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마르포스의 전기 자동차 생산용 측정 솔루션 ③ – 모터 분야

전기 자동차 모터 측정을 위한 토탈 솔루션

전기 자동차 모터의 절연 불량 검사를 위한 부분 방전 시험 솔루션
모터 고정자 판금 스택의 스탬핑 프레스 공정 모니터링
모터 샤프트의 직경, 런아웃, 원통도 등을 신속하고 편리하게 측정하는 플렉시블 측정 시스템

전기 자동차의 핵심 부품인 전기 모터는 회전자(Rotor), 고정자(Stator), 모터 하우징, 쿨링 재킷으로 구성되어 모터 완성품이 된다. 마르포스(Marposs)는 이 모든 부품의 생산 중에 필요한 테스트 솔루션을 제공한다.
특히, 자동차용 전기 모터의 고품질 요건을 충족하기 위해서는 생산 공정내에서 측정 및 검사 기술이 체계적으로 적용되어야 한다. 첫째는 안전과 성능의 요구사항 충족, 둘째는 보다 높은 품질의 생산 등급을 달성하기 위한 목적이 될 것이다.

여기서는 마르포스가 제공하는 전기 자동차 모터 검사 솔루션 중 주요한 몇 가지를 살펴본다.

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모터의 절연 불량 검사

부분 방전 시험
모터의 절연 불량은, 특히 인버터로 구동되는 전기 모터의 경우 열/전기 응력 증가를 일으켜 시스템의 고장을 초래할 수 있으며, 전기 기기의 경우 고전압 모터의 근본적인 신뢰성과 연계되는 중요한 사항이다.

마르포스는 1964년 이래로 전기 모터 및 모터 부품인 회전자 및 고정자를 시험실과 생산 환경에서 측정하는 시스템을 생산하는 전문 기업인 EDC 인수 합병을 통해 전기모터 측정 시장에 진출했다.

EDC는 표준 시험인 고전압 시험 및 서지(Surge) 시험으로는 식별할 수 없는 잠재적 결함까지 100% 검출 가능한 커패시터 커플링(Capacitor Coupling)기술을 기반으로 한 부분 방전 측정 시스템의 선두주자다. 모터에 부분 방전이 발생하면 절연 시스템의 기능적 부분이 서서히, 지속적으로 약화하는 결과를 초래한다. 이러한 이유로 작동 중인 전기 모터에는 어떠한 부분 방전도 있어서는 안 된다.

부분 방전이 발생하면 절연 시스템의 기능적 부분이 서서히 그러나, 지속적으로 약화하는 결과를 초래한다.
부분 방전이 발생하면 절연 시스템의 기능적 부분이 서서히, 지속적으로 약화하는 결과를 초래한다.

기존 검사 방식의 한계 – 표준 고압시험
교류/직류 유전체 강도 시험 권선 부와 하우징 양단 사이 그리고 두 개의 다른 상 사이의 전압 결함을 검증할 목적으로 사용하는 시험이다. 물리적으로 분리된 두 요소 사이에, 60Hz의 사인 파형으로 1,000~3,000V 크기의 전압(AC), 또는 이에 상응하는 직류 전압(DC)을 가하여 누설 전류를 측정한다.

서지 시험(Surge Test) 권선 내의 결함을 확인하는 시험이다. 원형의 에나멜선이 너무 빠른 속도로 권선기에 의해 성형될 때에는 권선이 응력을 받은 상태가 된다. 이 경우 동일한 권선의 두 단자 사이에 펄스 형 신호를 가하여 반응을 확인하는 시험이다.

이 두 가지 시험은 전선이 이미 손상되었거나, 부분적으로 빈 곳이 있는 경우에 특히 유용한 시험이다. 그러나, 권선 자체 또는 권선과 권선 사이의 에나멜 선이 서로 접하거나 혹은 하우징과 접하는 경우 규명이 어렵다는 한계를 가지고 있다. 대부분의 결함은 부분 방전을 일으키고, 이 결함들은 표준 고압시험의  조건에서는 발견되지 않고 부분 방전 시험으로만 식별할 수 있다.

