[실전 NVH 가이드] 모터 전기 결함 — 1800 rpm인데 자꾸 보이는 120 Hz의 정체

[실전 NVH 가이드] 모터 전기 결함 — 1800 rpm인데 자꾸 보이는 120 Hz의 정체

by NVH 엔지니어 | 실전 NVH 가이드

🚨 [Hook] "1X는 29 Hz가 맞는데, 왜 120 Hz가 자꾸 같이 뜰까요?"

유도 전동기(induction motor)에서 진동을 측정하면 회전 주파수(1X) 외에 정체불명의 피크가 자꾸 나타납니다. 4극 60 Hz 모터가 1740 rpm으로 돈다면 1X는 29 Hz — 여기까지는 자연스럽습니다. 그런데 스펙트럼을 더 자세히 보면 120 Hz에 또 다른 큰 피크가 있고, 29 Hz 주변에 4 Hz 간격으로 작은 사이드밴드(sideband)가 보입니다. 불평형도 아니고 정렬불량도 아닌 이 피크들의 정체는 무엇일까요?

"기계적 결함은 아닌데 진동이 줄지 않아요. 베어링도 갈았고 정렬도 다시 봤는데... 혹시 모터 안쪽에 문제가 있는 걸까요?"

모터 진동의 절반은 기계적 결함(불평형·정렬불량·베어링)이지만 나머지 절반은 전기적 결함입니다. 회전자 도체(rotor bar) 파손, 에어갭 편심(air-gap eccentricity), 고정자 권선 결함(stator winding fault) — 이 세 가지가 NVH 측정에서 만나는 전기 결함의 대표 주자입니다. 이번 글에서는 진동 스펙트럼만으로 전기 결함을 식별하고, 기계 결함과 구분하는 결정적 단서를 정리합니다.

💡 [Concept] 자석 손 네 개가 잡고 도는 회전판

유도 전동기 내부를 머릿속에 그려보세요. 고정자(stator)의 권선이 만드는 회전 자기장은 마치 네 개의 보이지 않는 자석 손이 회전판을 잡고 함께 도는 것과 같습니다. 4극 모터라면 정확히 자석 손 네 개. 이 손들이 회전자(rotor)를 끌어당겨 같이 회전시키는 구조입니다.

🤝 정상 — 네 손이 같은 힘으로 잡고 매끈하게 회전

네 자석 손이 똑같은 세기로 회전판의 네 지점을 균일하게 잡고 회전합니다. 회전판은 흔들림 없이 매끄럽게 회전 — 1X 진동은 작고, 다른 차수도 없습니다.

💪 회전자 결함(BRB, Broken Rotor Bar) — 회전판 한 곳에 끈끈이가 묻었다

자석 손이 회전판을 끌 때, 회전판 한 지점만 살짝 무겁거나 잘 안 끌립니다. 그 지점이 자석 손을 지날 때마다 회전판이 살짝 휘청 — 회전 한 바퀴 안에서 휘청이는 패턴이 반복되며 1X 주변에 슬립 주파수의 두 배(2sf) 간격으로 작은 사이드밴드가 생깁니다.

⚖️ 에어갭 편심(Air-gap Eccentricity) — 회전판이 중심에서 벗어났다

회전판이 자석 손 네 개의 정중앙이 아니라 한쪽으로 치우쳤습니다. 한쪽 손과 회전판 사이 간극이 좁아져 자력이 강해지고, 반대쪽은 약해져 회전판이 한 방향으로 끌립니다. 자기장이 1초에 120번 진동하므로(60 Hz × 2) 120 Hz 진동이 발생합니다.

🎵 고정자 결함(Stator Fault) — 자석 손 네 개의 박자가 안 맞다

권선(winding) 일부가 단락되거나 저항이 달라지면, 네 자석 손의 힘이 균일하지 않게 됩니다. 회전판이 한 바퀴 도는 사이 자력이 들쭉날쭉 — 역시 120 Hz 진동이 강하게 나타납니다.

그래서 전기 결함의 진동 시그니처는 단순합니다.

• 1X 주변에 슬립 주파수 두 배(2sf) 간격 사이드밴드 → 회전자 도체 파손(BRB)
• 2 × 전원 주파수(=한국 120 Hz)에 큰 피크 → 편심 또는 고정자 결함
• 전원을 끄면 1초 안에 진동이 사라진다 → 결정적으로 전기 결함 (기계 결함은 코스트다운 동안 천천히 줄어듦)

🔬 [Deep Dive] 슬립, Pole Pass Frequency, 그리고 2 × 전원 주파수

유도 전동기의 기본 주파수 — 동기 속도와 슬립

유도 전동기의 회전 자기장은 동기 속도(synchronous speed)로 회전합니다. 폴 수(P)와 전원 주파수(f_line)로 결정되는 이 속도는 정해진 값입니다.

