전동기 진동은 왜 발생할까?

전동기가 운전할 때 완전히 진동이 없는 상태를 기대하기는 어렵다.

회전자가 돌고 있고 베어링이 축을 지지하며 냉각팬과 커플링, 부하장치까지 함께 움직이기 때문이다.

따라서 어느 정도의 진동은 정상적인 회전기계에서도 존재한다.

문제는 평소와 비교해 진동이 갑자기 커지거나 특정 방향에서 진동이 두드러지고, 소음이나 온도상승까지 함께 나타나는 경우다.

이때 진동은 단순히

“모터가 흔들린다”

는 현상이 아니라 내부에서 어떤 기계적·전기적 변화가 일어나고 있다는 신호일 수 있다.

전동기의 진동은

회전체 불평형,

축정렬 불량,

베어링 손상,

축굽음,

기계적 풀림,

공진,

전자기력,

회전자 이상,

부하측 문제

등 여러 원인으로 발생할 수 있다.

그리고 중요한 점은 진동값 하나만으로 고장원인을 확정하기 어렵다는 것이다.

진동의 크기뿐 아니라

주파수,

측정방향,

회전속도,

부하,

온도,

소음,

과거 추세

를 함께 봐야 한다.

전동기에서 진동은 왜 생길까?

일반적인 3상 유도전동기에서는 회전자가 베어링에 지지된 상태로 고정자 내부에서 회전한다.

이상적인 상태라면 회전자의 질량중심과 회전축 중심이 정확히 일치하고 모터축과 부하축도 정확히 정렬되어 있어야 한다.

베어링과 기초도 충분히 단단하게 고정되어 있어야 한다.

하지만 실제 설비에서는 완벽한 조건을 유지하기 어렵다.

팬에 먼지가 한쪽으로 붙을 수 있다.

커플링 정렬이 조금 틀어질 수 있다.

베어링이 마모될 수도 있다.

기초볼트가 느슨해질 수 있다.

회전자와 축이 미세하게 휘어질 수도 있다.

이런 작은 비대칭과 기계적 변화가 회전하면서 반복적인 힘을 만들고 그것이 진동으로 나타난다.

진동을 이해하려면 회전주파수부터 알아야 한다

전동기가 1분에 n회 회전한다고 하자.

회전주파수는

fr = n / 60

으로 계산할 수 있다.

예를 들어 모터가 1800rpm으로 회전한다면

fr = 1800 / 60 = 30Hz

다.

즉 축은 1초에 30번 회전한다.

진동분석에서는 이 회전주파수를 흔히

1× 회전주파수

라고 표현한다.

30Hz 모터에서

30Hz는 1×,

60Hz는 2×,

90Hz는 3×

가 된다.

이런 회전주파수와 그 배수성분을 보면 어떤 기계적인 원인이 진동을 만들고 있는지 추정하는 데 도움이 된다.

진동값이 크다는 것은 무엇을 의미할까?

진동은 단순히 한 가지 값으로 표현되지 않는다.

어떤 장비에서는 변위로 볼 수 있다.

다른 장비에서는 속도나 가속도를 사용한다.

각각 보는 특성이 다르다.

변위는 저주파의 큰 움직임을 보기 좋고,

진동속도는 회전기계의 전반적인 상태평가에 자주 사용되며,

가속도는 베어링 충격처럼 비교적 높은 주파수성분을 보는 데 유용할 수 있다.

따라서

“진동이 몇 mm/s다”

또는

“몇 g다”

라는 숫자만 볼 것이 아니라 어떤 물리량을 어떤 조건에서 측정했는지 확인해야 한다.

진동 원인은 주파수와 방향을 함께 봐야 한다

예를 들어 회전체 불평형은 회전주파수와 같은 1× 성분이 크게 나타나는 경우가 많다.

축정렬이 나쁘면 1×뿐 아니라 2× 성분이 함께 나타날 수 있고 축방향 진동이 커지는 경우도 있다.

기계적인 풀림은 1×와 여러 고조파성분이 함께 증가할 수 있다.

베어링 손상은 회전주파수보다 훨씬 높은 주파수의 충격성 진동으로 나타날 수도 있다.

공진은 가진주파수가 구조물의 고유진동수에 가까워질 때 진동진폭을 크게 증폭시킨다.

하지만 이런 패턴은 절대적인 공식이 아니다.

