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DC 모터의 기초
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09. 모터의 온도, 10. 저항-온도의 특성, 11. 주울 열과 전력,
12. 모터에서 발생하는 열량과 온도상승, 13. 온도상승에 대한 보호방법,
14. Surge Test (권선절연 시험), 15. 내전압시험
09. 모터의 온도
 
모터를 사용하게 되면 동손 및 철손과 같은 내부 손실에 의해 주울열이 발생하게 되는데, 발생되는 열량의 일부는 내부에 축적되어 모터의 내부온도를 상승시키고 나머지는 열 전달이 이루어져서 궁극적으로는 열적 평형을 이루게 되겠지만, 모터를 구성하는 부품들은 허용 가능한 내열등급이 정해져 있다 보니 모터를 사용할 때는 항상 구성된 부품이 가지고 있는 최저 내열 등급 이하에서 사용해야만 한다.

모터의 온도가 가장 높은 곳은 권선부가 되므로 우선적으로 고려되는 것이 권선의 피막과 절연체가 해당된다.
모터의 온도를 측정하는 방법은 외부에 Thermocouple을 심어서 표면온도를 측정하거나, 내부에 Thermopaper를 부착하는 방법이 있지만, 권선자체만의 온도를 알고자 하는 경우에는 비교적 쉬운 방법이 있다.
금속의 저항이 온도에 대해 일차함수로 변한다는 것을 활용하는 것으로 해당 금속의 고유저항을 알 고 있으면 된다. 회전자 단품 상태에서 측정하는 방법은 정류자의 Segment에 접촉하면 되지만, 모터상태에서는 측정되는 저항이 Brush에서 발생하는 접촉저항 등을 포함하고 있으므로 순수한 권선 의 저항이라고 보기는 어렵지만, 저항의 변화량을 알면 되므로 충분히 사용이 가능할 것으로 판단된다.
기계손 = 마찰손 + 풍손
 
  (1) 권선저항의 변화에 따른 온도 변화량 계산
온도 상승을 구하는 계산법은 다음과 같다.

Deg( △T) = [(R2 - R1) X (234.5 + T1)/R1] - (T2 - T1)
R1 :온도상승 시험 전의 권선 저항
R2 :온도상승 시험 후의 권선 저항
T1 :온도상승 시험 전의 주위온도
T2 :온도상승 시험 후의 주위온도
234.5 :동선의 온도 계수

모터를 빈번하게 기동, 정지하거나, 회전 방향을 교환하거나, Brake장치에 의해 순간 정지를 빈번하게 반복하면 모터의 온도 상승은 더욱 높아진다. 모터의 수명은 온도가 낮을수록 유리하다. 또한 권선 저항이증가하면 모터의 통전 전류가 줄어 들고, 회전수도 낮아지게 되어 힘이 떨어지는 것으로 나타난다.

- 각 절연계급에 의한 MOTOR의 사용온도한계는 아래 표와 같다.
 
절연의 종류
내용
허용최고온도
비고
Y종
목면견지등의재료로 구성
바나스류에 함침 또는 기름에 침투시키지 않은 것.
90℃
A종
Y종과 같은 재료로 구성
바니스류에 함침 또는 기름에 침투시킨 것.
105℃
E종
에나멜선용폴리우레탄 수지 에폭시 수지
면 적충품 종이 적층품
120℃
B종
마이카석면그라스섬유등의접착재료를
이용하여 구성한 것.
130℃
F종
B종과 같은 재료를 실리콘 알키드 수지 등의 접착재료를
이용하여 구성한 것.
155℃
H종
B종과 F종과 같은 재료를 규소 수지 또는 동등의 성질을 가진
재료로 함께 사용한 것.
180℃
C종
생마이카 석면 자기 등으로 단독적으로 구성된 것 또는
접착재료와 함께 사용한 것.
180℃초과
- MOTOR가 운전 중에는 온도상승으로 온도가 높아지게 되나 위의 표 허용최고온도 이상은 올라가지 않도록 설계되어 있다 .
 
 
  (2) 사용주위 온도
- MOTOR를 사용할 때에는 일반적으로 주위온도가 -10°C에서 +40°C의 범위에서 사용한다.
사용온도를 초과하는 장소나 SET에서 사용하는 경우에는 MOTOR를 운전한 후의 온도 상승에 의한 온도가 주위 온도에 더해져 권선부 COIL의 열화와 BALL BEARING의 수명이 현저하게 떨어진다.
또한 주위온도가 너무 낮은 곳에서 사용하여도 주로 기동 특성이 문제가 된다.
더불어 GEAR HEAD의 윤활 GREASE와 BALL BEARING의 주도가 저하되어 마찰 TORQUE의 증대로 인하여, 기동이 되지 않거나 기동하는데 있어서 시간이 걸린다.
10. 저항-온도 특성
 
금속도체는 온도 상승과 함께 저항은 점점 직선적으로 증가하지만 반도체는 반대로 급격한 저항 감소를 보인다.
금속은 온도가 증가하면 원자의 진동이 격렬해져 전자가 이동할 때 원자와의 접촉이 심해져 전자운동이 방해를 받는다.
반도체는 전자가 풍부하지 않은 물질로 온도 증가는 원자핵의 핵력이 감소하는 결과를 가져온다. 따라서 전자의 에너지가 증가하고 전자의 이동이 더욱 활발하여 진다.
자유전자가 많은 물질인 금속은 온도 증가가 원자의 접촉을 심화시켜 오히려 전자운동이 방해가 되어 저항이 심해지는 결과를 가져 오고, 반도체는 온도증가가 전자의 에너지 증가로 이동이 더욱 쉬워져서 저항의 감소현상이 일어난다.
11. 주울 열과 전력
 
전기도 작업 능률이라는 점에서 생각해 볼 때 일반적으로 1초간에 하는 작업을 일의 능률이라고 하듯이 전류가 초간에 하는 일. 즉, 전류의 작업 능률을 전력이라고 한다.

