인버터 운전 전동기에서 베어링 전류는 왜 발생할까?

전동기의 베어링은 원래 전류를 흘리기 위한 부품이 아니다. 회전축을 지지하고 마찰을 줄여 회전자가 안정적으로 돌도록 하는 기계부품이다.

그런데 인버터로 운전하는 전동기에서는 베어링을 통해 전류가 흐르는 문제가 발생할 수 있다. 이를 베어링 전류라고 한다.

베어링 전류가 반복되면 베어링 궤도면에 아주 작은 방전흔적이 생길 수 있다. 처음에는 눈으로 보기 어려운 미세한 패임으로 시작하지만 장기간 반복되면 규칙적인 골무늬 손상과 소음, 진동으로 발전할 수 있다.

문제는 베어링 자체에 원인이 있는 것처럼 보여도 실제 시작점은 인버터의 빠른 전압변화와 축전압일 수 있다는 점이다. 따라서 인버터 운전 전동기에서 베어링이 반복적으로 손상된다면 윤활이나 축정렬만 확인해서는 부족할 수 있다.

베어링 전류란 무엇일까?

베어링 전류는 말 그대로 회전축과 베어링을 통해 흐르는 전류다. 일반적인 전류는 권선과 전원을 따라 정해진 경로로 흐르지만 베어링 전류는 정상적인 동력전달 전류가 아니다.

회전자축에 전압이 형성되고 베어링을 거쳐 프레임이나 접지 쪽으로 전류가 흐르는 비정상적인 경로다. 이때 베어링 내부의 전동체와 궤도면 사이가 전기적인 접점 역할을 하게 된다.

상용전원 모터에서도 축전압이 생길 수 있을까?

가능하다. 전동기의 자기회로가 완전히 대칭적이지 않거나 구조적인 비대칭이 존재하면 축 양단에 전압이 유도될 수 있다. 특히 대형 회전기에서는 자기적 비대칭에 의한 순환 베어링 전류가 오래전부터 알려진 문제다.

따라서 베어링 전류가 인버터에서만 존재하는 현상은 아니다. 다만 PWM 인버터에서는 빠른 스위칭과 공통모드 전압 때문에 고주파성 축전압과 베어링 전류 문제가 추가로 나타날 수 있다.

인버터의 출력전압은 상용전원과 무엇이 다를까?

상용전원은 비교적 부드러운 정현파 형태의 전압을 공급한다. 반면 인버터는 직류전압을 전력용 반도체로 빠르게 켜고 끄면서 교류전압을 만든다. 이를 펄스폭변조, 즉 PWM 방식이라고 한다.

모터에 흐르는 전류는 비교적 정현파에 가까울 수 있지만 모터단자에 인가되는 전압은 빠른 펄스형태다. 따라서 전압이 아주 짧은 시간에 크게 변할 수 있고, 이 빠른 전압변화가 모터 내부의 여러 정전용량 성분을 통해 고주파 전류경로를 만든다.

공통모드 전압이란 무엇일까?

3상 전압이 완전히 대칭적인 정현파라면 세 상의 순간전압 합은 이상적으로 균형을 이룬다. 하지만 PWM 인버터는 반도체 스위치를 조합해 출력전압을 만들기 때문에 세 출력선의 평균전위가 접지전위에 대해 계속 변할 수 있다. 이 전압성분을 공통모드 전압이라고 한다.

개념적으로 세 상의 대지 기준 전압을 Vu, Vv, Vw라고 하면 공통모드 전압은 Vcm = (Vu + Vv + Vw) / 3 형태로 나타낼 수 있다. 이 전압은 모터의 토크를 직접 만드는 정상적인 상간전압과는 다른 성분이다.

모터 내부에는 보이지 않는 정전용량이 존재한다

모터 내부의 도체들은 서로 절연되어 있지만 전기적으로 완전히 관계가 없는 것은 아니다. 고정자권선과 프레임 사이, 고정자와 회전자 사이, 회전자와 프레임 사이에는 작은 정전용량이 존재한다. 이를 기생 정전용량이라고 한다.