실제 기계에서는 여러 원인이 동시에 존재할 수 있다.

그래서

1×가 크다 = 무조건 불평형

같은 식으로 판단해서는 안 된다.

회전체 불평형은 무엇일까?

회전하는 물체의 질량중심이 축의 회전중심과 일치하지 않는 상태를 불평형이라고 한다.

가장 쉽게 생각할 수 있는 예는 선풍기 날개 한쪽에 작은 추를 붙인 경우다.

회전할 때마다 무거운 부분이 바깥쪽으로 더 큰 원심력을 만든다.

원심력은 단순화하면

F = mrω²

형태로 볼 수 있다.

여기서

m은 불평형 질량,

r은 회전중심으로부터의 거리,

ω는 각속도다.

중요한 것은 힘이 각속도의 제곱에 비례한다는 점이다.

따라서 같은 불평형이라도 회전속도가 높아질수록 발생하는 진동력은 급격히 증가할 수 있다.

모터에서는 무엇 때문에 불평형이 생길까?

회전자 제작단계에서 질량분포가 완벽하게 균일하지 않을 수 있다.

냉각팬의 일부가 파손될 수도 있다.

팬 한쪽에 먼지나 이물질이 쌓일 수도 있다.

커플링이나 풀리의 균형이 좋지 않을 수도 있다.

수리 과정에서 회전자 부품이 변경되면서 질량분포가 달라질 수도 있다.

이런 문제는 모두 회전축을 중심으로 반복되는 원심력을 만들 수 있다.

불평형 진동은 어떤 특징이 있을까?

전형적인 불평형에서는 회전속도와 같은 1× 회전주파수 성분이 크게 나타나는 경우가 많다.

진동은 주로 축에 수직인 방사방향에서 두드러질 수 있다.

예를 들어 1760rpm으로 운전하는 모터라면 회전주파수는

1760 / 60 ≈ 29.3Hz

다.

진동스펙트럼에서 약 29.3Hz 근처의 성분이 크게 나타난다면 불평형을 의심하는 단서가 될 수 있다.

하지만 이것만으로 확정할 수는 없다.

축굽음이나 편심, 구조적인 문제도 1× 성분을 만들 수 있기 때문이다.

팬에 먼지가 붙어도 진동이 커질 수 있을까?

가능하다.

특히 공기 중에 먼지가 많은 환경에서는 냉각팬이나 부하측 팬에 이물질이 불균일하게 쌓일 수 있다.

한쪽에만 질량이 집중되면 회전체의 균형이 무너진다.

정비 후 청소만으로 진동이 크게 줄어드는 경우가 있는 이유다.

다만 회전체가 회전하는 상태에서 임의로 청소하거나 접근해서는 안 된다.

안전하게 정지하고 전원을 차단한 뒤 점검해야 한다.

축정렬 불량은 왜 진동을 만들까?

모터축과 부하축이 커플링으로 연결되어 있다고 하자.

두 축의 중심선이 정확히 일치하지 않으면 커플링이 회전하면서 축을 반복적으로 밀고 당기는 힘이 생긴다.

정렬불량은 크게

평행정렬 불량

과

각도정렬 불량

으로 생각할 수 있다.

실제 현장에서는 두 가지가 함께 존재하는 경우가 많다.

정렬이 나쁘면 베어링에도 추가하중이 전달되고 커플링에도 반복적인 힘이 작용한다.

이 힘이 진동으로 나타난다.

정렬불량에서는 어떤 진동이 나타날까?

축정렬 문제에서는 1×와 2× 회전주파수 성분이 나타날 수 있다.

특히 축방향 진동이 두드러지는 경우가 있다.

하지만

“2×가 나오면 무조건 정렬불량”

이라고 판단해서는 안 된다.

기계적 풀림과 축굽음, 커플링 형식과 구조조건 등도 스펙트럼에 영향을 줄 수 있다.

정렬불량을 의심한다면 실제 축정렬 측정값과 커플링 상태를 함께 확인해야 한다.

커플링이 유연하면 진동이 없어질까?

유연한 커플링은 일정 범위의 정렬오차를 흡수할 수 있다.

하지만 정렬불량 자체를 없애는 것은 아니다.

허용범위를 넘어가면 커플링이 반복적으로 변형되면서 진동과 열이 발생할 수 있다.

베어링에도 불필요한 하중이 전달될 수 있다.

