베어링 전식 예방 장치

인버터가 가져온 새 문제

미국 에너지부에 따르면 모터를 20년 운용할 때 총비용의 90%가 전기요금입니다. 다운타임 5%, 정비 4%이고 모터 구매비는 1%에 불과합니다. 전력 절감이 곧 비용 절감인 셈이라, 인버터 구동이 널리 쓰이게 됐습니다.

인버터는 전력을 아끼고 과부하도 막아 모터 수명에 도움이 됩니다. 최근에는 가정용 제품에까지 들어갑니다. 그런데 잘 알려지지 않은 부작용이 하나 있습니다.

인버터는 펄스 폭 변조(PWM) 방식으로 전압을 고속 스위칭합니다. 이때 생기는 고주파 전류가 베어링을 타고 흐르면서, 기대 수명보다 훨씬 빠르게 베어링을 손상시킵니다. 축과 접지 사이에 유기되는 전압은 최대 10~40V(peak)에 이릅니다.

베어링을 절연 처리해도 완전한 해결은 아닙니다. 축에 연결된 변속기 같은 다른 장치로 전류가 넘어가 그쪽에 피해를 주기 때문입니다.

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전식은 이렇게 나타납니다

축전류로 인한 손상을 전식(Electric Erosion)이라 합니다. 초기에는 베어링 궤도면이 서리 낀 것처럼 뿌옇게 변하고(프로스팅), 진행되면 세로로 홈이 파인 모양이 됩니다. 그 모습이 장식 무늬 같다고 해서 플루팅이라 부릅니다.

베어링이 손상되면 진동과 소음이 생기고, 결국 수명이 짧아집니다. 갑작스러운 공정 정지나 예측할 수 없는 정비로 이어집니다.

얼마나 심각한가

축전압은 모터 베어링에 파괴적인 전류를 흘려 베어링 점식(pitting)과 축 손상, 나아가 베어링 파손을 일으킨다. 인버터 구동 시 축과 접지 사이에 최대 10~40V(peak)의 피크 전압이 나타난다. 대책으로는 양쪽 베어링 절연, 필터 추가, 접지 개선, 축 접지 브러시 적용이 있다. 다만 베어링만 절연해서는 축에 연결된 다른 장치의 손상까지 막을 수 없다.

— NEMA MG 1, 31.4.4.3 Shaft Voltages and Bearing Insulation (요약)

국제 표준도 같은 문제를 다룹니다. IEC TS 60034-25(전동기 구동 시스템용 교류 전기기계 적용 지침)는 2022년 개정판에서 축전류 관련 조항을 갱신하면서, 대책으로 베어링 절연과 축 접지 시스템을 모두 인정하고 있습니다. 미국 건설 시방서 체계에서도 축 접지 장치는 CSI MasterFormat 23 05 13(HVAC 전동기 공통 요구사항) 항목으로 표준 시방에 들어갑니다.

손상이 어디까지 진행한 뒤에 잡느냐에 따라 정비 범위와 정지 시간이 달라집니다. 베어링이 깨졌을 때 무엇이 드는지는 단계별로 따로 정리해 두었습니다.

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카본 브러시로는 부족합니다

예전부터 축전류 대응에는 카본 브러시를 써 왔습니다. 하지만 한계가 분명합니다.

• 300kHz 이하의 낮은 주파수에서만 효과가 있습니다
• 축과 닿는 면이 4%도 되지 않아 제대로 흘려보내지 못합니다
• 오래 쓰면 접촉면에 산화 피막이 생겨 전도성이 떨어집니다
• 습도에 크게 영향을 받습니다

베어링 전식 예방 장치는 이 약점들을 극복한 제품입니다. RPM이나 그리스 같은 외부 요인에 영향받지 않고, 한 번 설치하면 모터 수명이 다할 때까지 쓸 수 있습니다.

두 가지 선택지

신뢰성이 최우선인 설비에는 카본 파이버 브러시를, 성능과 가격의 균형이 필요한 소형 모터에는 실버 그라파이트 브러시를 권해 드립니다.

	카본 파이버	실버 그라파이트	카본
이물질·외부 취약성	없음	없음	있음
정비 필요성	없음	없음	있음
RPM 영향	없음	없음	있음
설치 용이성	어려움	쉬움	쉬움
접촉면	전방위	일부분	일부분
고유저항	보통	낮음	높음
연속 사용 기간	20년 이상	10년 이상	1년 이내
가격	고가	중가	저가

축전류와 베어링 전식에 관한 측정 방법, 손상 원인 분석, 표준 기준, 최신 연구는 축전류 · 베어링 전식 자료에 정리해 두었습니다.

미국과 일본에서는 베어링 전식 예방 장치 수요가 꾸준히 늘고 있으며, 모터 제작사들도 출고 단계에서 장치를 내장해 판매하고 있습니다.

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설치하면 얼마나 줄어드나

같은 모터에서 축 접지 방식만 바꿔 측정한 결과입니다.

다만 이 수치는 접지가 제대로 되었을 때 이야기입니다. 장치를 달아도 연결 지점이 맞지 않으면 축전압이 잘 떨어지지 않습니다.

먼저 측정해 보세요

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절연 베어링이나 절연 부싱을 검토하고 계시다면 절연이 어디까지 막아 주는지와 부싱과 베어링의 차이를 먼저 보십시오. 절연은 길을 막는 역할이라, 쌓인 전하가 나갈 길을 따로 내주지 않으면 절반만 해결됩니다.

자주 묻는 질문