[논문]전동 지게차용 3상 유도 모터의 소음 진동 특성에 대한 연구

김우형; 정진태

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.1.003

전동 지게차용 3상 유도 모터의 소음 진동 특성에 대한 연구
A Study on the Characteristic of Noise and Vibration in 3-phase Induction Motor for the Forklift 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.19 no.1 = no.142, 2009년, pp.3 - 9

김우형 (한양대학교 일반대학원 기계공학과) , 정진태 (한양대학교 일반대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the reduction of acoustic noise generated by electromagnetic force in an induction motor of the electrical forklift. After summarizing the electromagnetic excitation forces due to the interaction between the stator/rotor slot permeance and the stator winding magnetomotive force, the effects of the electromagnetic force on the noise and vibration of an induction motor are analyzed. In order to experimentally identify the noise sources of the motor, the signal analyses for noise and vibration are performed by using waterfall plots of noise and vibration spectrums. It is found that severe noise and vibration are caused by the electromagnetic force when the mode number of the excitation shape for a stator is low. Furthermore, it is verified that the motor noise is amplified if the excitation frequency of the electromagnetic force coincides with one of the natural frequencies of the stator. It is experimentally demonstrated that this severe noise can be considerably reduced by structure modifications. Finally, some design guidelines are suggested to develop an induction motor with a low level of noise.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구의 목적은 전동 지게차용 3상 유도 모터(Fig. 1)의 소음 및 진동 특성을 분석하고, 저소음 저진동 모터를 설계 할 수 있는 기술을 확보하는 것이다. 전동 지게차에서 모터로부터 발생하는 소음 및 진동의 정도를 측정 할 것이다.

가설 설정

실험을 통해 규명 모터의 소음 및 진동은 전기적, 기계적, 전기와 기계의 상호작용에 의해서 발생할 것이다. 모터의 회전자와 고정자에 의해 소음 및 진동으로 유발 될 수 있는 고조파의 성분을 유추할 것이다. 회전자의 회전력에 의해 모터의 기계적인 공진이 발생 할 수 있기 때문에 고정자에 대한 고유진동수 및 고유모드 측정하고 전자기적인 힘이 기계적인 특성과의 상호작용으로 소음 및 진동을 유발할 수 있는지를 분석할 것이다.
시스템에서의 모터 특성을 분석 후에 단품에 대한 실험으로 모터에서 발생 할 수 있는 소음 및 진동의 기여인자를 규명할 것이다. 실험을 통해 규명 모터의 소음 및 진동은 전기적, 기계적, 전기와 기계의 상호작용에 의해서 발생할 것이다. 모터의 회전자와 고정자에 의해 소음 및 진동으로 유발 될 수 있는 고조파의 성분을 유추할 것이다.