따라서 유연한 커플링을 사용하더라도 정확한 축정렬은 필요하다.

소프트풋은 무엇일까?

모터의 네 개 발이 기초면에 모두 평평하게 닿지 않는 상태를 소프트풋이라고 한다.

책상 다리 한쪽이 떠 있는 상태와 비슷하다.

이 상태에서 베이스볼트를 강제로 조이면 모터프레임이 비틀릴 수 있다.

축정렬도 변한다.

베어링과 축에 추가적인 힘이 발생할 수도 있다.

결국 진동과 정렬문제로 이어질 수 있다.

따라서 정렬작업을 할 때는 축정렬뿐 아니라 소프트풋 상태도 확인하는 것이 중요하다.

배관응력도 모터 정렬을 바꿀 수 있을까?

펌프와 연결된 전동기에서는 가능하다.

펌프 배관이 정확하게 맞지 않은 상태에서 플랜지볼트를 강제로 조이면 배관에서 펌프케이싱으로 힘이 전달될 수 있다.

이 힘이 펌프축과 베어링, 베이스에 영향을 준다.

결국 모터와 펌프의 축정렬이 변할 수 있다.

그래서 정렬을 정확하게 맞춘 뒤 배관을 연결했는데 다시 측정하니 정렬값이 달라지는 경우라면 배관응력을 의심해볼 수 있다.

기계적 풀림은 어떤 진동을 만들까?

모터의 고정볼트가 느슨해지거나 베이스와 기초 사이의 접촉이 좋지 않으면 기계적인 풀림이 발생할 수 있다.

베어링 하우징의 끼워맞춤이 느슨해진 경우도 생각할 수 있다.

이때 회전하는 힘이 구조물을 반복적으로 움직이고 충격을 만들 수 있다.

진동스펙트럼에서는 1×뿐 아니라 2×, 3× 등 여러 고조파성분이 나타날 수 있다.

심한 풀림에서는 비선형적인 충격 때문에 더 복잡한 스펙트럼이 만들어질 수 있다.

기초볼트를 세게 조이면 무조건 해결될까?

그렇지 않다.

볼트가 실제로 느슨한 경우 적절한 토크로 체결해야 한다.

하지만 기초가 변형되어 있거나 베이스 아래에 틈이 있다면 볼트를 더 강하게 조이는 것만으로 문제가 해결되지 않을 수 있다.

오히려 프레임을 변형시켜 소프트풋과 정렬문제를 악화시킬 수도 있다.

기초와 베이스의 접촉상태를 함께 확인해야 한다.

베어링 손상은 어떤 진동을 만들까?

베어링의 내륜이나 외륜 궤도면에 작은 손상이 생겼다고 하자.

전동체가 그 손상지점을 지날 때마다 충격이 발생한다.

축이 계속 회전하면 이 충격도 반복된다.

그래서 베어링 손상은 단순한 1× 회전주파수와는 다른 특정 반복주파수를 만들 수 있다.

대표적으로

외륜결함 주파수 BPFO,

내륜결함 주파수 BPFI,

전동체 회전주파수 BSF,

케이지 회전주파수 FTF

등을 사용한다.

이 주파수는 회전속도와 베어링의 전동체 수, 접촉각, 기하학적 치수 등에 의해 결정된다.

BPFO와 BPFI는 왜 회전주파수의 정확한 정수배가 아닐까?

베어링 내부에서는 전동체가 내륜과 외륜 사이를 구르면서 이동한다.

전동체의 공전속도와 접촉위치가 축회전속도와 단순히 같지 않다.

그래서 외륜이나 내륜의 결함을 전동체가 통과하는 횟수도 단순한 1×, 2× 정수배와 정확히 일치하지 않는 경우가 많다.

이 특성이 베어링 진동진단에서 결함주파수를 활용하는 이유다.

초기 베어링 손상은 전체 진동값에 잘 안 보일 수도 있다

베어링에 매우 작은 피팅이 생긴 초기단계에서는 전체 진동속도 값이 크게 변하지 않을 수 있다.

대신 작은 충격이 높은 주파수의 공진을 자극할 수 있다.

그래서 가속도와 엔벨로프 분석 같은 방법을 이용하면 초기 베어링 결함을 찾는 데 도움이 될 수 있다.

