고속 속도 제어 Motor 내장형 Fan의

열신뢰성 향상 연구에 관한 신뢰성향상 지원

(최종보고서)

2005. 6

주관기관 (주)명진에어테크

위탁기관 한양대학교 산학협력단

산 업 자 원 부

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제 출 문

부품ㆍ소재통합연구단장 귀 하

본 보고서를 “고속 속도 제어 Motor 내장형 Fan의 열신뢰성 향상 연구에 관한 신

뢰성향상직원”(개발기간 :2004. 6. 1 ~ .2005. 5. 31)과제의 최종보고서로 제출합

니다.

2005. 6.

주관기관명 : (주)명진에어테크주관책임자 : 최 충 현연 구 원 : 원 광 연연 구 원 : 문 종 선연 구 원 : 유 인 태연 구 원 : 한 경 자연 구 원 : 손 오 석연 구 원 : 유 승 지연 구 원 : 배 승 희연 구 원 : 신 혜 란위탁기관명 : 한양대학교 산학협력단위탁책임자 : 이 재 헌연 구 원 : 이 태 구연 구 원 : 박 병 강연 구 원 : 김 재 현연 구 원 : 이 상 섭연 구 원 : 정 주 혁연 구 원 : 문 선 애

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중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록

관리번호 0400-RA1-023

사 업 명 고속 속도 제어 Motor 내 장형 Fan의 열신뢰성 항상 연구

키 워 드 고정메커니즘/열신뢰성/가속수명시험/열응력/수명식

사업목표 및 내용

1. 최종 목표

- 고속 속도제어 모터 내장형 펜의 열적 고장원인을 분석하고 가속수명시험을

통해 온도에 따른 수명식을 도출하고자 한다. 또한 주요 고장 부위 및 고장 인

자를 분석하여 열 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방안을 도출하고 이를 통해 열신

뢰성이 향상된 펜을 개발하고자 한다.

2. 신뢰성 저해요인 정밀진단 내용

- 고속 속도제어 모터 내장형 팬의 고장사례를 분석하여 주요 고장 부위 및 취

약 부위를 분류하였으며 가속수명시험을 위한 기초 조사를 수행

- 고장메커니즘 분석을 통하여 가속인자를 온도로 결정하였으며 기초 분석을 위

한 고속 속도제이 모터 내장형 팬의 온도분포 및 열유속 측정 시험을 수행

- 가속수명 시험을 통해 수명식을 도출

- 각 단품별 신뢰성 향상 방안을 도출하고 신뢰성 분석을 통해 최종 개선팬을

개발하여 신뢰성 향상 방법을 정형화

3 고장원인분석 및 대처결과

- 고장사례는 임펠러 열변형 고장, 팬케이스 열변형 고장, 전자부품의 열화고장

및 열응력 고장으로 분류될 수 있다. 임펠러 열변형 고장의 주 고장원인은 고온

환경 운전시 재질의 열팽창 및 열수축에 의해 열변형이 발생되어 임펠러 밸런스

파괴 및 블레이드 변형이며 팬케이스의 열변형 고장은 모터에서 발생 된 고온의

열로 인해 팬케이스 재질에 열변형이 발생된 것으로 판단된다. 전자 부품의 열

화고장은 고온환경 운전에서 전자부품 내부 전해액 소손 및 내부 열화에 의해

고장이 발생되며 리드프레임 크랙 고장은 고온환경에서 반복적으로 운전됨에 따

라 열응력을 반복적으로 받게 되어 리드프레임에 크랙이 발생된 것으로 판단된

다. 이를 해결하기 위해 재질 변경 및 치수 재설계를 통하여 임펠러의 열신뢰성

을 향상시켰으며, 알루미늄 팬케이스를 적용한 방열성능 개선을 통해 팬케이스

의 열신뢰성을 향상하였다 또한 BLDC 모터 내부의 제어부인 PCB 모듈의 열설

계를 재검토하여 PCB 모듈 전자부품에서 발생되는 열이 한곳에 집중되지 않고

분산될 수 있도록 개선하여 열신뢰성 향상 방안을 도출하였다.

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4. 신뢰성 적용결과(사업전·후 정량적 비교)

- 기존팬의 수명은 약 14,000시간으로 예측되었으며 개선된 팬의 수명은 약

25,000시간우로 예측되었다.

5. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)

- 국산 고속 속도 제어 motor 내장형 fan의 열신뢰성 분석 기술 개발

- 일반 fan 개발에 열신뢰성이 고려된 개발 Flow 도입으로 품질 향상

- 각종 회전체의 개발시 신뢰성 향상을 통한 국제 경쟁력 확보

- 전자, 전기분야뿐만 아니라 타 산업계의 신뢰성 기술 향상의 기초 자료로 이

용될 수 있다.

6. 적용분야

- 대공간 환기 및 열환경 개선에 사용되는 기류유인팬, 제트팬, 포터블팬의 신

뢰성 확보

- 가전제품 및 전자부품의 이용 가능.

- 각종 첨단 전자, 선기 제품에 사용되는 부품의 신뢰성을 향상

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목 차

제 출 문

목 차

제 1 장 서 론

제 1 절 연구의 필요성

제 2 절 연구 내용

제 2 장 고속 속도제어 모터 내장형 팬

제 1 절 구조

제 2 절 열유동 경로

제 3 절 용도

제 3 장 고장사례 및 고장메커니즘

제 1 절 고장사례

제 2 절 고장메커니즘

제 4 장 열신뢰성 분석 이론

제 1 절 가속수명시험

제 2 절 수명분포 모델결정

제 3 절 가속성 검증

제 4 절 특성수명 산정

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제 5 장 온도분포 및 열유속 측정 실험

제 1 절 온도분포 극정 실험

제 2 절 열유속 측정 실험

제 6 장 온도분포 및 열응력 예측 시뮬레이션

제 1 절 온도분포 시뮬레이션

제 2 절 열응력 분포 시뮬레이션

제 7 장 가속수명시험

제 1 절 시험장치

제 2 절 시험방법

제 3 절 결과 및 고찰

제 4 절 열 신뢰성

제 8 장 열 신뢰성 향상방안

제 1 절 임펠러 및 팬케이스 향상

제 2 절 고속 속도제어 BLOE 모터 향상

제 3 절 최종 개선 고속 속도제어 모터 내장형 팬

제 9 장 결 론

참 고 문 헌

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제 1 장 서 론

제 1 절 연구의 필요성

전자업체의 품질비용이 매출의 약 20~40%정도이고 이 중 열문제로 인한 품질비용

이 절반이상 차지하고 있으므로 전자부품의 열적 설계는 제품의 신뢰성확보 및 기

업수익확대의 방편으로 제품설계 초기단계에서 전자회로 설계 및 기계설계기술과

동등하게 고려해야 된다. 전자업계의 미래는 제품개발 초기단계에 제품의 성능,

Life Cycle Cost, 제품의 신뢰성, 품질관리 등을 고려할 수 있는 능력에 달려있다.

현 WTO 체제하 21세기 국제 경쟁력 및 가격 경쟁력을 지닐 수 있는 제품을 개발

하기 위해서는 제품 설계 초기단계에서 전자장비의 열적신뢰성을 점검할 수 있는

열내구성 분석 기술이 절실히 요구되며, 이러한 부분은 선진국에서 가장 중점적으

로 기술개발 하고자 하는 분야이다. 국내의 경우, 전자장비에 관련된 회로적인 측면

에서의 설계기술은 상당한 수준까지 향상되었지만, 열적신뢰성 측면에서의 설계기

술은 거의 미미한 수준이다. 국내의 경우, 최근 제품의 신뢰성분석과 관련한 많은

연구 활동으로 상당한 수준까지 기술이 향상되었지만, 주로 국외의 분석 데이터를

활용하거나 단일 부품 수준으로 이루어지고 있어 제품 전체에 대한 신뢰성 분석기

술은 부족한 실정이다.

고속 속도제어 모터 내장형 팬은 기류유인팬 및 환기팬의 용도로써 환기, 배기 및

통풍 등의 목적으로 사용되는 유체기계로서 가전제품, 자동차 엔진 등에 쓰이는 소

형 팬으로부터 공장, 터널, 지하철 등의 환기에 쓰이는 대형 송풍기에 이르기까지

폭넓게 사용되고 있다. 기류유인팬은 호텔로비, 대규모 실내 체육관 및 박물관 등과

같은 대공간의 온도성층화 방지 및 환기성능 개선 등을 목적으로 널리 적용되고 있

다. 이과 같이 대공간에 사용되는 기류유인팬을 효과적으로 사용하기 위해서는 취

출기류의 도달거리 증대가 필수적이며 이를 위해서는 고유량, 고정압의 기류유인팬

이 요구된다. 최근에는 브러시가 없는 BLDC(Brushless DC) 모터를 채용한 고속

속도제어 모터 내장팬이 개발되고 있다.

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BLDG 모터는 전기적, 기계적으로 진동 및 소음이 작아 호텔이나 박물관 등의 정온

한 환경을 요하는 가류유인팬에 적합하며 BLDC 모터는 일반 DC 모터에 배해 브러

시의 교환이 적고 기계적 정류시에 발생하는 스파크 등의 문제점이 발생되지 않기

때문에 일반적으로 신뢰성이 높고 수명이 길다. 또한 BLDC 모터를 통해 일정속도

및 가변속 속도제어가 용이하기 때문에 에너지 절감의 효과도 얻을 수 있다.

