지속성 과전류에 의한 모터의 전기적 특성 및 열화 분석

Abstract

본 논문은 전원이 인가되어 동작하는 모터 시스템에 있어 전기적인 비정상 과도상태나 지속적인 과전류 상태에서 흔히 발생하는 모터의 열화특성을 분석하고자 한 지속성 과전류에 의한 모터의 전기적 특성 및 열화분석에 관한 연구이다. 모터라 함은 자속을 발생하는 영구자석과 전류의 흐름을 유도해 회전을 발생시키는 정류자로 크게 구성되고, 정류자에는 절연된 인덕터가 함침되어 있다. 산업현장 및 전기전자 기기에 다양하게 사용되고 있는 모터는 회전력을 이용하여 부하를 구동시키게 되는데, 장시간 또는 비정상적인 사용 환경에 의해 정상적인 출력이 나타나지 않을 때 흔히, 모터가 열화 되었다는 말을 많이 한다. 모터의 열화란 구체적으로 어떤 상황을 말하는 것이며, 열화가 발생했을 때 모터의 전기적 특성은 어떻게 변화하는지 실험을 통해 분석하고자 했다. 열화 발생은 장시간 사용에 의한 노후 또는 과도상태에 의한 전기적 쇼크가 주요 원인이 될 수 있는데 본 연구에서는 이러한 실험을 실제로 사용되고 있는 모터 시스템에 적용하였고, 열화방지가 가능한 제어기를 제안하여 지속적이고 반복적인 과부하를 동시에 인가함으로써 직접적인 비교를 시도하였다. 대상 시스템은 자동차의 폴딩제어 시스템으로서 폴딩 제어기술은 모터의 동작을 정․ 역으로 반복 제어함으로써 부하의 구동을 제어하는 다양한 장치 및 시스템에 많이 응용되고 있으며, 대표적인 적용 사례로서 자동차의 사이드 미러 접이 콘트롤러, 와이퍼 콘트롤러, 안테나 콘트롤러, 파워윈도우 콘트롤러 등을 들 수 있다. 이러한 제어 메커니즘은 일반적으로 구동의 주체인 모터와 과전류 감지 소자, 전류 제어용 스위칭 소자, 전원 제어용 릴레이 등으로 구성되어 있으며, 부하의 변동에 따라 변화하는 모터의 전류 포화 정도가 한계점에 이르렀을 때 전기적 용단 특성을 가진 열전소자가 회로를 트립시킴으로서 모터의 동작을 차단하는 전원제어 방식을 채용하고 있다. 하지만 이러한 제어방식은 동작중인 모터를 특정 위치에서 더 이상 회전하지 못하도록 강제 구속하는 구조로서 전기적 차단이 이루어지기까지 모터에는 과부하가 유지되고, 과부하로 인해 모터의 내부저항이 감소함으로써 정격이상의 과전류가 유도되게 된다. 이러한 과전류는 지속적으로 모터의 열화를 일으키는 요인으로 작용하며, 심할 경우 모터 내부의 온도상승으로 인덕터 표층의 절연 피막이 손상되어 전기적 쇼트 현상이 발생하게 된다. 따라서 시스템의 안정된 동작과 제어를 위해서는 모터에 과부하가 발생하지 않도록 하여야 하며, 그 정도 또한 최소화 되도록 하는 것이 중요하다. 하지만 현재의 시스템은 과전류를 흘려 회로를 차단시키는 폴리 스위치 방식을 적용하고 있어 모터에 유도되는 과부하를 방지하기 어려운 근본적인 문제를 안고 있다. 폴리스위치는 특정 온도 이상에서 구동 회로를 트립시켜 전기적으로 고저항을 유지함으로써 회로를 보호하는 역할을 하지만 주변의 온도에 따라 트립시점이 일정하지 않기 때문에 정밀한 제어는 물론 시스템의 신뢰성을 확보하기 어렵다는 단점이 있다. 본 논문에서는 이러한 기존 제어방식의 한계에 의해 발생하는 모터의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있는 새로운 제어기를 설계 하였다. 제어기는 모터 실시간 감시 및 전류센서 회로, 신호변환 및 증폭회로, 신호 필터링을 위한 정형화 회로, 제어 시차를 조절하는 타이밍 발생기 및 모터 오프 제어회로로 구성하였고, 전력전자 소프트웨어인 CASPOC으로 직류 모터의 모델링과 시뮬레이션 통해 제어기의 동작 상태를 분석 하였다. 또한, 시뮬레이션 결과를 실제 상태와 비교하기 위해 제어기를 제작하여 동일한 조건에서 100,000회의 열화 실험을 반복한 결과, 기존 제어기의 전기적 특성이 현격히 저감한 반면, 개선된 제어기의 특성은 대체로 양호하여 기존 제어기에 비해 모터 코일의 내부저항 39%, 인덕턴스 26%, 절연저항 10배의 결과를 얻었다. 즉, 실험결과를 통해 모터의 전기적 특성 및 열화상태를 비교 분석할 수 있었으며, 모터의 주된 열화 요인으로 지속적인 과전류 및 열적인 과부하가 모터의 주된 열화요인으로 작용하는 것을 확인할 수 있었다.