전체 RMS 진동값만 정상이라고 베어링까지 완전히 정상이라고 단정해서는 안 되는 이유다.

엔벨로프 분석은 무엇을 보는 것일까?

베어링 결함에서 발생하는 작은 충격은 구조물의 높은 주파수 공진을 반복적으로 자극할 수 있다.

원래 신호에서는 이 충격이 다른 진동성분에 묻힐 수 있다.

엔벨로프 분석은 높은 주파수의 충격성 신호를 처리해 그 충격이 얼마나 자주 반복되는지 보는 방법이다.

그 반복주파수를 BPFO나 BPFI 같은 베어링 결함주파수와 비교하면 고장위치를 추정하는 데 도움이 된다.

공진은 왜 진동을 크게 만들까?

모든 기계구조물에는 고유진동수가 존재한다.

외부에서 가해지는 반복적인 힘의 주파수가 이 고유진동수에 가까워지면 진동이 크게 증폭될 수 있다.

이를 공진이라고 한다.

중요한 점은 가진력이 아주 크지 않아도 공진조건에서는 진동이 크게 나타날 수 있다는 것이다.

그래서 회전속도를 조금만 바꾸었는데 특정 속도에서 진동이 갑자기 크게 증가하고 그 속도를 지나면 다시 감소한다면 공진을 의심해볼 수 있다.

고유진동수는 무엇으로 결정될까?

단순한 진동계에서는

fn ≈ (1 / 2π)√(k / m)

관계로 생각할 수 있다.

여기서

k는 구조의 강성,

m은 질량이다.

구조가 단단할수록 고유진동수가 높아지고 질량이 커질수록 낮아지는 경향이 있다.

실제 모터와 기초, 배관, 베이스는 훨씬 복잡한 구조이기 때문에 여러 개의 고유진동수를 가진다.

회전속도를 바꾸면 공진을 찾을 수 있을까?

속도가 변하는 장비라면 도움이 될 수 있다.

인버터로 속도를 올리거나 내릴 때 특정 회전수에서만 진동이 크게 증가한다면 회전주파수 또는 그 배수성분이 구조물의 고유진동수와 만났을 가능성을 생각해볼 수 있다.

이런 진단에서는 런업 또는 코스트다운 데이터를 사용하기도 한다.

다만 공진을 피하기 위해 임의로 운전속도를 바꾸기 전에 공정과 기계의 허용속도범위를 확인해야 한다.

축이 휘어도 진동이 생길까?

축이 휘면 회전하면서 축중심이 주기적으로 이동한다.

이 때문에 1× 회전주파수성분이 증가할 수 있다.

커플링과 베어링에도 반복적인 힘을 줄 수 있다.

축굽음은 불평형과 비슷한 진동패턴을 만들 수 있기 때문에 진동스펙트럼 하나만으로 두 원인을 완전히 구분하기 어려울 수 있다.

필요하면 축 런아웃 측정과 위상정보를 함께 본다.

회전자 편심은 무엇일까?

회전자와 고정자의 중심이 정확하게 일치하지 않으면 공극이 균일하지 않게 된다.

이를 편심과 연결해서 볼 수 있다.

편심에는 구조적으로 중심이 어긋난 정적 편심과 회전하면서 최소공극 위치가 이동하는 동적 편심 등을 생각할 수 있다.

공극이 불균일하면 자기흡인력이 한쪽으로 더 크게 작용해 전자기진동이 증가할 수 있다.

심한 경우 베어링과 회전자 상태에도 영향을 줄 수 있다.

전기적인 원인도 진동을 만들 수 있을까?

가능하다.

전동기는 전자기력으로 토크를 만드는 기계이기 때문에 자기력의 불균형도 진동원이 될 수 있다.

전압불평형,

공극편심,

고정자·회전자 자기회로 이상,

회전자 바 문제

등은 전자기적인 힘을 변화시킬 수 있다.

이런 힘이 기계구조를 자극하면 진동과 소음으로 나타날 수 있다.

전원주파수의 2배 성분은 왜 나타날 수 있을까?

전자기적인 흡인력은 자속밀도의 제곱과 관계되는 성분을 가질 수 있다.

따라서 50Hz 계통에서는 100Hz, 60Hz 계통에서는 120Hz 부근의 전자기 가진성분이 나타날 수 있다.

하지만 스펙트럼에서 120Hz가 보인다고 무조건 전기적 고장이라고 판단해서는 안 된다.

