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회전 기계의 고장 종류

Drive Train

우선 고장의 종류를 알아보기 전 ‘Drive Train’에 대해 먼저 설명하겠습니다.

Drive Train은 원동기에서 구동 부품으로 기계적 동력을 전달하는 부품 그룹입니다.

제조업에서 사용되는 일반적인 Drive Train의 구조를 보면 아래와 같습니다.

그림 1. Drive Train (출처: Induction Motors - Modelling and Control)

Drive Train은 크게 세 파트로 나누어져 있습니다.

Supply: 전력 공급부이며 회전 기계에 전원을 공급하는 역할입니다. 

Motor: Supply로부터 공급받은 전력으로 Motor 구동부에서 회전 기계를 움직입니다.

Load: 기계의 실제 작업이 수행되는 부분입니다. 기계의 성능과 효율성을 결정하는 역할.

작동 방식 예:

Supply에서 얻은 전력으로 

Motor가 동력을 얻어 

Load에서 기계를 움직이게 하거나 물건을 이동하는 등 작업을 수행합니다.

실질적인 작업 수행까지의 단계를 연결하는 이 Drive Train의 흐름은 회전 기계의 전체적인 동작을 결정짓는 핵심 요소입니다. 안정적인 운영을 위해서는 Drive Train의 각 단계가 잘 연결되어 작업을 매끄럽게 수행하는 것이 중요합니다.

Failure

그림 2. 기계적 고장과 전기적 고장 (출처: Induction Motors - Modelling and Control) 고장 종류의 색상은 고장 부위 그림 1. Drive Train 참고

일반적으로 Drive Train에서 발생하는 결함은 크게 아래 두 가지입니다. 1. 기계적 결함(Mechanical Failure)

2. 전기적 결함(Electrical Failure)

이 두 결함은 서로 연관이 있을 수 있어서 회전 기계의 안전하고 효율적인 운영을 위해서는 기계적 결함과 전기적 결함을 함께 고려하여 관리하는 것이 중요합니다.

1. Mechanical Failure

기계적 결함(Mechanical Failure)은 회전 기계 내부의 부품 또는 구성 요소의 물리적인 손상이나 변형으로 발생합니다.

주로 부품의 마모, 파손 또는 오작동 등으로 발생하며, 기계 전체가 아닌 손상이 생긴 부분에만 집중적으로 영향을 미칩니다. 기계적 결함은 전기적 결함에 비해 이상이 눈에 띄기까지 오랜 시간이 걸리기 때문에 예지보전을 통해 관리할 경우 더욱 효과적입니다.

아래 그래프는 A. Bonnett과 C. Yung이 조사한 ‘전기 모터 고장의 가장 일반적인 5가지 원인’ 입니다.

그림 3. 회전 기계 부위 별 고장 발생 비중 (출처: EC&M, Explaining Motor Failure)

전기 모터 고장의 5가지 원인

베어링(Bearing)의 고장은 회전 기계의 고장 중에서도 가장 빈번한 원인입니다. 윤활이 잘 되지 않는 경우, 기계적 부하의 불균형, 고온 및 오염 등 여러 가지 이유로 베어링에 문제가 발생할 수 있습니다. 베어링은 부품 간의 연결 요소로 사용되기 때문에 전체 시스템의 안정성과 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

스테이터/와인딩(Stator/winding)의 고장은 회전 기계 내의 권선이나 절연체 문제로 주로 발생합니다. 고온, 과도한 전류, 물리적 충격 등이 고장을 유발하며, 이로 인해 모터 내부 단락이 발생할 수 있습니다. 이러한 문제는 전기적 안전성에도 영향을 미치므로 주의 깊은 관리가 필요합니다.

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단락 : 전선이 서로 붙어버리는 현상

그림 4. Winding shorted turn-to-turn (출처: dukeelectric)

그림 5. Winding grounded in the slot (출처: dukeelectric)

External Factors의 고장은 환경적인 조건으로 야기되는 다양한 요인들을 포함합니다. 온도 변화, 오염 물질, 유지 보수 미흡, 기계적 부하 등이 이에 해당합니다. 이러한 요소들은 회전 기계의 성능을 저하시키고 결국 고장을 유발할 수 있습니다.

Rotor의 고장은 시동 빈도의 불균형이나 가동 간격의 불균형, 긴 가동 시간 등에 의해 발생합니다. 이로 인해 진동, 물리적 손상, 열 문제 등이 발생할 수 있습니다.

Shaft/coupling의 고장은 다소 흔하지 않지만 중요한 문제입니다. 물리적 충격이나 부식, 부적절한 설치, 과도한 부하 등이 샤프트 및 커플링의 고장을 유발할 수 있습니다.

이렇게 회전 기계 부위별 고장 원인들 각각의 특성을 알아 보았는데요. 이 원인들로 인해 발생하는 기계적 결함의 종류에 대해서도 차례대로 살펴보도록 하겠습니다.

기계적 결함의 종류

기계적 결함은 기계나 장비의 부품이 불완전하거나 제대로 작동하지 않아 발생하는 문제입니다. 기계의 성능을 저하시키거나 심할 경우 가동이 멈추기도 합니다. 생산성 저하, 비용 상승, 안전 문제 등으로 이어질 수 있는 결함이기도 합니다.

