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문제 정의
- 이 연구는 쿨링홴을 장시간 사용함에 따란 발생하는 편심에 의하여 발생되는 PC 본체의 진동을 저감하는데 목적을 두고 있다. 먼저 기존 쿨링홴의 작동 영역에서 쿨링홴의 진동의 주파수를 분석하여 진동을 발생시키는 가진원을 분석하였으며 쿨링홴에 편심이 존재하는 경우 PC의 진동량을 측정하여 작동주파수 대역에서 진동을 저감시키기 위한 동흡진장치 및 절연장치를 개발하였다.
- 이 연구에서는 PC의 진동 및 소음저감을 위한 쿨링홴의 동흡진장치 및 절연장치를 개발하였다. 쿨링홴의 가진원을 분석하고 구조적인 문제점을 확인하여 저감시키고자 하는 관심주파수를 선정하였다.
제안 방법
- 시뮬레이션을 결과를 바탕으로 목표로 한 특정주파수대역에 맞는 동흡진장치 및 절연장치를 개발하기위한 설계변수를 도출하였다. 1차 고유진동수가 45~60 Hz 범위내에서 설계하여 시작품 제작시 황동과 크기, 질량, 실리콘의 재료 등의 물성치를 다양하게 제작할 수 있도록 설계하여 시작품을 제작하는데 반영하였다.
- 2는 실험을 위한 장치구성도를 나타내고 있다. Tachometer로 쿨링홴의 회전속도를 측정한 결과 정격상태인 12V, 0.17A에서 쿨링홴은 2880 rpm으로 작동하였으며 실험조건을 고려하여 비접촉식 laser vibrometer를 사용하여 진동신호를 측정하였다. 쿨링홴의 노후조건에 맞게 약 2 g의 편심이 존재하는 정격상태에서 auto-spectrum을 측정한 결과 Fig.
- 기본설계안을 바탕으로 동흡진장치 및 절연장치의 유한요소모델을 수립하였다. Fig.
- 또한 본체와 쿨링홴의 체결부에 절연장치를 추가하여 쿨링홴에서 PC로 전달되는 진동성분을 흡수하도록 설계하였다. 동흡진장치 및 절연장치를 설계하기 위하여 ansys를 이용한 유한요소 해석 결과를 활용하였다.
- 동흡진장치 및 절연장치의 기본설계를 실시하였다. Fig.
- 쿨링홴의 과도한 진동은 PC의 본체를 따라 전달되며 옆면의 중앙부분에서 가장 커다란 진동이 발생하게 된다. 따라서 쿨링홴의 회전속도에 따라 PC의 진동량이 크게 발생하는 대역에서 진동을 저감시키기 위한 동흡진장치 및 절연장치를 설계하기 위하여 power supply를 이용하여 쿨링홴의 회전주파수를 600 rpm에서 3600 rpm까지 증가시키면서 PC의 진동량 변화를 측정하였다. PC의 진동은 Fig.
- 쿨링홴의 가진원을 분석하고 구조적인 문제점을 확인하여 저감시키고자 하는 관심주파수를 선정하였다. 또한 대상의 유한요소 해석 모델을 세워 설계변수를 도출하고 관심주파수영역 내에서 진동을 저감시킬 수 있는 동흡진장치 및 절연장치를 설계하였다. 다양한 시작품의 제작과 반복적인 실험과정을 통하여 PC의 진동 및 소음을 저감할 수 있는 시스템을 개발할 수 있었다.
- 유한요소 해석을 통하여 설계변수를 도출하였으며 시작품을 다양하게 제작하여 시스템분석(shaker test)과 진동량 overall 값을 측정하여 시작품을 평가하였다. 또한 본체와 쿨링홴의 체결부에 절연장치를 추가하여 쿨링홴에서 PC로 전달되는 진동성분을 흡수하도록 설계하였다. 동흡진장치 및 절연장치를 설계하기 위하여 ansys를 이용한 유한요소 해석 결과를 활용하였다.