동기 속도 (Synchronous Speed)

$$N_{s} \;=\; \frac{120\,f_{\mathrm{line}}}{P} \;\;[\mathrm{rpm}]$$

한국 60 Hz·4극 → \(N_s = 1800\) rpm, 2극 → 3600 rpm, 6극 → 1200 rpm

그런데 유도 전동기의 회전자는 동기 속도보다 항상 약간 느리게 돕니다 — 이 차이가 슬립(slip)입니다. 슬립이 있어야 회전자에 전류가 유도되고 토크가 생기죠. 슬립이 0이면 회전자에 전류가 안 흐르고 모터가 토크를 못 냅니다.

슬립과 회전 주파수

$$s \;=\; \frac{N_s - N_r}{N_s}, \qquad f_r \;=\; \frac{N_r}{60} \;\;[\mathrm{Hz}]$$

전부하 슬립은 보통 \(s \approx 0.01\sim0.05\) (1~5%). 4극 60 Hz, \(s=3.3\%\) → \(N_r \approx 1740\) rpm, \(f_r \approx 29\) Hz

Pole Pass Frequency — 회전자 결함을 알리는 사이드밴드 간격

회전자 도체(rotor bar)에 균열이 생기거나 끊어지면, 회전자가 한 바퀴 돌 때 도체 결함부가 각 자기 극(pole)을 지나는 순간마다 토크가 살짝 빠집니다. 이 토크 변동의 주파수가 Pole Pass Frequency입니다.

Pole Pass Frequency

$$f_{P} \;=\; 2\,s\,f_{\mathrm{line}}$$

4극 60 Hz, \(s=3.3\%\) → \(f_P \approx 4\) Hz — 이 간격으로 사이드밴드가 생김

이 변동이 회전 주파수와 곱해져(amplitude modulation 형태로) 1X 진동을 변조(modulate)합니다. 결과적으로 진동 스펙트럼에서 1X 양옆에 \(\pm f_P\) 간격의 사이드밴드가 나타납니다. (\(f_P = 2sf_{\mathrm{line}}\)이므로 \(\pm 2sf\)와 \(\pm f_P\)는 동일한 표현입니다. 이하에서는 \(f_P\)로 통일합니다.) 4극 60 Hz, 슬립 3.3% 기계라면 29 Hz 주변에 25 Hz와 33 Hz 피크가 동시에 생기는 모양입니다.

BRB 결함이 심해질수록 사이드밴드는 1X뿐 아니라 2X·3X·4X·5X 주변에도 나타나며, 진단 신뢰도가 더 올라갑니다. 회전자 도체 N개 중 1~2개가 파손되면 1X 사이드밴드 진폭은 1X 자체 대비 -45 ~ -60 dB 수준 — 작지만 정량적으로 확실히 감지 가능한 범위입니다.

2 × 전원 주파수 — 자기력의 본질적 주파수

왜 모터에서 자기력이 1초에 120번(전원 60 Hz의 두 배) 진동할까요? 교류 전류는 \(+I_0 \to 0 \to -I_0 \to 0 \to +I_0\) 한 사이클에 부호가 두 번 바뀝니다. 그런데 자기 인력의 크기는 전류 부호와 무관하게 항상 양(+)의 값을 가지므로, 1 사이클 동안 자기력의 크기가 두 번 최대가 되는 맥동이 발생합니다. (엄밀히는 고정자-회전자 간 자기장 상호작용의 공간 고조파 성분들이 조합되어 이 맥동이 만들어집니다.)

자기 가진 주파수

$$f_{\mathrm{mag}} \;=\; 2\,f_{\mathrm{line}}$$

한국 60 Hz → 120 Hz, 유럽 50 Hz → 100 Hz

⚠️ 중요: 정상 모터에서도 2×f_line(120 Hz) 성분은 소량 존재합니다. 이는 전동기 고유의 자기 가진 주파수이며, 단독으로 존재하는 것 자체는 정상입니다. 결함으로 판정하는 기준은 이 성분이 평소 기저 수준 대비 비정상적으로 커졌을 때입니다. 따라서 처음 측정 시 기저값(baseline)을 기록해두는 것이 중요합니다.

다음 두 가지 결함은 자기력의 원주 방향 대칭을 깨뜨려 120 Hz 진동을 비정상적으로 증폭시킵니다.

• 에어갭 편심: 회전자 중심과 고정자 중심이 어긋남. 한쪽 자기 인력이 반대쪽보다 강해져 회전자에 한 방향 힘이 작용 → 120 Hz로 진동. 회전자가 회전하지 않아도 정전 편심(static eccentricity)이면 진동은 발생. 동적 편심(dynamic eccentricity)이면 120 Hz 주변에 \(\pm f_P\) 사이드밴드도 함께 나타남.
• 고정자 권선 결함: 권선 일부가 단락(short)되거나 저항이 달라져 세 상(phase) 전류가 불균형 → 자기장 분포가 회전자 둘레에서 불균일 → 120 Hz 진동.

