Bearing Current란? 인버터 모터 전류 원리

Bearing Current란 인버터 구동 모터에서 축과 프레임 사이의 전압으로 인해 베어링을 통과하는 전류입니다. PWM과 Common Mode Voltage가 베어링 손상을 만드는 원리를 알아봅니다.

Bearing Current란 무엇이며 왜 발생할까?

Bearing Current는 Motor의 Shaft와 Frame 사이에 형성된 Electrical Potential Difference로 인해 Bearing을 통과하여 흐르는 전류를 의미합니다. 상용 Sine Wave 전원으로 운전되는 Motor에서도 Magnetic Asymmetry 등에 의해 Shaft Voltage와 Bearing Current가 발생할 수 있지만 PWM VFD로 구동하는 Motor에서는 고주파 Common Mode Voltage가 추가적인 원인이 될 수 있습니다. VFD는 DC Bus Voltage를 IGBT 등의 Power Semiconductor로 빠르게 Switching하여 Motor에 PWM Voltage를 공급합니다. 이 과정에서 Motor의 3상 출력에는 Ground 기준으로 빠르게 변화하는 Common Mode Voltage가 형성될 수 있습니다. Motor 내부에는 Winding, Stator, Rotor, Shaft와 Frame 사이에 여러 Parasitic Capacitance가 존재하므로 Common Mode Voltage가 Capacitive Coupling을 통해 Shaft Voltage를 만들 수 있습니다. 이 Voltage가 Bearing의 절연능력을 넘어서는 조건이 형성되면 Bearing을 통해 순간적인 Current가 흐를 수 있으며 반복될 경우 Bearing 수명과 Motor Reliability에 영향을 줄 수 있습니다.

모터 내부의 기생 커패시턴스는 어떤 역할을 할까?

Motor 내부 부품은 물리적으로 서로 가까이 배치되어 있기 때문에 의도적으로 Capacitor를 설치하지 않아도 Parasitic Capacitance가 존재합니다. 대표적으로 Stator Winding과 Frame, Stator Winding과 Rotor, Rotor와 Frame 사이에 Capacitive Coupling이 형성될 수 있습니다. Capacitor를 통해 흐르는 Current는 i=C×dv/dt 관계로 설명할 수 있으므로 VFD의 PWM Voltage가 매우 빠르게 변하면 작은 Capacitance에서도 고주파 Current가 발생할 수 있습니다. Winding-to-rotor Capacitance를 통해 전달된 Common Mode Voltage의 일부는 Shaft에 나타나며 이를 Shaft Voltage라고 합니다. Bearing의 Rolling Element와 Race 사이에는 Lubricant Film이 존재하여 일정 조건에서 Capacitor와 유사한 특성을 나타낼 수 있습니다. 따라서 Shaft Voltage가 형성되어도 항상 연속적인 Current가 흐르는 것은 아닙니다. 그러나 Oil Film에 걸리는 Electric Field가 충분히 커져 절연이 Breakdown되면 축적된 Charge가 순간적으로 방전될 수 있습니다. 이러한 Electrical Discharge가 반복되면 Bearing Surface에 미세한 손상을 남길 수 있습니다.

EDM Bearing Current는 베어링을 어떻게 손상시킬까?

VFD Motor에서 문제가 되는 대표적인 현상 중 하나가 EDM(Electrical Discharge Machining) 형태의 Bearing Current입니다. Shaft와 Bearing 사이의 Voltage가 Lubricant Film의 절연한계를 넘으면 매우 짧은 시간 동안 Electrical Discharge가 발생하고 접촉부에 높은 Current Density가 형성될 수 있습니다. 이 과정에서 Bearing Race 표면의 일부가 국부적으로 녹거나 손상되어 작은 Crater 또는 Pitting이 만들어질 수 있습니다. Motor가 계속 회전하면서 이러한 방전이 반복되면 손상이 누적되고 일정한 패턴의 Fluting이 Race 표면에 나타날 수 있습니다. Fluting은 세탁판과 유사한 반복적인 홈 형태로 관찰될 수 있으며 운전 중 Vibration과 Audible Noise가 증가하는 원인이 될 수 있습니다. 하지만 모든 Bearing Pitting이나 Fluting을 전기적 문제라고 단정해서는 안 됩니다. Lubrication 불량, Contamination, Misalignment, Mechanical Overload와 설치오류도 Bearing Failure를 일으킬 수 있으므로 Vibration Analysis와 Shaft Voltage 측정 등 여러 정보를 함께 검토해야 합니다.

어떤 조건에서 Bearing Current 문제가 커질 수 있을까?

Bearing Current의 크기와 형태는 Motor Size, VFD Topology, Carrier Frequency, PWM Rise Time, Motor Cable Length와 Grounding·Bonding 상태 등 다양한 요소의 영향을 받습니다. 긴 Motor Cable은 Cable-to-ground Capacitance를 증가시키고 Common Mode Current의 경로를 변화시킬 수 있습니다. 높은 dv/dt를 가진 PWM Pulse는 Parasitic Capacitance를 통한 고주파 Current를 증가시키는 요인이 될 수 있으며 Motor 구조에 따라 Shaft Voltage의 크기도 달라집니다. 대형 Motor에서는 고주파 Capacitive Current 외에도 Magnetic Flux의 불균형으로 인해 Circulating Bearing Current가 발생할 수 있으므로 Bearing Current를 하나의 메커니즘으로만 설명해서는 안 됩니다. Grounding 상태가 불량하거나 Motor Frame과 Drive Panel 사이의 High-frequency Bonding Impedance가 크면 Common Mode Current가 예상하지 못한 경로를 선택할 수도 있습니다. 따라서 문제를 분석할 때는 단순히 Protective Earth가 연결되어 있는지만 확인하는 것이 아니라 VFD, Cable, Motor와 기계구조 전체의 High-frequency Current Path를 고려해야 합니다.

Bearing Current를 줄이는 방법에는 무엇이 있을까?

VFD Motor의 Bearing Current를 줄이기 위해서는 Current가 Bearing을 통과하지 않도록 경로를 제어하거나 Common Mode Voltage와 고주파 성분 자체를 줄이는 방법을 사용할 수 있습니다. Shaft Grounding Ring이나 Grounding Brush는 Shaft에서 Frame으로 낮은 Impedance의 우회경로를 제공하여 Bearing을 통한 방전을 줄이는 데 활용됩니다. Insulated Bearing 또는 Ceramic-coated Bearing은 Bearing Current Path를 차단하는 방법으로 사용될 수 있지만 적용위치와 Motor 구조를 잘못 선택하면 Current가 다른 Bearing이나 연결된 기계로 이동할 수 있으므로 System 관점의 검토가 필요합니다. 또한 Shielded Motor Cable의 적절한 360° Shield Termination과 Equipotential Bonding은 Common Mode Current의 귀환경로를 개선하는 데 중요합니다. 필요에 따라 Common Mode Choke, dv/dt Filter 또는 Sine Wave Filter를 적용할 수도 있습니다. 결국 Bearing Current는 PWM VFD의 Common Mode Voltage와 Motor 내부의 기생 커패시턴스, Shaft Voltage가 결합하여 발생할 수 있으며 적절한 Grounding과 Filtering, Bearing Protection을 통해 관리해야 하는 중요한 Motor Reliability 문제입니다.