실제로 별도의 커패시터가 설치되어 있다는 뜻은 아니다. 서로 가까이 있는 도체 사이에 자연스럽게 형성되는 정전용량이다. 상용주파수에서는 영향이 작을 수 있지만 인버터처럼 전압이 매우 빠르게 변하면 이 작은 정전용량을 통해서도 고주파 전류가 흐를 수 있다.

인버터 운전에서 축전압은 어떻게 만들어질까?

인버터의 공통모드 전압은 고정자권선과 회전자 사이의 기생 정전용량을 통해 회전자에도 영향을 줄 수 있다. 그 결과 회전자축의 전위가 프레임에 대해 변한다. 이를 축전압이라고 한다.

축은 금속이기 때문에 축 전체가 거의 같은 전위로 움직일 수 있고 프레임은 접지되어 있다. 그 사이에는 베어링이 존재하므로 결국 베어링이 축과 프레임 사이의 전기적인 경계가 된다.

베어링에 그리스가 있는데 어떻게 전류가 흐를까?

정상적으로 회전하는 베어링에서는 전동체와 궤도면 사이에 매우 얇은 윤활막이 형성된다. 윤활막은 금속끼리 직접 접촉하는 것을 줄이며 전기적으로 보면 순간적으로 절연체와 비슷하게 동작할 수 있다.

따라서 처음에는 축전압이 존재해도 바로 전류가 흐르지 않을 수 있다. 대신 윤활막 양쪽에 전압이 축적되고, 이 상태는 작은 커패시터와 비슷하게 생각할 수 있다.

축전압이 계속 높아지면 무슨 일이 생길까?

윤활막이 견딜 수 있는 전기장을 넘으면 절연이 순간적으로 무너질 수 있다. 그러면 축에서 베어링을 거쳐 프레임으로 아주 짧은 시간 동안 전류가 흐른다.

이런 방전현상은 전기방전가공과 비슷한 성질 때문에 EDM 방전이라고 표현하기도 한다. 여기서 EDM은 Electrical Discharge Machining의 약어다. 실제 전기방전가공기처럼 금속을 의도적으로 가공한다는 뜻은 아니지만 미세한 방전이 금속표면을 손상시키는 원리가 비슷하다.

한 번의 방전으로 베어링이 망가질까?

일반적으로 한 번의 매우 작은 방전만으로 베어링 전체가 즉시 고장나는 것은 아니다. 문제는 반복이다.

인버터는 빠르게 스위칭하기 때문에 축전압이 반복적으로 형성되고 윤활막을 통한 방전이 계속될 수 있다. 각각의 방전은 작더라도 시간이 지나면서 궤도면에 수많은 미세한 손상이 누적될 수 있다.

피팅은 무엇일까?

베어링 궤도면에 작은 점 형태의 패임이 생기는 현상을 피팅(pitting, 미세 패임)이라고 한다. 피팅은 여러 원인으로 발생할 수 있지만 전기적인 방전도 원인 가운데 하나가 될 수 있다.

방전이 발생하는 순간 아주 작은 영역에서 높은 에너지밀도가 형성되며 금속표면 일부가 순간적으로 녹거나 손상될 수 있다. 이런 흔적이 반복되면 베어링 표면이 매끄럽지 않게 된다.

베어링 전류가 반복되면 어떤 손상이 생길까?

전동기 베어링에 전기적인 방전이 장기간 반복되면 궤도면에 미세한 패임이 많이 생길 수 있다.

초기에는 확대해서 봐야 확인되는 작은 흔적일 수 있지만 손상이 반복되면 표면거칠기가 증가한다. 전동체가 손상된 면을 지나갈 때마다 추가적인 진동과 충격이 발생하고 윤활상태도 나빠질 수 있다. 결국 전기적 손상이 기계적 베어링 손상으로 발전한다.

플루팅이란 무엇일까?

방전손상이 장기간 진행되면 베어링 궤도면에 일정한 간격의 물결무늬 또는 빨래판 같은 골무늬가 나타나는 경우가 있다. 이를 플루팅(fluting, 골무늬 손상)이라고 한다.