그러나 이와 같은 고속속도 제어 모터 내장형 팬이 축류팬으로 사용되어 대공간의

천장위치에서 운전될 경우 여름철 열성층화 현상에 의해 고온 환경에서 운전된다.

따라서 팬은 열적으로 열악한 환경에서 운전되며 고온의 환경에서 고장 발생 가능

성이 증가된다. 특히 고속속도제어 모터의 경우 BLDC 모터로 되어 있으며 사용 특

성상 구동부와 제어부가 밀폐구조 일체형으로 제작되어 있기 때문에 제어부인 PCB

모듈 열적으로 상당히 취약한 상태에 노출되어 운전된다.

고속 속도제어 BLDC 모터는 운전시 구동부에서 발생한 열과, PCB 모듈에 부착된

각 전자부품에서 발생된 열이 외부로 원활하게 배출되지 못하기 때문에 고온의 열

에 의해 PCB 모듈이 고장 나는 사례가 자주 발생한다. 이는 PCB 모듈에 부착된

각각의 전자제품에 대한 신뢰성은 고려되었지만, 다양한 전자부품들이 밀집되어 있

는 PCB 모듈 전체에 대한 신뢰성이 고려되지 않았기 때문이다. 즉, 밀폐된 공간에

서 다양한 전자부품들이 인접하여 작동할 때는 단일 부품이 작동할 때보다 열적으

로 더욱 취약할 수 있기 때문에 신뢰성 분석이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 고속 속도제어 모터 내장형 팬의 열적 고장원인을 분석하고

가속수명시험을 통해 온도에 따른 수명식을 도출하고자 한다. 또한 주요 고장 부위

및 고장 인자를 분석하여 열 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방안을 도출하고 이를 통

해 열신뢰성이 향상된 팬을 개발하고자 한다.

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제 2 절 연구 내용

본 연구에서는 고속 속도제어 모터 내장형 팬의 고장 원인 및 고장 메커니즘을 규

명하고, 가속수면시험을 통해 얻은 고장 데이터를 이용하여 열신뢰성을 분석하였다.

우선 고속 속도제어 모터 내장형 팬의 고장사례를 분식하여 주요 고장 부위 및 취

약 부위를 분류하였으며 가속수명시험을 위한 기초 조사를 수행하였다. 고장메커니

즘 분석을 통하여 가속인자를 온도로 결정하였으며 기초 분석을 위한 고속 속도제

어 모터 내장형 팬의 온도분포 및 열유속 측정 시험을 수행하였다.

고속 속도제어 BLDC 모터 내장형 팬의 경운 모터가 일적으로 가장 고장이 빈번하

게 발생되며 주요 고장인자이기 때문에 가속수명시험을 통해 수명식을 도출하였다.

가속수명시험을 수행하기 위해서는 제품의 고장메커니즘을 정확히 분석하여 가속스

트레스를 선정해야 하며, 가속수준 및 시료수 등도 결정해야 한다. 본 연구에서는

제품의 특성과 수명분포 모델의 적합성을 고려하여 가속수준 및 시료수를 결정하였

다. 그리고 고속 속도제어 BLDC 모터의 주 고장원인은 고온에 의한 PCB 모듈의

고장으로 판단하고 필드 고장을 재현하기 위해 모터의 구동부와 제어부인 PCB 모

듈을 분리하여 분리된 PCB 모듈을 항온챔버에 넣어 시험을 수행하였다.

가속수명시험을 통해 획득한 고장데이터에 적합한 수명분포 모델을 결정하고, 각

온도 수준별 가속성을 검증하였다. 가속성 검증 후 본 연구에서는 가속수명시혐의

가속인자가 온도일 경우 널리 사용되는 아레니우스 관계식을 이용하여 밀폐형

BLDC 모터의 특성수명식을 도출하였다.

최종적으로 각 단품별 신뢰성 향상 방안을 도출하고 신뢰성 분석을 통해 최종 개선

팬을 개발하여 신뢰성 향상 방법을 정형화 하였다.

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제 2 장 고속 속도제어 모터 내장형 팬

제 1 절 구조

본 연구에서 연구모델로 채택된 고속 속도제어 BLDC 모터 내장형 팬은 지하주차장

또는 대공간의 환기 및 열환경 개선을 위한 기류유인팬에 장착되는 것으로써 그 구

조를 Fig. 2-1에 나타내었다. 팬(axial fan)은 팬 케이스(fan case), BLDC 모터, 임

펠러(impeller)로 구성되며 이중 BLDC 모터는 축류팬을 구동시키는 구동부이다.

BLDC 모터는 Fig. 2-1(b)에서 보듯이 스터이터(stator), 코알(coil), 로터(rotor), 인

너 플레이트(inner plate), PCB 모듈 및 백커버(back cover)의 일체형 밀폐구조로

구성되어 있다. 특히 BLDC 모터는 Fig. 2-1(c)와 같이 길이 200 mm, 직경

110mm의 치수를 갖으며 정격 회전수는 5,000 rpm, 가변 회전수 범위는 2,000 ~

5,000 rpm의 범위를 갖고 있다. 고속 속도제어 모터 내장형 팬의 상세 제원은

Table 2-1에 나타내었다.

제 2 절 열유동 경로

고속 속도제어 모터 내장형 팬의 열유동 경로를 Fig. 2-2에 나타내었다. 그림은

BLDC 모터의 단면을 나타내고 있다. 그림에서 보듯이 BLDC 모터는 Back cover,

PCBmodule, Inner plate, Rotor 및 Stator로 구성되며 적색 화살표는 열의 이동경

로를 나타내며, 청색 화살표는 기류유인팬에 의해 유인된 기류의 이동경로를 나타

낸다. BLDC 모터에서의 주 발열원은 Rotor 및 PCB module의 각종 전자부품이다.

먼저 Rotor에서 발생 된 열은 BLDC 모터의 상부 및 하부로 전달된다. 상부로 전달

된 열은 전도에 의해 Stator로 전달되며 외부 기류에 의해 냉각되어 제거된다. 하부

로 전달된 열은 전도에 의해 Inner plate로 전달되며 밀폐된 PCB module 공기층과

자연대류 되어 밀폐된 공기층은 정체되어 온도가 올라가는 상황이 발생된다.

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Fig. 2-1 고속 속도제어 BLDC 모터 및 내장형 팬의 형상 및 치수

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Table 2-1 고속 속도제어 BLDC 모터의 사양

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Fig. 2-2 BLDC 모터의 열유동 경로

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또한 PCB module의 각종 전자부품에서 발생되는 열의 일부는 PCB module과

Inner plate 사이의 밀폐된 공기층에 전달되고 일부는 전도에 의해 하부의 Back

cover 및 측면의 Stator로 전달되어 외부 기류에 의해 냉각되어 제거된다. 따라서

밀폐된 공기층의 온도는 과열되고 이같이 열적으로 열악한 상황에서 전자부품의 고

장이 발생하게 된다. 열적 고장 발생의 주원인이 되는 PCB 모듈의 전자부품의 종

류를 Fig. 2-3에 나타내었으며 가종 전자부품의 세부 기능을 Table 2-2에 나타내

었다.

제 3 절 용도

본 연구에서 고려된 고속 속도제어 모터 내장형 팬의 용도를 Fig. 2-3에 나타내었

다. 고속 속도제어 모터 내장형 팬은 대공간 환기 및 열환경 개선용을 목적으로 사

용되는 유체기기로써 그림에서 보는 바와 같이 로비 열환경 개선을 위한 제트팬,

고층고 공장의 성층화 개선용 멀티팬, 수증기 제거를 위한 기류유인팬, 선회류 형성

을 위한 기류유인팬, 에너지 절감용 체육관 천장용 멀티팬 및 대형작업장 환경개선

용 기류유인팬 등의 용도로 사용된다.

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Fig. 2.3 PCB 모듈 상세

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Table 2-2 PCB 모듈 전자부품의 종류 및 기능

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Fig. 2-3 고속 속도제어 모터 내장형 팬의 용도

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제 3 장 고장사례 및 고장메커니즘

제 1 절 고장사례

본 연구의 연구모델인 밀폐형 BLDC 모터가 장착된 축류팬은 대부분 대형 작업공간

의 환기 및 열환경 개선을 위해 사용되며, 설치시 천장부에 장착되기 때문에 여름

철 열성층화 현상에 의해 45℃ 이상의 고온 환경에서 운전된다. 그러므로 BLDC 모

터 내장형 팬은 열적으로 상당히 열악한 상황에 노출되어 운전되며, 고온의 열에

의해 모터가 고장 나는 사례가 발생한다. BLDC 모터 내장형 팬의 고장사례를 Fig.

3-1, 2 및 3에 나타내었다. Fig. 3-1의 경우 고열의 열변형에 의해 임펠러가 열응

력을 받아 열변형되어 고장난 사례를 나타낸다. 이는 실제 범학동 H건설 3단지 팬

정지 현상 발생되었으며 지하주차장 환기용 제트팬 23대 중 19대 고장났다. Fig.

3-2의 경우 모터에서 발생된 열이 방열불량으로 인해 팬케이싱이 정지된 사례를

나타낸다. 이는 실제 정능 P산업 재개발 아파트에 지하주차장 환기용 제트팬 183

대 중 60대가 고장난 것으로 팬케이싱에 변형이 고장원인이다. Fig. 3-3의 경우

BLDC 모터 내장형 팬 제어부 과열에 의해 모터가 고장난 사례를 나타낸다. 이는

실제 거제 D공장에 흄 제거용으로 설치된 포터블 벤트팬 100대중 42대가 고장난

것으로 고장원인은 모터 열화 소손에 의한 것으로 판단된다.

