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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 고속축류팬에 사용되는 BLDC 모터의 고장 원인 및 메커니즘을 규명하고 가속수명 시험에 의한 열 신뢰성을 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 가속수명 시험에 의한 고속팬용 밀폐형 BLDC 모터(모델명 : MB1-8855-J01)의 열 신 뢰성을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 가속수명 시험을 통해 얻어진 수명 데이터를 이용하여 PCB 모듈의 작동 온도에 따른 수명식을 도출하였다. Arrhenius 관계식(2)의 양변에 자연대수를 취하면 다음과 같다.
제안 방법
- 먼저 열화상 카메라를 이용하여 Fig. 7(a)와 같이 BLDC 모터에서 PCB 모듈을 분리시킨 후 모터를 60분 정도 가 동시 켜 표면 온도를 측정하였다. Fig.
- BLDC 모터의 제어부인 PCB 모듈의 열내구성을 분석하기 위하여 모터 내부 및 PCB 모듈에서 발생하는 열의 이동경로 및 기류의 이동경로를 파악하여 야 한다.Fig.
- 가속 스트레스 수준은 PCB 모듈에 부착된 전자부품의 작동온도 범위를 넘지 않는 수준으로 본 연구에서는 850와 105笆의 두 수준으로 결정하였다. 또한 각 스트레스 수준에서 수명분포 모델 의 적정성을 평가할 수 있는 최소 수준을 고려하여 총 시료수를 7개로 결정하였으며, 85C의 스트레스 수준에 4개의 시료를, 10SC의 스트레스 수준에 3개의 시료를 배분하여 실험하였다.
- 가속수명 시험은 제품의 고장 메커니즘과 고장 데이터를 단기간 시험을 통해 획득하는데 유용하다. 가속수명 시험은 제품의 고장 메커니즘에 따른 가속 스트레스를 선정하고, 스트레스 수준 및 시험 시료수를 결정하여 수행한다.
- 가속 스트레스 수준은 PCB 모듈에 부착된 전자부품의 작동온도 범위를 넘지 않는 수준으로 본 연구에서는 850와 105笆의 두 수준으로 결정하였다. 또한 각 스트레스 수준에서 수명분포 모델 의 적정성을 평가할 수 있는 최소 수준을 고려하여 총 시료수를 7개로 결정하였으며, 85C의 스트레스 수준에 4개의 시료를, 10SC의 스트레스 수준에 3개의 시료를 배분하여 실험하였다.
- 밀폐형 BLDC 모터의 주 고장 메커니즘을 고려하여 본 연구에서는 모터에서 PCB 모듈을 분리하여 실험을 수행하였다. 분리된 PCB 모듈은 항온 챔버 안에 장착되어 각 스트레스 수준에서 가속되며, 모터의 정격 부하를 부과하기 위해 모터를 축류 팬에 장착하여 외부에서 가동하였다.
- 본 연구에서는 가속수명 시험을 통해 획득한 고장 데이터를 여러 가지 고장 분포에 적합시켰다. 밀폐형 BLDC 모터의 고장 데이터를 고장 분포 모델에 적합시킨 결과 각 분포 모델별 AD 지수 를 Table 3에 나타내었다.
- 본 연구에서는 밀폐형 BLDC 모터의 주고 장 메커니즘은 고온에 의한 PCB 모듈 전자부품의 파국 고장 및 열화에 의한 고장으로 판단됨으로 가속 스트레스로 온도를 선정하였다. 밀폐형 BLDC 모터의 가속수명 시험을 수행하기 위한 시험장치를 Fig.
- 실험장치는 BLDC 모터, 열화상카메라(thermal camera), 하이브리드 레코더 (hybrid recorder) 및 컴퓨터(computer)로 구성된다. 열화상 카메라를 통해 PCB 모듈 표면의 온도 분포를 파악하고 주요 발열원을 예측하였다.
- 분석 절차를 대략적으로 살펴보면 먼저 제품의 고장 메커니즘을 재현할 수 있는 가속수명시험을 수행하여 고장 데이터를 얻는다. 이어서 획득한 고장 데이터에 적합한 수명분포 모델을 결정하고, 가속성 성립 여부를 검증한다. 가속성검증이 끝나면 수명 스트레스 관계식을 이용하여 제품의 특성 수명식을 도출한다.
- 분리된 PCB 모듈은 항온 챔버 안에 장착되어 각 스트레스 수준에서 가속되며, 모터의 정격 부하를 부과하기 위해 모터를 축류 팬에 장착하여 외부에서 가동하였다. 전류계를 이용하여 모터의 정격 전류를 실시간 측정하고 그 신호를 타이머로 보내어 시간을 측정하게 하였다. 모터가 고장나게 되면 전류가 흐르지 않게 되어 전류계에서 전류가 검출되지 않는 신호를 타이머로 보내 결국 타이머의 작동이 멈추고, 그 시간까지를 고장시간으로 결정하였다.