플루팅은 인버터 베어링 전류 문제에서 자주 언급되는 대표적인 손상형태다. 다만 베어링 표면에 홈이 보인다고 모든 경우를 전기적 플루팅이라고 단정해서는 안 되며 기계적인 진동이나 다른 손상형태와 구분해야 한다.

플루팅이 생기면 어떤 증상이 나타날까?

손상이 진행되면 전동기 진동이 증가할 수 있다. 베어링에서 윙윙거리거나 거친 회전음이 발생할 수 있다.

초기에는 전체 진동값보다 고주파 진동이나 베어링 특성주파수에서 변화가 먼저 나타날 수도 있다. 시간이 더 지나면 소음 증가, 온도상승, 진동 증가, 윤활상태 악화가 함께 나타날 수 있다.

인버터를 쓰면 모든 모터에 베어링 전류가 생길까?

그렇지는 않다. 인버터 운전이라고 해서 모든 전동기의 베어링이 반드시 전기적으로 손상되는 것은 아니다.

베어링 전류의 크기와 형태는 모터 용량, 회전자와 고정자 구조, 인버터 스위칭 특성, 케이블 길이, 접지방식, 프레임 접지상태, 베어링 구조, 부하기계와의 연결 등에 따라 달라진다. 따라서 단순히 “인버터니까 베어링이 탔다”라고 판단해서는 안 된다.

작은 모터와 큰 모터의 베어링 전류 원인은 같을까?

완전히 같다고 보기 어렵다. 중소형 인버터 모터에서는 기생 정전용량을 통해 축전압이 형성되고 윤활막에서 방전이 발생하는 형태가 중요할 수 있다.

대형 모터에서는 고주파 공통모드 전류나 자기회로의 비대칭에 의해 축 양쪽 베어링을 순환하는 전류가 문제가 될 수도 있다. 따라서 같은 베어링 전류라는 이름을 사용하더라도 실제 전류경로는 다를 수 있고 대책 역시 달라져야 한다.

순환 베어링 전류는 무엇일까?

모터 내부의 자속이 완전히 대칭적이지 않으면 축을 따라 전압이 유도될 수 있다. 양쪽 베어링과 프레임이 하나의 폐회로를 만들면 전류가 한쪽 베어링 → 축 → 반대쪽 베어링 → 프레임 형태로 순환할 수 있다.

이를 순환 베어링 전류라고 설명할 수 있으며 대형 회전기에서 중요한 문제로 다뤄진다.

축전압을 멀티미터로 재면 찾을 수 있을까?

일반 멀티미터로 측정한 RMS 전압만으로는 충분하지 않을 수 있다. 베어링 방전을 만드는 축전압은 상승시간이 매우 짧고 고주파 펄스형태일 수 있기 때문이다.

정밀진단에서는 적절한 고주파 프로브와 오실로스코프를 사용해 축과 프레임 사이의 전압파형을 확인할 수 있다. 다만 회전축에서 직접 측정하는 작업은 위험할 수 있으므로 전용 측정방법과 안전절차가 필요하다.

베어링 전류는 어떻게 확인할까?

첫 번째는 손상형태다. 분해한 베어링 궤도면에 미세한 방전흔적이나 규칙적인 플루팅이 있는지 확인한다.

두 번째는 축전압 측정이다. 적절한 장비를 사용해 축과 프레임 사이의 고주파 전압을 확인한다.

세 번째는 진동분석이다. 베어링 손상이 진행되면 고주파 진동과 베어링 결함주파수 성분이 증가할 수 있다.

네 번째는 운전이력이다. 인버터 설치 또는 교체 이후부터 베어링수명이 급격히 줄었는지도 중요한 단서다.

프레임 접지는 왜 중요할까?

인버터에서 발생하는 고주파 공통모드 전류는 접지를 통해 되돌아가는 경로를 찾는다. 모터 프레임 접지가 불량하면 고주파 전류가 예상하지 못한 경로로 흐를 수 있다.

고주파에서는 긴 접지선 자체의 임피던스가 커질 수 있으므로 단순히 접지선이 연결되어 있다는 사실만으로 충분하지 않을 수 있다. 접지선의 길이와 배치, 케이블 실드 접속방식까지 중요해질 수 있다.