- 이 연구는 쿨링홴을 장시간 사용함에 따란 발생하는 편심에 의하여 발생되는 PC 본체의 진동을 저감하는데 목적을 두고 있다. 먼저 기존 쿨링홴의 작동 영역에서 쿨링홴의 진동의 주파수를 분석하여 진동을 발생시키는 가진원을 분석하였으며 쿨링홴에 편심이 존재하는 경우 PC의 진동량을 측정하여 작동주파수 대역에서 진동을 저감시키기 위한 동흡진장치 및 절연장치를 개발하였다. 유한요소 해석을 통하여 설계변수를 도출하였으며 시작품을 다양하게 제작하여 시스템분석(shaker test)과 진동량 overall 값을 측정하여 시작품을 평가하였다.
- 17 A에서 쿨링홴이 2880 rpm으로 구동될 경우의 진동량 및 소음레벨을 측정하였다. 소음레벨은 PC에서 1 m 떨어진 위치에서 소음계를 사용하여 반복측정 하였다. 실험결과는 기존모델과 시작품을 장착하였을 경우를 비교하여 Table 3에 나타내고 있는데 진동량의 경우 80% 이상, 소음레벨은 10 dB 정도의 저감효과를 알 수 있다.
- 8(b)와 같은 형태이며 1차 모드의 고유 진동수가 57 Hz를 보이고 있다. 시뮬레이션을 결과를 바탕으로 목표로 한 특정주파수대역에 맞는 동흡진장치 및 절연장치를 개발하기위한 설계변수를 도출하였다. 1차 고유진동수가 45~60 Hz 범위내에서 설계하여 시작품 제작시 황동과 크기, 질량, 실리콘의 재료 등의 물성치를 다양하게 제작할 수 있도록 설계하여 시작품을 제작하는데 반영하였다.
- 시스템분석을 통하여 시작품의 1차 고유진동수를 측정하고 쿨링홴에 시작품을 장착한 상태에서 PC의 진동량을 측정하였다. Fig.
- 9는 동흡진장치와 절연장치 시작품의 실제 사진이다. 시작품은 실험적으로 검증하였는데 시스템분석을 하기위한 shaker test와 진동량을 측정하기 위한 overall analysis를 통하여 실시하였다. Fig.
- 시작품을 쿨링홴에 장착한 상태에서 PC의 진동량을 측정하여 시작품을 평가하였다. Fig.
- 유한요소 해석 결과를 통하여 도출한 설계변수를 바탕으로 시작품을 다양하게 제작하였다. Fig.
- 먼저 기존 쿨링홴의 작동 영역에서 쿨링홴의 진동의 주파수를 분석하여 진동을 발생시키는 가진원을 분석하였으며 쿨링홴에 편심이 존재하는 경우 PC의 진동량을 측정하여 작동주파수 대역에서 진동을 저감시키기 위한 동흡진장치 및 절연장치를 개발하였다. 유한요소 해석을 통하여 설계변수를 도출하였으며 시작품을 다양하게 제작하여 시스템분석(shaker test)과 진동량 overall 값을 측정하여 시작품을 평가하였다. 또한 본체와 쿨링홴의 체결부에 절연장치를 추가하여 쿨링홴에서 PC로 전달되는 진동성분을 흡수하도록 설계하였다.
- 최종적인 평가를 위하여 시작품을 장착하고 정격 상태인 12V, 0.17 A에서 쿨링홴이 2880 rpm으로 구동될 경우의 진동량 및 소음레벨을 측정하였다. 소음레벨은 PC에서 1 m 떨어진 위치에서 소음계를 사용하여 반복측정 하였다.
- 이 연구에서는 PC의 진동 및 소음저감을 위한 쿨링홴의 동흡진장치 및 절연장치를 개발하였다. 쿨링홴의 가진원을 분석하고 구조적인 문제점을 확인하여 저감시키고자 하는 관심주파수를 선정하였다. 또한 대상의 유한요소 해석 모델을 세워 설계변수를 도출하고 관심주파수영역 내에서 진동을 저감시킬 수 있는 동흡진장치 및 절연장치를 설계하였다.