기계구조의 공진이나 다른 가진성분도 같은 주파수영역에 존재할 수 있다.

전원차단 전후의 진동변화와 전류, 전압 등을 함께 분석해야 한다.

전원을 차단하면 전기적 진동을 구분할 수 있을까?

일부 상황에서는 유용한 단서가 된다.

운전 중 전원을 차단했을 때 회전자가 관성으로 계속 도는 동안 특정 진동성분이 즉시 사라진다면 전자기적인 가진과 관련될 가능성을 생각해볼 수 있다.

반대로 회전속도가 감소함에 따라 계속 남아 있는 진동이라면 회전체 불평형 같은 기계적인 원인을 더 의심할 수 있다.

다만 실제 설비에서 이런 시험을 임의로 수행해서는 안 된다.

공정과 장비 특성을 고려한 안전한 시험절차가 필요하다.

회전자 바가 끊어져도 진동이 생길 수 있을까?

가능하다.

농형 유도전동기의 회전자 바 일부에 문제가 생기면 회전자전류 분포가 불균일해질 수 있다.

전자기토크에도 맥동이 발생할 수 있다.

그 결과 전류와 진동에서 특정 변조성분이 나타날 수 있다.

하지만 회전자 바 고장은 단순한 전체 진동값보다 모터전류 시그니처 분석과 함께 보는 경우가 많다.

이 부분은 이후 회전자 바 고장 글에서 별도로 다루는 것이 더 적절하다.

냉각팬도 진동원인이 될 수 있다

모터 후면에 설치된 냉각팬은 축과 함께 회전하는 경우가 많다.

팬날개가 깨지거나 휘어지면 질량불평형이 생길 수 있다.

먼지가 팬 한쪽에만 쌓여도 비슷한 현상이 생길 수 있다.

팬커버가 변형되어 팬과 접촉한다면 회전주기와 관련된 소음과 진동이 발생할 수도 있다.

진동이 갑자기 발생했다면 외부에서 확인 가능한 팬과 커버상태도 점검하는 것이 좋다.

부하측 문제도 모터 진동으로 느껴질 수 있다

진동센서를 모터에 설치했다고 해서 진동원인이 반드시 모터 내부에 있는 것은 아니다.

펌프의 캐비테이션,

기어박스 손상,

팬 불평형,

압축기 맥동

등 부하측 진동이 커플링과 베이스를 통해 모터까지 전달될 수 있다.

따라서 모터에서 진동이 측정된다는 이유만으로 모터를 바로 분해해서는 안 된다.

구동기와 피구동기 전체를 하나의 기계시스템으로 봐야 한다.

펌프 캐비테이션도 진동을 만들까?

가능하다.

펌프 내부에서 압력이 낮아지면서 기포가 발생하고 다시 붕괴하면 충격성 진동과 소음이 발생할 수 있다.

이 진동이 베이스와 커플링을 통해 모터로 전달될 수 있다.

그래서 펌프구동 모터의 진동이 높을 때는 모터만 볼 것이 아니라 흡입압력과 유량, 밸브상태 등 펌프 운전조건도 함께 확인해야 한다.

진동 측정방향은 왜 중요할까?

모터 베어링 부근에서는 보통

수평방향,

수직방향,

축방향

진동을 구분해서 측정할 수 있다.

불평형은 방사방향에서 크게 보일 수 있다.

정렬문제는 축방향 진동에서 단서가 나타날 수 있다.

기초문제는 수직이나 수평방향에 따라 다른 형태를 보일 수 있다.

그래서 한 방향만 측정하면 중요한 정보를 놓칠 수 있다.

같은 베어링에서도 DE와 NDE가 다를 수 있다

모터의 부하측 베어링인 DE와 반부하측 NDE는 받는 하중이 다를 수 있다.

커플링이나 풀리에 가까운 쪽은 외부하중의 영향을 더 받을 수 있다.

반대쪽에는 냉각팬이 있을 수도 있다.

따라서 어느 한쪽에서만 진동이 증가한다면 그 위치와 연결된 구조를 생각해보는 것이 좋다.

두 위치의 데이터를 항상 같은 방향으로 기록하면 추세관리에 도움이 된다.

측정센서 위치가 달라지면 값도 달라질 수 있다

진동은 구조물을 따라 전달되면서 크기가 달라진다.