결함별 진동 시그니처 매트릭스

결함	주 진동 피크	사이드밴드	전원 OFF 시
회전자 도체 파손(BRB)	1X (변화 작음)	1X·2X·…·5X 주변에 \(\pm f_P\) 간격	즉시 사라짐
정전 편심(Static)	2 × \(f_{\mathrm{line}}\) (=120 Hz)	거의 없음, 매우 directional	즉시 사라짐
동적 편심(Dynamic)	1X 증가 + 120 Hz	1X 및 120 Hz 주변에 \(\pm f_P\)	즉시 사라짐 (자기력 성분)
고정자 권선 결함	2 × \(f_{\mathrm{line}}\) (=120 Hz)	상황별	즉시 사라짐
(참고) 기계 결함	1X·2X·3X 등 회전수 동기	결함별 ([이전 글] 참조)	코스트다운 동안 천천히 감소

표의 마지막 행이 결정적입니다. 전원을 차단했을 때 진동이 즉시 사라지는지, 천천히 사라지는지가 전기 결함과 기계 결함을 가르는 단서입니다. 자기력에 의한 진동은 전원이 끊기는 순간 가진력 자체가 사라지므로 1초 안에 멈춥니다. 반면 불평형·정렬불량 등 기계 결함의 진동은 회전체가 관성으로 코스트다운하는 동안 회전수에 비례해 천천히 줄어듭니다.

🎮 [인터랙티브 시뮬레이터] 결함 종류와 슬립을 바꾸면 스펙트럼이 어떻게 변할까

4극 60 Hz 모터(동기 1800 rpm)의 진동 스펙트럼을 보여주는 시뮬레이터입니다. 결함 종류, 슬립, 결함 강도를 조정하면 사이드밴드 위치와 진폭이 어떻게 달라지는지 관찰하세요. 마지막에 전원 OFF 버튼을 누르면 전기 결함은 즉시 사라지지만 기계 결함(불평형)은 코스트다운하며 천천히 줄어듭니다.

결함 종류: 정상

정상BRB정전 편심동적 편심(참고)불평형

슬립 s: 3.3% → 회전 속도 1740 rpm, 1X = 29.0 Hz, f_P = 4.0 Hz

1.0%3.0%5.0%

결함 강도: 중간

약함중간심함

💡 BRB는 1X(29 Hz) 주변에 \(\pm f_P\)(±4 Hz) 간격으로 25 Hz / 33 Hz 사이드밴드가 보입니다. 정전 편심은 120 Hz에 단독 피크, 동적 편심은 120 Hz 주변에도 \(\pm f_P\) 사이드밴드. 전원 OFF 누르면 전기 결함(BRB·편심)은 1초 안에 사라지지만 기계 결함(불평형)은 회전수가 천천히 줄며 1X 피크가 좌측으로 이동하며 감소합니다.

🛠️ [Theory to Practice] 현장 진단 절차와 보정

측정 단계

1. 고분해능 FFT 측정 — BRB 사이드밴드는 \(\pm f_P\) 간격(보통 1~6 Hz)으로 1X에 매우 가깝습니다. 주파수 분해능 \(\Delta f \le 0.25\) Hz가 권장 — 즉 측정 시간 \(T \ge 4\) s. Hanning 윈도우 + 평균화 8회 이상으로 사이드밴드와 1X를 분리해야 보입니다.
2. 모터 명판 정보 확인 — 폴 수, 정격 RPM, 정격 슬립을 알아야 사이드밴드 예측 위치를 계산. 명판이 안 보이면 측정한 1X 주파수와 동기 속도에서 슬립을 역산.
3. 축 방향(axial) 진동도 측정 — 편심·BRB의 양상이 horizontal·vertical·axial에 따라 다를 수 있음. 3축 측정 기본.
4. 전원 차단 테스트 — 안전 가능한 환경이면 차단기 OFF 후 1~2초 동안 진동 시간 신호를 계속 측정. 진동이 즉시 사라지면 전기 결함, 천천히 감소하면 기계 결함. 이게 가장 결정적 단서.
5. (보완) MCSA 측정 — 전류 클램프로 모터 전류 측정. 전류 스펙트럼의 \(f_{\mathrm{line}} \pm 2sf\) 사이드밴드 진폭이 \(f_{\mathrm{line}}\) 대비 -45 dB 이상이면 BRB 강의심. 진동 측정과 교차 검증.

