모터 소손에 대한 고찰...

모터는 기본적으로 3상 회전자계에 의해 슬립이 발생하며 회전자가 따라 돌아가는 전자기기이다.
 
모터 소손이라는 요소에는 굉장히 복합적 요소가 많아서 특정 변수에 집중하면 이해가굉장히  어려워 진다.
 
좀 단순하게 물리적 관점에서 고찰을 해보고자 한다.
 
(어느정도 전동기 및 전기에 대해 공부가 되어있는데 뭔가가 풀리지않는 꼬름한 것이 있는 분들이 읽어야 도움이 될 것입니다.)
 
1. 정상시를 생각해 봅시다.
 정상적인 계통 3상의 전원을 모터에 물렸습니다.
 모터는 정상분에 의해서 약 슬립 0.05수준? 으로 회전을 열심히 하게 됩니다.
 
2. 1상이 결상이 됐습니다.
 
 어떻게 될까요? 
 
저도 여기서 아주 많이 헤멨던 기억이 있습니다.
 
아니 한 상이 결상되었어도 페이저 상으로는 결국 회전하는데 왜 교번자계가 된다는걸까? 라는 함정에 빠졌던거죠
 

 
결론은 위 그림에 있습니다 원래 정상시 a,b,c 상의 전기적으로 120도 각을 가졌었는데
 
1상이 결상되면서부터는 전기적으로 180도의 위상차이가 발생한다라는 것입니다.
 
너무도 당연한 원리를 페이저에 함정에 빠져서 한참을 고민했습니다. 저와같은 불상사가 없길 바라겠습니다.
 
 
3. 다음 스텝으로 넘어가봅시다. 결상 이후에는 어떤 변화가 생길까요? 이것도 페이져로 확인해 볼게요
 

 
글씨가 좀 별로긴 하지만 감안해주시길 바랍니다.
 
파란색이 역상, 빨강색이 정상입니다.
 
정상과 역상은 180도 위상차가 있는걸로 표현 (A 상)
 
A상은 결상이니 제외하고 B,C 상을 봤을 때, B상은 B상끼리
C상은 C상끼리 합성해보면 위상 180도의 교번자계가 나온다라는 표현이 됩니다.
 
그리고 여기서 중요한 것은
 
역상분이 정상분만큼 크게 생긴다라는 점입니다.(매우중요)
 
역상분은 정상분을 방해하는 요소로 작용합니다.
 
 
 
 
 
4. 다음스텝으로 갑시다. 정상분 역상분 정확한 크기는 나중에 보는걸로하고 일단 역상분이 정상분 만큼 커졌다라는게 중요합니다.
 
역상분이 커졌다라는건 정상방향으로 회전하려는 반대방향의 성분이 생겨서 아무래도 부하가 증가된 효과와 같을 것 입니다.
 
부하토크가 있을 때 우리는 그 토크만큼 전동기가 공급을 해줘야 정상적으로 전동기는 회전이 가능합니다.
하지만 부하가 커지면 어떻게 될까요? 어 큰 토크로 전동기를 돌려줘야 합니다.
 
그리고 역상분에 의해 돌려주는 회전자계는 회전자가 실제로 돌고있는 반대방향이 됩니다. (상대속도의 개념)
 
그럼 60hz가 상용주파인데 슬립이 2가 되면서 약 120hz 수준으로 회전자는 자속을 느끼게 됩니다.
 
여기서 또 생각해야할 것은 자속 자체는 변하지 않습니다.

 
자 무슨말이냐 하면
 
정상시에는 60hz 로 회전자계가 있고 같은 방향으로 회전자가 57hz로 회전하고 있다면 
상대속도는 3hz 밖에안됩니다. 회전자와 회전자계의 만남이 1초에 3번밖에 안된다라는 의미죠
 
근데 역상을 봅시다. 회전자는 동일하게 57hz 로 회전하고 있습니다.
그런데 역상 전류에 의해서 -60hz로 작용하고 있다면 상대속도는 ? 117hz 가 됩니다. 엄청나게 커진거죠
 
그럼 동일한 크기의 자속을 1초에 3번 만났던 것이 117번을 만나게 되면 Blv 아시죠? 기전력이 엄청 커지는 효과가 나타납니다. (페러데이 법칙)
 
회전자에 흐르는 전류가 커지는거죠? 근데 전동기는 변압기와 똑같습니다. 2차(회전자) 에 큰 전류가 흐르면 1차(고정자) 에도 환산된 전류가 크게 흐릅니다.

 
자 결국에는 I2 가 커지면서 토크가 커지는 효과가 발생하는 것입니다.
(역상에 의해 토크 감쇄분을 회전자에 전류를 끌어와서 커버해주는 개념)
 
그리고 위에 역상에 의해 117hz 가 된다고했죠? 그럼 교류이므로 표피효과때문에 저항(R) 이 커지는 효과가 됩니다.
그럼 I^2*R 에 의해 열발생량이 굉장히 증가가 되겠죠
그 상태로 계속 운전하게 되면 오래 지속하지못하고 금방 모터는 소손됩니다.
 
※ 근데 만약 부하 증가에 따라 회전자 전류를 증가시키며 끌어올려고해도 그 부하토크가 너무 커서 커버가 안되는경우가 있을 수 있겠죠? 그런 상태는 모터가 정지되고 회전자 전류가 폭증 하면서 순식간에 소손이 발생합니다.이게 전동기 소손의 가장 최악의 case 이며 (stall) 구속 상태라는 표현을 사용합니다.
 
 
Summary
 
정리를 해보겠습니다. 뭐 V니 I 니 크기니 이런것을 다 차치해 두고
 
1. 결상의 경우
  - 역상분이 정상분 만큼 생겨난다 : 정상적 회전을 방해하는 성분 → 토크 추가로 필요함
    → 회전자 전류 증가 → 표피효과에의해 R 증대 →  I^2*R (열발생) 증가 →  지속시 소손
 
위와 같은 메커니즘이 발생하게 되는 것입니다.
 
근데 통상 우리가 말하는 모터가 탄다 , 권선이 탄다 라는것은 뭘 말하는 걸까요?
 
보통은 고정자의 권선을 말하며, 절연이 녹으면서 층간 단락이 발생하는경우를 모터가 소손됐다고 합니다.
 
그럼 회전자는? 회전자는 기본적으로 절연이 없고 열 팽창 및 기계적 힘의 작용에 의해 휘거나 뒤틀림이 발생한다고 합니다.
 
 
약소하지만 많은 도움이 되셨길 바라겠습니다.