선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 일반적으로 가정에서 사용하는 진공청소기의 내부 Fan 모터 중 하나를 선정하고, 소음을 유발시키는 부분이 어디인지 측정하여 모터의 모델링과 유동해석을 통하여 소음의 원인을 분석하고 소음을 저감시키고자 다음과 같은 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 진공청소기의 원심팬에서 발생되는 압력 변화에 따른 유체소음의 원인을 규명하고 이를 수치적인 해석을 통한 분석과 이것을 회전하고 있는 정류자나 모터 축의 진동측정이 가능한 3차원 레이저 측정기를 통한 주파 수특성과 진공청소기 팬모터의 소음의 발생원인이 되는 임펠러(Impeller)와 디퓨저(Diffuser)가 있는 부분을 2차원 모델링하여 유동장에서의 압력과 속도의 변화 그리고 주파수 특성을 비교하여 소음의 원인을 분석하고자 한다.
- Pre-processor에서의 모델링 경계조건은 Solver에서 구체적으로 주어질 항목을 설정해주는 것이다. 즉, 유동의 입구와 출구, Rotational fluid 및 Stational fluid의 분리 설정 및 경계 설정을 하는 것이다. 여기서, 입구(Inlet)는 임펠러의 안쪽을 설정하였으며, 출구(Outlet)는 모터 바깥쪽의 1.
제안 방법
- 2. 비접촉식 3차원 레이저 진동 측정기Polytec-PSV300) 와 Reference 진동측정용 접촉식 가속도계를 사용하여 모터에서 발생하는 진동을 측정한다.
- 3. 측정물과 1.5 m 떨어진 지점에서 마이크로폰(Cirrus- ZE901)을 이용하여 소음측정을 한다.
- 5. 진공청소기용 Fan 모터의 내부 유동해석 데이터를 획득하고, 유동해석 데이터를 이용하여 공력소음 데이터를 예측한다.
- 6. 3차원 레이저 진동 측정기로부터 측정한 진동데이터, 마이크로폰으로부터 측정한 소음데이터, 유동해석을 통한 공력소음 데이터를 비교 분석한다.
- 7. 3가지 데이터의 비교 분석을 통하여 진공청소기의 주요 진동 및 소음의 원인을 규명하고, 소음저감 대책을 제시한다.
- 유동장 해석은 Fluent를 이용하여 임펠러와 디퓨저를 해석하였다. Sliding Mesh 방법을 이용해서 비정상 유동을 해석하였고 임펠러와 디퓨저의 위치, 압력은 소음해석을 위해서 UDF(User Define Function) 기능을 이용하여 매시간 저장하여 관찰하였다.
- 앞서 측정한 모터 케이싱부의 진동 데이터를 분석한 결과, 주된 소음의 원인은 임펠러와 디퓨저 사이에서 발생하는 공력소음으로 확인하였다. 따라서 유동해석을 위한 모델링은 임펠러의 디퓨저 단면을 2차원 형상화하여 유동해석에 적용하였다. 또한 강한 피크소음의 원인이 임펠러와 디퓨저의 상호작용에 의한 하모닉 성분이기 때문에 이러한 작용을 피하기 위해 임펠러 깃의 간격을 등간격과 비등간격 으로 모델링하여 유동해석을 수행하였다.
- 16, 17은 모터의 3차원 모델이며, 앞서 측정한 모터 케이싱부의 진동 데이터를 분석한 결과, 주된 소음의 원인은 임펠러와 디퓨저 사이에서 발생하는 공력소음으로 확인되었다. 따라서, 유동해석을 위한 모델링은 3차원 모델의 임펠러의 디퓨저 단면을 2차원 형상화한 것이며 유동해석에 적용하였다. 임펠러와 디퓨저의 2차원 형상은 Fig.
- 먼저 케이스 전체영역의 진동모드를 관찰함으로써 각 주파수 성분이 주로 어디 부위에 존재하는가를 살펴보았다. 또한 30개의 포인트를 선택하여 특정 포인트에서의 주파수 성분을 관찰하였다.
- 따라서 유동해석을 위한 모델링은 임펠러의 디퓨저 단면을 2차원 형상화하여 유동해석에 적용하였다. 또한 강한 피크소음의 원인이 임펠러와 디퓨저의 상호작용에 의한 하모닉 성분이기 때문에 이러한 작용을 피하기 위해 임펠러 깃의 간격을 등간격과 비등간격 으로 모델링하여 유동해석을 수행하였다. 임펠러와 디퓨저의 2차원 형상과 경계조건, 임펠러의 등간격 모델링과 비등 간격의 모델링은 Fig.
- 이것은 출구의 압력조건을 0으로 하기 위한 것이다. 또한, Rotational fluid는 임펠러로, Stational fluid는 디퓨저로 설정하였으며, 그 경계는 각각의 Wall에 대해 Interface 조건으로 설정하였다. 유동장 해석은 Fluent를 이용하여 임펠러와 디퓨저를 해석하였다.
- 먼저 임펠러 깃의 등간격 유동해석을 수행하였다. Fig.