제 2 절 고장메커니즘

고속 속도제어 모터 내장형팬의 크게 임펠러 열변형 고장, 팬케이스 열변형 고장,

전자부품의 열화고장, 리드프레임의 크랙 고장 및 트랜지스터 칩의 고장 등으로 분

류될 수 있다. 임펠러 열변형 고장의 주고장 메커니즘은 고온환경 운전시 재질의

열팽창 및 열수축에 의해 열변형이 발생되어 임펠러 밸런스 파괴 및 블레이드 변형

이며 팬케이스의 열변형 고장은 모터에서 발생된 고온의 열로 인해 팬 케이스 재질

에 열변형

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Fig. 3-1 열변형에 의한 임펠러 정지

Fig. 3-2 방열불량으로 팬케이싱 정지

Fig. 3-3 제어부 과열에 의한 모터 정지

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이 발생된 것으로 판단된다. 전자부품의 열화고장은 고온환경 운전에서 전지부품

내부 전해액 소손 및 내부 열화에 의해 고장이 발생되며 리드프레임 크랙 고장은

고온환경에서 반복적으로 운전됨에 따라 열응력을 반복적으로 받게 되어 리드프레

임이 크랙이 발생된 것으로 판단된다. 또한 트랜지스터칩의 고장은 트랜지스터를

감싸고 있는 절연재가 고온환경에서 열화되어 절연파괴로 인한 고장으로 사료된다.

Fig. 3-4는 반복열응력에 의한 리드프레임의 크랙 및 전해액 소손에 의한 캐패시터

열화고장을 보여준다.

Fig. 3-4 고속 속도제어 모터 내장형 펜의 고장 메커니즘

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제 4 장 열신뢰성 분석 이론

고장이 주로 열에 의해 발생되는 제품의 품질을 향상시키기 위해서는 우선적으로

적절한 열신뢰성 분석이 수행되어야 한다. Fig. 4-1은 일반적인 열신뢰성 분석 절

차를 나타낸다. 분석절차를 대략적으로 살펴보면 먼저 제품의 고장메커니즘을 재현

할 수 있는 가속수명시험을 수행하여 고장데이터를 얻는다. 이어서 획득한 고장데

이터에 적합한 고장분포 모델을 결정하고, 가속성 성립여부를 검증한다. 가속성 검

증이 끝나면 수명-스트레스 관계식을 이용하여 제품의 특성수명식을 도출한다. 도

출한 수명식을 이용하면 정상 사용 조건에서 제품의 수명 산정이 가능하며, 이로써

제품의 열신뢰성을 예측할 수 있다.

제 1 절 가속수명시험

1. 가속수명시험의 개요

가속수명시험은 정상 사용조건보다 더 열악한 조건에서 제품의 고장 메커니즘을 통

상의 속도 이상으로 촉진해서 짧은 시간 내에 고장을 발생시키는 시험이다. 결국

가속수명시험이 성립하게 하기 위해서는 정상 사용조건에서 발생하는 고장 메커니

즘과 가속수명시험에서 발생하는 고장 메커니즘이 같아야 한다는 전제가 필요하다.

정상 사용조건에서 제품의 고장 메커니즘을 파악하고, 고장 데이터을 얻기 위해서

는 상당한 시간과 비용이 요구된다. 하지만 제품개발 시간이 단축되고, 제품 모텔

교체가 신속히 이루어지는 현 시장 흐름을 감안하면 짧은 시간 내에 제품의 고장

메커니즘을 분석하여 설계에 적용하는 일은 무엇보다 중요할 것이다. 따라서 단기

긴 시험에 의해 제품의 고장 메커니즘을 규명하고, 제품의 신뢰성을 적절히 분석하

기 위해서는 가속수명시험이 절실히 요구된다.

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Fig. 4-1 열신뢰성 분석 절차

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2. 가속수명시험의 종류

가. 가속수명시험의 종류

가속수명시험은 일반적으로 스트레스를 부과하는 방법에 따라 분류될 수 있다. Fig.

4-2는 스트레스를 부여 하는 방법에 따라 분류된 가속수명시험의 종류를 나타내며

종축은 스트레스를 횡축은 고장시간을 의미한다. Fig. 4-2(a)는 일정 스트레스 시

험, (b)은 주기 스트레스 시험, (c)은 점진 스트레스 시험, (d)은 단계 스트레스 시

험을 각각 나타내며 그 특징은 다음과 같다.

• 일정 스트레스 시험 (Constant stress test)

스트레스 부과방법의 가장 대표적인 방법으로 일정한 수준의 스트레스를 시험 종결

시간까지 유지하는 시험 방법이며, 스트레스 유지가 쉽고 경험적인 검증도 많이 이

루어진 장점이 있다.

• 주기 스트레스 시험 (Cycle stress test)

제품에 가하는 스트레스 수준을 사인곡선 등과 같이 주기적으로 변화 시키는 시험

방법으로 금속부품의 피로시험 등에 많이 적용되는 시험이다.

• 점진 스트레스 시험 (Progressive stress test)

시간에 따라 스트레스를 연속 적으로 증가시키는 시험 방법으로 시험 대상에 따라

스트레스의 비율을 차이가 나게 부과하는 시험이다.

• 단계 스트레스 시험 (Step stress test)

스트레스 수준을 계단형으로 변환시키는 시험 방법으로 일정시간동안 제품이 고장

나지 않으면 더 높은 수준의 스트레스를 가하는 시험이다

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Fig. 4-2 가속수명시험의 종류

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나. 가속수명시험 모형

가속수명시험 모형은 스트레스 가속 시 적용할 수 있으며, 시험제품의 수명과 스트

레스 관계를 나타낸다. 가속수명시험을 통해 얻은 고장 데이터를 분석하여 정상 사

용조건에서의 수명을 추정하기 위해서는 가속수명 시험 모형이 필요하며 대표적인

가속수명시험 모형들은 다음과 같다.

• 아레니우스 모형 (Arrhenius model)

온도에 의한 가속수명시험에서 가장 널리 사용되는 수명-스트레스 관계식으로 전기

절연체와 유전체, 윤활유와 그리스, 반도체 기기, 플라스틱, 축전지, 백열전구 필라

멘트 등에 적용 가능하며 수명(L)식은 다음과 같다.

여기서, 는 대상제품의 고장 메커니즘과 시험조건의 특성에 따른 상수, 는 활성

화 에너지, 와 는 각각 Boltzmann 상수와 절대온도이다.

• 역누승 모형 (Inverse power model)

전기절연체, 베어링, 금속피로 등에 널리 사용되고 있는 수명-스트레스 관계식으로

전기 절연체와 유전체, 볼과 롤러 베어링, 기계적 부하에 따른 단순 금속 피로, 백

열전구 등에 적용가능하며 수명(L)식은 다음과 같다.

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여기서, V는 전압 스트레스 값이다.

• 코핀 멘슨 모형 (Coffin-Manson model)

온도 사이클에 의한 금속의 피로 고장 메커니즘을 모형화할 때에 사용되는 수명-스

트레스 관계식이며, 온도 사이클의 온도범위 △T의 함수로서 고장에 이르기까지의

주기 N은 다음과 같이 표현된다.

• 팜그린 모형 (Palmgren model)

롤러 또는 볼 베이링 수멍시험에 적용되는 모형으로 C는 베어링상수, P는 응력, p

는 지수이다. 볼베어링의 경우 p=3, 롤러베어링의 경우 p=10/3이 사용된다. 수명

(L)의 10번째 백분위수 B10 수명식은 다음과 같다.

• 일반화 아이링 모형 (Generalized eyring model)

스트레스 변수가 두 가지 이상 존재할 경우 사용되는 모형으로 수명(L)식은 다음과

같다.

여기서, J와 K는 스트레스 변수를 나타낸다.

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• 온습도 모형 (Temperature & humidity model)

스트레스 변수가 온도(T)와 상대습도(RH)일 경우 사용되는 모형으로 수명(L)식은

다음과 같다.

3. 가속수명시험 절차

기속수명시험은 제품의 고장 메커니즘과 고장 데이터를 단기간 시험을 통해 획득하

는데 유용하며, Fig. 4-3에 가속수명시험 절차를 나타내었다.

가속수명시험은 제품의 고장 메커니즘에 따른 가속스트레스를 선정하고, 스트레스

수준 및 수준수 그리고 시험 시료수를 결정하는 절차를 통해 수행할 수 있다.

가. 가속스트레스 선정

가속스트레스는 필드 고장을 재현할 수 있는 고장 메커니즘을 고려하여 선정해야한

다. 제품의 고장 원인을 정확하게 파악하여 가속 스트레스를 선정해야 가속수명시

험이 유효할 수 있다. 고장 메커니즘에 따라 선정해야 할 가속스트레스를 Table

4-1에 나타내었다. 예컨대, 제품의 주 고장 메커니즘이 온도와 습도에 의해 발생하

면 가속스트레스는 온도와 습도로 선정해야 할 것이다.

