[논문]매입형 영구자석 전동기의 전자기력을 고려한 소음특성 분석

이홍주; 권중학; 이창민; 황건용; 황상문

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.5.439

매입형 영구자석 전동기의 전자기력을 고려한 소음특성 분석
Analysis of Noise Characteristic Considering Magnetic Force of IPM Motor 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.19 no.5 = no.146, 2009년, pp.439 - 446

이홍주 (부산대학교 기계공학부 기계시스템설계) , 권중학 (부산대학교 기계공학부 기계시스템설계) , 이창민 (부산대학교 기계공학부 기계시스템설계) , 황건용 (영산대학교 컴퓨터공학과) , 황상문 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Noise sources in electric machines are broadly categorized as magnetic, mechanical, electronic and aerodynamic. Especially, there are several kinds of noise sources due to the change of reluctance by rotor position in IPM motor. To separate acoustic noise by mechanical structure and electromagnetic sources, resonance frequency and the effect of vibration and acoustic noise by electromagnetic sources are analyzed. And then, the structural and electromagnetic designs to reduce acoustic noise are performed. The relevance about the study on noise reduction of IPM motor is verified by noise experiment, noise and vibration analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

전동기의 소음을 저감시키기 위하여 구조적 설계와 자기적 설계를 병행하였다. 구조적 설계안은 고정자의 공진점 및 강성을 증가를 목적으로 하고 자기적 설계는 반경방향 힘의 고조파 성분 저감을 목적으로 하였다. Fig.
이는 소음의 전자기적인 원인으로서 고정자와 회전자 형상뿐만 아니라 권선 방식과 운전 방식에 따라서 그 영향이 달라지므로, 이를 고려한 신뢰성 있는 설계 및 해석 기술 확보가 시급하게 요구된다⁽⁴⁾. 따라서 이 논문에서는 소음 실험 및 해석 그리고 전자기적 가진원과 소음과의 상관관계 분석을 통하여 전동기 소음에 미치는 소음원을 규명하고 IPM 전동기에서 발생하는 소음을 저감시키기 위한 구조적 및 자기적 설계를 병행하였다. 그리고 시작기와 소음이 저감된 모델에 대한 소음 실험을 통하여 IPM 전동기의 소음 저감 연구 방법에 대한 타당성을 검증하였다.
이 실험의 목적은 앞선 소음 실험 결과에서 공진에 의해서 발생하는 소음의 원인을 규명하고 시스템을 이루는 각각의 요소별로 모드 실험을 함으로써 각각의 공진 주파수가 어떤 요소의 것인지 확인하는데 있다. 각각의 요소를 줄에 매달아 거치대에 고정해두고 충격 해머로 가진시킨 것과 소음실험에서와 동일한 상태로 지그에 고정하여 충격 해머로 가진시킨 것을 가속도계로 진동신호를 측정하여 주파수 응답 함수(frequency response function : FRF)를 구하였다.