다양한 기계적 결함 중에서도 질량 불평형, 축정렬 불량, 베어링 결함, 그리고 느슨함에 대해서 자세히 알아보겠습니다.

질량 불평형 (Imbalance)
회전 중인 부품의 중심축 주위로 불균형하게 질량이 분포되면, 진동과 떨림을 일으켜 기계의 안정성을 해치고 부품의 수명을 단축시킵니다. 이러한 문제는 회전 궤도인 Orbit으로 확인할 수 있습니다. 

그림 6. Normal한 Orbit과 Imbalance의 Orbit 비교

정상인 회전 기계의 Orbit의 모양은 원의 형태를 유지하면서 회전하지만, 불평형한 회전 기계의 Orbit의 모양은 타원의 찌그러진 형태로 회전합니다. 이는 부품의 불량, 조립 오류, 마모 등으로 발생합니다.

축정렬 불량 (Misalignment)
회전 기계의 축들이 정확하게 일직선 상에 위치하지 않으면, 부품 간의 간극이 생기고 부하가 비대칭으로 전달되어 진동과 떨림을 초래합니다. 
일반적으로는 최초 설치 때부터 잘못 설치 된 경우가 많으며 그 외로 부품을 잘못 조립한 경우, 외부 충격 등이 원인이 될 수 있습니다. 올바른 축정렬을 유지하는 것은 기계의 정확한 작동과 부품의 수명을 보장하는 데 중요합니다. 축정렬 불량도 질량 불평형과 마찬가지로 Orbit의 모양이 정상의 Orbit과는 다르게 찌그러진 형태로 나타납니다.

그림 7. 축정렬 불량의 Oribit 변화

베어링 결함 (Bearing Defect)
베어링은 회전 기계에서 부품 간의 마찰을 줄이고 움직임을 원활하게 만드는 중요한 요소이지만, 가장 빈번하게 나타나는 고장 원인이기도 합니다. 베어링 결함은 부적절한 윤활, 고속 운전, 오염, 과도한 하중 등으로 인해 발생할 수 있습니다. 이로 인해 베어링 내부의 부품이 손상되거나 마모되어 기계의 성능 저하와 노이즈가 발생합니다. 베어링 결함은 정기적인 유지보수와 적절한 관리를 통해 예방할 수 있습니다.

그림 8. 베어링 결함 종류 (출처: Schaeffler)

느슨함 (Looseness)
부품들 간의 결합이나 연결이 느슨해져 기계 작동 중에 미세한 이동이 발생하는 경우, 진동과 노이즈를 유발하여 기계의 성능과 안정성을 떨어뜨립니다. 
부품의 조립 오류, 부적절한 설치, 마모 등으로 인해 발생하며, 적절한 조립과 체결 점검을 통해 부품이 풀리는 것을 예방할 수 있습니다. 

위에서 소개한 기계적 결함들은 정기적인 유지보수와 예지보전을 통해 관리할 수 있습니다.

2. Electrical Failure

전기 시스템 또는 회로에서 발생하는 이상으로 전기 모터의 과전류, 단선, 단자의 부식 등과 같은 문제들이 해당합니다.

단락 (Short Circuit)
전기 회로 내에서 전류가 예상치를 초과하여 직접적으로 접촉하는 결함을 의미합니다. 단락은 전선이나 부품 사이의 절연이 파괴되면서 발생하며, 전기 화재와 과열로 이어질 수 있습니다. 

단선 (Open Circuit)
전류가 회로 내에서 접촉이 끊겨 전기가 흐를 수 없을 때 발생합니다. 

과전압 (Overvoltage)
정상적인 전압보다 높은 전압이 회로나 장치에 인가되는 상황을 의미합니다. 과부하로 인한 손상상으로 이어질 수 있습니다.

저전압 (Undervoltage)
정상적인 전압보다 낮은 전압이 회로나 장치에 인가되는 상황을 의미합니다. 

전자 부품 불량
전자 부품의 불량이나 손상으로 인해 전기적인 결함이 발생할 수 있습니다. 회로의 원활한 작동을 방해하거나 전압 조절이 불가능하게 만들 수 있습니다.

단자 부식 (Terminal Corrosion)
전기적인 접촉 부분이 부식되어 접촉의 품질이 저하되는 결함을 의미합니다. 부식으로 인해 전류의 흐름이 원활하지 않아 회로의 안정성을 해칠 수 있습니다.

전기적 고장은 회전 기계의 작동에 직접적인 영향을 미칠 수 있으며, 안전 문제를 초래할 수도 있습니다. 전기적 결함이 발생하게 되면 고정자, 회전자에 비정상적인 부하가 발생되면서 기계적 결함으로 곧바로 연결되어 즉시, 혹은 몇 시간 이내로 빠르게 고장이 나타나는 경우가 많은데요. 때문에 정기적인 점검 및 유지보수를 통해 전기 회로와 부품의 상태를 체크하고, 예지보전을 통해 전기적 고장을 사전에 예방하고 조치할 필요가 있습니다. 꼼꼼하나 모니터링과 점검은 회전 기계의 안전성과 신뢰성을 유지하며 생산성을 향상시키는 지름길입니다

지금까지 회전 기계의 고장 종류에 대해 알아봤습니다.

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