축 접지장치는 무엇일까?

축에 발생한 전압이 베어링 윤활막을 통해 방전되기 전에 더 쉬운 전류경로를 만들어주는 장치다. 이를 축 접지장치 또는 축 접지링이라고 부른다.

전도성 브러시나 섬유가 회전축과 접촉해 축과 프레임 사이에 낮은 임피던스 경로를 만들고 전류가 베어링을 통하지 않고 이 경로로 흐르도록 유도한다.

축 접지링만 달면 모든 문제가 해결될까?

그렇지는 않다. 축 접지장치는 매우 유용한 대책이지만 모든 종류의 베어링 전류에 대한 만능해결책은 아니다.

예를 들어 양쪽 베어링을 통해 순환하는 전류가 주된 문제라면 축 접지 방식만으로 충분하지 않을 수 있다. 또한 접지링 자체가 오염되거나 축표면과의 접촉이 나빠지면 성능이 떨어질 수 있다.

절연 베어링은 무엇일까?

베어링을 통해 전류가 흐르는 경로 자체를 끊기 위해 전기적으로 절연된 베어링을 사용할 수 있다. 일반적으로 베어링 외륜 등에 절연코팅을 적용하거나 세라믹 전동체를 사용하는 하이브리드 베어링 등을 사용할 수 있다.

양쪽 베어링을 모두 절연하면 더 좋을까?

무조건 그렇다고 할 수 없다. 전류가 갈 곳을 완전히 잃으면 축전압이 더 높아지거나 다른 경로를 통해 부하기계 쪽으로 흐를 수 있다.

모터축과 펌프 또는 감속기가 금속 커플링으로 연결되어 있다면 전류가 부하기계의 베어링으로 이동할 가능성도 고려해야 한다. 따라서 절연 베어링을 어느 위치에 적용할지는 전체 축계의 전류경로를 보고 결정해야 한다.

절연 베어링과 축 접지장치를 함께 쓰기도 할까?

그렇다. 전류가 베어링을 지나지 못하도록 한쪽 경로를 절연하고 다른 쪽에는 축 접지장치를 설치해 전류를 안전하게 우회시키는 구성을 사용할 수 있다.

다만 모터 용량과 구조, 부하기계 연결방식에 따라 적용방법이 달라지므로 제조사의 권장구성을 확인하는 것이 중요하다.

dv/dt 필터도 베어링 전류를 줄일 수 있을까?

경우에 따라 도움이 될 수 있다. dv/dt 필터는 인버터 출력전압의 급격한 상승을 완화하기 위해 사용한다. 빠른 전압변화를 줄이면 모터 절연에 가해지는 스트레스를 줄이는 데 도움이 된다.

하지만 dv/dt 필터가 모든 베어링 전류를 제거하는 장치는 아니다. 베어링 전류 억제가 주목적이라면 실제 공통모드 전류경로와 사용하는 필터의 특성을 함께 검토해야 한다.

사인파 필터와 공통모드 초크는 어떤 역할을 할까?

사인파 필터는 인버터의 PWM 출력파형을 보다 정현파에 가깝게 만들어 빠른 전압변화와 고주파 성분을 크게 줄일 수 있다. 다만 크기와 비용, 손실이 증가할 수 있어 모든 설비에 필요한 것은 아니다.

공통모드 초크는 세 상에 공통으로 흐르는 고주파 전류성분에 높은 임피던스를 제공해 공통모드 전류를 억제하는 데 활용할 수 있다. 실제 효과는 시스템 구성과 필터설계에 따라 달라진다.

베어링 전류를 줄이려면 어떻게 해야 할까?

먼저 정말 베어링 전류가 원인인지 확인해야 한다. 축전압을 측정하고 손상된 베어링의 궤도면을 확인하며 프레임 접지와 케이블 실드상태, 인버터와 모터 사이 케이블 조건을 점검한다.

그 다음 시스템에 맞게 축 접지장치, 절연 베어링, 접지 개선, 공통모드 초크, dv/dt 필터, 사인파 필터 등을 검토할 수 있다.