제안 방법

전자기력을 분석하기 위해서는 2D FEA와 맥스웰 응력 텐서법을 이용되었다. FEA를 통해 구해진 전자기력을 가 진력으로 진동해석이 가능하며, 치의 공극면과 옆면에 작용하는 전자기력의 효과를 비교하였다. Fig.
셋째, BLDC 인버터의 구동 원리를 반영한 동특성 해석을 통해 DOE 수행에 필요한 전자기적 가진원인 전류를 산정한다⁽⁶⁾. RSM을 이용한 최적설계를 수행하였으며, 목적 함수는 반경방향 힘의 고조파 성분이다. FEA를 통해 산정된 반경방향 힘의 고조파 성분에 대하여 A-weighting factor와 시작기의 소음 발생 주파수 대역에 가중치를 부여한다.
이 실험의 목적은 앞선 소음 실험 결과에서 공진에 의해서 발생하는 소음의 원인을 규명하고 시스템을 이루는 각각의 요소별로 모드 실험을 함으로써 각각의 공진 주파수가 어떤 요소의 것인지 확인하는데 있다. 각각의 요소를 줄에 매달아 거치대에 고정해두고 충격 해머로 가진시킨 것과 소음실험에서와 동일한 상태로 지그에 고정하여 충격 해머로 가진시킨 것을 가속도계로 진동신호를 측정하여 주파수 응답 함수(frequency response function : FRF)를 구하였다. 전동기를 구성하는 각각의 부품별로 모드 실험을 하였다.
각도는 15° 간격으로 24개의 포인트이고 고정자의 중앙을 기준으로 각각좌, 우 5 cm간격으로 15 cm까지 7개 포인트 위치에서 소음을 측정하였으며, 마이크로 폰과의 간격은 고정자의 표면에서 10 cm이다.
따라서 이 논문에서는 소음 실험 및 해석 그리고 전자기적 가진원과 소음과의 상관관계 분석을 통하여 전동기 소음에 미치는 소음원을 규명하고 IPM 전동기에서 발생하는 소음을 저감시키기 위한 구조적 및 자기적 설계를 병행하였다. 그리고 시작기와 소음이 저감된 모델에 대한 소음 실험을 통하여 IPM 전동기의 소음 저감 연구 방법에 대한 타당성을 검증하였다.
이 결과로부터 설계변수 D와 E는 고정자의 공진주파수를 변화시키는 주요 인자임을 알 수 있다.설계 변수 변화에 따라 고정자의 공진에 의한 소음의 변화 양상을 알아보기 위해 FRF를 비교하였다. 해석 조건은 단위 힘을 치 표면 중심에 가진력으로 사용하는 것이다.
시작기와 동일한 출력 조건에서 구조적으로 재설계된 고정자 형상을 이용하여 전동기 소음 저감을 위한 자기적 설계를 하였다. 전동기 소음의 주요 원인이 되는 반경방향 힘의 고조파 성분을 반응값으로 실험계획법(design of experiments : DOE)을 수행하고 반응표면법(response surface method : RSM)을 이용한 최적 설계를 수행하였다⁽¹⁾.
각각의 요소를 줄에 매달아 거치대에 고정해두고 충격 해머로 가진시킨 것과 소음실험에서와 동일한 상태로 지그에 고정하여 충격 해머로 가진시킨 것을 가속도계로 진동신호를 측정하여 주파수 응답 함수(frequency response function : FRF)를 구하였다. 전동기를 구성하는 각각의 부품별로 모드 실험을 하였다. 그 결과 Fig.
그리고 진동과 소음간의 상관관계 및 전자기적 가진원과 소음과의 상관관계를 분석해야 한다. 전동기에서 발생하는 진동이 소음에 영향을 미친다는 것을 소음 해석 결과로부터 확인하였다. IPM 전동기는 고출력화 및 소형화 추세에 맞춰 높은 출력 밀도를 갖는 기기이다.
전동기의 소음을 저감시키기 위하여 구조적 설계와 자기적 설계를 병행하였다. 구조적 설계안은 고정자의 공진점 및 강성을 증가를 목적으로 하고 자기적 설계는 반경방향 힘의 고조파 성분 저감을 목적으로 하였다.
전동기의 소음은 구조적인 원인으로 발생하는 소음과 전자기력에 의해 발생하는 소음이 합쳐져서 전동기 전체의 소음으로 나타난다. 전자기력에 의한 소음은 전동기의 운전속도에 비례하므로 주파수 특성에 따라 변화하며 공진에 의한 소음은 주파수 특성이 일정하므로 이 실험을 통하여 전자기력에 의한 소음과 공진에 의한 소음을 분해하였다. Fig.
진동 해석 결과로부터 전동기 운전 중에 발생하는 2 kHz부근의 소음은 고정자 진동 모드에 의해 발생한다는 것을 알 수 있다. 전자기력의 가진 위치와 방향별로 진동에 미치는 영향을 규명하기 위하여 Fig. 9와 같이 위상차를 고려한 단위 힘(1 N)을 가진력으로 진동 해석을 수행하였다. Fig.
FEA로 계산된 전자기력을 가진력으로 이용한다. 전자기력의 기본 주파수인 200 Hz 간격으로 해석을 수행하였다. Fig.
15는 DOE 및 RSM을 이용한 최적설계를 수행하는데 사용되는 설계변수를 나타낸 것이다. 치 하나가 받는 반경방향 힘 분포 및 전동기 출력에 기여하는 토크 성분은 pole arc와 slot open에 의해 큰 영향을 받으므로 설계 변수로 선택하였다. IPM 전동기는 회전자의 위치에 따라 인덕턴스가 변한다.