나. 가속스트레스 수준 및 수 결정

가속스트레스를 선정한 후에는 선정된 가속스트레스의 수준을 결정해야한다. 가속

스트레스 수준은 가속효과와 고장 메커니즘이 재현될 수 있는 최고 수준에서 결정

해야 한다. 또한 스트레스의 최고 수준은 재료의 특성에 1차적으로 의존하므로 재

료의 특성을 정확하게 파악해야 한다.

- 28 -

어느 제품에 온도 스트레스를 부과하여 가속수명시험을 한다고 할 때 스트레스 수

준을 제품의 작동 한계온도를 넘는 범위에서 결정 한다면 시험자체가 무의미 해질

것이다.

가속 스트레스 수준수는 2수준이 최적이다. 하지만 2수준을 사용하는 경우 어느 한

수준에서 고장 데이터가 얻어지지 않거나 실험장비 고장 등 예기치 못했던 상황 발

생으로 고장 데이터를 얻지 못하는 경우 수명분포 모델이 추정될 수 없기 때문에

이를 주의해야 한다.

다. 시료수 결정

가속수명시험은 시험시간이 길수록, 시료수가 많을수록, 통계적인 추정치의 정밀도

가 높아지는 것이 사실이지만 시험시간과 시료수를 무한정 증가시킬 수는 없다. 고

장 데이터를 분석하기 위해서는 각 스트레스 수준에서 최소한 2개 이상의 고장 데

이터가 얻어지도록 시료수를 결정하며, 수명분포 모델의 적정성을 평가하기 위해서

는 최소한 3개 이상의 고장 고장데이터가 얻어지도록 시료수를 결정해야한다.

각 스트레스 수준별 시료수 분배에 있어서 Meeker & Hahn은 낮은 수준의 스트레

스와 중간 수준의 스트레스 그리고 높은 수준의 스트레스 수준에서 시료수 분배를

4 : 2 : 1 비율로 분배할 것을 권장한다. 이는 낮은 스트레스 수준이 정상 사용 온

도조건과 가까우므로 낮은 스트레스 수준에서 많은 고장 데이터가 얻어져야 외삽

오차를 줄일 수 있다는 이론에 근거하고 있다.

- 29 -

Fig. 4-3 가속수명시험 절차

Table 4-1 고장메커니즘에 따른 가속스트레스

- 30 -

제 2 절 수명분포 모델결정

제품의 고장 데이터가 획득되면, 이에 적합한 수명분포 모델을 결정한다. 수명분포

모델은 크게 와이블(Weibull) 분포, 지수(Exponential) 분포, 정규(Normal) 분포, 대

수정규(Lognormal) 분포 등의 분포 모델이 있으며, 고장 데이터를 수명분포 모델에

적합 시켰을 때 AD(Anderson Darling)지수가 가장 작을수록 적합한 수명분포 모델

이라 할 수 있다. AD 지수는 수명 자료에 관한 분포적합성을 나타내는 검정통계량

이다. 수명분모 모델의 종류는 다음과 같다.

• 와이블 분포 (Weibull distribution)

전자 및 기계부품의 수명분포를 나타내는데 적합한 수명분포로써 신뢰성 데이터분

석에 가장 널리 사용된다.

• 지수 분포 (Exponential distribution)

고장률이 사용기간에 영향을 받지 않는 일정한 수명분포로써 우발고장을 설명하는

데 적합하다.

• 정규 분포 (Normal distribution)

마모에 의해 고장 나는 제품의 수명분포로 널리 사용된다.

• 대수 정규 분포 (Lognormal distribution)

금속재료의 피로수명, 전기 절연체의 수명분포 등에 널리 사용되는 수명분포로써

신뢰성분석에는 사용범위 한정되어 있다.

- 31 -

제 3 절 가속성 검증

가속수명시험 수행 시후에는 각각의 가속스트레스 수준에 대한 가속성 검증작업 필

요하다. 가속성 검증은 각 스트레스 수준에서 획득한 고장 데이터를 수명-누적고장

분포 함수 확률지에 타점하여 각각의 직선이 동일한 기울기를 가지게 되면 가속성

이 성립한다고 볼 수 있다. 고장 데이터가 와이블 분포에 적합할 경우 누적 고장분

포 함수 F(t, m, η)는 다음과 같다.

여기서, m은 형상무수(Shape parameter)를 η는 척도모수(Scale parameter)를 나

타낸다.

예를 들어 와이블 분포의 경우에는 형상모수 그리고 대수 정규분포의 경우에는 척

도모수가 동일한지를 확인함으로써 가속성을 검증할 수 있다.

제 4 절 특성수명 산정

특성수명(Characteristic Lifetime)은 지수분포와 와이블 분포에서 누적 고장확률이

63.2%인 시점까지의 시간을 의미한다. 즉, 어떤 제품 l00개를 작동 시켰을 때 이중

63.2개가 고장 날 때까지의 시간을 특성수명이라고 한다. 특성수명은 수명-스트레

스 관계식에 적정한 값들을 대입하여 구할 수 있다. 가속수명시혐의 가속인 자가

온도일 경우 수명-스트레스 관계식은 주로 아레니우스 관계식을 널리 사용한다. 가

속수명시험을 통해 얻은 고장데이터를 적절히 분석하면 고장 메커니즘과 시험조건

의 특성에 따른 성수 α와 활성화 에너지 Eα을 구할 수 있으며, 이들을 아레니우스

관계식에 대입하면 대상 제품의 특성 수명을 산출할 수 있다.

- 32 -

제 5 장 온도분포 및 열유속 측정 실험

제 1 절 온도분포 측정실험

1. 실험장치 및 실험방법

고속 속도제어 모터 내장형팬의 표면온도와 모터 내부 PCB 모듈 전자부품의 온도

분포를 측정하기 위한 실험 장치를 Fig. 5-1과 같이 구성하였다 실험 장치는 축류

팬(axial fan), BLDC 모터, 열유속계(infrared thermometer), 열화상카메라(thermal

camera), 하이브리드 레코더(hybrid recorder), 열전대(thermocouple) 및 컴퓨터

(computer)로 구성된다. 열화상카메라를 통해 PCB 모듈 표면의 온도분포를 파악하

고 주요 발열원을 예측하였다.

주요 발열원의 온도분포는 20여개의 열전대를 PCB 모듈 표면에 부착하여 이를 하

이브리드 레코더를 이용하여 측정하였다. 측정된 데이터는 컴퓨터에 저장된다. 또한

열유속계는 PCB 모듈전자부품의 열유속을 측정하는데 사용되었다. 본 연구에서 온

도분포 측정 실험시의 측정환정은 Table 5-1과 같다.

2. 실험결과

가. BLDC 모터 및 PCB 모듈

온도측정 실험은 열화상 카메라와 열전대를 이용하여 측정하였다. 먼저 열화상 카

메라를 이용하여 Fig. 5-2(a)와 같이 BLDC 모터에서 PCB 모듈을 분리시킨 후 모

터를 가동시켜 모터 케이스 및 PCB 모듈의 표면 온도를 측정하여 그 결과를 Fig.

5-2(b) 및 (c)에 나타내었다. 모터 가동 후 60분 정도 이후에 정상상태에 도달하고

있음을 알 수 있으며 대략적인 온도분포는 28 ~ 53℃ 정도를 나타내고 있다. PCB

모듈에서의 주요

- 33 -

Fig. 5-1 온도분포 측정시험장치

Table 5-1 온도분포 측정실험시의 측정환경

- 34 -

발열원은 전력 변압기(power transformer), 집적 회로(integrated circuit), 서미스터

(thermistor) 및 전압 레귤레이터(voltage regulator) 등의 전자부품이 집중된 영역

임을 알 수 있다. PCB 모듈 전자부품에 열전대를 부착한 위치 및 온도 측정 결과

를 Fig. 5-3(a) 및 (b) 나타내었다. 열화상 카메라를 통해 예측된 주요 발열 부품의

영역 ② ~ ⑤의 온도분포는 38 ~ 47℃ 정도로 나타나고 있다.

트랜지스터(transistor)가 부착된 영역 ⑮ ~ ⑱ 의 온도는 약 31℃이며 인접한 방열

판 영역 ⑬의 온도는 약 28℃정도로 트랜지스터에서 발생된 열은 방열판을 통해 원

활하게 전달되고 있다.

나. 임펠러 및 팬케이스

임펠러 및 팬케이스 표면의 온도측정 실험은 열화상 카메라와 열전대를 이용하여

측정하였다. 이때 임펠러 및 팬캐이스의 재질을 Table 5-2와 같이 변경한 후 모터

를 운전시켜 정상상태 도달 후 온도를 측정하였다. 총 네가지 경우를 고려하여 측

정하였는데, 임펠러의 재질을 알루미늄 및 플라스틱으로 변경하였을 경우와 팬케이

스의 표면을 알루미늄 및 플라스틱으로 변경하였을 경우의 측정하였다. 이때 온도

측정 위치는 Fig 5-4와 같이 총 18지점의 온도를 측정하였다. 열화상 카메라를 이

용하여 측정된 결과 및 열전대를 이용하여 측정된 결과를 각각 Fig. 5-5, 5-6에 나

타내었다. 임펠러의 재질을 알루미늄 및 플라스틱으로 변경하여 온도를 측정한 결

과 알루미늄의 경우 표면온도는 26 ~28℃의 온도분포를 보이고 있으며 플라스틱의

경우 26 ~ 31℃의 온도분포를 보이고 있다. 이는 플라스틱 임펠러의 경우 중앙부

에 열이 집중되어 임펠러 블레이드 부분과의 온도차가 크게 발생하여 열변형에 의

한 고장 가능성이 크다. 팬케이스의 재질을 알루미늄 및 플라스틱으로 변경하여 온

도를 측정한 결과 플라스틱 팬케이스의 경우 모터에서 발생된 열이 팬케이스를 통

해 원활하게 전달되지 않으므로 모터 표면온도가 알루미늄에 비해

- 35 -

Fig. 5-2 열화상카메라를 이용한 BLDC 모터의 표면온도 분포

- 36 -

Fig. 5-3 열전대를 이용한 BLDC 모터 내부 PCB모듈 전자부품의 표면온도

- 37 -

10℃이상 높은 온도를 나타내고 있다. 이는 팬케이스의 방열성능이 불량한 것으로

팬케이스 열변형에 의한 고장 및 모터 내부의 열적 고장을 가속시킬 수 있다. 따라

서 임펠러와 팬케이스의 열적 신뢰성을 향상시키기 위한 연구가 추가적으로 요구된

다.