대책은 단순히 부품 하나를 추가하는 것이 아니라 고주파 전류가 어디에서 생겨 어디로 흘러가는지를 보고 선택해야 한다.

현장에서는 어떤 순서로 점검하는 것이 좋을까?

먼저 베어링 고장이 언제부터 반복되기 시작했는지 확인하고 인버터 설치나 교체시점과 관계가 있는지 본다.

그다음 윤활, 축정렬, 베어링 하중, 벨트장력, 부하기계 진동 같은 일반적인 베어링 고장원인을 먼저 점검한다.

이상이 없다면 분해한 베어링에서 전기적 피팅이나 플루팅 형태가 보이는지 확인하고 모터 프레임과 인버터 접지상태, 케이블 실드와 접지배선을 본다.

필요하면 전용장비로 축전압을 측정하고 그 결과를 바탕으로 절연 베어링이나 축 접지장치, 필터 적용을 검토한다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 베어링 전류는 베어링이 전기를 만들기 때문에 발생하는 것이 아니다. 인버터와 모터 내부의 고주파 전압 때문에 축과 프레임 사이에 전류경로가 형성되는 것이다.

둘째, 인버터를 사용한다고 모든 모터에 베어링 전류 손상이 발생하는 것은 아니다.

셋째, 베어링 전류는 하나의 원리만 존재하지 않는다. 정전용량에 의한 방전전류와 순환 베어링 전류 등 서로 다른 경로가 있을 수 있다.

넷째, 베어링 윤활막은 순간적으로 절연층처럼 동작할 수 있지만 전압이 충분히 높아지면 방전이 발생할 수 있다.

다섯째, 반복적인 방전은 피팅과 플루팅을 만들고 결국 소음과 진동으로 이어질 수 있다.

여섯째, 베어링온도가 정상이라고 베어링 전류가 없다고 단정할 수 없다.

일곱째, 축 접지장치는 매우 유용하지만 모든 베어링 전류 문제의 만능해결책은 아니다.

여덟째, 절연 베어링을 양쪽에 무조건 설치한다고 항상 좋은 것은 아니다. 전체 축계에서 전류가 어디로 흐를지 확인해야 한다.

아홉째, 일반 멀티미터만으로 빠른 고주파 축전압을 정확하게 확인하기 어려울 수 있다.

열째, 반복적인 베어링 고장은 베어링만 교체하지 말고 축전압·접지·인버터 조건까지 원인을 찾아야 한다.

마무리

인버터 운전 전동기에서 베어링 전류가 발생하는 핵심은 베어링 자체보다 전압과 전류의 경로에 있다.

인버터는 PWM 방식으로 빠르게 전압을 스위칭하고 이 과정에서 공통모드 전압이 발생할 수 있다. 모터 내부의 기생 정전용량을 통해 회전자축의 전위가 변하면 축과 프레임 사이에 축전압이 형성될 수 있다.

베어링 윤활막이 이 전압을 견디는 동안에는 큰 전류가 흐르지 않지만 절연한계를 넘는 순간 방전이 일어날 수 있다. 이 방전이 반복되면 궤도면에 미세한 피팅이 생기고 장기간에는 플루팅과 소음·진동으로 발전할 수 있다.

그래서 인버터 모터의 베어링이 반복해서 손상될 때는 윤활, 축정렬, 하중뿐 아니라 축전압, 프레임 접지, 케이블 실드, 인버터 출력조건도 확인해야 한다.

대책으로는 축 접지장치, 절연 베어링, 접지와 배선 개선, 적절한 필터 등을 사용할 수 있다. 하지만 어떤 대책을 쓸지는 전류가 어디에서 발생해 어느 경로로 흐르는가를 먼저 확인한 뒤 결정해야 한다.

다음 글에서는 베어링이 아니라 권선 쪽으로 넘어가 인버터 출력은 전동기 절연에 어떤 영향을 줄까?를 살펴본다. PWM의 빠른 전압상승, 케이블 반사파, 모터단자 과도전압과 층간절연 스트레스가 어떻게 연결되는지 자세히 알아본다.