제안 방법

6과 같다. 단품 시험에서는 모터 회전자의 회전수에 대하여 소음 및 진동량 시험(overall analysis), 스펙트럼 분석(spectrum analysis, waterfall)을 시행하였다. 진동량 시험 그래프의 가로 축은 모터의 회전 rpm을 나타내며, 세로 축은 소음과 진동의 크기를 나타낸다.
전동 지게차의 주행시험으로 모터로부터 발생되는 50차수가 주요 소음 고조파인 것을 도출하였으며, 모터 단품 시험을 통하여 문제시 되는 고조파를 분석하였다. 모터를 무 부하상태의 자유 경계 조건에서 소음 및 진동 시험을 시행하였으며 그 결과는 Fig. 6과 같다. 단품 시험에서는 모터 회전자의 회전수에 대하여 소음 및 진동량 시험(overall analysis), 스펙트럼 분석(spectrum analysis, waterfall)을 시행하였다.
7과 같이 모터에서 고정자만을 분리하여 충격 햄머 실험을 수행하였다. 모터의 고정자의 고유진동수와 모드형상을 규명하기 위해 반경방향으로 격자모양 그리고 각 위치에서의 주파수 응답함수(frequency response function)를 측정하였다(Fig. 7). 이 연구 대상의 모터는 약 4,500 rpm까지 회전하며 주요 관심 고조파가 50차수 이므로 충격 햄머 실험은 3,200 Hz까지 측정하였으며, 모터 고정자의 고유진동수는 630 Hz, 1,540 Hz, 2,610 Hz가 측정되었다.
모터의 주요 소음 및 진동 가진원과 전자기력에 의한 공진을 보면 회전자의 특성을 변경시킴으로써 저소음 및 저진동의 효과를 볼 것이다. 전자기적인 특성에 의해 발생하는 고조파와 모드수를 변경하기 위해, 모터의 설계 특성을 고려하여 회전자의 슬롯을 44개에서 38개로 변경하였다.
7). 이 연구 대상의 모터는 약 4,500 rpm까지 회전하며 주요 관심 고조파가 50차수 이므로 충격 햄머 실험은 3,200 Hz까지 측정하였으며, 모터 고정자의 고유진동수는 630 Hz, 1,540 Hz, 2,610 Hz가 측정되었다.
모터의 단품 시험의 신호분석 결과 모터에서 발생하는 주요 소음 및 진동은 구조적인 공진에 의해 발생하는 것을 알 수 있다. 이를 검증하기 위하여 Fig. 7과 같이 모터에서 고정자만을 분리하여 충격 햄머 실험을 수행하였다. 모터의 고정자의 고유진동수와 모드형상을 규명하기 위해 반경방향으로 격자모양 그리고 각 위치에서의 주파수 응답함수(frequency response function)를 측정하였다(Fig.
전동 지게차를 정지 상태에서부터 최고 속도까지 주행하면서 운전자의 헬멧 위치에 마이크로폰을 설치하여 소음의 신호분석 실험을 수행하였다(Fig. 4). 지게차의 주행중에 발생하는 고조파를 분석하기 위하여 차수분석(order analysis)을 시행하였으며 주요 고조파는 42차와 50차 성분이 주요 성분이라는 것을 알 수 있다.
전동 지게차의 주행시험으로 모터로부터 발생되는 50차수가 주요 소음 고조파인 것을 도출하였으며, 모터 단품 시험을 통하여 문제시 되는 고조파를 분석하였다. 모터를 무 부하상태의 자유 경계 조건에서 소음 및 진동 시험을 시행하였으며 그 결과는 Fig.
모터의 주요 소음 및 진동 가진원과 전자기력에 의한 공진을 보면 회전자의 특성을 변경시킴으로써 저소음 및 저진동의 효과를 볼 것이다. 전자기적인 특성에 의해 발생하는 고조파와 모드수를 변경하기 위해, 모터의 설계 특성을 고려하여 회전자의 슬롯을 44개에서 38개로 변경하였다. 설계 변경에 의해 모터의 주요 회전 차수는 50차에서 44차로 변하였고, 모드수는 m=4에서 m=10으로 변화시킴으로써 전자기적인 가진에 의한 공진을 회피 할 수 있을 것이다.
모터 구조물의 고유진동수와 고유 모드를 측정하기 위해 시스템 분석법을 이용한다. 충격햄머(impacthammer)를 이용하여 부품에 가진하고 가속도계(accelerometer)를 이용하여 가진에 대한 응답을 측정하여 진폭 및 위상정보를 이용하여 동특성을 구한다. 실험 장치도는 Fig.
모터의 회전자와 고정자에 의해 소음 및 진동으로 유발 될 수 있는 고조파의 성분을 유추할 것이다. 회전자의 회전력에 의해 모터의 기계적인 공진이 발생 할 수 있기 때문에 고정자에 대한 고유진동수 및 고유모드 측정하고 전자기적인 힘이 기계적인 특성과의 상호작용으로 소음 및 진동을 유발할 수 있는지를 분석할 것이다. 지게차 시스템과 모터 단품에서의 실험적 결과와 이론적으로 발생할 수 있는 소음 및 진동의 인자를 비교하여 저소음 저진동 모터를 설계할 수 있는 방안을 강구할 것이며, 개선 사항을 토대로 모터의 소음 진동 특성을 시험할 것이다.