도체에 가해지는 전압을 V(V), 전류를 I(A) 라고 하면, 1초간 발생하는 열량은
Q=VI ×1 = V·I (주울)이다.
따라서 전기가 1초 동안에 하는 일, 곧, 전력을 P라고 하면,
P=VI (Watt)가 된다. 전력의 단위로는 와트 (기호는 W)가 사용된다. 또전력의 계산식은 전력(W)= 전압(V)× 전류(A) 라고 표시한다. 1와트란 전압이 1볼트, 전류가 1암페어 일때의 전력을 말한다. 또 저항을 R(Ω)라하면 오옴의 법칙 V=R*I에서 다음과 같이 표시할 수도 있다 .

P = R*I2 = V2/ R (Watt)

전기가 하는 일의 양은, 전력 (1초동안에 하는 일)에다, 일을 한 시간을 곱하면 될 것이다. 이것을 전력 량(電力量)이라고 한다. 따라서 전력량은 (전력량)=(전력)× (시간) 이 된다.

전력량의 단위는 와트ㆍ시 (기호는 Wh)로 표시하는데 보통은 킬로와트·시 (기호는 kWh)가 사용된다. 이것은 1킬로와트의 전력을 1시간 사용했을 때의 전력량이다.
12. 모터에서 발생하는 열량과 온도 상승
 
모터에서는 Loss가 열로 변환한다고 볼 때 발생되는 열량은 다음과 같이 계산된다.

1w란 1초간에 1J을 일을 하는 것으로[1w=1V*1A=1 J/s]
1J = 0.24 cal이고 1w는 1초간에 0.24cal의 열량을 발생하니
열량 Q=0.24 * P * t (cal) = 0.24 * V * I * t (cal) = P * t (J)
모터의 Loss가 열로 변환되므로, 모터 효율을 ξ로 표시하면 Q=0.24*V*I*(1-ξ)*t [cal]가 되고, 모터 의 평균비열 (cal/g℃)을 곱하면 모터의 온도상승 정도를 계산해 볼 수 있다.
여기서 모터의 평균비열은 재질별 무게와 비열의 평균적인 값이며, 전 부품의 열전달 속도는 동일하되 , 외부로의 열 이동이 없는 이상적인 상황으로 한정한다. 실제적으로는 각 부품의 열전달이 이루어질 뿐 아니라 열전달 계수가 다르므로 권선부위에서 먼저 온도가 상승하고, 외부 표면의 온도가 가장 낮을 것이다. 어느 정도 시간이 경과하면 모터는 평형을 이루게 된다
13. 온도 상승에 대한 보호 방법
과도한 조건에서 모터를 사용하게 되면 모터가 손상되거나 수명이 현저히 감소하게 되므로 과도한 온도 이상에서는 모터의 운전을 중단시키는 보호장치를 추가하게 되는데 두 가지의 방법을 사용할 수 있다.
 
  ① THERMALLY PROTECTED TYPE
- MOTOR를 사용 중에 과부하로 운전되거나 어떠한 불의의 경우로 MOTOR가 구속되어 과열되었을 때 보호하기 위하여 온도 과열 보호 장치인 T/P(THERMALLY PROTECTED)를 내장한 제품도 있다.

- 이 T/P는 열을 감지하는 바이메탈을 채용하여 더욱 접점의 개폐 동작이 빠르며,
이상 온도시 회로를 차단 한 후에 온도가 정상적으로 돌아오면 자동적으로 복귀하는 자동 복귀형 TYPE이다.
 
  ② IMPEDANCE PROTECTED TYPE
- IMPEDANCE PROTECTED MOTOR는 권선의 IMPEDANCE를 크게 하여, MOTOR가 구속 되었을 때에도 전류(입력)의 증가가 적도록 하여 온도상승이, 허용 최고 온도 이상 넘지 않도록 설계되어 있다.

- MOTOR NAME PLATE에 “IMPEDANCE PROTECTED"라고 표시하며 , 또는“ZP" 라고 표시하기도 한다.
이 방법은 모터의 특성에 영향을 미치는 것이므로, 설계 단계에서부터 고려해야 할 사항이다.
14. Surge Test (권선절연시험)
 
  (1) Surge Tester 란?
Surge 시험 (Winding Insulation Test, Layer Short Test등과 같은 뜻) 이라 함은 그림(1)과 같이 시험하고자 하는 권선제품(Motor의 권선, Transformer, Relay coil, 안정기, Generator등)의 권장 양단 (Start와 Finish단 자사이)에 외부에서 극히 짧은 시간동안, 이 제품의 사용전압보다 훨씬 높은 Impulse(또는 Surge 전압이라고 한다.)를 강제로 인가해 보는 시험이다. 이 시험의 주된 목적은 권선이 몇 V의 높은 전압에도 견딜 수 있는가를 알아보는 것이다.
 
이것은 마치 종을 만들때, 완성된 제품을 그 종이 사용중 받을 수도 있는 최대한의 강도를 가진 충격에도 견딜 수 있는가를 알아보는 실험과 같은 것으로 한번 세게 두드려 봄으로써 종이 깨지지나 않는지, 또는 종에 균열이 있지나 않은지, 소리는 어떻게 나는지를 알아보는 시험과 같다.

이러한 시험을 거치면서 동시에 권선의 특성들을 분석해 봄으로써 제품의 견고성, 이상여부 등을 알 수 있게 된다.

이러한 Surge 시험은 균일제품의 전기적 내구성과 신뢰성을 판정하는데 꼭 필요한 전수검사 과정으로, 이는 Surge 시험만이 다른 모든 시험과는 달리 Coil 자체에 전기적 스트레스를 가해 보는 유일한 방법이어서, 이 시험을 거쳐야만 Corona 발생여부, Winding Insulation (권선절연), 에나멜선의 Pinhole, Scratch, Layer Short (1회 쇼트, 층간쇼트, 상간쇼트), 오결선 여부를 알 수 있기 때문이다.

