의 진동은 Stator의 극수(Poles)에 관계없이 전원주파수(Line frequency)의 2배로 나타난다. 이 진동값은 부하에 비례하며, 전원을 없앨 경우 즉시 사라진다.

이 2´Line frequency는 모터의 프레임의 여러 부분에서 원형 방식(Circular pattern)으로 측정하며 관찰해보면, 공진이 없을 경우, 진동의 최대값은 Rotor와 Stator의 사이의 힘이 가장 크게 작용하는 곳이며, 또 가장 가까운 곳이다.     

Air gap의 불균형 상태를 진동스펙트럼으로 확인해보면 2´line frequency의 sidebands를 동반한 RBPF(Rotor Bar Pass Frequency = # Rotor Bar x RPM)와 Rotor frequency에서의 진동으로 유발된다.

 

편심 회전자(가변공극) (Eccentric Rotor and Variable Air Gap)

로터의 편심은 로터 층간단락에 기인한 국부적인 온도상승으로 로터의 휨이 발생하는 현상 혹은 단순히 로터가 진원이 아닌 현상 때문에 발생한다.

 

2X Fl에서 높은 진동이 발생하며 Fp (#Pole x Slip Frequency)의 Sideband가 존재함. 정비활동 중 2X Fl과 Fp의sideband의 추이를 확인하여야 하며 급히 증가하지 않을 경우 더 이상의 손상은 진행되지 않는 것으로 볼 것. 그러나 수명은 단축됨. 로터가 편심된 전동기는 온도가 상승하면 더욱 고진동이 발생.

 

공극 측정법

고정자와 회전자 양측에 Marking을 하여 간극을 점검하여야 한다. 즉 Mark를 서로 정렬하여 45˚씩 로터를 회전하면서 고정자에 표시한 점에서 공극을 측정한다. 만약 차이가 5%이상 발생하면 공극의 편차는 로터의 편심에 기인 하는 것으로 보아야 하며 그다음 다시 로터를 45˚씩 회전시키면서 로터에 표시한 점에서 측정한다. 만약 간극이 이들 측정치간에 편차가 5%이상 발생하면 고정자가 편심된 것으로 보아야 한다.

 

편심조절법

로터의 편심은 전 원주에 걸쳐서 공극을 허용치 이내로 하기 위해서 베어링 하우징 자체를 조정하거나 로터 져널을 가공하여야 한다. 로터의 편심은 심한 축정렬 불량과 같은 기계적 문제로도 발생될 수 있다는 사실에 유의하여야 한다. 편심로타는 심한 Misalignment와 같은 기계문제에 의해서도 발생될 수 있다.

 

Out of Round Rotor(둥글지 않은 회전자)

Rotor가 Stator의 중심에 있다 해도 완전히 둥글지(Perfect Round)않을 수 있다. 이 경우에 진동은 Rotor Frequency에서 그리고 Fp (#Pole x Slip Frequency)에서의 “Beat”(진폭이 오르락 내리락 하는 것)으로 나타난다. 모터에서 하중을 증가할 지라도 이 Slip frequency는 증가하며, 그것은 Out of round rotor 에 기인한 “Beat”를 포함하여 오히려 진동을 크게 할 뿐이다.

 

 

키워드	모터회전수, 슬립주파수, slip frequency, line frequency, 전원주파수, 모터의 진동, 모터의 전자기 진동, 진동센서, 회전자, Rotor, Air gap

 

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