모터를 사용하게 되면 동손 및 철손과 같은 내부 손실에 의해 주울열이 발생하게 되는데,  발생되는 열량의 일부는 내부에 축적되어 모터의 내부온도를 상승시키고 나머지는 열 전달이 이루어져서 궁극적으로는 열적 평형을 이루게 되겠지만, 모터를 구성하는 부품들은 허용 가능한 내열등급이 정해져 있다 보니 모터를 사용할 때는 항상 구성된 부품이 가지고 있는 최저 내열 등급 이하에서 사용해야만 한다.

온도 상승에 의한 모터의 수명이 10℃ 반감 또는 8℃ 반감된다는 주장도 있다. 
모터의 온도가 가장 높은 곳은 권선부가 되므로 우선적으로 고려되는 것이 권선의 피막과 절연체가 해당된다.

모터의 온도를 측정하는 방법은 외부에 Thermocouple을 심어서 표면온도를 측정하거나, 내부에 Thermopaper를 부착하는 방법이 있지만, 권선자체만의 온도를 알고자 하는 경우에는 비교적 쉬운 방법이 있다.

금속의 저항이 온도에 대해 일차함수로 변한다는 것을 활용하는 것으로 해당 금속의 고유저항을 알고 있으면 된다. 회전자 단품 상태에서 측정하는 방법은 정류자의 Segment에 접촉하면 되지만, 모터 상태에서는 측정되는 저항이 Brush에서 발생하는 접촉저항 등을 포함하고 있으므로 순수한 권선의 저항이라고 보기는 어렵지만, 저항의 변화량을 알면 되므로 충분히 사용이 가능할 것으로 판단 된다.

저항 - 온도 특성

금속도체는 온도 상승과 함께 저 항은 점점 직선적으로 증가하지만, 반도체는 반대로 급격한 저항 감 소를 보인다.

금속은 온도가 증가하면 원자의 진동이 격렬해져 전자가 이동할 때, 원자 와의 접촉이 심해져 전자운동이 방해를 받는다.

반도체는 전자가 풍부하지 않은 물질로 온도 증가는 원자핵의 핵력이 감소 하는 결과를 가져온다. 따라서 전자의 에너지가 증가하고 전자의 이동이 더욱 활발하여 진다.

자유전자가 많은 물질인 금속은 온도 증가가 원자의 접촉을 심화시켜 오히려 전자운동이 방해가 되어 저항이 심해지는 결과를가져 오고, 반도체는 온도증가가 전자 의 에너지 증가로 이동이더욱 쉬워져서 저항의 감소현상이 일어난다.

주울 열과 전력

전기도 작업 능률이라는 점에서 생각해 볼 때, 일반적으로 1초간에 하는 작업을 일의 능률이라고 하듯이 전류가 1초간에 하는 일. 즉, 전류의 작업 능률을 전력이라고 한다. 

도체에 가해지는 전압을 V(V), 전류를 I(A)라고 하면 1초간 발생하는 열량은 Q=VI ×1 = V·I(주울)이다.

따라서 전기가 1초 동안에 하는 일, 곧 전력을 P라고 하면,

P=VI (Watt)가 된다. 전력의 단위로는 와트(기호는 W)가 사용된다.

또 전력의 계산식은 전력(W)= 전압(V)×전류(A) 라고 표시한다. 1와트란 전압이 1볼트, 전류가 1암페어일 때의 전력을 말한다. 또 저항을 R(Ω)라하면 오옴의 법칙 V=IR에서 다음과 같이 표시할 수도 있다. 

P = I^2·R = V^2 / R (Watt) 

전기가 하는 일의 양은, 전력(1초동안에 하는 일)에다, 일을 한 사건을 곱하면 될 것이다. 이것을 전력량(電力量)이라고 한다. 따라서 전력량은  (전력량)=(전력)×(시간) 이 된다. 

전력량의 단위는 와트·시(기호는 Wh)로 표시하는데, 보통은 킬로와트·시(기호는 kWh)가 사용된다. 이것은 1킬로와트

의 전력을 1시간 사용했을 때의 전력량이다.