이러한 목적을 이루기 위해서는 시험하고자 하는 권선제품과 함께 그의 판정기준이 되는 Sample(Master, 또는 Standard라고도 함) 제품을 옆에 두고 똑같은 조건의 Surge전압을 순간적으로 동시에 인가해 본 후, Stress에 대한 내구력과 함께 각각의 제품에서 발생되는 자유 진동파형(Free run wave form : 특성판정의 자료가 된다.)을 Surge Tester의 Screen상에 비교해 보는 방식을 이용한다. 이러한 점에서 Surge Tester의 원래 이름을 Surge Comparison Tester(서지파형 비교시험기)라고도 한다.

근래에는 Sample 제품에 Surge 전압을 인가해서 얻어지는 Sample 파형을 한번만 Surge Tester 의 Memory 영역상에 축적해 두었다가 필요할때마다 그 파형을 불러내어 시험제품의 파형과 비교해보는 Memort Type 의 Surge Tester도 있다.
 
  (2) 왜 모든 권선제품에는 Surge(고압인가)시험이 필요한가.
모든 권선은 그 자체로 고유의 인덕턴스 값 (기호는 : L, : 단위는 H)을 가지고 있으며, (그림 2) 에서와 같이 코일이 처음 감기기 시작한곳 (Start 점)과 감기가 끝난 후 인출 되어진선 (Finish 점)사이에, 또는 코일 사 이에 필연적으로 개입되는 부유용량 (CS : Stray capactance)을 가지고 있어서 하나의 공진회로(LC 회로)를 구성하고 있게 된다.

한편 이러한 LC회로의 양단에서 발생하는 전압 E는 코일의 횟수 N과 이 코일에 흐르는 전류의 변화량 △i의 곱으로 나타낼 수 가 있으며 공식 1과 같다.
 
 
이와 같이 모든 코일에는 여기 흐르는 전류의 변화량이 급변할 경우 권선 (코일)내에서 자체적으로 높은 전압 을 발생하게 되고 외부전압 (사용전압)보다 훨씬 높아지는 경우가 많은데 이러한 현상을 과도기현상(transient effect)이라 하고, 인덕턴스 제품에서만 야기되는 현상이다. 또한, 이때 발생하는 전압을 역기전압(lmpulse)이라고 하며, 모든 코일제품은 이와 같은 조건에서 사용되고 있다.

이러한 원리를 역이용한 것으로 자동차의 점화 Plug에 스파크를 일으키기 위한 이그션코일과 전자석 가스점화장치등이 있다.

지금 (그림 3) 과 같이 24V용 Relay의 코일에 DC 24V를 인가했다가 스위치를 끄면, 이 순간에 코일에 흐르던 전류는 (그림 4 회로) 어떤 값에서 순식간에 0으로 떨어지게 되는데, 이때의 시간에 따른 전류변화량은 엄청난 것으로 (공식 1) 에서와 같이 이 코일의 양단에 발생하는 전압은 원래 이 코일에 인가되었던 전압 24V를 훨씬 넘어 그 값의 10~20배가 되는 것이 보통이다. (때로는 40배가 넘기도 한다.)
 
 
(그림 5) 는 실제 권선제품에 전압을 인가했다 끊었을때의 코일 양단에 발생하는 전압을 나타내는 것이다. Switch ON 시에도 사실은 lmpulse 전압이 발생하나, 이 전압은 코일 양단에서 보면 전원이 부하로 걸려있어, Damper역할을 하므로 여기에 흡수되어 실제로는 나타나지 않는다. 그러나 SW Off 시에는 Coil 양단에 어떤 부하도 없어 전기적 자유진동파형이 나타났다가 차츰 감소해서 사라지게 된다. 이 파형을 Free run wave form 이라 하고, 그 처음 부분의 강한 역기전압을 lmpulse라 한다.
 
  (3) Surge Test 방법
Surge 시험방법은 매우 간단하다. 권선제품의 시작점 (Start 선) 과 끝점 (Finish 선) 의 양단에 Surge Tester를 연결해 보기만 하면 된다. 물론, 여기서 3상모터, 2자측 코일이 많은 트랜스등 인출선이 여러 개가 있는 제품에는 각선의 끝마다 또는 몇 개의 선을 연결해서 시험한다.

이와 같이 모든 코일제품에는 사용전압보다 훨씬 높은 전압을 외부에서 인가해 보는 시험이 필요하다. 그렇다고 제품에 무작정 사용전압보다 몇배씩 높은 전압을 인가해 볼 수는 없다.
(시험중에 파괴가 될 수 있으니까) 그대신 (그림 6) 과 같이 권선에 고압을 인가하되 고압인가 시간을 극도로 짧게 하여 (그림 7) 과 같은 모양의 Pulse전압 (순간전압)을 제품에 인가해서 이때, 나타나는 파형을 분석해 보면된다. 이처럼 고압인가 시간을 0.5s~5㎲정도 극도록 짧게 하여 코일에 인가해 보면 코일을 상하지 않게 하면서도 Surge 전압에 대한 내구성 등의 특성을 알아볼 수 있게 된다.
 
 
한편 권선제품은 그 자체가 내부에 (그림 8)과 같이 코일(L: 인덕턴스)과 컨덴서 (C: 캐퍼시던스)를 가지고 있어 공진회로를 구성하고 있으므로 이 양단(코일양단)에 고압을 인가했다가 순간적으로 제거하게 되면, 공진 회로에 축적된 전기에너지는 코일과 캐퍼시터에서의 손실에 의해 자연소멸 되기까지 전류의 흐르는 방향이 교번되는 자유진동(Free rum wave form)파형으로 나타나고 [공진회로이기 때문에 공진주파수(Resonance frequency) 라고 볼 수도 있다.] 이 파형은 시간이 지날수록 작아져 소멸하게 된다 (그림 9) .
 