베어링 하우징 바로 위와 얇은 팬커버에서 측정한 값은 같지 않다.

따라서 정기점검에서는 가능한 한 같은 측정위치를 사용하는 것이 중요하다.

센서 방향도 같아야 한다.

오늘은 수평으로 측정하고 다음 달에는 수직으로 측정하면 두 값을 직접 비교하기 어렵다.

자석식 센서도 부착상태가 중요하다

진동센서를 자석으로 부착한다면 접촉면이 깨끗하고 평평해야 한다.

센서가 흔들리거나 도장과 이물질 때문에 제대로 밀착되지 않으면 측정신호가 왜곡될 수 있다.

특히 높은 주파수 진동을 측정할수록 센서 장착방법의 영향이 커질 수 있다.

정밀진단에서는 센서 설치방법을 일정하게 유지하는 것이 중요하다.

전체 진동값과 스펙트럼은 무엇이 다를까?

전체 진동값은 여러 주파수성분을 하나의 숫자로 나타낸다.

설비의 전반적인 진동수준을 빠르게 확인하기에는 편리하다.

하지만 왜 진동이 증가했는지는 알기 어렵다.

진동스펙트럼은 신호를 주파수별로 분리해서 보여준다.

1×,

2×,

베어링 결함주파수,

고주파 충격성분

등을 따로 볼 수 있다.

그래서 원인분석에는 스펙트럼 정보가 중요하다.

위상은 왜 측정할까?

같은 1× 진동이라도 진동의 위상관계를 보면 불평형과 정렬, 구조적인 움직임을 구분하는 데 추가정보를 얻을 수 있다.

예를 들어 모터 양쪽 베어링에서 진동이 같은 방향으로 움직이는지 반대방향으로 움직이는지를 볼 수 있다.

불평형 교정과 동적 밸런싱에서도 위상정보가 중요하다.

하지만 위상분석은 단순 진동값보다 전문적인 측정과 해석이 필요하다.

진동 기준값은 모든 모터에 같을까?

그렇지 않다.

모터 크기와 설치방식,

회전속도,

기초강성,

설비종류

에 따라 정상 진동수준이 달라질 수 있다.

적용하는 국제규격이나 제조사 기준도 확인해야 한다.

따라서 인터넷에서

“몇 mm/s 이상이면 무조건 불량”

이라는 숫자 하나를 보고 모든 모터에 적용하는 것은 좋지 않다.

설비에 맞는 기준과 과거추세를 함께 봐야 한다.

과거 추세가 중요한 이유

예를 들어 어떤 모터가 같은 부하에서 수년 동안

2.0mm/s,

2.1mm/s,

2.0mm/s

수준을 유지했다고 하자.

그런데 최근

2.8mm/s,

3.5mm/s,

4.2mm/s

로 계속 증가하고 있다면 의미 있는 변화일 수 있다.

아직 절대적인 경보값에 도달하지 않았더라도 상태가 변하고 있다는 뜻이다.

예방정비에서는 이런 증가추세를 일찍 찾는 것이 중요하다.

부하에 따라 진동이 달라질 수도 있다

모터는 무부하와 부하운전에서 힘의 상태가 다르다.

정렬불량과 구조적 변형은 부하가 걸렸을 때 더 크게 나타날 수 있다.

펌프 캐비테이션이나 압축기 맥동처럼 공정조건 자체에 따라 진동이 달라지는 경우도 있다.

그래서 진동데이터를 비교할 때는 부하상태도 함께 기록해야 한다.

온도에 따라 정렬이 달라질 수 있을까?

가능하다.

운전하면서 모터와 부하장치의 온도가 올라가면 프레임과 배관, 베이스가 열팽창한다.

정지상태에서 정확하게 맞춘 축정렬이 정상운전 온도에서는 달라질 수도 있다.

대형 고온설비에서는 이런 열성장을 고려해 냉간정렬값을 의도적으로 보정하기도 한다.

따라서 운전 직후와 장시간 정상운전 상태의 진동차이도 중요한 정보가 될 수 있다.

인버터 운전에서는 속도에 따라 진동이 달라질 수 있다

인버터는 전동기 회전속도를 넓은 범위에서 조절할 수 있다.

속도가 바뀌면

1× 회전주파수,

팬 통과주파수,

기어맞물림주파수

등도 함께 변한다.