- 먼저 전체영역에 대한 진동 스팩트럼을 관찰하여 피크가 일어나는 주파수 대역을 찾아내었다. Fig.
- 먼저 케이스 전체영역의 진동모드를 관찰함으로써 각 주파수 성분이 주로 어디 부위에 존재하는가를 살펴보았다. 또한 30개의 포인트를 선택하여 특정 포인트에서의 주파수 성분을 관찰하였다.
- 진동 측정 장비로는 3차원 레이저 진동 측정기(PSV300)와 기준(Reference) 진 동 측정용 접촉식 가속도계를 사용하였다. 모터의 진동 측 정 부위는 4파트로 나누어서 Fig. 2와 같이 전체 케이스, 베어링, 정류자, 브러쉬 등을 측정 하였다.
- 본 논문에서는 34000 rpm으로 회전하는 진공 청소기용 팬모터의 3차원레이저 진동 측정기를 이용한 Motor Casing 진동 측정과 유동장 해석을 통한 공력 소음 예측 등을 수행하여 유체의 유동에 따른 소음과 진동의 연관성을 분석하였고, 소음의 원인을 규명하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 측정한 모터는 회전수 34000 rpm 의 고속회전을 하며, 220V, 60 kHz의 교류전원으로 작동시켰다. 외부로부터의 진동 유입을 방지하기 위해 방진테이블과 우레탄 패드를 사용하였다. 진동 측정 장비로는 3차원 레이저 진동 측정기(PSV300)와 기준(Reference) 진 동 측정용 접촉식 가속도계를 사용하였다.
- 이러한 공력소음의 이론적 분석을 위해 유동해석을 수행하였다. 사용된 Pre-processor는 Gambit, Tgrid를 이용하였으며, Solver 및 Post-processor는 Fluent를 이용하였다.
- 외부로부터의 진동 유입을 방지하기 위해 방진테이블과 우레탄 패드를 사용하였다. 진동 측정 장비로는 3차원 레이저 진동 측정기(PSV300)와 기준(Reference) 진 동 측정용 접촉식 가속도계를 사용하였다. 모터의 진동 측 정 부위는 4파트로 나누어서 Fig.
- 진동을 측정하기 위해 10분이상 모터를 회전시켜 모터를 안정화시켰으며, 모터의 앞쪽으로부터 1 m 떨어진 위치에서 진동을 측정하였다. 측정한 모터는 회전수 34000 rpm 의 고속회전을 하며, 220V, 60 kHz의 교류전원으로 작동시켰다.
대상 데이터
- 1. 진동 및 소음 측정을 위해 일반적으로 가정에서 사용되고 있는 진공청소기의 Fan motor를 선정한다.
- 모터의 공력소음은 임펠러를 통과한 공기가 디퓨저와 주기적으로 충돌하면서 발생되는 진동소음은 케이스의 안내벽을 통하여 모터의 상단에서 하단으로 전달된다. 본 논문에서 측정하고자 하는 모터의 제원은 임펠러 깃이 9개, 디퓨저깃이 15개이다.
- 이러한 공력소음의 이론적 분석을 위해 유동해석을 수행하였다. 사용된 Pre-processor는 Gambit, Tgrid를 이용하였으며, Solver 및 Post-processor는 Fluent를 이용하였다.
이론/모형
- 유동해석은 비정상 유동에서 물체의 표면인 모든 제어점에서 그 점에 수직인 상대속도가 0이라는 경계조건과 각 깃에서 흘려지는 모든 후류는 Total circulation이 보존되어야 한다는 Kelvin 조건을 주었다. 또한 공력소음 예측은 이산와류법과 Lowson법을 이용하여 계산하였다(4~5).
- 또한, Rotational fluid는 임펠러로, Stational fluid는 디퓨저로 설정하였으며, 그 경계는 각각의 Wall에 대해 Interface 조건으로 설정하였다. 유동장 해석은 Fluent를 이용하여 임펠러와 디퓨저를 해석하였다. Sliding Mesh 방법을 이용해서 비정상 유동을 해석하였고 임펠러와 디퓨저의 위치, 압력은 소음해석을 위해서 UDF(User Define Function) 기능을 이용하여 매시간 저장하여 관찰하였다.
- 제1절의 실험 결과와 같이 진공청소기용 팬 모터의 소음의 원인은 임펠러와 디퓨저간의 압력 발생을 위해 간극을 줄임으로써 발생하는 소음이 모터의 주된 소음이라고 생각할 수 있다. 이 절에서는 2장에서 실험한 결과를 바탕으로 진공청소기 팬모터의 모델링을 하고, 유동 해석을 위해 사용된 pre-processor는 Gambit, Tgrid를 이용하였다. Solver 및 post-processor는 Fluent를 이용하였다.
성능/효과
- 1. 3차원레이저 진동측정기(PSV300)를 이용하여 측정된 전체 케이싱의 진동 데이터를 분석한 결과 교류전원 주파수를 제외하고 문제시되는 주파수는 12.4 kHz, 5.13 kHz, 10.26 kHz, 15.39 kHz로 확인되었으며 12.4 kHz는 정류자와 브러쉬간의 접촉에 의한 주파수이며, 5.13 kHz, 10.26 kHz, 15.39 kHz의 주파수는 임펠러의 디퓨저간의 BPF 소음으로 확인되었다.
