[논문]6시그마 방법론 활용을 통한 모터 수명 개선

이장희; 이문수

문제 정의

본 연구는 실생활에 가장 많이 사용되는 부품 중의 하나인 모터의 신뢰성 향상을 위해 6 시그마 개선 프로젝트를 수행한 사례를 제시한다. 제조부문의 6시그마 적용절차인D-M-A-I-C 절차에 따라 모터 신뢰성의 현수준을 가속수명시험을 통해 파악하고 신뢰성에 영향을 주는 불량을 정의하여 불량 개선 요인을 도출, 향후 지속적으로 개선된 신뢰성 수준을 유지할 수 있는 관리계획을 제시하였다.
본 연구는 영세하고 신뢰성 시험 장비 부족으로 신뢰성 확보에 어려움이 있는 다수 모터제조업체의 신뢰성 향상에 기여할 수 있다는 점에서 의의가 있다. 하겠다.
본 연구에서는 실제 제품에 사용되는 모터의 신뢰성 향상을 위해 6시그마 방법론을 적용하여 과학적이고 체계적으로 모터의 수명을 향상시킨 사례를 제시하였다.

제안 방법

제조부문의 6시그마 적용절차인D-M-A-I-C 절차에 따라 모터 신뢰성의 현수준을 가속수명시험을 통해 파악하고 신뢰성에 영향을 주는 불량을 정의하여 불량 개선 요인을 도출, 향후 지속적으로 개선된 신뢰성 수준을 유지할 수 있는 관리계획을 제시하였다.
Item의 수명을 빨리 추정하기 위해 Item의 실사용 조건보다 가혹한 조건(가속조건)에서 시험하여 고장을 촉진시키고, 가속조건에서 관측된 고장 데이터로부터 수명과 스트레스 관계를 추정하고, 이를 사용조건으로 외삽하여 사용조건에서의 수명을 추정하는 가속 수명 시험을 실시한다.
모터 신뢰성 향상을 위해, 우선적으로 4-Step Diagram 분석을 수행하여 모터의 주요 고장모드와 매커니즘을 파악하였다.
모터의 기동불량과 소음불량 현수준을 파악하기 위해, 우선 RPM과 소음 측정 시스템에 대한 정밀도 평가를 수행하였다. 측정시스템에 대한 평가는 미니탭을 이용하여 GageR&R (Repeatability & Reproducibility) 분석을수행했다[5].
RPM 데이터와 소음 데이터에 대한 공정능력분석을 수행하였다. RPM과 소음의 공정능력지수는 각각 Cpk(RPM)=0.
3.1 단계에서 수행한 4-Step Diagram 분석을 결과와 불량요인효과분석 (FMEA: Failure Mode Effect Analysis)을 수행하여 모터의 주요 고장 모드별 원인을 파악하였다. 모터의 기동 불량에 영향을 주는 요인으로는 Rotor, Oil을 들 수 있다.
3의 FMEA 분석을 기준으로 신뢰성 향상을 위한 개선 방안을 도출하였다. 즉, 기존의Rotor의 외경의 크기를 줄임으로써 Rotor가 회전 시 기동방해의 요소를 줄이고 Rotor 외부 가공 정밀도를 높여 불량을 줄이고자 하는 개선 방안을 도출하였다. 또한, Housing과 Shaft봉 사이에 위치한 Washer의 개수를 줄임으로써 소음 불량을 줄이고자 하는 개선방안을 도출하였다.
즉, 기존의Rotor의 외경의 크기를 줄임으로써 Rotor가 회전 시 기동방해의 요소를 줄이고 Rotor 외부 가공 정밀도를 높여 불량을 줄이고자 하는 개선 방안을 도출하였다. 또한, Housing과 Shaft봉 사이에 위치한 Washer의 개수를 줄임으로써 소음 불량을 줄이고자 하는 개선방안을 도출하였다.
개선된 모터 신뢰성 유지를 위해 모터 제조업체의 신뢰성 관리 방안을 검토하여 적절하고 효과적인 관리계획을 세웠다. 예를 들어 모터의 원재료 공급시에 원자재의 신뢰도를 유지한 포장유통이 이루어지지 않고 원자재들이 혼합되어 공급되어 지는 것을 개선하였고 양질의 Oil을 유지하여야 하나 Oil의 보관이 상온에서 아무런 보호없이 방치되어 있는 것을 밀봉케이스를 통해 개선하였다.
예를 들어 모터의 원재료 공급시에 원자재의 신뢰도를 유지한 포장유통이 이루어지지 않고 원자재들이 혼합되어 공급되어 지는 것을 개선하였고 양질의 Oil을 유지하여야 하나 Oil의 보관이 상온에서 아무런 보호없이 방치되어 있는 것을 밀봉케이스를 통해 개선하였다. 모터 제조업체의 관리도 사용과 공정능력 지수관리가 이루어지게 하여 지속적인 모니토링체계를 구축하였다.
고장을 보장한다. 현재 생산하고 있는 모터의 신뢰성을 가속 수명 시험을 통해 평가해 보았다. 가속 수명 시험 데이터에 대해와이블 분포를 적용하여 1% 고장이 발생한 시간을 추정한 결과, 6229 시간(6.