Table 5-2 팬케이스 및 임펠러 재질변경

Fig. 5-4 팬케이스, 임펠러 및 BLDC모터 온도측정 위치

- 38 -

Fig. 5-5 열화상카메라를 이용한 팬케이스 및 임펠러 표면온도분포

Fig. 5-6 팬케이스 및 임펠러 재질에 따른 위치별 온도분포

- 39 -

제 2 절 열유속 측정 실험

1. 실험장치 및 실험방법

실험 장치를 Fig. 5-7에 나타내었으며 PCB 모듈, 열유속계 및 BLDC모터로 구성되

며 온도 측정 방법과 동일하게 PCB 모듈을 BLDC 모터에서 분리한 후 60분 이상

정상 운전한 후 열유속을 측정하였다. 측정시간은 정상 운전 후 1분 간격으로 10회

측정하였으며 평균값을 취하여 결과를 저장하였다.

2. 실험결과

PCB 모듈 전자부품의 열유속 측정 위치 및 그 결과를 Fig. 5-8(a) 및 (b)에 나타

내었다. 전력 변압기, 집적 회로, 서미스터 및 전압 레귤레이터 등의 전자부품이 집

중된 영역 ② ~ ⑤의 열유속은 180 ~ 200 W/㎡ 의 분포를 보이고 있으며 전해

콘덴서(electrolytic capacitor) 등이 집중된 영역 ⑫의 열유속은 약 180 W/㎡ 정도

를 나타내고 있다.

- 40 -

Fig. 5-7 열유속 측정 실험장치

- 41 -

Fig. 5-8 PCB 모듈의 열유속 측정시험 결과

- 42 -

제 6 장 온도분포 및 열응력 예측 시뮬레이션

제 1 절 온도분포 시뮬레이션

고속 속도제어 BLDC 모터의 제어장치인 PCB 모듈의 열내구성을 분석하기 위해서

PCB 모듈의 열적 특성을 규명하고 열내구성을 분석하고자 한다. 그러나 다양한 환

경조건, 발열조건 및 물성치 조건에 대한 모든 경우에 대해 실험을 수행하기에는

다수의 시료와 장기적인 시간을 요구하므로 보다 빠른 시간 안에 열적 신뢰성을 평

가할 수 있는 분석법이 필요하다. 이러한 열내구성 분석 기술을 개발하기 위하여

본 연구에서는 이론적인 방법으로 PCB 모듈의 온도분포 및 열응력을 이론적으로

예측 할 수 있는 기법을 개발하고자 하며 실험에 의한 결과를 토대로 그 타당성을

검증하고자 한다. 또한 이론적인 방법으로 예측된 수명을 통계적으로 처리하기 위

하여 신뢰성 분석 도구를 이용하여 고장분포 모텔 및 가속수명 모델을 예측하고 가

속성의 적합성, 가속계수 및 가속인자에 따른 수명을 예측하는 기법을 개발하여 최

종적으로 밀폐구조형 전자부품의 열내구성 분석기법을 개발하고자 한다.

1. 지배방정식

고속 속도제어 BLDC 모터와 일체형으로 제작된 PCB 모듈 내부의 기류 및 온도분

포를 해석하기 위하여 유동을 3차원 정상 비압축성 난류유동으로 가정하였으며 이

에 관한 연속방정식, 운동량방정식, 난류운동에너지방정식, 난류운동에너지소산율방

정식 및 에너지방정식은 다음과 같다. 이때 난류모델로는 부력이 고려된 k-ε 난류

모델을 사용하였다.

- 43 -

연속방정식 ;

운동량방정식 ;

난류운동에너지방정식 ;

난류운동에너지소산율방정식,

에너지방정식

여기서,

- 44 -

2. 경계조건

고속속도제어 BLDC 모터의 PCB 모듈내의 기류 및 온도분포를 해석하기 위한 계

산영역은 PCB 모듈내부의 유통에 대한 영향이 미치지 않는 충분한 공간으로써 직

정 200mm, 높이 500 mm, 인 원통 수치해석 영역으로 선택하였다. 이 원통 공간

인 실제 BLDC 모터가 팬에 장착되는 공간크기와 같다. 공간내에 BLDC 모터가 놓

여진 가정하에 다음과 같은 경계조건을 부여하여 수치해석을 수행하였다. 본 연구

에서는 BLDC 모터를 포함하는 외부 원통면의 각 벽면은 외기온도가 27℃인 등온

조건과 점착 조건을 부여하였으며 주 발열원인 Rotor와 PCB 모듈 전자부품은 내부

발열 조건을 부여하였다. 각각의 발열 부품의 열유속 및 크기는 Table 6-1에 나타

냈었다. 또한 해석모델 각 전자부품의 열전도계수를 작동유체인 공기를 포함하여

Table 6-2에 나타내었다.

3. 격자계

본 연구에서는 고속 속도제어 BLDC 모터와 일체형으로 제작된 PCB 모듈 내부의

기류 및 온도분포를 이론적으로 해석하기 위한 격자계를 구성하였다. 격자계는 Fig.

6-1과 같이 PCB module부와 Stator부로 구성되어 있다. 각각의 격자계를 구성하

여 PCB module이 BLDC motor와 분리되어 있을 경우, BLDC motor와 결합되어

있는 경우 및 BLDC motor가 축류팬에 장착되어 있을 경우를 고려하여 비정렬 격

자계를 사용하였으며 제어체적의 수는 약 400,000 개로 구성되어 있다.

- 45 -

Table 6-1 고속 속도제어 BLDC 모터 내부 전자부품의 발열량 및 경계조건

- 46 -

Table 6-2 전자부품의 열전도계수

- 47 -

Fig. 6-1 고속 속도제어 BLDC 모터의 격자계

- 48 -

4. 이론해석방법

고속 속도제어 BLDC 모터의 PCB 모듈내의 기류 및 온도분포를 알아보기 위해서

는 실험에 의한 방법과 이론해석에 의한 방법이 있다. 현재까지 이에 관한 정확한

자료를 얻기 위해서는 주로 실험적인 방법에 의존해 오고 있다. 실험적 방법은 특

정 모델의 경우 비교적 정확한 관찰이 가능하나 모델이 변화되었을 경우 원하는 결

과값을 예측하기에는 시간적, 경제적으로 어려움이 있다. 최근 수치해석기법이 발달

함에 따라 이론해석을 하기 위하여 실험적인 방법과 병행하여 전산유체역학(CFD,

Computational Fluid Dynamics)을 이용한 예측방법이 많이 도입되고 있다. 수치해

석에 의한 결과는 실제 결과와 약간의 차이를 보일 수 있으나, PCB 모듈 내부의

기류 및 온도분포를 개략적으로 예측하는 것이 가능하다.

본 이론해석에서는 지배방정식을 전체 해석영역에 대하여 유한체적법(FVM, Finite

Volume Method)과 비엇갈린 격자망(non-staggered grid)방법으로 이산화 하였으

며, 해석도구로는 상용코드인 FLUENT Ver 6.0을 이용하였다. 본 연구에서 사용한

FLUENT는 열전달, 공기유통, 상변화 및 화학반응이 관련된 현상의 수치해석을 위

하여 개발된 프로그램으로서 최적 설계, 오염물질 전파 및 연소현상 등의 연구에

응용 된다. FLUENT를 이용한 열전달, 공기역학계산에는 암시도식(implicit scheme)

과 독립연산(segregated solver)이 이용되고 속도 등의 벡터량과 압력, 온도 등의

스칼라량의 존재 위치가 서로 같은 비엇갈린 격자계(non-staggered grid system)

가 이용된다. 운동량 방정식의 압력장을 처리하기 위해서 비교적 계산 비용이 적으

면서도 압력장을 정확히 예측하는 것으로 알려져 있는 SIMPLE(Semi-Implicit

Method for Pressure-Linked Equations) 알고리즘이 사용된다. 실제 프로그램의

운영에서는 대류항을 처리하기 위하여 상류차분법(upwind differencing scheme)

을, 경계면에서의 확산계수를 처리하기 위하여 조화평균을 이용하였다.

- 49 -

가. 지배방정식의 이산화

본 연구에서의 지배방정식들은 일반변수 φ에 관한 일반형 방정식으로 변환시킨 후

각각의 유한체적에 대하여 적분을 수행하면 제어체적 P에 관하여 다음과 같은 선형

대수 방정식을 얻는다.