이 과정에서 어느 속도에서는 구조물의 고유진동수와 일치해 공진이 나타날 수 있다.

그래서 특정 주파수에서만 진동이 큰 인버터 설비라면 단순 불평형보다 공진가능성도 확인할 필요가 있다.

특정 속도구간을 피해서 운전하는 이유

인버터에는 특정 주파수대의 운전을 피하도록 설정할 수 있는 기능이 있는 경우가 있다.

기계의 공진주파수와 겹치는 속도에서 지속운전하면 진동이 크게 발생할 수 있기 때문이다.

이런 경우 문제속도구간을 빠르게 통과하고 정상운전에서는 피하도록 설정할 수 있다.

하지만 이것이 구조적인 문제를 항상 해결하는 것은 아니다.

필요하면 기초보강이나 강성변경 등 근본적인 대책을 검토해야 한다.

진동이 갑자기 증가했다면 무엇부터 볼까?

갑작스러운 변화라면 최근 작업이나 사고가 있었는지 확인한다.

커플링을 분해했다가 재조립했는가?

베어링을 교체했는가?

팬을 청소했는가?

모터를 이동했는가?

기초볼트를 풀었다가 조였는가?

배관작업을 했는가?

이런 작업 이후 진동이 변했다면 작업과 관련된 정렬, 장착, 밸런스 문제를 먼저 확인하는 것이 효율적이다.

서서히 증가하는 진동은 무엇을 의미할까?

수개월에 걸쳐 조금씩 증가한다면 마모와 열화가 진행되고 있을 가능성을 생각해볼 수 있다.

베어링 피로,

윤활열화,

접촉부 풀림,

커플링 마모

등이 대표적이다.

갑작스러운 변화와 서서히 진행되는 변화는 원인범위를 좁히는 데 중요한 정보가 된다.

진동과 온도를 함께 보면 왜 좋은가?

진동이 증가하면서 베어링온도도 같이 올라간다면 베어링과 윤활상태를 더 적극적으로 확인할 수 있다.

진동은 높은데 베어링온도는 크게 변하지 않고 1× 성분만 증가한다면 불평형이나 구조문제를 생각해볼 수 있다.

물론 이것도 절대적인 기준은 아니다.

하지만 여러 종류의 데이터를 함께 보면 진단의 신뢰도가 높아진다.

진동과 전류를 같이 보는 것도 도움이 될까?

도움이 될 수 있다.

기계적인 부하가 갑자기 증가하면 모터전류도 증가할 수 있다.

반대로 단순 회전체 불평형은 진동이 커져도 평균부하가 크게 변하지 않는다면 전류변화가 작을 수 있다.

전자기적인 이상은 진동과 전류스펙트럼 양쪽에서 관련성분이 나타날 수 있다.

그래서 중요한 설비에서는

진동,

전류,

온도,

공정조건

을 함께 관리하면 더 많은 정보를 얻을 수 있다.

현장에서는 어떤 순서로 진동을 점검할까?

먼저 진동이 실제로 증가했는지 확인한다.

가능하면 기존과 같은 위치와 방향에서 측정한다.

회전속도와 부하도 기록한다.

그다음 진동스펙트럼을 확인한다.

1× 회전주파수성분이 두드러진다면 회전체 불평형과 팬, 커플링, 축편심 등을 먼저 점검한다.

축방향 진동이나 2× 성분이 증가했다면 축정렬과 커플링, 소프트풋을 확인한다.

고주파의 충격성분이 증가했다면 베어링의 온도와 소음, 윤활상태와 결함주파수를 확인한다.

여러 고조파가 함께 증가하면 기계적 풀림과 기초상태를 본다.

속도에 따라 특정 구간에서만 진동이 급격하게 커지면 공진가능성을 검토한다.

그래도 설명되지 않는다면 전자기적인 가진과 부하측 진동까지 범위를 넓혀야 한다.

진동이 높으면 바로 모터를 정지해야 할까?

진동수준과 증가속도, 설비 중요도와 제조사 기준에 따라 판단해야 한다.

평소보다 조금 증가한 정도라면 계획점검으로 대응할 수 있는 경우도 있다.

하지만 진동이 갑자기 매우 커지고

금속접촉음,

심한 베어링온도상승,

축 흔들림,

볼트 풀림,

회전자 접촉음

같은 증상이 함께 나타난다면 즉시 운전을 중단해야 할 수도 있다.