이론/모형

이는 옆면에 작용하는 힘이 공극면에 작용하는 힘에 비해 매우 작기 때문에 진동에도 동일한 양상을 보여준다. 소음 해석의 가진력으로 진동해석으로 구해진 고정자의 표면 속도를 사용하였고 고정자의 표면 속도에 의한 음압을 경계요소법(boundary element method : BEM)으로 해석하였다.
시작기와 동일한 출력 조건에서 구조적으로 재설계된 고정자 형상을 이용하여 전동기 소음 저감을 위한 자기적 설계를 하였다. 전동기 소음의 주요 원인이 되는 반경방향 힘의 고조파 성분을 반응값으로 실험계획법(design of experiments : DOE)을 수행하고 반응표면법(response surface method : RSM)을 이용한 최적 설계를 수행하였다⁽¹⁾. Fig.
6 kHz의 공진주파수는 전동기의 고정자가 그 원인임을 알 수 있다. 전동기의 구조적인 동특성을 분석하기 위해 유한 요소 해석(finite element analysis : FEA)을 하였다. 모달테스트를 통해 Fig.
10은 단위힘이 진동에 미치는 영향을 나타낸 것이며 가진 위치와 방향에 따라 고정자 표면에 접한 공기층의 운동에너지는 크게 변하지 않는다는 것을 알 수 있고, 고정자 표면의 진동에 가장 크게 영향을 미치는 모드는 타원형 모드라는 것을 알 수 있다. 전자기력을 분석하기 위해서는 2D FEA와 맥스웰 응력 텐서법을 이용되었다. FEA를 통해 구해진 전자기력을 가 진력으로 진동해석이 가능하며, 치의 공극면과 옆면에 작용하는 전자기력의 효과를 비교하였다.