 
이는 마치 망치로 종을 쳤을때 소리가 나는 것과 같은 이치로, 종소리란 외부의 물리적 충격을 받았을때, 그 종이 가지고 있는 고유한 구조적 특성에 따라 자유진동 되는 소리이며, 시간이 지남에 따라, 에너지가 소멸되어 차츰 소리가 작아지는 것과 같은 비유이다. 이 전기적 파형의 형태를 외부에서 Scope로 관찰해보면, 마치 사람의 지문이 서로 다르듯 모든 코일의 각자 고유특성에 따라 다른 모양으로 나타나므로 그 코일 고유 의 특성을 한 눈에 판별 할 수 있게 된다. 이 때의 자유진동 파형의 주파수 (f) 는



코일의 인덕턴스 (L) 와 부유용량 (C) 이 클수록 주파수가 낮아지며 (파장이 길어진다.) Q가 낮을 수록 감쇠량이 증가하여 (감쇠곡선의 경사가 심하다.) 파형이 급격히 소멸되고, Surge 전압에 견디지 못할 경우 Corona 방전 이나 Spark 가 발생하여 파형이 떨리고 고르지 못하며, 코일이 쇼트되어 파형이 나타나지 않게 되는 (단선되어 도파형이 나타나지 않는다.) 점등을 이용하여 이 코일제품의 내구력 뿐만 아니라, 이 파형을 양품인 다른 Sample 제품의 파형과 비교 해 보아 코일의 여러 가지 특성을 한 눈에 비교 관찰 할 수 있어 신속한 분석이 가능하다.

위와 같은 시험을 할 수 있는 Surge Tester의 실질적인 제작에 있어서는 높은 시험전압(lmpulse)을 발생시 키기 위한 방법으로 스위치 회로에 SCR, thyratron, lgnitron 등이 사용되고 있으며, 시험전압 출력 범위는 0~3kv에서 40kv용등으로 다양하게 생산되고 있다.
 
  (4) 시험전압
Surge Test시의 시험전압 결정방법은 다음과 같다.
구하고자하는 Surge 시험전압을 Es라하고, 시험하고자 하는 제품의 통상 사용전압을 Eo라 했을 때, Es는 Eo전압을 2배한 값에 1000V를 더하고, 여기에 다시 1.4배를 곱한 값으로 한다.

공식3 : Es = (Eo + 1000v) * 1.4

여기서 보듯 Surge시험을 위한 시험전압은 오로지 그 제품의 사용전압에 의해서만 결정된다. 공식 3은 국제권선협회(lnternational Coil Winding Association)에서 권장하는 방식이기도 하나 이 공식 역시 어떤 확고한 원리에 의해 얻어진 것이 아니라 경험에 의한 법칙(Rule of thumb) 에서 온 것이다.

이 공식에 따르면 1.5V용의 초소형 Motor도 최소한 1000V가 넘는 Surge전압으로 시험해 보아야 된다는 뜻인데, 여기엔 무리가 있다. 그래서 이 공식은 사용전압이 100V~1000V쯤 되는 제품에 적용이 되기에 알맞다. 업체에 따라 Surge 시험전압을 사용전압에 60배를 한 값으로 권장하기도 한다.

공식4 : Es = Eo * 60 으로 결정해도 좋다는 뜻이다 .

이는 대부분의 권선제품에서 발생되는 역기전압을 실측해 보면, 사용전압의 40배 이하가 된다는 점에서, 이에 1.5배의 값인 60배를 한 전압으로 시험해도 된다는 뜻이다.
즉, 시험 Surge전압 (Es)의 산출은 공식3, 공식4의 값이 비슷해지고, 그 사용전압이 20~30v이하인 제품에 서는 공식 4의 값이 낮아지게 된다.

* 참고1 Surge 시험시의 시험전압은 오로지 시험하고자 하는 제품의 사용전압에만 관계된다. 즉, 시험제품의 크기, 사용전력량, 마력등에는 아무런 관련이 없다. 1마력의 모터이든지 또는, 100마력 모터이든지 크기에는 관계가 없다는 이야기이다. 왜냐하면, 사용전압이 같으면 거기서 발생되는 lmpulse전압의 크기는 동일 하기 때문이다.

한편, 수명시험에는 에이징시험, 스트레스시험의 두가지가 있는데 Surge시험이란, 스트레스성 시험이므로 시험이 오래 진행되면 피시험체가 파괴되는 수도 간혹 있을수 있다. 즉 에이징시험이란 전기제품에서 사용전압 부근의 전압을 인가한 후 장시간 가동을 해 보는 것을 말하는데 이는 시간이 많이 걸려 모든 제품에 시험을 거치는 (전수검사)방법으로는 불가능하다. 이에 비해 스트레스 시험은 사용조건보다 훨씬 가혹한 조건 (전압) 으로 순식간에 시험을 진행 할 수 있어 전수검사가 가능하다.

그림 ( 10)은 어떤 일반적인 전기 제품의 시험인가 전압에 따른 파괴율(%)을 나타낸 것이다. 이와 같이 모든 전기제품은 인가전압을 차츰 올려가면 언젠가는 파괴되어 회복 불가능의 상태에 이르는데, 이를 Break down point라하며 스트레스 시험은 사용전압보다는 훨씬 높으나 파괴점보다는 낮은 전압 범위의 전압에 의한 순간시험을 말하고, Surge시험도 이에 속한다.
 
 
 
  (5) 판정
Surge Test란 시험제품에 전기적 스트레스를 가하여 신뢰성 시험을 하면서 동시에 이 과정에서 발생되는 자유진동파형을 관찰, 코일의 특성을 분석하기 위한 것이나, 수 많은 코일제품마다 발생되는 파형이 각양각색이므로 시험하는 코일제품 하나만의 파형을 봐서는 그것이 양품인지, 불량인지를 판별하기가 불가능하다. 즉, Surge Test란 지문을 대조하는 작업과 같아 어디엔가 표본이 있어야 하기 때문이다.

