줄어드는 것은 맞습니다. 현장에서 효과를 느끼셨다면 착각이 아닙니다. 다만 정확히 말하면 전류가 없어진 것이 아니라 그 베어링을 피해 간 것입니다. 어디로 갔는지를 확인하지 않으면 문제가 옮겨 다닙니다.
절연은 원인을 없애지 않습니다
베어링 제조사 기술 자료가 이 성격을 분명히 합니다.
모터가 유도하는 베어링 전압의 원인을 없애는 것은 대체로 매우 어렵다. 다만 전류의 흐름을 막거나 크게 줄일 수 있다면 베어링 손상은 피할 수 있다.
즉 절연 베어링과 절연 슬리브(부싱)는 손상을 피하는 수단이지 축전압을 없애는 수단이 아닙니다. 하우징과 축 사이의 전기 회로를 끊어 이 자리로는 못 지나가게 하는 것입니다.
그래서 효과가 확실한 상대가 정해져 있습니다. 고주파 순환 전류입니다. 축 → 한쪽 베어링 → 프레임 → 반대쪽 베어링 → 축으로 도는 고리인데, 한쪽만 끊어도 고리가 성립하지 않습니다. 대형 모터에서 절연 베어링을 권하는 이유가 이것입니다.
고주파에는 벽이 아니라 커패시터입니다
여기가 가장 오해하기 쉬운 대목입니다. 절연저항계로 재면 무한대에 가깝게 나오는데, 인버터가 만드는 고주파에는 그 수치가 그대로 적용되지 않습니다.
절연 베어링은 근본적으로 저항과 커패시터가 병렬로 연결된 것처럼 작동한다. 직류와 저주파 교류에서는 저항이 결정하지만, 인버터에서 흔히 나타나는 고주파 교류에서는 용량성 리액턴스가 결정한다. 좋은 절연이 되려면 저항은 최대한 높고 정전용량은 최대한 낮아야 한다.
절연층은 얇은 유전체이므로 정전용량을 가집니다. 주파수가 높아지면 그 용량을 통해 전류가 건너갑니다. 접지선의 인덕턴스가 주파수에 따라 달라지는 것과 같은 이치가 반대 방향으로 작용하는 셈입니다.
실무적으로 이런 차이가 생깁니다.
| 구조 | 고주파 차단 | |
|---|---|---|
| 세라믹 코팅형 | 외륜(또는 내륜)에 얇은 절연층 | 층이 얇을수록 불리 |
| 하이브리드 | 구름 요소 자체가 세라믹 | 유리 — 절연 구간이 두껍다 |
코팅형은 절연층이 수백 마이크로미터 수준입니다. 얇으면 정전용량이 커져 고주파가 더 잘 건너갑니다. 반면 하이브리드는 세라믹 볼 자체가 절연 구간이라 사실상 훨씬 두꺼운 절연이 됩니다. 초고주파 조건에서 하이브리드가 낫다고 하는 이유입니다.
한쪽만 하나, 양쪽 다 하나
같은 자료가 기준을 제시합니다. 대개는 한쪽이면 충분합니다. 순환 전류는 고리를 끊는 것이 목적이니까요.
다만 예외가 있습니다. 두 베어링에 같은 방향으로 전류가 흐르는 경우입니다. 원인은 대개 인버터의 공통 모드 전압인데, 이때는 고리를 도는 것이 아니라 양쪽에서 같이 빠져나가므로 양쪽을 다 절연해야 할 수도 있습니다.
그런데 여기서 새 문제가 생깁니다. 양쪽을 다 막으면 회전자에 쌓인 전하가 나갈 곳이 없어집니다. 전압은 계속 쌓이고, 결국 가장 약한 곳에서 터집니다.
그 전류는 어디로 갔나
축은 커플링을 통해 피구동 기계와 이어져 있습니다. 모터 베어링이 막히면 전류는 그쪽으로 갑니다. ABB 기술 문서가 이 상황을 명시합니다 — 축이 대지에 직접 닿아 있지 않으면 전류가 감속기나 피구동 기계의 베어링을 거쳐 흐를 수 있고, 그 베어링이 모터 베어링보다 먼저 상할 수 있다는 것입니다.
현장에서는 이렇게 나타납니다. 모터는 조용해졌는데 감속기가 깨지기 시작합니다. 절연 베어링을 넣은 뒤 이런 일이 생겼다면 우연이 아닐 수 있습니다.
그래서 조합이 표준입니다
절연이 길을 막는 역할이라면, 쌓인 전하에게는 나갈 길을 따로 내줘야 합니다. 그래서 업계에서 권하는 구성이 정해져 있습니다.
한쪽 베어링은 절연 · 반대쪽에는 축전류 저감 장치
절연이 순환 전류의 고리를 끊고, 저감 장치가 회전자에 쌓인 전하를 프레임으로 안전하게 흘려보냅니다. 둘 중 하나만으로는 절반씩만 해결됩니다. 필터까지 포함한 조합은 따로 정리해 두었습니다.
확인 방법은 간단합니다. 축전압을 재 보십시오. 절연 베어링을 넣었는데도 축전압이 높게 나온다면, 전류가 다른 길을 찾았다는 뜻입니다.
※ 인용은 FAG(Schaeffler) Current-Insulated Bearings Prevent Damage Caused by Electrical Current 기술 자료 및 ABB Technical Guide No.5 원문에서 옮겼습니다. 코팅 두께와 하이브리드 비교는 베어링 제조사 공개 자료를 종합한 것으로, 제품마다 값이 다릅니다.
베어링을 특수품으로 바꾸는 대신 표준 베어링을 그대로 두고 주변을 절연하는 방법도 있습니다. 절연 부싱과 무엇이 다른지는 따로 정리해 두었습니다. 교체할 때마다 특수 베어링을 구하지 않아도 된다는 점이 다릅니다.