역기전력 시험 (BACK EMF TEST)
코일이 시간에 따라 변하는 자기장에 노출되면 유도 전압이 발생합니다. 그 결과 발생하는 전류는 다시 자기장을 생성하는데, 이 자기장은 유도 전압을 발생시킨 자기장 변화에 반대되는 힘을 가합니다.
영구 자석 모터(Permanent magnet motor)에서 스테이터 권선에 가해지는 전류는 자기장을 생성하고, 이 자기장이 로터 자석과 상호 작용하여 로터를 회전시키는 구동 토크를 발생시킵니다. 하지만 로터에는 영구 자석이 장착되어 있어 회전하면서 가변 자기장이 생성되고, 이 자기장이 스테이터 권선을 통과하면서 공급 전압과 부호가 반대인 전압이 유도됩니다. 이 현상은 역기전력(Back EMF 또는 BEFM)으로 알려져 있으며, 그 크기는 모터 속도에 비례합니다.
생산 라인에서의 역기전력(Back EMF) 테스트는 전기 모터, 특히 영구 자석 동기 모터(PMSMs ; Permanent magnet synchronous motors)의 품질 관리에서 매우 중요한 단계입니다. 역기전력(BEMF)은 로터 영구자석이 생성하는 자기장 세기에 직접 비례하므로, 손상되었거나 부분적으로 자성이 약해졌거나 자성이 없는 등의 이상 현상이 발생하면 예상 값보다 역기전력이 감소하게 됩니다. 이는 모터 성능에 영향을 미칠 수 있는 이상 현상을 나타냅니다.
마르포스는 생산 공정 중 어느 단계에서 역기전력(BEMF) 테스트를 수행하고자 하는지에 따라 해당 부품의 특정 품질관리 및 검증 요구 사항에 맞춘 다양한 솔루션을 제공할 수 있습니다.
로터 조립 라인의 최종공정에서 수행되는 테스트
이 단계에서는 로터가 아직 스테이터에 커플링되지 않았습니다. 따라서 시험을 수행하려면 시험 장비에 샘플 스테이터를 통합해야 하며, 이 샘플 스테이터의 단자에서 유도 전압 신호를 수집하여 역기전력(back EMF)을 분석해야 합니다.
중요한 측면은 테스트 벤치의 기계적 설계로, 로딩, 언로딩 및 테스트 중에 로터와 스테이터 사이의 정확한 정렬을 보장해야 합니다. 이 정렬 시스템의 견고성과 정확성은 특히 전기차용 구동에 사용되는 대형 모터의 경우 신뢰할 수 있고 재현 가능한 결과를 보장하는 데 필수적입니다.
완성 모터(Complete motor)에서 테스트 수행
역기전력 테스트는 로터와 스테이터가 이미 장착 및 설치된 최종 구성의 완전 조립된 모터에서도 수행할 수 있습니다.
이 구성은 모터에 대해 두 가지 별개의 테스트 방법을 수행할 수 있도록 합니다:
- 역기전력 표준(Back EMF Standard): 테스트 대상 모터는 전원이 공급되지 않은 상태이며, 적절한 능동 브레이크가 장착된 기계식 커플링을 통해 회전하도록 설정됩니다.
- 역기전력 동적 측정 (Back EMF Dynamic) : 테스트 대상 모터에 전원을 공급하고 외부 부하를 가하지 않은 상태에서 공회전시킵니다.
완성된 모터에 대한 역기전력(BEMF) 테스트의 중요한 이점은 모터 성능에 대한 최종 평가를 제공하여 전기적 및 기계적 구성 요소 모두가 완벽하게 통합되고 작동하는지 확인할 수 있다는 것입니다.
자화 결함(Magnetization defects)에 대한 상세 분석
BEMF 테스트는 자화 결함 가능성에 대한 매우 유용한 기능적 지표를 제공하지만, 공정 자체에 사후적으로 영향을 미치려면 필수적인 국부적 결함 및 그 원인에 대한 상세한 분석을 수행할 수는 없다는 점을 강조해야 합니다.
이를 위해 로터 생산 라인 끝단에 OQL (OptoQuick)과 같은 치수 측정기에 통합된 홀 센서(Hall sensor)를 사용하는 자기장 매핑 장비를 사용하는 것이 바람직할 수 있습니다.
직접 측정을 통해 최종 라인(end of the line)에 로터의 자기장 분포가 정확한지 검증한 후에, 모터의 역기전력(back EMF) 기능 시험을 진행할 수 있으며, 결함이 있는 로터를 분해해야 하는 위험을 최소화할 수 있습니다.
완성 모터에 대한 역기전력(Back EMF) 테스트는 크게 두 가지 방법 중 하나로 수행할 수 있습니다:
- 역기전력 표준(Back EMF Standard)
이는 전통적으로 사용되는 표준 테스트 방법으로, 테스트 대상 모터는 전원이 차단된 상태로 유지되고 능동 브레이크(active brake)가 장착된 기계적 커플링을 통해 회전합니다.
시험 대상 모터가 원하는 속도에 도달하면, 모터가 일정한 속도를 유지하는 동안 3상 전압을 샘플링합니다. 획득한 세 가지 신호 각각에 대해 다음과 같은 분석을 수행합니다:
- 실효값(RMS; Root Mean Square)
- 최대 피크 대 피크 진폭
- 고속 푸리에 변환(FFT)을 이용한 스펙트럼 분석
- 총 고조파 왜곡(THD; Total Harmonic Distortion)
- 세 신호에 대한 동시 리플 분석
AMT320/W 시스템과 결합된 능동형 브레이크 테스트 벤치는 생산 현장에서 역기전력(BEMF) 테스트 외에도 마찰 테스트, 코깅/토크 리플 테스트, 토크 테스트 등 다양한 테스트를 자동으로 순차적으로 수행하는 데 사용할 수 있습니다.
또는 연구 개발 단계에서 테스트 벤치를 ATC320/W 시스템과 함께 사용하여 엔진 특성 테스트를 수행하고 성능에 대한 심층 분석을 보장할 수 있습니다.
2. 역기전력 동적 측정 (Back EMF Dynamic)
다른 테스트에 능동 브레이크가 필요하지 않은 경우, 마르포스는 테스트 대상 모터에 직접 전원을 공급하여 역기전력(BEMF) 신호를 획득하는 특수 방법을 개발했습니다.
모터는 인버터를 통해 목표 속도까지 가속되고, 목표 속도에 도달하면 시스템은 설정 가능한 시간 간격 동안 대기한 후 자동으로 인버터를 차단합니다. 이후 모터 감속 단계에서 3상 유도 전압이 샘플링됩니다.
이러한 유형의 테스트의 주요 이점은 능동 브레이크를 제거하여 테스트 벤치를 단순화하고 비용을 절감할 수 있다는 것입니다.
마르포스는 자동화 수준이 높은 인라인 애플리케이션이든, 자동화 수준이 낮거나 완전히 수동인 실험실 또는 소규모 생산 벤치든 관계없이 두 가지 방법 모두에 대한 테스트 솔루션을 제공할 수 있습니다.