그렇기 때문에 시험제품 옆에 양품으로 인정되는 Sample(Master)제품을 두고 두 제품에서 발생되는 두 개의 파형을 서로 비교하여 시험제품의 파형이 Sample과 동일하거나 흡사할 경우 양품으로 판정하고, 많은 차이가 날경우 불량으로 판정한다. 이는 “기준이 없는 어떤 상대치도 있을 수 없다” 는 이치와 같다.

이 판정은 사용자가 Surge Teste r의 Scope 화면에 나타나는 두 개의 파형을 눈으로 관찰하여 비교, 판정해도 되나 자동 판정기능(Auto comparator) 이 있는 Surge Tester에서는 양, 불량 판정의 기준점만 미리 설정 해 놓으면 그 이후의 시험에서의 판정은 자동으로 이루어진다.

Surge Tester의 사용법으로는 먼저 어떤코일이든 기준이 되는 제품(Sample) 을 기기의 전면 커넥터 “Sample"측에 연결해 놓고, ”Test"측에는 시험하고자 하는 제품(Product-under-test)을 접속해 둔채 Surge 시험을 해 본다. 그러면 (그림 11) 과 같은 파형이 Screen상에 나타난다. 이 파형이 나타나고 있다는 것은 이미 시험제품과 Sample측에 시험을 위한 Surge전압이 인가된 시점이고, 그 이후에 나타나는 파형은 코일제품 고유의 자유진동 파형으로 시간이 지날수록 (오른쪽으로 갈수록) 파형의 진폭이 감소되어 소멸하고 있음을 보여준다.
 
 
여기서 a를 파형의 진폭이라하고, b를 파장이라 한다. 이때 진폭은 코일에서 발생되는 전압 (처음 인가된 Surge 전압의 크기에 따른다.) 의 세기를 나타내며, 파장의 길이는 이 코일에 갖는 고유진동주파수에 반비례 한다. 즉, 주파수가 높으면 파장은 짧아지고, 코일의 Q가 낮으면 시간에 따른 진폭의 감쇠가 심하여 감쇠곡선이 가파르고 (파형이 빨리 소멸되고), Q가 아주낮은 코일제품에서는 파형이 한 개도 제대로 나타나지 않는 수도 있다. 예를 들어 금속체 보빈에 코일이 감겨 있거나 코일외부를 금속체가 감싸고 있는 경우, 또는 Solenoid Coil과 같이 내부에 가동철편 (Actuator)이 들어있는 제품 또는, 코일 내부에서 코일의 한부분이 쇼트되어 있어 Q가 아주 낮아진 경우 이런 파형이 나타난다.

한편, 모터나 트랜스포머, SMPS Trans등에서 여러 가지 코일이 서로 결합되어 있거나 한 개의 보빈에 두개 이상의 코일이 복합으로 감겨져 있는 제품에서는 각각의 코일 특성이 뒤섞여 Sin파형이 아닌 복잡한 형태의 파형이 나타나는 수도 있다 (그림 12) .
 
 
(그림 12) 에서는 기본파형에 다시 그의 2배에 해당되는 주파수의 고조파(제 2고조파)가 섞인 파형을 보여주는데 이러한 파형이라도 그것이 그 코일 자체의 고유 특성을 나타내는 것이므로 어쩔수가 없다. 당연히 Sample코일에서 발생되는 파형이 이런 모양이라면 시험제품의 파형도 이와 같아야 함은 물론이다.

* 참고2
어떤 제품을 시험하고자할 때 그 기준이 되는 양품(Sample, 또는 Master)을 Standard로 선정해 놓은 후 그 와 비교하여 다른 제품을 양, 불량 판정해야 한다고 하면, 그 기준용 양품을 어떻게 선정해야 하느냐는 질문을 받고는 한다. 그러나 엄밀히 생각해 보면 그건 어려운 일이 아니다. 왜냐하면, Sample 제품의 기준은 어떤 생산공장에서의 생산품의 몇 %만이 될 수 있는 것이 아니고, 양품으로 판정되는 대부분의 제품이 Sample자격을 가지고 있다고 보아야 한다. (만일 그렇지 않고 어떤 생산 제품에서 다만 1%만이 Sample 자격이 있다면 나머지 모든 제품은 불량이란 말인가) 물론, 더욱 정밀하게 Sample 제품의 특성을 지니는 기준을 확보하려면 그건 여러개의 양품제품의 그래프상의 평균값을 가지는 제품을 선정하면 된다.

*파형의 판정 : 다음은 일반 코일에서의 Surge파형과 그에 따른 설명이다.
(그림 12) 역시 (그림 11)에서와 같 이 Sample측에만 표준제품이 연결되어 있고 Test측엔 시료가 연결되어 있지 않은 상태 (그림 11 과 동일한 상태) 에서 Surge Tester에 따라 이런 형태의 파형이 나타날 수도 있음을 보여주고 있다. 여기서 T파형은 S파형의 단순한 이미지 파형으로 Surge Tester 내부에서 Sample측과 Test측의 회로가 어느정도 결합되어 있기 때문에 (고압 공급회로를 공유하고 있기 때문) 어쩔수 없는 현상이기도 하다. 이러한 파형은 Sample측과 Test측에 동시에, 같은 크기의 Surge전압을 인가해야하는 자동판정기능이 있는 Surge Tester에서 흔히 볼 수 있다.

① Sample측에만 권선제품이 연결되어 있을때
 
 
(그림 13) 은 Sample측에만 표준제품을 연결한채 Test측에는 아직 시험제품을 연결해 두지 않은 상태에서 고압을 인가했을때의 화면이다. 여기서 S파형은 Sample 코일측의 고유진동 파형이 나타나나, Test측엔 코일제 품이 없어 진동파형이 나타나지 않고 그냥 Surge Tester측에서 인가된 고압이 시간의 흐름에 따라 차츰 감소되어 자연소멸 되는 모양이 사선으로 나타나 보인다. (물론 Test측에 연결되어 있는 권선제품이 단선되었을 때에도 이러한 모습으로 보인다.
 
