전기차 모터 베어링의 전식[개념 종류 특징 해결방법]

 

 

 전식(Electrical Erosion)은 전기적 현상에 의해 금속 표면이 손상되는 현상을 의미한다. 전기차 모터에서 발생하는 전식은 주로 베어링 내부에서 일어나며, 이는 전기적 방전이나 전류의 흐름으로 인해 베어링 표면이 손상되고, 결국 베어링의 수명에 악영향을 미치고 결국 모터를 망가트리는 현상이다.

전식의 개념

전식은 원인에 따라 구분하는 방식이 있고 현상론에 따라 구분하는 경우가 있는데 우선은 현상론부터 살펴보자

 

 전기적 방전(Electrical Discharge)에 의한 전식은  전류가 흐르지 않아야 할 경로를 통해 전류가 흐르면서, 그 경로에 있는 금속 표면에서 고온의 아크(arc)가 발생하고, 이 아크가 금속 표면을 녹이거나 부식시켜 손상을 일으키는 현상이다.

전기차 모터의 베어링에서 발생하는 전식의 경우, 베어링 내부에 전류가 흐르면서 베어링 표면이 손상되는 과정이 주된 특증으로 이를 포함하여 다음소개할 부식에 의한 전식 또 발생한다.

 

 전기적 부식(Electrolytic Corrosion)에 의한 전식은 이는 전기적 전위차에 의해 금속 이온이 용해되면서 금속 표면이 서서히 부식되는 현상이다. 이 과정은 주로 습기가 많은 환경에서 더 심화될 수 있으며, 전기차 모터의 경우, 전기적인 전위차가 발생하는 부분에서 전기적 부식이 일어나 베어링의 성능에 영향을 미칠 수 있다.

 

순환식 전식, 비순환식 전식

 비순환식 전식은 인버터로 구동되는 대부분의 전동기에서 발생한다. 이상적인 회전기의 삼상전압의 합은 0이 되어야 하지만, 인버터에서는 구형파 형태로 전압이 입력됩니다.

 

 이로 인해 0이 아닌 AC 형태의 전압이 발생하며, 이를 우리는 common 모드 전압이라 부르는데, 일반적으로 인버터에서 발생하는 경우 0이아닌 ac형태의 전압이 존재하고 이러한 커먼 모드 전압은 높은 주파수를 가지며, 결국 변위 전류를 형성한다.

 

 이 전류는 코일에서 절연체인 인슐레이터를 거쳐 도체인 고정자 코어로 흐르게 되는데, 이후 이 전압은 공극을 넘어 회전자 코어로 전류가 이동하게 되며, 이 과정에서 샤프트를 통해 베어링으로 전류가 도달하여 전식이 발생하게 됩니다.

 

 특히, 볼베어링의 경우 변위 전류에 의해 전하가 축적되면서 각 부품 간에 전압 차이가 발생한다. 이 전압이 절연 파괴 강도 이상으로 높아지면 아크 방전이 일어나고, 이로 인해 전식이 발생하게 된다.

 

 순환식 전식은 과거에 더 많이 사용되었 발생하던 문제였으나 지금은 거의 고려하지 않는다. 순환식 전식의 주요 특징은 회로 내에서 전류가 순환하면서 발생하는 전식으로, 이 방식에서는 전류가 한 방향으로만 흐르는 것이 아니라, 회로를 따라 다시 원래 위치로 돌아오는 특성을 가지고 있기에 순환식 전식의 경우, 전류가 순환하는 과정에서 발생하는 전압이 베어링에 영향을 미쳐 전식을 유발할 수 있었다. 그러나 이 방식은 비순환식 전식에 비해 발생 빈도가 낮고, 최근의 기술 발전으로 인해 거의 해결된 문제다.

 

 

전식의 해결방법

 

테슬라(Tesla)는 자사 차량의 모터에 절연 베어링과 그 라운딩 브러시를 결합해 사용하고 있으며, 여기에 고급 전기 절연성 윤활유와 필터링 기술을 적용하여 전식 문제를 최소화하고 있다. 실제로 아래와 같은 방식들이 고려되고 있는데

 

1. 절연 베어링 사용

많은 전기차 제조사들이 절연 베어링을 사용한다. 이 베어링은 세라믹 코팅이나 절연 소재로 코팅되어 있어 전류가 베어링을 통과하지 못하게 하는 방식이다.

2. 그 라운딩 브러시(접지 브러시)

그라운딩 브러시도 널리 사용됩니다. 이 브러시는 샤프트에 설치되어 전류가 베어링으로 흐르지 않고 접지로 흘러가도록 유도한다. 이 방법은 전기차 모터에서 흔히 발생하는 전식을 방지하는 데 매우 효과적이다.

 

3. 전기적 필터 적용

전기차 인버터에서 커먼 모드 필터가 자주 사용된다. 이 필터는 커먼 모드 전압을 줄여 베어링으로 흐르는 전류를 최소화하는 역할을 한다

4. 윤활유 개선

특수한 전기 절연성 윤활유가 전기차 모터에 사용되기도 한다, 이 윤활유는 베어링의 전기적 절연 성능을 향상해 전류가 베어링을 통과하지 못하도록 한다.

5. 인버터 제어 알고리즘 최적화

원인을 잡는 방법으로 인버터의 PWM 제어 알고리즘을 최적화하여 전식 발생을 최소화하는 방법도 많이 사용된다. 이 알고리즘은 전압 스펙트럼을 조정하여 커먼 모드 전압을 줄여주는 역할을 하지만 결국은 물리적인 한계가 존재한다.