결함별 권장 처치

• BRB: 회전자 분해 후 도체 검사. 끊어진 도체는 용접 보수 가능하나 일반적으로 회전자 어셈블리 교체가 안전. 정전식 모터 시동(direct online start)이 잦은 환경에서 자주 발생하므로 운전 패턴 검토 병행.
• 정전 편심: 베어링·하우징 정렬 점검. 소프트풋(soft foot)이 흔한 원인 — 베이스 평면 측정 후 심(shim) 보정. 고정자 코어 변형이 원인이면 보수가 비용 대비 효율 낮아 모터 교체 검토.
• 동적 편심: 회전자 굽힘·베어링 마모·정렬불량 등 원인. 정밀 정렬 + 베어링 교체 + 회전자 굽힘 측정(런아웃 측정)으로 좁힘.
• 고정자 권선 결함: 전기 절연 시험(insulation resistance), polarization index, surge test로 확진. 결함 권선 코일은 교체 또는 재권선. 권선 손상이 진행되면 단락 → 소손으로 빠르게 악화하므로 조기 발견이 핵심.

자주 빠지는 함정

• 120 Hz를 무조건 전기 결함으로 단정: 회전체에 2X 성분(평행 정렬불량)이 큰데 우연히 2X와 120 Hz가 겹치는 경우(예: 3600 rpm 2극 모터의 2X = 120 Hz)에는 두 기여가 합쳐져 보임. 전원 차단 테스트로 구분 가능.
• BRB 사이드밴드를 노이즈로 오인: 분해능 부족하면 1X 피크와 사이드밴드가 한 봉우리로 뭉개져 보임. \(\Delta f \le f_P / 4\) 보장 필요. 슬립 1%면 \(f_P = 1.2\) Hz → \(\Delta f \le 0.3\) Hz → 측정 시간 \(\ge 3.3\) s.
• 무부하 측정으로 BRB 진단: 슬립이 거의 0이면 \(f_P \approx 0\) → 사이드밴드가 1X와 겹쳐 안 보임. BRB 진단은 반드시 부하 운전 상태에서 측정.
• 전원 주파수 흔들림 무시: 인버터 구동 모터는 전원 주파수가 가변. 운전 주파수에 맞춰 2 × \(f_{\mathrm{line}}\)도 변함. 60 Hz 가정으로 120 Hz만 보면 놓침.
• 편심을 베어링 결함으로 오진: 비정수 차수(예: 5.4X)는 베어링이지만 120 Hz는 전기 가진. 분해능이 부족하거나 회전 주파수가 변하면 혼동될 수 있음 — 절대 주파수(Hz)와 회전 차수(X) 둘 다로 보기.

✅ [Action Item] 모터 전기 결함 진단 체크리스트

• 모터 명판에서 폴 수, 정격 RPM, 정격 슬립을 확보했는가?
• 주파수 분해능 \(\Delta f \le 0.25\) Hz로 측정(측정 시간 \(\ge 4\) s)했는가?
• 120 Hz(또는 2 × 전원 주파수)에 피크가 있는가? → 편심 또는 고정자 결함 의심
• 1X 양옆에 \(\pm f_P\)(보통 1~6 Hz) 간격의 사이드밴드가 있는가? → BRB 의심
• BRB 의심 시 2X·3X·4X·5X 주변에도 사이드밴드가 보이는가? → 진단 신뢰도 강화
• BRB 진단은 부하 운전 상태에서 측정했는가? (무부하 시 슬립 ≈ 0)
• 전원 OFF 후 진동이 즉시 사라지는가? → 전기 결함 확정 단서
• 전원 OFF 후 코스트다운 동안 진동이 천천히 감소하면 → 기계 결함 가능성
• 가능하면 MCSA(전류 스펙트럼)로 교차 검증 — \(f_{\mathrm{line}} \pm 2sf\) 사이드밴드 진폭 측정
• 고정자 결함 의심 시 절연 저항·polarization index·surge test로 확진
• 2극 모터(3600 rpm)는 2X와 120 Hz가 겹침에 유의 — 전원 차단 테스트 필수

모터 진동의 절반은 기계, 절반은 전기입니다. 1X·2X·3X 패턴만 보고 불평형·정렬불량으로 끝내려 하지 말고, 120 Hz 피크와 1X 사이드밴드, 그리고 전원 차단 시 거동을 함께 보세요. 이 세 단서가 갖춰지면 회전자 도체 파손, 에어갭 편심, 고정자 권선 결함을 진동만으로도 좁혀낼 수 있습니다. 분해 없이 모터 안쪽의 문제까지 짚어내는 것 — NVH 진단의 진짜 가치는 여기서 나옵니다.

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실전 NVH 가이드 — 120 Hz와 사이드밴드로 모터 내부의 전기 결함을 진단하다