성능/효과

전동기를 구성하는 각각의 부품별로 모드 실험을 하였다. 그 결과 Fig. 5와 같이 고정자의 공진주파수는 1.5 kHz이지만 모터단품(고정자와 하우징이 결합된 상태)의 경우 공진주파수는 1.8 kHz로 약 300 Hz정도 증가하는 경향을 보였다. 회전자와 축의 영향은 모터단품의 공진에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 측정되었다.
그리고 60°간격으로 4 kHz부근의 소음이 커지는 결과는 3각형 모드로 확인된 3449 Hz와 일치하였다.
9 dBA 감소되었다. 그리고 소음 실험 시 측정된 전류를 이용해서 산정된 반경방향 힘의 고조파 분석과 소음 해석 결과의 경향이 소음 실험 결과와 유사함을 보였다.
회전자와 축의 영향은 모터단품의 공진에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 측정되었다. 또한 모터단품을 지그에 고정한 후 실험한 결과는 2.6 kHz로 나타났다. 이는 하우징과 지그가 고정자의 표면 일부를 감싸고 있어서 고정자의 변위가 제한되고 있어 하우징과 지그가 고정자의 강성을 증가시키는 역할을 한다.
12는 고정자 설계변수 및 치수 변화 정도를 나타낸 것이고 Table 2는 설계변수에 대한 모드 해석 결과를 나타낸 것이다. 변수 A, B, C에 의한 1차 공진주파수는 시작기에 비해 큰 변화가 없으나, 변수 D와 E에 의한 1차 공진주파수는 각각 1843, 1579 Hz로 시작기보다 증가하였다. 이 결과로부터 설계변수 D와 E는 고정자의 공진주파수를 변화시키는 주요 인자임을 알 수 있다.
이는 하우징과 지그가 고정자의 표면 일부를 감싸고 있어서 고정자의 변위가 제한되고 있어 하우징과 지그가 고정자의 강성을 증가시키는 역할을 한다. 이 결과로 소음 실험에서 나타난 1.8~2.6 kHz의 공진주파수는 전동기의 고정자가 그 원인임을 알 수 있다. 전동기의 구조적인 동특성을 분석하기 위해 유한 요소 해석(finite element analysis : FEA)을 하였다.
그리고 전자기적 측면에서는 반경방향 힘의 고조파 성분을 저감시킬 수 있는 설계가 필요하다. 이 논문에서 기술된 설계안을 토대로 자기 회로를 설계하고 소음 실험을 한결과 시작기와 개선기의 전체소음은 각각 74.6, 69.7 dBA로 시작기에 비해 개선기의 전체 소음이 4.9 dBA 감소되었다. 그리고 소음 실험 시 측정된 전류를 이용해서 산정된 반경방향 힘의 고조파 분석과 소음 해석 결과의 경향이 소음 실험 결과와 유사함을 보였다.
17은 pole arc와 slot open을 이용하여 13번의 실험을 수행하고 반경방향 힘의 고조파 성분에 대한 RSM결과이다. 전동기 소음에 영향을 미치는 반경방향 힘의 고조파 성분을 저감시키는 위해서는 slot open을 최소화시키고 pole arc를 해석영역에서 최대 또는 최소로 했을 때 반경방향 힘의 고조파 성분이 저감된다 이러한 해설 결과를 바탕으로 개선기를 제작하여 소음을 측정한 결과 전체소음이 시작기에 비해 4.9 dB 저감시켰다.
8에 나타내었다. 진동 해석 결과로부터 전동기 운전 중에 발생하는 2 kHz부근의 소음은 고정자 진동 모드에 의해 발생한다는 것을 알 수 있다. 전자기력의 가진 위치와 방향별로 진동에 미치는 영향을 규명하기 위하여 Fig.
총 168(24×7)점의 위치에서 1/3 옥타브밴드로 측정했을 때 2, 4 kHz에서 소음이 지향성을 갖고 있었다.
8 kHz로 약 300 Hz정도 증가하는 경향을 보였다. 회전자와 축의 영향은 모터단품의 공진에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 측정되었다. 또한 모터단품을 지그에 고정한 후 실험한 결과는 2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매입형 영구자석 전동기가 각광받게 된 이유는?	진동과 소음은 소비자의 생활의 불편을 초래하는 것 외에 시스템의 효과적인 운전과 시스템 수명과도 직접적인 영향이 있으므로, 소음을 최소화 하는 설계가 반드시 고려되어야 한다. 고출력화 및 소형화 추세에 맞춰 이를 구성하는 전동기 또한 높은 출력 밀도가 요구됨에 따라, 이에 부응하는 전동기로서 매입형 영구자석(interior permanent magnet : IPM) 전동기가 각광받게 되었다(1). IPM 전동기는 영구자석에 의한 전자기 토크뿐만 아니라 릴럭턴스 토크를 이용함에 따라 높은 출력 밀도를 가지는 장점이 있으나, 릴럭턴스 변화로 인해 유도기 또는 표면부착형 영구자석(surface-mounted permanent magnet : SPM) 전동기에 비해 더 많은 소음원을 가진다는 단점이 있다(1,2).
	매입형 영구자석 전동기의 장단점은?	고출력화 및 소형화 추세에 맞춰 이를 구성하는 전동기 또한 높은 출력 밀도가 요구됨에 따라, 이에 부응하는 전동기로서 매입형 영구자석(interior permanent magnet : IPM) 전동기가 각광받게 되었다(1). IPM 전동기는 영구자석에 의한 전자기 토크뿐만 아니라 릴럭턴스 토크를 이용함에 따라 높은 출력 밀도를 가지는 장점이 있으나, 릴럭턴스 변화로 인해 유도기 또는 표면부착형 영구자석(surface-mounted permanent magnet : SPM) 전동기에 비해 더 많은 소음원을 가진다는 단점이 있다(1,2). IPM 전동기에서 발생하는 소음의 주요 원인은 크게 전자기적인 원인, 기계적인 원인, 그리고 공기역학적인 원인으로 분류할 수 있다(3).
	진동과 소음은 소비자의 생활의 불편을 초래하는 것 외에 또 어떤 직접적 영향이 있는가?	소음에 민감한 사람은 에어컨의 저소음 기능을 고려하여, 조용한 독서실 수준의 소음인 40 dB 이하 제품을 선호한다. 진동과 소음은 소비자의 생활의 불편을 초래하는 것 외에 시스템의 효과적인 운전과 시스템 수명과도 직접적인 영향이 있으므로, 소음을 최소화 하는 설계가 반드시 고려되어야 한다. 고출력화 및 소형화 추세에 맞춰 이를 구성하는 전동기 또한 높은 출력 밀도가 요구됨에 따라, 이에 부응하는 전동기로서 매입형 영구자석(interior permanent magnet : IPM) 전동기가 각광받게 되었다(1).

참고문헌 (6)

Kim, S.-I., Lee, J.-Y., Hong, J.-P., Hur, Y. and Jung, Y.-H., 2005, “Optimization for Reduction of Torque Ripple in Interior Permanent Magnet Motor by Using Taguchi Method,” IEEE Trans. Magn., Vol. 41, No. 5, pp. 1796-1799

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Okada, Y., Kawase, Y. and Sano, S., 2003, “Development of Optimizing Method Using Quality Engineering and Multivariate Analysis Based on Finite Element Method,” in Proc. ISEF 2003, Vol. 2, pp. 737-739
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상세보기
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