 
 
(그림 14) 은 Sample측과 Test측에 모든 시료를 연결해 둔 상태에서 고압을 인가했을때 양쪽 모두의 특성이 같을 때 S측과 T측의 파형이 완전히 겹쳐서 하나로 보이는 경우이다. 이때 Sample측의 표준(Standard) 제품 이 양품이라고 한다면, 당연히 Test측의 시험 제품도 양품으로 판정한다. (양품과 똑같은 특성을 가지고 있으므로)

② Test측의 시험제품이 인덕턴스가 Sample측보다 클때 (또는 작을때)
 
 
만일 Test측의 시료가 Sample측보다 인덕턴스가 클 경우 (코일이 더 많을때) Test측의 파형은 파장이 길어져 (공진주파수가 낮아져) (그림 15) 에서 T1처럼 S보다 더 늘어진 파형으로 나타난다. 코일의 인덕턴스가 증가하면 공진주파수에 관한 공식 (공식 2)

                  1
공식 : f = ----------------
            2 π√L(H)C(F)

에서 L이 증가한 결과 f(주파수) 가 낮아지고, 또한 이에 따라 파장이 길어지기 때문이다. T측 시험제품의 L(인덕턴스 , 단위는 H)이 증가했다함은, 코일의 횟수가 더 많거나 미결합된 상태이거나, 또 는 코일내부에 있는 철심이나 페라이트 코어의 도자율이 더 높다는 뜻이기도 하다.
한편 T측에 연결되어 있는 코일의 인덕턴스가 S측보다 더 작을때는 공진주파수가 높은 관계로 파장이 짧아 져 T2에서 처럼 S측 파형보다 앞선 파형이 나타난다. 이는 당연히 T측의 코일 횟수가 적거나 철심이나 페라이트코어 재질의 도자율이 낮아져 있음을 의미하고, 간혹, 코일 내부에 1회, 또는 층간의 쇼트현상이 있을 때도 파장이 짧게 나타난다.
다만, 코일 내부에 코일끼리의 쇼트가 있을 경우에는 인덕턴스도 감소하지만, 코일의 성능(Q)도 낮아지므로 감쇠량도 증가하여 (감쇠곡선의 경사도가 급박해져) 파형의 꼬리부분 진폭이 급속히 작아진다.
위의 예 어떤 경우에도 T측의 시험제품이 S측의 Sample(양품)에서 발생되는 파형과 차이가 난다는 것은 무언가 특성이 다르다는 뜻이므로 불량판정의 근거가 된다.

③ 코일간 쇼트 (1회 쇼트, 층간쇼트, 상간쇼트)가 있거나 코어의 와류손등에 의한 Q의 저하 이런코일의 파형은 진폭감쇠가 심하므로 (Q 의 저하)제 2파고 이후 부터의 진폭이 급격히 작아져 오른쪽 꼬리부분이 없어 진다 (그림 16) .
 
 
(그림 16) 는 T측의 내부에 1회 쇼트(Turn-to-turn short) 정도가 있어 T측의 Q가 S측의 Q보다 조금 낮을때 나타나는 파형의 일예이다. 당연히 1회쇼트 보다는 층간쇼트 (층간 쇼트 : Layer-to-layer short) 가 발생하면 Q는 더욱 낮아져 감쇠곡선은 더욱 날카로워져 파형이 급속히 사라지게 된다. 그리고 코일의 상간쇼트 (상간 쇼트 : Phase-to-phase short)나, 완전쇼트( 코일의시작(short)과 끝(Finish)사이에 쇼트가 있는 경우 )시에는 아예 파형이 나타나지 않는 경우도 있다.
 
 
이와 같이 코일간 쇼트가 있을 경우에 코일의 Q가 저하되어 파형의 진폭이 감소되기도 하지만 솔레노이드 코일의 완성품인 경우, 보빈이 금속체일 경우, 또는 코일을 둘러싸고 있는 외함이 금속체일때는 이것 자체가 코일이 쇼트된 것과 같은 효과를 가져오므로 마치 코일이 쇼트되어 Q가 극히 낮은 상태와 흡사한 파형을 나타내기도 한다.

뿐만 아니라, 모터의 Stator, Armature Coil에서도 코일의 상(Phase) 이 어긋나는 정도가 극심한 경우 (보빈이 금속체인 경우) Q는 매우 낮아져 (감쇠곡선이 아주 급박해져)두번째부터의 파형이 나타나지 않는 경우도 있다.
 
 
Surge전압에 견디지 못하여 코일간 방전 ( 코로나, 스파크)이 발생할 경우 코일의 내부에서 시험전압에 견디지 못하고 불꽃이 튀거나 아크 (여기서는 코로나와 동일한 의미)가 발생할 경우에는 파형이 (그림 19) 에서와 같이 불규칙하게 나타나고 떨린다. 이러한 원인은 에나멜 피막이 벗겨지거나 흠집이 있을때, 권선간 간격이 너무 가까울때, 또는 층간 권선사이에 이물질이 들어갔을때, 혹은 에나멜선의 절연능력이 완벽하지 못할 때 발생한다.
 
