[기술 연구 보고서] 모터 발열 원인에 관한 기술 보고서

기술 연구 보고서

모터 발열 원인에 관한 기술 보고서

주제	모터 발열 원인
작성일	2025년 6월 15일 일요일
작성자/정비 담당자	이민주

 

1.     개요

볼링기계는 복수의 유도전동기를 통해 공의 회수, 핀의 세팅 등의 기능을 수행하는 복합 기계 시스템이다. 이러한 유도전동기들은 반복적인 기동/정지와 짧은 시간 간격의 연속 운전을 특징으로 하며, 장시간 동안 고정밀 동작을 요구받는다. 그러나 반복된 기동, 밀폐된 설치 환경, 오염 및 온도 변화에 지속적으로 노출되면서 전동기 내부에 열이 축적되고, 이는 결국 성능 저하 및 고장의 직접적인 원인이 된다.

특히 여름철과 같이 기계실 내부 온도가 상승하는 환경에서는 외부 냉각 효율이 떨어지며, 절연 한계에 근접하는 과열 상태가 빈번하게 발생한다. 발열로 인해 절연 열화, 누설 전류, 냉각팬 손상 등의 문제가 연쇄적으로 일어날 수 있으며, 이는 단순한 전동기 교체를 넘어 전체 장비 운영의 중단으로 이어질 수 있는 잠재적 위험요소다.

본 보고서는 발열 원인을 구조적, 전기적, 환경적 관점에서 다층적으로 분석하고, 이를 통해 적절한 진단 체계와 예방 중심의 대응 전략을 제시하고자 한다. 이를 통해 유지보수 관리자들이 고장 발생 이전에 위험 신호를 감지하고, 신속하게 대응할 수 있는 실무 기준을 마련하는 것을 목적으로 한다.

 

 

2.     실제 사례 분석

 

 

3.     발열 주요 원인

3.1  기계적 부하 증가

볼링기계에서 사용하는 전동기는 벨트, 롤러 등 다양한 회전계 부품과 연결되어 있으며, 이들 부품이 마모, 이물질 유입, 정렬 불량 등의 요인에 의해 저항을 증가시키는 경우가 많다. 회전 저항이 커지면 전동기는 동일한 회전수를 유지하기 위해 더 많은 전류를 소모하게 되며, 이는 구리손실을 증가시켜 발열을 가중시킨다.

참고: IEC 60034-1 및 국내 산업안전보건기준에 따르면, 과부하로 인한 전류 증가 시 전동기 온도는 급격히 상승하며, 절연 수명 단축의 주요 원인이 된다.

 

3.2  냉각 기능 저하

유도전동기는 자체 냉각팬을 통해 외부 공기를 흡입하여 내부 열을 방출하는 구조를 갖는다. 그러나 실제 현장에서는 팬 회전 불량, 통풍구 막힘, 내부 먼지 축적 등으로 인해 냉각 성능이 저하되는 사례가 빈번하다. 냉각 불량은 단기적으로는 외피 온도 상승을 유발하며, 장기적으로는 코일 내부의 절연 파괴로 이어질 수 있다. 특히 밀폐된 기계실 구조에서는 외부 공기의 유입 자체가 차단되어 냉각 효과가 극도로 떨어질 수 있다.

참고: NEMA MG-1 가이드라인에서는 냉각팬의 손상 또는 오염에 의한 열 축적을 유도전동기의 대표적 발열 요인으로 명시하고 있다.

 

3.3  절연 열화 및 누설 전류

전동기의 권선은 절연 에나멜과 수지를 통해 보호되지만, 시간이 지남에 따라 열, 습기, 먼지 등에 노출되며 절연 성능이 저하된다. 절연저항이 낮아지면 누설 전류가 프레임을 통해 흐르게 되고, 이는 누에 보이지 않는 형태의 국소 발열로 이어진다. 절연 저항이 1MΩ 이하로 떨어질 경우에는 절연 파괴, 스파크, 화재 등의 위험도 동반된다. 이러한 절연 열화는 반복된 과열의 결과로 축적되는 경우가 많다.