대상 데이터

단품 시험 모터는 3상 AC유도 모터로써, 44개의 회전자와 50개의 고정자 및 6극 모터이며 4,500 rpm의 정격 속도를 가지고 있다. 회전자의 회전수를 증가시키면서 소음 및 진동량을 분석한 결과 약 1,800 rpm과 3,200 rpm에서 소음 및 진동의 증폭이 나타났다(Fig.
이 연구 대상의 모터는 3상 AC 유도 전동모터로 회전자는 농형으로 구성되어 있으며 고정자의 슬롯은 54, 회전자의 슬롯은 44 모터의 극수는 6극 모터이다(Fig. 8). 모터로부터 발생되는 자기 소음은 고정자의 회전자계에 의한 고정자와 회전자 사이의 힘의 변화에 의해 발생하게 되고 회전자계 변화의 조화성분이 포함되게 된다.
이 연구의 대상인 모터는 회전자의 슬롯 44개 고정자의 슬롯 54개 및 6극 모터로 다음의 조합으로 고조파가 발생하였다. 회전자의 슬롯과 고정자의 슬롯 및 극수의 조합에 의해 지게차 주행 시험 및 단품 시험을 통해 도출된 50차수를 규명 할 수 있고 관계식은 다음과 같다.

데이터처리

4). 지게차의 주행중에 발생하는 고조파를 분석하기 위하여 차수분석(order analysis)을 시행하였으며 주요 고조파는 42차와 50차 성분이 주요 성분이라는 것을 알 수 있다. 전동 지게차는 Fig.

이론/모형

모터 구조물의 고유진동수와 고유 모드를 측정하기 위해 시스템 분석법을 이용한다. 충격햄머(impacthammer)를 이용하여 부품에 가진하고 가속도계(accelerometer)를 이용하여 가진에 대한 응답을 측정하여 진폭 및 위상정보를 이용하여 동특성을 구한다.

성능/효과

6(a), (b)). 모터 회전자의 각 일정한 회전 속도에 대하여 600 rpm부터 4,550 rpm까지 50 rpm씩 속도를 증가시키면서, 스펙트럼 분석을 한 결과 소음 신호와 진동 신호에서 동일하게 50차수 주요 고조파가 발생하는 것을 확인 할 수 있다(Fig. 6(c), (d)).
전자기적인 특성에 의해 발생하는 고조파와 모드수를 변경하기 위해, 모터의 설계 특성을 고려하여 회전자의 슬롯을 44개에서 38개로 변경하였다. 설계 변경에 의해 모터의 주요 회전 차수는 50차에서 44차로 변하였고, 모드수는 m=4에서 m=10으로 변화시킴으로써 전자기적인 가진에 의한 공진을 회피 할 수 있을 것이다.
단품 시험 모터는 3상 AC유도 모터로써, 44개의 회전자와 50개의 고정자 및 6극 모터이며 4,500 rpm의 정격 속도를 가지고 있다. 회전자의 회전수를 증가시키면서 소음 및 진동량을 분석한 결과 약 1,800 rpm과 3,200 rpm에서 소음 및 진동의 증폭이 나타났다(Fig. 6(a), (b)).