- 2. 2차원으로 모델링한 진공청소기 팬모터의 유동장을 해석하고 속도장, 압력장, 그리고 디퓨저의 force 변동을 고찰해 본 결과 디퓨저와 임펠러 사이에서 가장 큰 속도의 변화와 높은 압력을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 토대로 디퓨저의 force 변동 그래프를 PSV 300으로 측정한 진동데이터와 비교해보면 두 측 정치에서 5.
- 3. 유동해석을 통해 모터의 흡입력을 높이기 위해 임펠러와 디퓨저간의 간극을 작게 하여 소음이 더욱 커졌다는 것을 확인할 수 있었으며, 임펠러의 깃이 비등 간격일 때 압력과 속도의 큰 변화 없이 피크 소음을 줄일 수 있는 가능성을 제시하였다.
- 고주파 영역에서의 진동 측정 결과에서 5.13 kHz, 10.26 kHz, 15, 39 kHz의 진동은 9개의 임펠러의 출구로부터 분출되는 유동이 디퓨저 날개 전면부와의 간섭에 의해서 발생하는 BPF소음에 의한 진동과 하모닉 주파수 소음에 의한 진동이다. 이것은 임펠러 및 디퓨저의 날개면에서의 박리와 후류에 의한 와류에 의해서 발생된다.
- 이상의 진공청소기용 팬모터의 3차원 레이저 진동 측정기를 이용한 진동측정과 마이크로폰을 이용한 소음 측정의 결과 고속 회전 모터의 진동 특성은 일반 송풍기의 진동특성과 같이 광대역 주파수의 유체소음과 이산 주파수 소음인 BPF 소음 의한 진동이 상당히 크다는 것을 검증할 수 있었다. 또한 공기의 유동과 케이스의 진동은 밀접한 관계가 있었으며, 유동에 의해서 케이스의 진동이 발생됨을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 고속 회전 모터의 공력소음에 대한 소음분석을 실험적인 방법을 통해 충분히 해결할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 소음측정은 팬모터와 1 m 떨어진 위치에서 측정하였으며, 소음 데이터는 579 Hz, 1.14 kHz, 5.13 kHz, 10, 26 kHz, 15.39 kHz 의 주파수 영역에서 큰 피크값을 관찰할 수 있었다. Fig.
- 또한 공기의 유동과 케이스의 진동은 밀접한 관계가 있었으며, 유동에 의해서 케이스의 진동이 발생됨을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 고속 회전 모터의 공력소음에 대한 소음분석을 실험적인 방법을 통해 충분히 해결할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
- 2차원으로 모델링한 진공청소기 팬모터의 유동장을 해석하고 속도장, 압력장, 그리고 디퓨저의 force 변동을 고찰해 본 결과 디퓨저와 임펠러 사이에서 가장 큰 속도의 변화와 높은 압력을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 토대로 디퓨저의 force 변동 그래프를 PSV 300으로 측정한 진동데이터와 비교해보면 두 측 정치에서 5.13 kHz 주기로 고주파수 영역에서 높은 피크값을 확인할 수 있었고, 이는 임펠러와 디퓨저 사이에서 각 깃이 접할 때마다 일종의 공명을 일으켜서 발생하는 주파수임을 확인하였다.
- 이상의 진공청소기용 팬모터의 3차원 레이저 진동 측정기를 이용한 진동측정과 마이크로폰을 이용한 소음 측정의 결과 고속 회전 모터의 진동 특성은 일반 송풍기의 진동특성과 같이 광대역 주파수의 유체소음과 이산 주파수 소음인 BPF 소음 의한 진동이 상당히 크다는 것을 검증할 수 있었다. 또한 공기의 유동과 케이스의 진동은 밀접한 관계가 있었으며, 유동에 의해서 케이스의 진동이 발생됨을 확인할 수 있었다.
- 54 kHz 는 570 Hz x 22로써 정류자의 편심 22개와 브러쉬의 접촉에 의한 진동이며 모터 상부까지 전파된 것으로 사료된다. 이상의 진동측정 실험결과 고속회전 모터의 기계적인 진동과 유체 소음에 의한 진동을 모두 관찰할 수 있었으며, 특히 유체 소음 중 임펠러로부터 분출되는 유동이 디퓨져 날개와의 간섭으로 발생되는 BPF 소음과 임펠러로부터 분출되는 유동이 디퓨저 날개와 부딪히고 날개를 통과하면서 1 kHz 이상의 주파수 대역에서 발생하는 난류소음에 의한 진동을 정확히 구별할 수 있었다.
후속연구
- 39 kHz 대역의 소음이다. 가장 인간의 귀에 거슬리며, 청소기 외부 케이스를 덮은 후에도 크게 존재하는 소음이기 때문에 반듯이 이 소음을 줄이는 대책이 필요할 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.