참고: 절연 열화는 IEC 및 KS 기준 모두에서 누설 전류 및 국부 발열의 주요 원인으로 간주되며, 정기적인 절연저항 측정을 통해 조기 감지가 가능하다.

 

3.4  전원 불균형 및 반복 기동

볼링기계는 구조적으로 시동과 정지가 번번히 반복되는 작업 특성을 지닌다. 이로 인해 모터는 수 차례의 과도한 기동 전류(정격의 5~8배 수준)를 견뎌야 하며, 이는 짧은 시간 안에 권선 온도를 급상승시킨다. 여기에 전원 불균형(삼상 전압 불균형 또는 저전압 상태)이 결합되면 특정 상에 과부하가 집중되며 발열 위험은 더욱 커진다. 반복 기동이 잦은 계통에서 주로 발생한다.

참고: KSC IEC 60034-26에 따르면, 2% 이상의 전원 불균형은 10% 이상의 온도 상승을 유발할 수 있으며, 반복 기동 시에는 과열을 방지하기 위해 최소 정지 시간을 확보해야 한다.

 

3.5  모터 노후화

모터의 사용 연한이 길어질수록 내부 권선의 산화, 코어 적층 손상, 절연재 경화 등의 문제가 발생하며 기본적인 전기적 효율이 저하된다. 이로 인해 동일 부하 조건에서도 더 많은 전류를 소모하게 되며, 내부 열 발생량은 점진적으로 증가한다. 특히 히스테리시스 손실과 와류 손실이 함께 증가할 경우, 무부하 상태에서도 발열이 계속되는 현상이 나타난다. 이러한 노후 모터는 일반적인 유지관리만으로는 상태를 복구하기 어렵다.

참고: ANSI/EASA AR100 지침에서는 10년 이상 사용된 모터는 절연/권선/코어 상태를 종합 평가하여 재절연 또는 교체 기준을 마련해야 한다고 명시함.

 

3.6  고온 환경 영향

여름철에는 기계실 내부 온도가 35℃ 이상으로 상승할 수 있으며, 이 경우 냉각 공기의 유입 온도 자체가 높아져 냉각 효율이 급감한다. 전동기 일반적으로 40℃ 이하의 주위 온도를 기준으로 정격이 설계되어 있으며, 내부 권선은 주위 온도 + 80~105K 수준까지 허용되도록 설계된다. 따라서 실내 온도가 높아질수록 발열 여유 범위는 급격히 즐어들고, 절연 한계에 근접하는 고온이 단시간에 형성될 수 있다.

참고: IEC 60034-1 및 NEMA MG-1에서는 주위 온도 40℃ 초과 시 고온 환경으로 간주되며, 출력 보정 또는 냉각 조건 변경 등 설계상 고려가 필요하다.

 

 

4.     모터 발열 허용 기준

유도전동기의 발열 상태를 판단하기 위해서는 두 가지 기준이 동시에 고려되어야 한다. 하나는 전동기의 절연 등급(Insulation Class)에 따른 권선 내부 온도 한계이며, 다른 하나는 실제 현장에서 비접촉 온도계 등을 이용하여 측정하는 모터 외피(표면) 온도 기준이다.

일반적으로 모터는 Class B, F, H 등으로 분류되는 절연 등급에 따라 내부 권선이 견딜 수 있는 최대 온도가 정해진다.

볼링기계에 사용되는 대부분의 소형 유도전동기는 Class F(155℃) 등급에 해당하며, 이는 주위 온도 40℃ 기준으로 권선 온도 상승 105K까지 허용된다는 의미다.

하지만 실무에서는 내부 권선 온도를 직접 측정하기 어렵기 때문에, 보통은 모터 외피 온도 + 20 ~ 30℃를 더하여 권선 온도를 추정하는 방식이 사용된다. 이 때문에 외피 온도가 일정 수준이상을 초과하면 절연 접근으로 간주하게 된다.

 

4.1  절연 등급별 권선 온도 허용 기준

절연 등급	기준 주위 온도	권선 온도 상승 허용	총 허용 온도 한계
CLASS B	40℃	80K	120℃
CLASS F	40℃	105K	145℃
CLASS H	40℃	125K	165℃

이 기준은 정상 주위 온도 조건에서의 내부 권선 허용치이며, 실제 운전 환경이 고온일 경우 이보다 더 낮은 여유 한계로 판단해야 한다.