이 그림은 손상된 전선에서 발생하는 높은 표준방전을 나타내고 있다. 이 경우는 표준 고압시험을 통해 식별이 가능하다.
이 그림은 손상된 전선에서 발생하는 높은 표준방전을 나타내고 있다. 이 경우는 표준 고압시험을 통해 식별이 가능하다.
반면, 이 그림은 겉으로는 양호한 전선으로 보이지만 낮은 부분 방전을 일으키는 경우다. 시험용 전류가 증가하지 않기 때문에 표준 고압시험으로는 식별이 불가능하기 때문에 부분 방전 시험을 시행해야 한다.
반면, 이 그림은 겉으로는 양호한 전선으로 보이지만 낮은 부분 방전을 일으키는 경우다. 시험용 전류가 증가하지 않아 표준 고압시험으로는 식별이 불가능하기 때문에 부분 방전 시험을 시행해야 한다.

부분 방전 시험으로만 가능한 것
기존의 표준 시험 방식이 아닌 부분 방전 시험으로만 찾을 수 있는 전기 모터 코일의 주요 이슈는 다음과 같다. 우선 헤어핀(Hairpin) 구리선이 서로 접하는 경우가 있다. 또한, 철심과 구리 선 사이의 절연종이(Nomex)가 불완전하게 끼워져 있거나 슬롯 사이에 구겨져 있는 경우나 헤어핀 구리 선이 하우징인 철심을 접하는 경우이다.

부분 방전 시험으로만 찾을 수 있는 전기 모터 코일의 주요 이슈 중 하나는 사진과 같이 헤어핀 구리 선이 서로 접하는 경우이다.
부분 방전 시험으로만 찾을 수 있는 전기 모터 코일의 주요 이슈 중 하나는 사진과 같이 헤어핀 구리 선이 서로 접하는 경우(A)이다.

그다음으로는 절연 권선과 철심사이의 문제점이다. 절연슬롯 밖에서 철심을 접하는 전선이나 권선 내부에 전선 조각이 남아있는 경우, 또는 완전히 끼워지지 않은 절연슬롯의 경우 부분 방전 시험으로 검출이 가능하다.

부분 방전 시험으로만 확인이 가능한 절연 권선과 철심 사이의 문제점. 사진은 권선 내부에 전선 조각이 남아있는 경우이다.
부분 방전 시험으로만 확인이 가능한 절연 권선과 철심 사이의 문제점. 사진은 권선 내부에 전선 조각이 남아있는 경우이다.

이 뿐만 아니라 권선부 사이의 연결이나 권선 내부의 문제도 있을 수 있다. 동일 권선 회선 사이의 국부적인 전기 단락이나 다른 권선의 접촉 전선의 교차, 또는 다른 권선의 회선 사이에서 일어나는 단락도 부분 방전을 일으키는 이슈가 된다.

권선부 사이의 연결이나 권선 내부의 문제도 부분 방전을 일으킬 수 있다. 사진처럼 접촉 전선이 교차되고 있는 경우도 해당된다.
권선부 사이의 연결이나 권선 내부의 문제도 부분 방전을 일으킬 수 있다. 사진처럼 접촉 전선이 교차되고 있는 경우도 해당된다.

마르포스 EDC의 부분 방전 시험용 장비와 시스템
EDC 제품에는 모든 전기적 테스트를 위한 맞춤형/인라인/오프라인 솔루션이 있으며, 다음과 같은 전기 모터 및 그 구성품의 개발, 생산의 모든 단계에서 발생할 수 있는 절연 문제를 감지한다.