안전과 설비손상 가능성을 우선해야 한다.

진동을 줄이기 위해 바로 밸런싱부터 하면 될까?

원인이 실제 불평형인지 확인하지 않고 밸런싱부터 하는 것은 좋지 않다.

축정렬 불량이나 베어링 손상, 기계적 풀림 때문에 1× 성분이 증가했을 수도 있다.

이런 상태에서 무게추를 추가하면 원인을 가리는 결과가 될 수 있다.

먼저 구조적·기계적인 결함을 확인한 뒤 실제 불평형이 확인되었을 때 적절한 밸런싱을 수행해야 한다.

자주 헷갈리는 부분

첫째, 모든 회전기계에는 어느 정도 진동이 존재한다. 진동이 있다는 사실 자체가 고장이라는 뜻은 아니다.

둘째, 1× 회전주파수 진동이 크다고 무조건 불평형이라고 단정하면 안 된다. 축굽음과 편심 등 다른 원인도 가능하다.

셋째, 축정렬 불량에서는 1×와 2×, 축방향 진동 등이 단서가 될 수 있지만 절대적인 규칙은 아니다.

넷째, 베어링 초기손상은 전체 진동속도보다 고주파 가속도와 엔벨로프에서 먼저 보일 수 있다.

다섯째, 진동센서를 어느 위치와 방향에 설치했는지에 따라 값이 달라질 수 있다.

여섯째, 공진은 가진력이 작아도 고유진동수와 가까우면 큰 진동을 만들 수 있다.

일곱째, 모터에서 진동이 측정되었다고 원인이 반드시 모터 내부에 있는 것은 아니다. 부하측 진동도 전달될 수 있다.

여덟째, 전기적인 자기력도 진동을 만들 수 있다. 하지만 전원주파수 관련 성분만 보고 전기고장이라고 단정해서는 안 된다.

아홉째, 절대 진동값 하나보다 같은 조건에서의 장기간 변화추세가 매우 중요하다.

열째, 정확한 진동진단은 크기 + 주파수 + 방향 + 위상 + 운전조건을 함께 보는 과정이다.

마무리

전동기의 진동은 하나의 원인으로 설명되는 단순한 현상이 아니다.

회전자의 질량중심이 어긋나면 불평형력이 발생한다.

모터축과 부하축의 정렬이 맞지 않으면 커플링과 베어링에 반복적인 힘이 전달된다.

베어링 궤도면이 손상되면 전동체가 결함부위를 지날 때마다 작은 충격이 발생한다.

기초나 볼트가 느슨해지면 구조물이 반복적으로 움직이며 여러 고조파성분이 나타날 수 있다.

그리고 가진주파수가 구조물의 고유진동수에 가까워지면 공진으로 진동이 크게 증폭될 수 있다.

그래서 전동기 진동을 진단할 때 가장 중요한 것은

진동값이 높다

에서 끝내지 않는 것이다.

먼저 회전속도를 알아야 한다.

회전주파수

fr = n / 60

을 계산하고 스펙트럼에서 1×, 2×와 고주파성분을 확인한다.

수평·수직·축방향의 진동을 비교한다.

DE와 NDE를 나누어 본다.

온도와 소음, 부하와 전류도 함께 기록한다.

또 한 번의 측정값보다 같은 위치와 같은 운전조건에서의 추세를 비교해야 한다.

진동이 언제부터 증가했는지,

작업 이후 갑자기 변했는지,

속도가 증가할수록 계속 커지는지,

특정 속도에서만 커지는지

를 확인하면 원인을 훨씬 빠르게 좁힐 수 있다.

결국 진동은 고장 그 자체라기보다 전동기와 연결기계가 보내는 상태신호다.

그 신호를 주파수와 방향, 운전조건과 연결해서 해석하면 베어링과 축정렬, 불평형 같은 고장을 심각해지기 전에 찾을 수 있다.

다음 글에서는 진동의 대표적인 원인이면서 모터와 부하기계 전체에 영향을 주는 모터와 부하의 축정렬 불량은 어떤 문제를 만들까?를 살펴본다.

평행정렬과 각도정렬은 무엇이 다른지, 정렬불량이 왜 커플링·베어링·씰의 수명을 줄이고 진동과 발열을 만드는지, 소프트풋과 열성장까지 연결해서 자세히 알아본다.