권선저항의 변화에 따른 온도 변화량 계산

　

아래표에서 황색란에 값을 넣어보자. 얼마가 될까

온도 상승을 구하는 계산법은 다음과 같다.

    deg(△T) = [(R2 - R1) X (234.5 + T1)/R1] - (T2 - T1)
    R1 : 온도상승 시험 전의 권선 저항
    R2 : 온도상승 시험 후의 권선 저항
    T1 : 온도상승 시험 전의 주위온도
    T2 : 온도상승 시험 후의 주위온도
    234.5 : 동선의 온도 계수

　

모터를 빈번하게 기동, 정지하거나, 회전 방향을 교환하거나, Brake 장치에 의해 순간 정지를 빈번하게 반복하면 모터의 온도 상승은 더욱 높아진다. 모터의 수명은 온도가 낮을수록 유리하다. 또한 권선 저항이 증가하면 모터의 통전 전류가 줄어 들고, 회전수도 낮아지게 되어 힘이 떨어지는 것으로 나타난다.

보다 자세한 설명은 여기서 생략하기로 한다. 모터의 특성도와 전기의 기본 법칙을 알면 이해될 것이다.

모터에서 발생되는 열량과 온도 상승

모터에서는 Loss가 열로 변환한다고 볼 때 발생되는 열량은 다음과 같이 계산된다.

　

1w란 1초간에 1J을 일을 하는 것으로 [1w=1V*1A=1 J/s]

1J = 0.24 cal.이고 1w는 1초간에 0.24cal의 열량을 발생하니

열량 Q=0.24 * P * t (cal) = 0.24 * V * I * t (cal) = P * t (J)

모터의 Loss가 열로 변환되므로, 모터 효율을 ξ 로 표시하면 Q=0.24*V*I*(1-ξ)*t [cal] 가 되고, 모터의 평균비열 (cal/g℃)을 곱하면 모터의 온도상승 정도를 계산해 볼 수 있다.

　

아래표에서 황색란에 값을 입력해 보자.

　

여기서 모터의 평균비열은 재질별 무게와 비열의 평균적인 값이며, 전 부품의 열 전달 속도는 동일하되 외부로의 열 이동이 없는 이상적인 상황으로 한정한다. 실제적으로는 각 부품의 열 전달이 이루어질 뿐 아니라 열 전달 계수가 다르므로 권선부위에서 먼저 온도가 상승하고, 외부 표면의 온도가 가장 낮을 것이다. 어느 정도 시간이 경과하면 모터는 평형을 이루게 된다. 따라서 특정 부위의 온도상승선도는 무리함수곡선과 같은 형태로 나타난다.

온도 상승에 대한 보호 방법

과도한 조건에서 모터를 사용하게 되면 모터가 손상되거나 수명이 현저히 감소하게 되므로, 과도한 온도 이상에서는 모터의 운전을 중단시키는 보호장치를 추가하게 되는데 두 가지의 방법을 사용할 수 있다.

　

Thermally Protected Type

바이메탈을 이용하거나 PTC를 사용하는 경우가 있다.

　

Thermal Protector는 대개 Bimetal 구조로 되어 있으며, 모터 내의 회전자(rotor)에 설치되어 있다. 그 동작은 다음과 같은 온도 특성을 가지고 있다. 개방 온도는 120℃ 전후 (±5℃) 이고, 복귀 온도는 77℃ 전후 (±15℃) 이다. 이러한 Thermal Protector를 구비하고 있는 전동기는 설정온도값 이하로 떨어지면 전동기가 다시 회전하므로 과열로 인한 권선의 소손을 방지할 수 있다. 따라서 다음과 같이 Thermal Protector가 작동하는 원인이 발생할 경우에는 전원을 재투입시켜 모터를 기동시켜야 한다. 

　

- 전동기 회전이 구속되어 있는 경우 
- 전동기측 Torque 보다 부하 측의 Torque가 연속적으로 큰 경우 
- 전동기의 주위온도가 높을 경우 
- 전압이 높을 경우 
- 전압강하가 커서 전동기 출력이 저하되면서 전동기가 구속되는 상태로 될 경우 
- 콘덴서 단자 사이가 단락 되어 있는 경우 
- 콘덴서 용량이 정격보다 클 경우 
- 기동 및 정지의 빈도가 높아서 제동 장치들을 자주 사용 할 경우

보통 사용되는 것들로는 바이메탈스위치나 폴리스위치가 있다. 고전류용으로는 바이메탈스위치를, 장수명용으로는 폴리스위치를 선택하고 있다.

　

Impedance Protected Type

권선의 임피던스(impedence)를 크게 하여 구속 시에도 전류의 증가를 떨어뜨리는 방법이다. 이 방법은 모터의 특성에 영향을 미치는 것이므로, 설계 단계에서부터 고려해야 할 사항이다.

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