기본적으로 코일이 들어간 부품의 부분 방전을 검사하는 EoL 테스터기를 자동화 라인에 적용할 수 있다. 기존에는 모터의 고정자만을 측정했지만, 회전자에 코일이 감겨 있는 경우도 전용 측정기로 검사가 가능하다. 다음과 같은 세 가지 방식의 시스템을 제공한다.

  • 생산 라인의 자동 고정자 권선 또는 헤어핀 시험기 (Automatic Stator Tester for Production Lines)
  • 생산 라인의 자동 회전자 시험기 (Automatic Rotor Tester for Production Lines) 
  • 생산 라인의 자동 케이지 회전자 시험기 (Automatic Cage Rotor Tester for Production Lines)
EDC의 생산 라인의 자동 고정자 권선 또는 헤어핀 시험기인 AST320 시리즈
EDC의 생산 라인의 자동 고정자 권선 또는 헤어핀 시험기인 AST320 시리즈

부하 및 무부하 상태 모두에서 시험이 가능한 자동 모터 시험기 (Automatic Motor Tester with LOAD/NO LOAD tests)는 전기 모터의 생산라인 내 혹은 라인 끝단 테스트 벤치로 사용할 수 있는 통합된 주문형 모터 검사 시스템이다.

마지막으로 부분 방전을 측정하는 실험실용 오프라인 벤치인 첨단 권선과 절연 품질 분석기(Advanced Windings & Insulation Quality Analyzers)도 있다. LT400 시스템은 에나멜선의 선정, 절연 플라스틱 물질 선택, 함침 등의 선정과 같은 설계 단계의 절연 관련 품질을 분석하고 지원하는 목적으로 사용된다.

LT400은 고객이 요청한 모든 테스트를 단일 전기제품 유닛으로 수행할 수 있어 원하는 시험 과정을 선택할 수 있고, 부분 방전 정보를 얻기 위해 전자기적 보호가 필요한 안테나시스템과 구분되어 케이지를 사용하지 않는다는 장점이 있다.

EDC의 LT400. 모든 전기적 시험을 단일 장치로 수행할 수 있으며, 원하는 시험 순서를 선택 가능하다.
EDC의 LT400. 모든 전기적 시험을 단일 장치로 수행할 수 있으며, 원하는 시험 순서를 선택 가능하다.

고정자(Stator) 검사

전기 모터의 고정자
전기 모터의 고정자

헤어핀 권선 치수 및 에나멜 코팅 결함 자동화 검사
전기 자동차 모터 고정자의 구성품 중 하나인 ‘헤어핀(Hairpin)’은 특수 에나멜 와이어로, 절연을 위해 매우 얇은 폴리머가 코팅되어 있고 정밀하게 성형된 직사각형 단면의 구리 바(Bar)로 구성되어 있다.

헤어핀(Hairpin)은 특별한 에나멜 와이어로, 절연을 위해 매우 얇은 폴리머가 코팅되어 있고 정밀하게 성형된 직사각형 단면의 구리 바로 구성되어 있다.
헤어핀(Hairpin)은 특수 에나멜 와이어로, 절연을 위해 매우 얇은 폴리머가 코팅되어 있고 정밀하게 성형된 직사각형 단면의 구리 바로 구성되어 있다.
백색광(가시광선)이 에나멜 절연층을 투과하면, 공초점 프루브는 바깥 절연층과 안쪽에 있는 구리 코어의 정확한 두께를 측정할 수 있다.
백색광(가시광선)이 에나멜 절연층을 투과하면, 공초점 프루브는 바깥 절연층과 안쪽에 있는 구리 코어의 정확한 두께를 측정할 수 있다.

백색광(가시광선)이 에나멜 절연층을 투과하면, 공초점(Confocal) 프루브는 바깥 절연층과 안쪽에 있는 구리 코어의 정확한 두께를 측정할 수 있다. 안쪽에 있는 구리 코어의 전체 두께를 측정하기 위해서는 두 개의 공초점 프로브가 필요하다.