 

4.2  모터 외피(표면) 온도 기준

외피 온도	실무 판단 기준	조치 권고
≤ 60℃	정상	유지 운전 가능
60~70℃	경계	주기적 모니터링 필요
70~90℃	고온 상태	부하 점검 및 냉각 강화 필요
≥ 90℃	이상 고온	원인 진단 및 운전 중지 검토
≥ 100℃	위험 수준	즉시 정지, 절연 파손 가능성 높음

모터 외피 온도는 내부보다 약20~30℃ 낮게 나타나므로, 현장에서 외피 온도가 70~90℃ 범위에 도달하면 권선 온도는 이미 100℃이상으로 추정되며, 이는 Class F 모터 기준에서 열적 경계선에 해당한다.

 

4.3  기계실 온도와 발열 여유 관계

모터 정격 설계는 주위 온도 40℃를 기준으로 하며, 실무에서는 이를 고려하여 기계실 내부 온도 35℃를 고온 경계선으로 설정하는 것이 일반적이다. 35℃를 초과하면 외기 흡입 온도가 높아져 냉각 효율이 급감하고, 냉각팬이 동일하게 작동하더라도 실질적인 열방출이 제한된다.

따라서 기계실 온도가 35℃ 이상으로 올라가면, 모터 외피 온도가 동일 부하 조건에서도 10~15℃ 더 상승하게 되며, 절연 한계 도달 시간이 단축되고 고장 발생 확률이 높아진다.

참고: IEC 60034-1 및 NEMA MG-1 모두에서 주위 온도 35℃ 초과 시 고온 환경 대응을 강화할 것을 명시하고 있음.

 

 

5.     대응 방안 및 결론

볼링기계용 유도전동기의 발열 문제는 단일 요인보다는 복합적인 원인의 상호작용으로 인해 발생한다. 특히 기계적 부하 증가, 냉각 성능 저하, 절연 열화, 전원 품질 저하, 고온 환경 노출 등이 동시에 작용할 경우, 모터는 정격 범위를 초과하여 운전하게 되고, 이로 인해 열축적과 고장 위험이 급격히 증가하게 된다.

현장에서 실제 발열 문제가 발생했을 때는 단순한 모터 교체보다는 그 원인에 대한 정확한 진단과 예측 가능한 대응 체계가 우선되어야 하며, 예방 중심의 관리 전략이 필요하다.

 

5.1  단기적 대응 방안

•   모터 외피 온도 70℃ 초과 시 즉시 전류 및 절연저항 측정을 수행하고, 정격 초과 시 즉각적인 부하 원인 점검 실기

•   냉각팬 회전 불량 또는 통풍구 막힘 확인 및 분기별 청소 루틴 강화

•   베어링 마모, 벨트 장력 이탈 등 구동계 저항 요소 수기 점검 후 필요 시 부품 교체

•   기계실 온도 35℃ 초과 시 국소 냉방장치 또는 송풍기 도입을 통한 온도 하강 조치

 

5.2  장기적 대응 전략

•   모터별 전류/온도 이력 관리 체계 구축: 클램프미터 측정 및 온도기록표 주간 점검으로 추세 감시

•   기계실 온도/습도 통합 관리 시스템 운영: 계절별 냉방 보조 전략 및 환기 개선 계획 반영

 

5.3  결론

전동기의 발열 문제는 단지 온도의 상승을 넘어, 설비 전체의 신뢰성에 영향을 주는 중대한 경고 신호이다. 특히 반복기동, 폐쇄형 설치 환경, 고온기 운전이 빈번한 볼링기계의 구조적 특성을 고려할 때, 모터 발열에 대한 실시간 대응과 예측 진단은 안전 확보와 장비 수명 연장의 필수 조건이 된다.

정기적이 절연저항 및 온도 측정, 냉각 기능 유지관리, 부하 저항 감시, 그리고 주위 환경의 체계적 제어를 통해 발열 원인을 사전에 차단하고, 고장을 예방할 수 있는 운영체계의 정착이 요구된다.