- 밀폐형 BLDC 모터의 고장 데이터를 고장 분포 모델에 적합시킨 결과 각 분포 모델별 AD 지수 를 Table 3에 나타내었다. 표에서 보듯이 와이블 분포의 AD값이 가장 작아 본 연구에서는 와이블 분포를 수명분포모델로 결정하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구의 연구모델인 BLDC 모터의 모델명은 MB1-8855-J01 이며 Fig. 1(b)에서 보듯이 스테이터(stator), 코일(coil), 로터(rotor), 인너플레이트 (inner plate), PCB 모듈 및 백커버 (back cover) 의 일체형 밀폐구조로 구성되어 있다.
- 9와 같이 구성하였다. 시험장치는 축류 팬, BLDC 모터, 항온 챔버, 전류계 및 타이머로 구성 된다.
- 6과 같이 구성하였다. 실험장치는 BLDC 모터, 열화상카메라(thermal camera), 하이브리드 레코더 (hybrid recorder) 및 컴퓨터(computer)로 구성된다. 열화상 카메라를 통해 PCB 모듈 표면의 온도 분포를 파악하고 주요 발열원을 예측하였다.
- 연구모델로 사용된 BLDC 모터는 Fig. 1(c)와 같이 길이 200 mm, 직경 110 mm의 치수를 가지며 정격회전수는 5,000rpm, 가변 회전수는 2,000~ 5,000rpm의. 범위를 갖고 있다.
- 온도 측정 실험은 열화상 카메라와 열전대를 이용하여 측정하였다. 온도 측정을 위한 BLDC 모터 형상과열화상카메라를 이용한 BLDC 모터의 온 도측정 결과를 Fig.
성능/효과
- (2) 밀폐형 BLDC 모터 PCB 모듈을 85P와 105에서 가속수명 시험한 결과 각각 912~ 988시간, 251~266시간의 수명이 산출되었다. 또한 고장부품은 모두 PCB 모듈에 부착되어 있는 콘덴서이며, 고장 메커니즘은 콘덴서의 전해액 소손에 의한 절연 파괴 고장으로 사료된다.
- (3) 가속수명 시험을 통해 얻은 밀폐형 BLDC 모터의 고장 데이터는 와이블 분포에 적합하며, lnL =-17.78+(8829/7)의 특성 수명식을 도출 하였다.
- (4) 5EC 인 정상운전조건에서 PCB 모듈의 수명을 산정한 결과 밀폐형 BLDC 모터의 특성 수 명은 14, 000시간 정도로 예측된다.
- Table 4에 각 스트레스 수준과 정상 작동 온도 에서 산정된 BLDC 모터 PCB 모듈의 수명을 나타내었다. 가속수명 시험을 통해 얻은 총 7개의 고장 데이터를 분석한 결과, 85P와 1001에서 각각 960h와 261h의 수명이 산출되었다. 스트레스 수준을 8SC에서 20P 증가시킨 105의 경우 85 P에서의 수명보다 약 1/4 정도로 감소하였다.
- 기존의 연구를 통해 주위 온도가 22P 인 정상 상 온상태에서 밀폐된 PCB 모듈 내부의 작동 온도를 측정한 결과 약 50P를 나타내었다.⑼ 이는 PCB 내부 고온의 열이 외부로 원활하게 전달되어 냉각되지 않고 내부에 정체된 결과이다.
- 가속성검증이 끝나면 수명 스트레스 관계식을 이용하여 제품의 특성 수명식을 도출한다. 도출한 수명식을 이용하면 정상 작동 온도에서 제품의 수명산정이 가능하며, 제품의 열 신뢰성을 예측할 수 있다.
- ⑼ 이는 PCB 내부 고온의 열이 외부로 원활하게 전달되어 냉각되지 않고 내부에 정체된 결과이다. 따라서 정 상 상온상태에서 운전되더라도 실제 PCB 모듈의 작동 온도는 약sbc이며, 이를 가속수명 시험을 통해 도출한 수명식에 대입한 결과 14, 045h의 수명을 얻었다.
- 11은 온도가 85℃ 와 105℃의 가속 수준에서 수명에 따른 누적 고장률 분포를 나타낸다. 여기서 가 속인자인 85℃ 와 105℃의 스트레스 수준에서 형상 모수가 36.8로 동일하고, 추정된 각 스트레스 수준별 직선의 기울기가 동일함을 볼 때 가속성이 성립한다는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 따라서 밀폐형 BLDC 모 터의 열신뢰성 향상이 요구된다. 추후 BLDC 모 터의 고장 원인이 되는 콘덴서의 열적 사양을 증가시키거나, 밀폐된 BLDC 모터 커버에 냉각유로를 채용하는 방법 등을 통하여 모터의 열 신뢰성 개선에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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