 
어떤 경우에는 에나멜선의 권선상태는 양호하나, 코일의 처음 부위 (Start선) 와 끝처리(Finish)된 선이 너무 가깝거나 리드선의 연결부위등에 금속성의 뾰족한 돌출부분이 있어 그 사이에서 코로나 (냉방전) 이나 스파크(불꽃방전)가 일어나기 때문이다. 결국 이러한 코일제품은 그만한 시험전압에 견디지 못한다는 뜻인데 당연히 불량품으로 분류해야하고 이렇듯 권선제품의 전기적 내구성시험방법은 오직 Surge Test만으로 가능하다.
15. 내전압시험
 
내전압(耐電壓 ,또는 내압) 시험이란 전기적으로 접촉되어 있지 않은 두 개의 도체 사이에 얼마나 높은 전압을 인가해 보아도 견딜 수 있는 가를 시험해 보는 것이다. 그렇다고 해서 어느 곳이든 떨어져 있는 두 개의 도체 사이에 모두 내전압 시험을 해 볼 이유는 없다.
당연히 두 개의 도체가 가까이 있는 중에서도 그 중 한 도체 (또는 전선 ) 에 전기가 인입 되어 있고 또 다 른 한 도체가 노출되어 인체에 접촉될 수 있는 경우, 또는 접지되어 있을 경우에만 내전압 시험이 필요하 게 된다.
즉, 두 개의 전선사이나, 적어도 한 개의 도체에 전기가 인입 되어 있어, 그 두 도체가 서로 닿거나 그 사이의 절연이 불량해서 누전이 되면 위험하거나, 또는 감전이 될 우려가 있을 때, 내전압 시험이 필요하다는 이야기다.
이 말은, 영어로는 Puncture Test, Hipo(High Potential Voltage) Test, Withstanding Voltage Test라고도 하며 모두 같은 뜻이다 .
 
내전압 시험의 목적은 Motor나 Transformer, Relay, 발전기, 차량용 부품과 냉장고, 세탁기, 전기밥솥과 같은 가전제품에서 충전부 (전기인입선 ) 과 비충전부 (접지될 수 있거나 사람의 손이 닿는 외부 금속체 ) 사이 에, Motor에서는 권선과 코어사이, 트랜스에서는 1차코일과 코어사이, 1차코일과 2차코일 사이, 2차코일과 코어사이에 얼마만한 전압이 인가되어도 견딜수 있는가를 시험해 보는 일이며, 이러한 시험을 통해 절연의 완벽성 여부, 파손위험 여부, 이물질 개입 또는, 비정상적인 근접부위가 있는지를 미리 알아 보아 제품의 전기적 안전성, 품질을 가늠해 보기 위한 것이다.
 
 
 
내전압 시험을 위해서는 (그림 1) 과 같이, 말 그대로 시험해 보고자 하는 부위 (미리 떨어져 있는 두개의 도체 사이, 그림에서는 트랜스의 1차코일과 코어 사이) 에 외부에서 전압을 인가해 보고, 이때 흐르는 누설전류를 전류계로 읽어 누설전류가 비정상적으로 많을 경우 무언가 이상이 있을 것이라는 생각에 불량으로 판정하는 방식이다.
그런데 내전압 시험에 인가해 보는 전압은 AC이다. 여기서 잠시 부연 설명하자면 내전압 시험은 절연저항시험 (Insulation Test)와는 다르다. 절연저항시험은 오로지 누전여부를 시험하는 것으로 시험에는 DC전압 (500 V,또는 1000 V)이 사용되며, 시험결과를 ㏁으로 나타내어 말 그대로 누전여부 (감전가능성 여부 ) 를 알아보는 것이나, 내전압 시험은 AC전압을 이용, 제품의 누전여부뿐만 아니라 외부의 어느 정도 전기적 충격에도 견딜 수 있는지를 미리 시험해 보아 품질보증과 함께 수명보장, 안전성 보장을 한다는 뜻 이다.
 
 
모든 품질 시험방법에는 충격시험(Stress) 과 수명시험(Aging) 의 두 가지가 있다.
Aging시험이란 사용조건과 동일하거나 또는 조금 더 열악한 환경에서 장시간 동작시켜 보아 제품의 수명, 품질, 안전성 등을 확인해 보는 방법이다. 당연히 이 시험에는 아주 오랜 시간이 걸려 제품 모두를 시험해 볼 수 없기 때문에 Sampling검사를 하게 된다.
한편 Stress시험이란, 사용 조건보다 훨씬 가혹한 조건으로 제품을 시험해 보는 방법으로, 시험시간이 짧아 전 제품을 검사할 수 있는 전수검사 (Total Inspection)방법이다. 내전압 시험 역시 Stress성 시험으로 짧은 시간 내에 이루어질 수 있으며 당연히 시험조건이 가혹하여 시험중 파괴되는 수도 있게 된다.
 
 
지금 (그림 2) 에서처럼 내압시험 역시 시험전압을 차츰 증가해 나가면 누설전류도 처음에는 전압증가에 비례한다. 그러나 어느 점 이상부터 전류의 증가분은 전압증가분 보다 더 많아지기 시작하고 (그림에서는 Stress영역) 이보다 더 전압을 증가하면 어느 점에서 이 제품은 파괴되는데 이 점을 Break down point라 고 한다. 물론 이 점을 한번 넘어선 제품은 회복되지 않는다.
 
 
여기서 내압시험 시 인가전압을 차츰 증가함에 따라 누설전류가 증가하는 이유는 모든 내압시험중인 제품에 부유용량(Stray Capacitance) 이 있기 때문이다.(그림 3)
 
 
즉 모든 전기제품의 두 개의 시험하고자 하는 도체 사이에는 제조자가 원하던 원하지 않던, 대전상태에 있으므로 용량성을 지니며, 시험전압이 AC이므로 이 용량성에 의해 전압증가에 따른 전류증가가 일어난 다는 점이다. 일예로 실측한 결과에 따르면 부유용량 (Capacitance)의 크기 (여기서는 ㎊로 나타냈다 )에 따른 시험전류증 가 정도는 표 1과 같다.
 
 
위와 같이 내압시험을 위해 시험품에 AC전압을 인가해 보는 경우, 시험시의 누설전류는 시험품의 부유용량 (Capacitance)의 크기에 비례한다. 이러한 이유는 내압시험에 사용되는 전압이 AC(50~60 ㎐,상용전원 주파수와 같은) 이기 때문이다.
당연히 내압시험기에 시험품을 연결하지 않은채 고압리드선만을 연결해 두어도 케이블선 자체가 부유용량을 가지고 있어 누설 전류가 흐른다. (표 2) 는 이렇듯 내압시험기에 5 m길이의 케이블만을 연결해 두었을 때의 내압기 출력전압 증가에 따른 누설전류량을 실측해 본 값이다.
 
