모터(Motor)의 결함과 진동-5-공극(Air gap)관련 문제

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.

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