대상 데이터

모터에는 단상 모터, 3상 모터, 직류 모터, 교류 모터, 유도 전동기 모터, 브러시레스 모터, 서보 모터, 인덕션 모터, 스피트 제어 모터 등이 있는데, 본 연구는 교류 모터의 Shaded coil type 단상 모터를 대상으로 하였다.

데이터처리

측정시스템에 대한 평가는 미니탭을 이용하여 GageR&R (Repeatability & Reproducibility) 분석을수행했다[5]. 분석결과, RPM 측정 데이터의전체 산포 중에서 계측시스템에 의한 산포의 비율은 8.
3.3의 FMEA 분석을 기준으로 신뢰성 향상을 위한 개선 방안을 도출하였다. 즉, 기존의Rotor의 외경의 크기를 줄임으로써 Rotor가 회전 시 기동방해의 요소를 줄이고 Rotor 외부 가공 정밀도를 높여 불량을 줄이고자 하는 개선 방안을 도출하였다.

성능/효과

현재 생산하고 있는 모터의 신뢰성을 가속 수명 시험을 통해 평가해 보았다. 가속 수명 시험 데이터에 대해와이블 분포를 적용하여 1% 고장이 발생한 시간을 추정한 결과, 6229 시간(6.4년, 1년 120일 및 하루당 8시간 보증)으로 평가되어 목표 수준인 10년에 비해 신뢰성이 떨어짐을확인하였다 [4].
측정시스템에 대한 평가는 미니탭을 이용하여 GageR&R (Repeatability & Reproducibility) 분석을수행했다[5]. 분석결과, RPM 측정 데이터의전체 산포 중에서 계측시스템에 의한 산포의 비율은 8.57%, 소음 측정데이터의 전체 산포 중에서 계측시스템에 의한 산포 비율이 7.14%로서 일반적인 기준인 9%이하를 만족하므로 양호한 수준으로 측정 데이터를 신뢰할 수 있음을 확인하였다.
수행하였다. RPM과 소음의 공정능력지수는 각각 Cpk(RPM)=0.56 과 Cpk(소음)=0.05로 산출되어 좋은 수준은 아님을 확인하였다.
이러한 개선방안을 적용한 모터를 10대 생산하여 가속수명 시험을 실시한 결과 1% 고장이 발생하는 시간이 9013시간 (9.38년)임을확인할 수 있었다. 이때 가속 요인은 온도55도, 습도 90 %RH, 전압 253V로 가속 계수는 98.
본 연구에서는 특히, 신뢰성 분석 에 많이 활용되는 4 Step Diagram, FMEA와 같은 분석을 통해 모터 신뢰성에 영향을 주는 요인들을 선별하여 신뢰성 향상을 위한 개선방안을 효과적으로 도줄할 수 있었다.

후속연구

대부분의 모터 제조업체에서 신뢰성 시험이 단순 반복시험과 숙련작업자의 감성 에 의존하고 있는 실정에서 본 연구결과는 체계적이고 과학적인 6시그마 기법 및 적용절차에 근거한 신뢰성 확보 방안을 제시함으로써 현장 활용에 시사하는 바가 크다 하겠다.

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