 
한편 (그림 4) 는 몇가지 트랜스와 모터류에서의 부유용량을 직접 실측해 본 값들이다.
- 220 V 1/4마력 유도모터의 stator에서 coi과 core사이의 용량=520 ㎊
- 220 V 1/8마력 유도모터의 stator에서 coil과 core사이의 용량=320 ㎊
- 12V 차량용 Blower모터에서 stator와 coil과 case사이의 용량=550 ㎊
- 12V 차량용 Blower모터에서 아마츄어 코일과 case사이의 용량=510 ㎊
- 12V 차량용 윈도우 와이퍼 모터의 코일과 case사이의 용량=180 ㎊
- 220 V 20W용량의 납땜 인두에서 히터와 외함사이의 용량=55 ㎊
- 일반 상용 주파수용 220V용 소형트랜스(50W) 에서의 1차코일, 코어, 2차코일 사이의 부유용량
 
 
이렇듯 모든 전기, 전자제품은 제조자가 원하든 원하지 않든, 얼마간의 부유용량 (Stray capacitance)을 지니게 되어 있고, 내전압 시험시에 흐르는 누설전류의 양은 일차적으로 이러한 부유용량에 의해 결정된다. 여기서 내전압 시험시 양, 부를 판정하는 기준으로 누설전류량의 많고 적음이 적용되는 방식이 매우 애매 한 것임을 알 수 있다.
즉 내압시험이란, 어떤 시험품이 일반 표준품의 평균치보다 누설전류가 현저히 많을 경우, 또는 적을 경우 무언가 이상이 있다는 추측에서 불량으로 판정하게 되는 간접시험 방법임을 알 수 있는 것이다.

※누설전류의 증가 원인으로는 다음과 같은 것들이 있다.

①비정상적인 근접부위
②절연물의 파손
③이물질 개입
④다른 종류의 시험품
⑤Corona,또는 Spark의 발생

위의 항목 중 ⑤번 항에서와 같이 Corona, 또는 Spark가 발생하면, 누설전류가 급속히 증가하게 되는데 , 이러한 불량은 시험품이 사용자의 어느 기준 전압에도 견딜 수 있기를 바라는 요구에 미흡하므로 당연히 견고성, 수명보장성의 항목에서 불량으로 분류되어야 한다.
(표 4)는직접 어느 모터(220 V용 1/4 마력, 유도모터) 3개를 Stator코일과 코어 사이에 내전압 시험을 해 본 결과이다.
 
 
- Motor 1 : 3.5㎸에서 아크소리 , 4 ㎸이상에서 냄새 발생
- Motor 2 : 3.5 ㎸에서 아크와 냄새 발생
- Motor 3 : 2.5 ㎸에서 아크와 냄새 발생
이렇듯 (표 3) 에서와 같이 내압시험 진행중 파손이 되지 않는 범위 내에서의 누설전류 증가는 대체로 인가전압에 비례한다. 파괴점에 이르러서는 누설전류가 갑자기 증가 (코로나 발생 ) 하고 더욱 시험전압을 올리면 Spark가 발생하면서 파괴된다. (Break down 점에 이름) 그리고 한번 파괴된 시험품은 양품으로 회복되지 않는다. 당연히 내압시험 전압설정은 파손점보다 낮아야 되고, 그와 반대로 내압시험요구 전압이 높다면 시험품의 내압시험 전압에 견디는 능력이 더 높게 설계되어야 한다. 일반적인 내압시험 전압과 누설전 류 파괴점의 관계를 (그림 5) 와 같다.
 
 
 
- 내압시험은 Stress시험이므로 당연히 시험 중 파괴되는 수도 있다. 내압시험 전압범위 설정은 파괴가능점이나 그 이하점에 있어야 한다 .그림에서는 내압시험중 파괴되는 제품이 20 %로 되어 있으나 실제로는 1%이하가 되어야 손실을 줄일 수 있다. 또한 내압시험 전압은 높을수록 엄격한 시험이 이루어지므로 시험중 손실을 줄이기 위해서는 품질을 높여야 하는 것 역시 당연하다.
 
 
제품에 따른 시험전압 설정은 법규에 의해 규정되어 있기도 하나, 때로는 구매자가 어떻게 시험해 주기를 요구하기도 한다. 여기서 내압시험을 몇 V의 전압으로 행해야 할지를 결정하는 공식은 다음과 같다. 단, 이 공식은 미국공업협회의 권장치로 이 공식이 도출된 것은 어떤 불변의 원리에 의한 것이 아니라 경험상의 법칙(Rule of Thumb)에서 얻어진 것임을 밝혀둔다.
내전압 시험전압 공식
- Et = (Eo X 2) + 1000 V
여기서 Et는 시험전압
Eo는 시험제품의 사용전압, 또는 최고출력전압
즉 Et는 시험품의 사용전압을 2배 한 값에 다시 1000V 를 더해서 구한다.
예를들어 220V용 모터에서 코일과 코어 (외함 ) 사이에 시행되어야 할 전압은
Et = (2 X 220 V) + 1000 V = 1440 V 가 되어
1440V로 시험하라는 뜻이다. 단, 이 전압으로 1분간시험을 해야 한다.
여기서 보듯, 위의 공식에 따르면 어떤 사용전압의 제품도 최소한 1000 V이상의 전압으로 내압시험을 하라는 뜻인데, 이로 미루어 이 공식은 강전계통에서 유래된듯 하다.
한편 < 한국전기용품 안전관리협회 > 의 기준에 의하면 트랜스류에서의 내압시험전압은 아래 (표 6) 과 같다.
 
 
  
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