 

 

6. 부록

모터 발열 외피 온도 측정및 내부 단선 사진자료.

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Technical Research Report

(Cause of Motor Overheating)

Subject: Causes of Motor Overheating
Date: Sunday, June 15, 2025
Author / Maintenance Technician: Minju Lee

 

1. Overview

Bowling machines are complex mechanical systems powered by multiple induction motors that perform functions such as ball return and pin setting. These induction motors are characterized by frequent starts/stops and short-interval continuous operations, requiring high-precision operation over long periods. However, repeated starts, enclosed installation environments, contamination, and ongoing exposure to temperature fluctuations cause heat to accumulate inside the motors, ultimately resulting in performance degradation and direct failures.

In particular, during the summer season when the internal temperature of the machine room rises, the efficiency of external cooling decreases, and overheating conditions near the insulation limit frequently occur. Overheating can trigger a chain of issues such as insulation degradation, leakage current, and cooling fan damage, which may escalate from a simple motor replacement to a full-scale shutdown of equipment operations.

This report provides a multi-layered analysis of overheating causes from structural, electrical, and environmental perspectives. It aims to present an effective diagnostic system and preventive countermeasures, enabling maintenance personnel and facility managers to detect early warning signs and respond promptly based on practical standards.

 

2. Case Study Analysis

 

 

3. Major Causes of Overheating

3.1 Increase in Mechanical Load

Induction motors used in bowling machines are connected to rotating parts such as belts and rollers. These components often develop increased resistance due to wear, foreign object intrusion, or misalignment. As rotational resistance increases, motors consume more current to maintain the same rotational speed, resulting in increased copper losses and aggravated heat generation.

Reference: According to IEC 60034-1 and domestic occupational safety standards, increased load-induced current leads to a sharp temperature rise and becomes a key factor in insulation life reduction.

 

3.2 Deterioration of Cooling Function

Induction motors use internal cooling fans to draw in ambient air and dissipate internal heat. However, in field conditions, fan malfunction, blocked ventilation inlets, and internal dust accumulation often lead to reduced cooling performance. Cooling failure initially raises the external temperature of the motor and, over time, can result in insulation breakdown of the windings. In enclosed machine rooms, ambient airflow is significantly restricted, further worsening the cooling inefficiency.

Reference: NEMA MG-1 guidelines classify heat buildup due to fan damage or contamination as a representative cause of overheating in induction motors.

 

3.3 Insulation Deterioration and Leakage Current

Motor windings are protected by enamel and resin insulation. Over time, exposure to heat, moisture, and dust degrades the insulation, reducing insulation resistance. When resistance drops, leakage current can flow through the motor frame, causing localized, invisible heating. If insulation resistance falls below 1 MΩ, the risk of insulation breakdown, sparking, or fire increases significantly. Such deterioration is often the result of repeated overheating.

Reference: Both IEC and KS standards consider insulation degradation a major cause of localized heating and leakage, and recommend periodic insulation resistance measurements for early detection.

 

3.4 Power Imbalance and Repeated Starts

Bowling machines inherently operate with frequent start-stop sequences. Motors are repeatedly subjected to inrush currents (typically 5–8 times the rated value), causing rapid temperature rise in the windings. Combined with power imbalance (e.g., three-phase voltage imbalance or undervoltage), load is concentrated on a specific phase, increasing the risk of overheating—especially in high-frequency components such as ball lifts and returns.

Reference: KSC IEC 60034-26 states that voltage imbalance exceeding 2% can cause more than 10% temperature rise. It also recommends ensuring minimum stop times between starts to avoid overheating.

 

3.5 Motor Aging

As motors age, winding oxidation, core lamination damage, and insulation hardening occur, degrading overall electrical efficiency. As a result, even under the same load conditions, aged motors draw more current and generate more internal heat. If both hysteresis and eddy current losses increase, overheating may occur even under no-load conditions. These aged motors are often beyond recovery through standard maintenance.

Reference: ANSI/EASA AR100 recommends that motors used for over 10 years undergo comprehensive evaluation of insulation, winding, and core status for possible rewinding or replacement.