여기서 각 계수는 다음과 같이 정의된다.

윗식에서 하첩자로 사용된 E(e), W(w), N(n), S(s), T(t) 및 B(b)에서 대문자는 제

어체적에 인접한 east, west, north, south, top 및 bottom에 위치한 제어체적을

지시하며, 소문자는 east, west, north, south, top 및 bottom면을 나타낸다.

Peclet수는 다음과 갈이 정의된다.

Pe=Fe/De

Pn=Fn/Dn

Pw=Fw/Dw

Ps=Fs/Ds

- 50 -

여기서 F 및 D는 각각 대류항과 확산항을 나타낸다.

함수A(P)는 상류 도식을 사용할 경우 Peclet수의 함수로서 아래와 같이 표현된다.

나. 해의 수렴

본 연구의 지배방정식들이 비선형이므로 반복계산에 의한 해의 수렴이 필요한다.

반복계산시 종속변수들의 수렴정도를 점검하기 위하여 아래에 정의된 잉여치

(Residual) R값이 조사되었으며, 각 종속변수에 대하여 잉여치값이 10-3이하에 도

달하면 수립된 것으로 간주하였다.

여기서 φ는 일반변수, a는 이산화방정식의 계수, b는 생성항, 그리고 하첨자 p, nb

는 각각 계산제어체적과 인접제어체적의 격자점을 뜻한다.

본 계산을 위해서는 수렴조건을 만족하기 위하여 약 6,000회의 반복계산을 수행되

었으며 RAM 용량 2048 Mbite의 Pentium IV 2.6 GHz PC 에서 약 13시간이 소요

되었다.

- 51 -

5. 결과 및 고찰

본 연구에서는 유입 공기 온도를 21, 35 및 50℃로 변경하면서 고속 속도제어

BLDC 모터 주위의 기류분포 및 PCB 모듈 전자부품의 표면은 도를 예측하였다.

BLDC 모터 주위의 기류분포를 Fig. 6-2에 나타내었다. 그림에서 보듯이 공기는 좌

측에서 약 17 m/s로 유입되어 BLDC 모터 주위를 흐르면서 우측으로 유출된다. 이

때 유입된 공기는 BLDC 모터에서 발생된 열을 제거하는 역할도 수행하게 된다. 유

입 공기 온도를 21, 35 및 50℃로 변경 하였을때 예측된 PCB 모듈 전자부품의 표

면온도를 Fig. 6-3(a), (b) 및 (c)에 나타내었다. 그림에서 PCB 모듈 전자부품의

표면온도는 유입 공기 온도에 따라 26 ~ 49, 43 ~ 68 및 58 ~ 80℃ 정도로 증가

하고 있음을 알 수 있다. 또한 전력 변압기, 집적 회로, 서미스터 및 전압 레귤레이

터 등의 주요 발열 전자부품이 집중된 영역 ② ~ ⑤에서는 유입 공기 온도에 따라

45 ~ 52, 60 ~ 68 및 71 ~ 79℃ 정도로 고온화 되는 현상이 발생되고 있다. 이

는 유입공기온도가 높아짐에 따라 냉각공기로서의 기능을 수행하지 못하고 오히려

전자부품의 온도를 높여주기 때문이다. 일반적으로 주위 공기 온도가 증가함에 따

라서 각 전자부품의 온도분포는 약 10 ~ 15 ℃ 정도 상승되고 있음을 알 수 있다.

일반적으로 전자부품의 온도가 10℃ 상승하면 수명은 1/2로 감소한다고 이전 연구

를 통해 밝혀진바 있다. 본 연구모델인 BLDC 모터가 대공간의 열환경 개선을 위한

축류팬에 장착되거나 열적으로 열악한 환경에서 작동된다면 열신뢰성 측면에서 문

제가 발생될 것으로 사료된다. 따라서 열신뢰성 확보를 위한 열적 설계가 추가적으

로 요구된다고 판단된다.

- 52 -

Fig. 6-2 BLDC 모터 주위의 속도벡터

- 53 -

Fig. 6-3 PCB 모듈 내부 전자부품 표면온도분포

- 54 -

제 2 절 열응력 분포 시뮬레이션

고속 속도제어 BLDC 모터의 경우 일반적으로 전자부품은 열에 의해 고장이 발생되

지만 주기적으로 운전 및 정지가 반복된다면 열응력에 의해 전자부품 리드프레임부

에 피로 고장이 발생될 수 있다. 온도예측을 통하여 PCB 모듈의 주발열원은 전력

변압기, 집적 회로, 서미스터 및 전압 레귤레이터로 예측되었다. 따라서 본 연구에

서는 전압 레귤레이터를 연구모델로 설정하였으며 위치 및 형상을 Fig. 6-4에 나타

내었다. 전압 레귤레이터는 PCB 기판 한쪽면에 부착되는 SMD(Surface Mounted

Devices) 반도체 형태로 되어 있어 리드프레임에 크랙이 발생될 가능성이 크고 주

요 발열 부품이 밀집된 곳에 위치해 있기 때문이다. 유입 공기온도를 35 및 50℃로

변경할 때 발생되는 최대열응력 및 최대열변형률을 예측하고 이를 S-N 선도에 적

용하여 피로 사이클을 예측하였다.

1. 열응력 해석결과

유입 공기 온도를 50℃로 설정한 후 전압 레귤레이터에 가해지는 열응력을 Fig.

6-5에 나타내었다. 열응력이 주로 가해지는 부분은 이종 금속간의 접합부에서 발생

되며 PCB 기판에 부착되는 리드 프레임이 3.47 × 108 Pa 정도로 최대 열응력이

발생되고 있다. 유입 공기 온도를 35 및 50℃로 변경하면서 전압 레귤레이터에 가

해지는 최대열응력 및 최대 열변형률을 Table 6-3에 나타내었다.

- 55 -

Fig. 6- 4 진압레귤레이터(voltage regulator)의 위치

- 56 -

Fig. 6-5 전압레귤레이터의 열응력 분포

Table 6-3 전압레귤레이터의 최대열응력 및 최대열변형률

- 57 -

2. 피로수명 예측결과

전압 레귤레이터의 리드 프레임에 가해지는 최대 열응력을 S-N 선도에 작성하고

유입 공기 온도에 따른 피로 사이클을 예측하여 이를 Fig. 6-6에 나타내었다. 횡축

은 피로 사이클을 나타내고 종족은 리드 프레임의 최대 응력을 백분율로 나타내었

다. 여기서 case 1 및 case 2는 유입공기 온도가 각각 35 및 50℃인 경우를 나타

낸다.

Case 1의 경우 리드 프레임에 가해지는 최대 응력은 2.41 × 108 Pa이며 백분율로

환산하면 63%로 계산되고 이때 피로사이클은 1.05 × 105 으로 예측된다. 또한

case 2의 경우 리드 프레임에 가해지는 최대 응력은 3.47 × 108 Pa이며 백분율로

환산하면 91%로 계산되고 이때 피로사이클은 1.23 × 103으로 예측된다. 따라서

동일한 전자부품이라도 고온의 환경에서 주기적으로 운전되면 열응력 및 열변형을

커져 피로 사이클이 감소함을 알 수 있다.

Fig. 6-6 전압레귤레이터 리드프레임의 S-N 곡선

- 58 -

제 7 장 가속수명시험

제 1 절 시험장치

본 연구에서는 고속 속도제어 BLDC 모터의 주 고장 메커니즘은 고온에 의한 PCB

모듈 전자부품들의 파국고장으로 판단됨으로 가속 스트레스로서 온도를 선정하였

다. 고속 속도제어 BLDC 모터의 가속수명시험을 수행하기 위한 시험 장치를 Fig

7-1에 나타내었다. 그림에서 보듯이 시험 장치는 축류팬, BLDC 모터, 항온챔버,

전류계, 타이머로 구성된다.

온도를 가속스트레스로 부과 하여 가속수명시험을 수행하기 위해서는 항온챔버는

온도제어 범위가 -60℃ ~ 150℃이며, 온도 상승률과 온도 하강률이 각각 3℃/min

및 1℃/min의 사양을 가지고 있다.

제 2 절 시험방법

고속속도제어 BLDC 모터의 주 고장 메커니즘을 고려하여 본 연구에서는 모터에 서

제어부인 PCB 모듈을 분리시켜 실험을 수행하였다. 분리된 PCB 모듈은 항온챔버

안에 장착시켜 가속 시키고 구동부는 축류펜에 장착시켜 대기온도에서 가동 하였

다. 고장시간을 관측하기 위해 전류계를 이용하여 모터의 소요 전류를 실시간 측정

하였다. 이때 타이머는 전류가 흐르는 동안만 작동하며 고장 시점까지의 시간을 알

려준다.

온도 수준은 PCB 모듈에 부착된 전자부품의 작동 한계온도 범위를 넘지 않는 수준

에서 설정하였다. Table 7-1은 밀폐형 BLDC 모터 PCB 모듈에 부착되어 있는 각

전자부품의 작동 한계온도 범위를 나타낸다. Table에서 볼 수 있듯이 -85℃ ~

105℃로 가장 낮은 작동 한계온도 범위를 갖는 전자부품은 콘덴서이다. 본 연구에

서는 가속 수준 및 수준수를 선정함에 있어 Table에 나타낸 전자부품의 작동한계

온도 범위를 넘지 않는 수준과 수명모텔의 적정성을 평가할 수 있는 온도 수준 수

를 고려하여 85℃, 105℃의 두 수준으로 결정하였다.