후속연구

전동 지게차에서 모터로부터 발생하는 소음 및 진동의 정도를 측정 할 것이다. 시스템에서의 모터 특성을 분석 후에 단품에 대한 실험으로 모터에서 발생 할 수 있는 소음 및 진동의 기여인자를 규명할 것이다. 실험을 통해 규명 모터의 소음 및 진동은 전기적, 기계적, 전기와 기계의 상호작용에 의해서 발생할 것이다.
회전자의 회전력에 의해 모터의 기계적인 공진이 발생 할 수 있기 때문에 고정자에 대한 고유진동수 및 고유모드 측정하고 전자기적인 힘이 기계적인 특성과의 상호작용으로 소음 및 진동을 유발할 수 있는지를 분석할 것이다. 지게차 시스템과 모터 단품에서의 실험적 결과와 이론적으로 발생할 수 있는 소음 및 진동의 인자를 비교하여 저소음 저진동 모터를 설계할 수 있는 방안을 강구할 것이며, 개선 사항을 토대로 모터의 소음 진동 특성을 시험할 것이다.
전동 지게차를 주행하면서 발생하는 소음 및 진동의 고조파 및 공진을 분석할 것이며, 모터 단품을 일정 rpm에 대한 소음 진동 스펙트럼을 분석하면서 가진원 분석을 수행하는데 사용된다. 진동/소음 신호와 구동축의 회전 속도 신호를 타코미터(tachometer)를 이용하여 동기화 시키면 좀더 정확한 실험을 수행할 수 있다. 실험 장치도는 Fig.
회전자의 고조파 관계식을 통해 모터의 소음 및 진동 발생의 회전 차수를 규명 되었으며 고정자와 회전자의 슬롯 개수를 개선하여 주요 가진원을 변경할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전동 지게차의 수요가 증가하는 이유는?	대형 물류 산업이 발전하면서 전동 지게차의 수요는 증가되고 있으며, 주로 실내에서 사용되기 때문에 전동 지게차의 소음은 제품의 품질 결정 및 환경 오염을 유발하여 관심이 커지고 있다. 전동지게차에서 발생하는 일반적인 소음은 모터와 구동축으로 구성되는 구동계에서 주로 발생되며(1), 모터 특성에 따라 구동계의 소음의 경향도 변하게 된다.
	전동 지게차의 소음이 발생하는 곳은?	대형 물류 산업이 발전하면서 전동 지게차의 수요는 증가되고 있으며, 주로 실내에서 사용되기 때문에 전동 지게차의 소음은 제품의 품질 결정 및 환경 오염을 유발하여 관심이 커지고 있다. 전동지게차에서 발생하는 일반적인 소음은 모터와 구동축으로 구성되는 구동계에서 주로 발생되며(1), 모터 특성에 따라 구동계의 소음의 경향도 변하게 된다. 전동지게차는 모터의 동력으로부터 지게차의 주행과 리프트 용적특성이 결정된다.
	전동지게차 모터의 동력으로 결정되는 것은?	전동지게차에서 발생하는 일반적인 소음은 모터와 구동축으로 구성되는 구동계에서 주로 발생되며(1), 모터 특성에 따라 구동계의 소음의 경향도 변하게 된다. 전동지게차는 모터의 동력으로부터 지게차의 주행과 리프트 용적특성이 결정된다. 지게차의 성능을 높이기 위해서는 모터의 성능을 향상시켜야 하기 때문에, 모터의 소음 진동 특성은 중요시 되고 있다.

참고문헌 (7)

Kim, W. H., Hong, I. H. and Chung, J. T., 2008, “A Study on Noise Reduction for the Driving System of a Forklift,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 18, No. 1, pp. 80-86

원문보기 상세보기
Nau, S. L. and Mello, H. G. G., 2000, “Acoustic Noise in Induction Motors : Causes and Solutions,” IEEE, pp. 253-263
Finely, W. R., 1991, “Noise in Induction Motors-cause and Treatments,” IEEE, Vol. 27, No. 6, pp. 1204-1213

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Song, J. S. and Kim, K. J., 2000, “Analysis on Noise of Automotive Alternator Considering the Number of Stator Slots,” Journal of the KSME, Vol. 24, No. 1, pp. 126-133
Chung, J. T., Suh S. J. and Eun H. J., 1989, “Identification of Noise Characteristics of an Automobile Alternator,” Journal of the KSME, Vol. 13, No. 1, pp. 40-47
Yang, S. J., 1981, “Low-noise Electrical Motors,” Clarendon Press, Oxford, pp.15-48
Timar, P. L., 1989, “Noise and Vibration of Electrical Machines,” Elsevier, Amsterdam, pp. 27-87, pp. 105-113

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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