 

3.6 Impact of High-Temperature Environment

In summer, internal machine room temperatures can exceed 35°C. In such cases, incoming cooling air is already warm, drastically reducing cooling efficiency. Motors are generally rated for ambient temperatures of 40°C, with winding temperature rises of 80–105K. Therefore, as ambient temperatures increase, thermal headroom decreases, and the motor can rapidly approach its insulation limit.

Reference: IEC 60034-1 and NEMA MG-1 define ambient temperatures above 40°C as high-temperature conditions and recommend implementing localized cooling or ventilation measures.

 

 

4. Allowable Motor Temperature Standards

Evaluating a motor’s thermal condition requires considering both the insulation class limit of the windings and the measured external surface temperature.

Induction motors are categorized by insulation class (e.g., B, F, H), which defines the maximum allowable internal temperature. In bowling machines, most small motors are Class F (155°C), meaning they can tolerate a winding temperature rise of up to 105K at a 40°C ambient condition.

Since internal winding temperatures are difficult to measure directly, field engineers typically estimate winding temperature by adding 20–30°C to the measured surface temperature. Therefore, when the surface temperature exceeds a certain threshold, it is considered a warning signal for approaching the insulation limit.

4.1 Insulation Class and Allowable Winding Temperatures

Insulation Class	Ambient Temp	Allowable Temp Rise	Total Limit
Class B	40°C	80K	120°C
Class F	40°C	105K	145°C
Class H	40°C	125K	165°C

These limits apply under standard ambient conditions; actual field conditions may require lower thresholds for safe operation.

 

4.2 Motor Surface Temperature Guidelines

Surface Temp	Field Interpretation	Recommended Action
≤ 60°C	Normal	Safe to operate
60–70°C	Caution	Monitor periodically
70–90°C	High	Inspect load & improve cooling
≥ 90°C	Overheat	Diagnose & consider shutdown
≥ 100°C	Critical	Immediate shutdown, risk of insulation failure

Since surface temperatures are typically 20–30°C lower than winding temperatures, a surface temperature of 70–90°C implies that internal windings may already exceed 100°C—close to the thermal limit for Class F motors.

 

4.3 Relationship Between Room Temperature and Thermal Margin

Motor specifications assume an ambient temperature of 40°C. In practice, however, a machine room temperature of 35°C is often treated as a high-temperature threshold. Above this level, the intake air is already too warm for effective cooling, and even fully functioning fans cannot dissipate heat effectively.

If the machine room temperature exceeds 35°C, surface temperatures can rise by an additional 10–15°C under the same load conditions. This drastically shortens the time it takes for the motor to reach its thermal limit, significantly increasing the risk of failure.

Reference: Both IEC 60034-1 and NEMA MG-1 stress enhanced thermal management above 35°C ambient conditions.

 

 

5. Countermeasures and Conclusion

Overheating in bowling machine motors typically results from the interaction of multiple factors—mechanical load increase, cooling inefficiency, insulation deterioration, poor power quality, and high-temperature exposure. These conditions often drive motors beyond their design limits, leading to thermal accumulation and elevated failure risk.

In real-world operations, addressing overheating requires more than replacing faulty motors. A diagnostic-driven and preventive maintenance strategy must be prioritized to reduce downtime and enhance system reliability.

 

5.1 Short-Term Actions

• If surface temperature exceeds 70°C, immediately measure current and insulation resistance, and inspect for load anomalies.
• Check for fan malfunction or blocked ventilation; reinforce quarterly cleaning routines.
• Inspect for worn bearings or loosened belts; replace components as needed.
• If room temperature exceeds 35°C, install spot cooling or ventilation fans.

 

5.2 Long-Term Strategies

• Establish motor temperature/current tracking: Weekly logging via clamp meter and temperature records.
• Implement room temperature/humidity control system: Include seasonal cooling strategies and ventilation planning.

5.3 Conclusion

Motor overheating is not just a thermal issue—it is a critical warning signal affecting the entire system’s reliability. Given the high frequency of starts, closed installation environment, and seasonal heat exposure, real-time response and predictive diagnostics are essential for bowling machine motors.

Periodic insulation resistance and temperature measurements, cooling maintenance, load resistance checks, and environmental control are crucial to preventing heat-related failures and establishing a stable operational system.