- 59 -

Fig. 7-1 가속수명 시험장치

Table 7- 1 PCB 모듈 전자부품의 작동허용 온도

- 60 -

제 3 절 결과 및 고찰

1. 고장데이터

고속속도제어 BLDC 모터 PCB 모듈의 가속수명시험 결과를 Table 7-20에 나타내

었다. 85℃의 온도 수준에서 실험한 4개의 시료들은 각각 950, 988, 912, 922 [h]

에서 고장이 발생하였으며, 105℃의 온도 수준에서 실험한 3개의 시료들은 각각

266, 257, 251 [h]에서 고장이 발생하였다.

각 온도 수준에서 고장은 비슷한 시간대에 발생 하였으며, 온도 수준을 20℃ 증가

시킨 105℃ 온도 수준에서 실험하였을 때 수명은 거의 1/4로 줄어들었다.

가속수명시험 중 대부분의 고장은 PCB 모듈에 부착된 콘덴서에서 발생하였다, 따

라서 PCB 모듈에 부착된 콘덴서가 열적으로 가장 취약하고 밀폐형 BLDC 모터 고

장의 주요 인자로 사료된다. 고장이 발생된 콘덴서의 형상을 Fig. 7-2에 나타내었

다. 콘덴서는 전기를 축적하는 기능과, 직류전류를 차단하고 교류전류를 통과시키려

는 기능을 갖는 전자부품으로, 양의 전류가 인가되어 있는 얇은 알루미늄호일과 음

의 전류가 인가 되어있는 얇은 필름으로 이루어져 있다. 콘덴서는 고온의 환경에서

장시간 사용되는 공안 전해액이 고온의 열에 의해서 소손됨에 따라, 얇은 알루미늄

일의 절연이 파괴되어 고장이 발생된 것으로 판단된다.

- 61 -

Table 7-2 가속수명시험결과

Fig. 7-2 전해액 소손에 의한 캐패시터 고장

- 62 -

2. 가속성 검증

본 연구에서는 가속수명시험을 통해 획득한 고장 데이터를 여러 가지 고장분포 모

델에 적합 시켰다. Fig. 7-3는 밀폐형 BLDC 모터의 각 온도 수준별(T1, T2)고장 데

이터를 4개의 고장분포 모델에 타점한 결과를 나타내고 Fig. 7-3(b)는 고장 분포

모델에 따른 AD 지수 값을 나타낸다.

Fig. 7-3(a)에서 횡축 L은 수명을 나타내고, 종축 F(t)는 누적 고장률 분포를 나타

낸다. 그림에서 볼 수 있듯이 각 온도 수준 별AD값이 와이블 분포에서 2.616,

3.264로 가장 작게 나타남으로 본 연구에서는 와이블 분포를 고장분포 모텔로 결정

하였다.

Fig. 7-4는 85℃, 105℃의 가속 수준에서 수명-누적 고장률 분포를 나타낸다. 그

림에서 보듯이 85℃, 105℃의 수준에서 형상모수 (m) 의 값이 36.814로 일치하고,

추정된 각 온도 수준별 직선의 기울기가 동일함을 볼 때 가속성이 성립한다는 것을

확인할 수 있다.

3. 특성수명식 도출

본 연구에서는 가속수명시험을 통해 얻어진 수명 데이터를 분석하고, 가속성 검증

을 통해 밀폐형 BLDC 모터 PCB 모듈의 작동온도에 따른 수명식을 도출하였다. 수

명식은 앞서 언급한 수명과 온도 스트레스 관계에 적합한 아레니우스 관계식을 이

용하여 도출할 수 있다. 아레니우스 관계식의 양변에 자연대수 (ln)를 취하면 다음

과 같다.

식 (7-1)에서 수명의 대수값과 절대온도의 역수는 선형적인 관계를 나타내고 상수

lnα와 활성화 에너지 Eα을 구하면 PCB 모듈의 작동 온도에 따른 특성수명식을 도

출할 수 있다. lnα와 Eα는 가속수명시험을 통해

- 63 -

Fig. 7-3 고장분포모델 결정

- 64 -

Fig. 7-4 가속성 검증

- 65 -

얻은 각 온도 수준별 고장 데이터를 와이블 분포모델에 타점하였을 때 종축인 누적

고장분포 함수가 63.2%가 되는 특성 수명을 이용하여 계산 할 수 있다. Fig. 7-5

은 가속수명시험 결과를 이용하여 구한 각 온도 수준별 특성수명을 나타낸다. 여기

서 구한 두 개의 특성수명을 이용하면 lnα와 Eα를 구할 수 있다. 본 연구에서 구한

lnα와 Eα값은 각각 - 17.784[h]와 0.761 [eY]로, 이를 식 (7-1)에 대입하여 밀폐

형 BLDC 모터 PCB 모듈의 작동온도에 따른 특성수명식(L)을 다음과 같이 도출하

였다.

Fig. 7-5 각 온도 스트레스구간에서의 특성수명

- 66 -

제 4 절 열 신뢰성

가속수명시험을 통해 얻은 총 7개의 고장 데이터를 분석한 결과 85℃와 105℃의

온도 수준에서 각각 960,261 [h]의 특성수명이 산출 되었다.

온도수준이 20℃ 증가된 105℃에서는 85℃에서의 수명보다 약 1/4정도 감소한 결

과를 나타내었다. 이는 전자부품, 특히 알루미늄 콘덴서의 온도가 10℃ 증가하면

수 명이 1/2로 줄어든다는 “10℃ 법칙”을 상기해 볼 때 타당한 결과로 보인다.

본 연구에서 도출한 수명식을 이용하면 실제 관심 있는 상온 상태에서 밀페형

BLDC 모터 PCB 모듈의 수명을 산정할 수 있다. 하지만 수명식에서 변수인 온도는

밀폐형 BLDC 모터 PCB 모듈의 내부 작동온도임을 고려하여 일반 상온조건에서의

PCB 모듈의 내부 작동온도를 측정하였다. 앞에서 주위 공기온도가 20℃인 상온 상

태에서 PCB 모듈의 작동온도는 약 50℃로 측정되었다.

상온조건에서 고속 속도제어 BLDC 모터 PCB 모듈의 작동온도는 50℃로 주위 공

기온도 보다 약 30℃정도가 높다. 따라서 측정된 PCB 모듈 작동온도를 앞서 도출

한 수명식에 대입하면 14,045 [h]의 수명이 산출된다. 이는 모터를 하루 10시간씩

가동하였을 때 약 3.8년 정도의 수명을 갖는다는 추론을 할 수 있게 한다. Fig.

7-6은 고속 속도제어 BLDC 모터 PCB 모듈의 작동온도에 따른 특성수명을 그래프

로 나타낸 그림이다. 여기서 PCB 모듈의 작동온도 범위는 Capacitor의 작동한계

온도범위 내에서 유용하다.

이상의 논의에서 볼 때 만약 고속 속도제어 BLDC 모터가 장착된 축류팬이 대형 용

접공장과 같이 열성충화 문제가 심각하게 발생하는 작업장에서 운전될 경우 모터의

수명은 더욱 감소할 것으로 판단된다. 그러므로 고속 속도제어 BLDC 모터의 열신

뢰성 향상을 위한 방안이 도출되어야 한다.

- 67 -

Fig.7-6 작동온도에 다른 고속 속도제어 BLDC 모터의 수명

- 68 -

제 8 장 열 신뢰성 향상방안

본 연구에서는 임펠러 및 팬케이싱의 재질을 변경하면서 표면 온도를 측정하여 방

열 특성을 확인하였으며 고속 속도제어 BLDC모터의 표면온도 및 내부 PCB모듈

전자부품으로 표면온도와 열유속을 측정하였다. 또한 실험으로 측정하기 에는 매우

어렵기 때문에 팬 유입온도에 따른 PCB 모듈 전자부품의 리드프레임에 발생되는

열응력을 유입온도에 따라 예측하여 S-N 곡선에 적용하여 한계 수명 사이클을 예

측하였다. 최종적 PCB모듈의 가속수명시험을 수행하고 열신뢰성 분석을 통하여 한

계수명식을 도출하였다. 연구수행 결과 고속 속도제어 모터 내장형 팬의 열신뢰성

을 향상시킬 수 있는 방안을 크게 세가지로 구분하여 도출하였다. 임펠러의 열신뢰

성 향상, 팬케이싱의 열신뢰성 향상 및 BLDC 모터의 열신뢰성 향상을 통해 최종적

으로 고속 속도제어 모터 내장형 팬의 열신뢰성 향상 방안을 다음과 같이 도출하였

다.

제 1절 임펠러 및 팬케이스 향상

열신뢰성이 개선된 임펠러 및 팬케이스를 Fig. 8-1 및 Fig. 8-2에 나타내었다.

Fig. 8-1에서 보듯이 기존의 임펠러의 경우 고온에 의해 열팽창이 발생되어 팽창된

임펠러 블레이드와 팬케이싱이 서로 접촉, 고착되어 고장이 발생되었다. 따라서 본

연구에서는 임펠러의 치수를 재설계하여 기존 임펠러 대비 약 1 ㎜ 정도 직경을 줄

였으며 임펠러의 재질도 열전도성이 매우 높은 것으로 선택하여 임펠러의 방열 성

은을 향상시켰다. Fig. 8-2의 경우 기존의 플라스틱 팬케이스의 경우 방열불량으로

인해 BLDC 모터에서 발생된 열이 팬케이스를 통해 원활하게 제기되지 못하기 때문

에 팬케이스의 열변형을 야기시켜 고장이 발생되었다. 따라서 본 연구에서는 Fig.