마르포스의 Irix™는 공초점 기술을 이용한 비접촉 측정 장비로, 백색광이 투과되는 모든 재질의 거리 및 두께를 측정 할 수 있는 색수차 공초점 기술에 기반한 비접촉 센서 제품이다. 최대 5개 층의 두께를 동시에 측정할 수 있고, 컨트롤러는 측정 범위, 센서 사이즈 그리고 다양한 애플리케이션의 요구 사항에 부합하는 측정 사양에 따라 다양한 광학 프로브 제품군과 함께 사용될 수 있다.

마르포스의 공초점 방식 비접촉 측정기 Irix™
마르포스의 공초점 방식 비접촉 측정기 Irix™

공초점 기술을 이용한 비접촉 측정 장비로는 헤어핀 가공 중 에나멜층에 벗겨진 구역의 여러 가지 치수를 인라인(In-Line)으로 측정할 수도 있다.

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헤어핀 가공 중 벗겨진 에나멜층이 벗겨진 구역의 치수를 측정하기 위해 공초점 측정 장비를 사용한다.
헤어핀 가공 중 벗겨진 에나멜층이 벗겨진 구역의 치수를 측정하기 위해 공초점 측정 장비를 사용한다.

판금 스택(Sheet metal stack)의 스탬핑 공정 모니터링
고효율 EV용 모터의 고정자용 판금 스택(Sheet metal stack)의 스탬핑 공정 모니터링을 위해서는 마르포스의 Brankamp X7, X5, X3S, X1 시스템이 사용된다.

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사진(위)과 같은 모터의 고정자용 판금 스택(Sheet metal stack)의 스탬핑 공정(d아래)상의 결함을 모니터링 할 필요가 있다.

마르포스의 X7은 냉간 성형, 단조, 스레드 롤링 및 스탬핑과 같은 금속 성형 생산을 위한 고품질 공정 모니터링 시스템이다. 이 시스템을 사용하면 다양한 기계 및 센서와 다양한 유형의 모니터링 모드를 모니터링할 수 있다. 모듈식이며 아날로그 또는 이진 센서를 위한 유연한 입력을 장착할 수 있다.

마르포스의 고정자 스탬핑 공정 모니터링 시스템 X7. 15인치 디스플레이 터치스크린을 조작하여 명확하게 구성된 사용자 인터페이스를 제공한다.
마르포스의 고정자 스탬핑 공정 모니터링 시스템 X7. 15인치 디스플레이 터치스크린을 조작하여 명확하게 구성된 사용자 인터페이스를 제공한다.

[웨비나 안내] 모터의 절연 품질을 위한 부분 방전(Partial Discharge) 솔루션 웨비나

이번 기사에 소개한 ‘부분 방전 솔루션’을 자세히 소개하는 웨비나가 지난 12월 22일 MFGTV를 통해 진행되었다. 마르포스의 김동제 기술 고문이 진행한 이번 웨비나를 통해 국내에서는 최초로 부분 방전 솔루션을 소개한 것이고, 다소 어려운 주제였음에도 불구하고 전기 자동차에 대한 관심을 반영하듯 많은 참가자가 웨비나에 참가했다. 이번 웨비나는 MFGTV 웨비나 다시 보기(mfgtv.co.kr) 또는 아래 QR코드를 통해 다시 시청할 수 있다.

Screenshot 2020-12-22 at 10.39.28 - 복사본QRCodeImg 마르포스 웨비나

마르포스의 ‘전기 자동차 측정 솔루션’ 관련 기사 보기

① 배터리 셀, 팩 분야배터리 누설 측정을 위한 토탈 솔루션

② 배터리 필름 분야전기 자동차 배터리 측정을 위한 토탈 솔루션

③ 모터 분야: 전기 자동차 모터 측정을 위한 토탈 솔루션

④ 트랜스미션 분야: 전기 자동차 트랜스미션 측정을 위한 토탈 솔루션

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.

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