8-2(b)와 같이 팬케이스의 재질을 알루미늄으로 교체하여 방열성능을 개선시켰다.

- 69 -

Fig. 8-1 열신뢰성이 향상된 임펠러

- 70 -

Fig. 8-2 열신뢰성이 향상된 팬케이스

- 71 -

제 2 절 고속 속도제어 BLDC 모터 향상

고속 속도제어 BLDC 모터의 주요 고장은 모터 내부의 PCB 모듈의 전자부품에서

발생된다. 실험 및 이론해석을 통해 밀폐구조의 PCB 모듈 전자부품에서 발생된 열

은 외부로 원활하게 전달되지 못하기 때문에 내부열은 정체화 되어 고온에 의한 고

장이 빈번하게 발생되었다. 따라서 PCB 모듈의 내각성능을 향상시키는 방안이나

PCB 모듈의 열설계를 재검토하여 BLDC 모터의 열신뢰성을 향상시키고자 한다.

BLDC 모터의 열신뢰성 향상 방안을 Fig. 8-3에 나타내었다. Fig. 8-3(a) 및 (b)에

서 보듯이 PCB 모듈의 냉각성능을 향상시킬 수 있는 방안 중의 한가지로 BLDC

모터 케이스에 냉각 유로를 형성하여 외부의 냉각 공기가 PCB 모듈 내부로 원활하

게 유입될 수 방안을 제시하였다. 그러나 이 방안은 냉각 공기의 유입이라는 냉각

성능의 향상을 가져올 수 있지만 먼지 또는 분진등의 입자가 PCB 모듈 내부로 유

입되어 절연파괴 또는 쇼트에 의한 고장을 야기시킬 수 있기 때문에 적용하기가 힘

들다. 따라서 Fig. 8-4(a) 및 (b)와 같이 PCB 모듈의 열설계를 재검토하여 PCB 모

듈 전자부품에서 발생되는 열이 한곳에 집중되지 않고 분산될 수 있도록 개선하였

다. 이는 PCB 모듈 내부의 작동 온도를 감소시켜 결과적으로 열신뢰성을 향상시키

는 방법이다. PCB 모듈의 열설계를 재검토하여 열신뢰성이 향상된 BLDC 모터를

Fig. 8-5에 나타내었다.

제 3 절 최종 개선 고속 속도제어 모터 내장형 팬

본 연구를 통해 최종적으로 열신뢰성이 개선된 고속 속도제어 모터 내장형팬을

Fig. 8-6에 나타내었다. 열신뢰성 향상은 재질 변경 및 치수 재설계를 통하여 임펠

러의 열신뢰성을 향상시켰으며, 알루미늄 팬케이스를 적용한 방열성능 개선을 통해

팬케이스의 열신뢰성 향상을 도출하였다. 또한 BLDC 모터 내부의 제어부인 PCB

모듈의 열설계를 재검토하여

- 72 -

Fig.8-3 팬 케이스 열신뢰성 향상 방안 검토

Fig.8-4 PCB 모듈 열신뢰성 향상 방안 검토

- 73 -

Fig.8-5 열신뢰성이 향상된 BLDC 모터

PCB 모듈 전자부품에서 발생되는 열이 한곳에 집중되지 않고 분산될 수 있도록 개

선하였다. 임펠러, 팬케이스 및 BLDC 모터의 열신뢰성 향상은 결과적으로 고속 속

도제어 모터 내장형 팬의 열신뢰성을 향상시켰으며 기존 팬 수명이 약 15,000시간

으로 예측된 것에 비해 개선된 팬의 수명은 약 25,000시간으로 가속수명시험을 통

해 검토되었다. 파라서 본 연구를 통해 고속 속도제어 모터 내장형 팬의 열신뢰성

을 향상 시킬 수 있는 방안을 도출하였고 이를 통해 열신뢰성이 개선된 최종 개선

팬을 개발하였다.

- 74 -

Fig. 8-6 열신뢰성이 향상된 고속 속도제어 BLDC모터내장형 팬 최종 시작품

- 75 -

제 9 장 결 론

본 연구에서는 고속 속도제어 BLDC 모터 내장형 팬의 열적 고장원인을 분식하고

가속수명시험을 통해 온도에 따른 수명식을 도출하였다. 또한 주요 고장 부위 및

고장 인자를 분석하여 열 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방안을 도출하고 이를 통해

열신뢰성이 향상된 팬을 개발하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 고속 속도제어 BLDC 모터 내장형 팬의 고장은 크게 열변형에 의한 임펠러 고

장, 방열불량으로 인한 팬케이스 고장, 열화 및 열응력에 의한 BLDC 모터 제어부

인 PCB 모듈의 고장으로 구분될 수 있다.

2. BLDC 모터 제어부인 PCB 모듈의 온도분포를 측적하였으며 주요 발열원은 전력

변압기(power transformer), 집적 회로(integrated circuit), 서미스터(thermistor) 및

전압 레귤레이터(voltage regulator)등의 전자부품이 집중된 영역이다. 주요 발열 부

품의 영역의 온도분포는 38 ~ 47℃ 정도로 나타나고 있다. 또한 주 발열원의 열유

속은 180 ~ 200W/㎡ 의 분포를 보호하고 있다.

3. 임펠러의 및 팬케이스 재질을 알루미늄 및 플라스틱으로 변경하여 각각의 표면

온도를 측정하였다. 알루미늄 임펠러의 경은 표면온도는 26 ~ 28℃의 온도분포를

보이고 있으며 플라스틱의 경우 26 ~ 31℃의 온도분포를 보이고 있다. 이는 플라

스틱 임펠러 경우 중앙부에 열이 집중되어 임펠러 블레이드 부분과의 온도차가 크

게 발생하여 열변형에 의한 고장 가능성이 크다. 플라스틱 팬케이스의 경우 모터에

서 발생된 열이 팬케이스를 통해 원활하게 전달되지 않으므로 모터 표면은 도가 알

루미늄에 비해 10℃이상 높은 온도를 나타내고 있다. 이는 팬케이스의 방열성능이

불량한 것으로 팬케이스 열변형에 의한 고장 및 모터 내부의 열적 고장을 가속시킬

수 있다.

- 76 -

4. 온도분포 시뮬레이션을 통하여 유입 공기 온도에 따른 BLDC 모터 제어부 PCB

모듈의 온도를 예측하였다. 유입 공기 온도를 21, 35 및 50℃로 설정하였을 때

PCB 모듈 전자부품의 표면온도는 26 ~ 49, 43 ~ 68 및 58 ~ 80℃ 정도로 증가

됨을 알 수 있었다. 주요 발일원은 주위 온도에 따라 각각 45 ~ 52, 50 ~ 68 및

71 ~ 79℃ 정도로 예측되었다.

5. 열응력 분포 시뮬레이션을 통하여 전압 레귤레이터 전자부품의 리드프레임에 가

해지는 최대 열응력 및 최대 열변형률을 예측하였다. 또한 S-N 곡선에 의한 피로

사이클을 예측하여 전압 레귤레이터의 경우 유입 공기 온도가 50℃일 경우 1.23 ×

103으로 예측되었다.

6. 총 7개의 고속 속도제어 BLDC 모터 PCB 모듈을 85℃ 온도 수준에서 4개, 10

5℃ 온도 수준에서 3개로 분배하여 가속수명시험을 수행한 결과 각각 912 ~ 988

[h], 251 ~ 266 [h]에 고장이 발생하였으며, 고장 부픔은 PCB 모듈에 부착되어

있는 콘덴서이고, 고장 메커니즘은 콘덴서의 전해액 소손에 의한 절연파괴 고장으

로 판단된다. 이때 가속 수명시험을 통해 얻은 고속 속도제어 BLDC 모터의 고장데

이터는 와이블 분포에 적합하며, 특성수명식은 lnL= -18.4332+(8831.4/T)으로 표

현될 수 있다. 이는 PCB 모듈의 작동온도가 50℃인 상온 상태에서 특성수명은

14.045 [h]로 예측되었다.

7. 본 연구를 통해 최종적으로 열신뢰성이 개선된 고속 속도제어 모터 내장형팬을

개발하였다. 개선된 펜의 수명은 약 25,000시간으로 예측 되었다. 열신뢰성 향상은

재질 변경 및 치수 재설계를 통하여 임펠러의 열신뢰성을 향상시켰으며, 알루미늄

팬케이스를 적용한 방열성능 개선을 통해 팬케이스의 열신뢰성을 향상하였다.

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또한 BLDC 모터 내부의 제어부인 PCB 모듈의 열설계를 재검토하여 PCB 모듈 전

자부품에서 발생되는 열이 한곳에 집중되지 않고 분산될 수 있도록 개선하여 열신

뢰성 향상 방안을 도출하였다.

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주 의

1. 이 보고서는 산업자원부에서 시행한 중소기업신뢰성향상지원사업의

최종보고서이다.

2. 이 신뢰성향상지원과제의 내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시

산업자원부에서 시행한 중소기업신뢰성향상지원사업의 결과임을 밝혀

야 한다,

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