대상 데이터
- 1에서 보여주고 있다. 대상으로 한 쿨링홴은 본체용 쿨링홴으로 7개의 날개를 갖는 날개부, 4개의 극수를 갖는 고정자, 본체와 연결되는 case로 구성되어 있다. 회전하는 물체의 날개 수와 모터의 극수는 편심이 존재할 경우 진동이 증폭되는 성분을 보여주는 것이 일반적이며 이와 같은 쿨링홴의 주요부품에 대한 정보는 쿨링홴의 진동량을 측정하여 가진원을 분석하는데 중요한 역할을 한다.
성능/효과
- 12는 실험결과를 동흡진장치 및 절연장치가 없는 경우와 함께 보여주고 있는데 비교결과 진동을 저감하고자 했던 작동대역에서 커다란 진동저감효과를 확인하였다. 다만 1400 rpm의 낮은 회전속도에서 0.5 m/s2 정도의 진동이 증가하는 것을 볼 수 있는데 이는 쿨링홴을 볼트로 채결했을 때 보다 다소 헐거워진 구속조건 때문에 발생하는 것으로 판단되며 동흡진장치 및 절연장치의 설계대역에서 진동저감효과와 쿨링홴이 정상작동시 2880 rpm으로 구동되는 것을 감안하면 타당한 결과라고 할 수 있다. 정상작동상태에서 200 rpm 간격으로 진동량을 측정한 결과를 Table 2를 통해 정리하였다.
- 또한 대상의 유한요소 해석 모델을 세워 설계변수를 도출하고 관심주파수영역 내에서 진동을 저감시킬 수 있는 동흡진장치 및 절연장치를 설계하였다. 다양한 시작품의 제작과 반복적인 실험과정을 통하여 PC의 진동 및 소음을 저감할 수 있는 시스템을 개발할 수 있었다. 이 연구결과는 향후 쿨링홴과 같이 회전하는 구조물의 편심에 의하여 발생되는 진동저감을 위하여 적용될 수 있을 것이다.
- 주파수분석 결과 홴의 1차 회전성분 48 Hz와 모터의 극수에 의해 발생하는 4차 회전성분인 192 Hz에서 비교적 커다란 진동성분을 보이고 있다. 또한 730 Hz와 1281 Hz에서도 많은 진동성분이 포함된 것을 알 수 있는데 각 성분의 진동원인을 파악하기 위해 쿨링홴이 PC에 체결된 상태에서 쿨링홴에 대하여 impact test를 실시하였으며 실험결과 Fig. 4에서 볼 수 있듯이 732 Hz와 1276 Hz에서 peak를 확인할 수 있으며 auto-spectrum 측정결과와 비교해 보면 730 Hz와 1281 Hz는 구조적인 공진에 의하여 발생하는 것을 알 수 있다.
- 3에서와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 주파수분석 결과 홴의 1차 회전성분 48 Hz와 모터의 극수에 의해 발생하는 4차 회전성분인 192 Hz에서 비교적 커다란 진동성분을 보이고 있다. 또한 730 Hz와 1281 Hz에서도 많은 진동성분이 포함된 것을 알 수 있는데 각 성분의 진동원인을 파악하기 위해 쿨링홴이 PC에 체결된 상태에서 쿨링홴에 대하여 impact test를 실시하였으며 실험결과 Fig.
후속연구
- PC의 경우 쿨링홴의 편심으로 인한 진동이 본체에 전달되어 하드디스크와 같은 부품의 파손 고장의 원인이 되며 진동에 의하여 발생하는 소음은 사용자에게 심리적․정신적 불쾌감을 유발하며 작업 능률을 저하시키게 된다. 따라서 PC의 진동저감을 위한 동흡진장치 및 절연장치의 개발에 관한 연구는 장치의 성능 및 작업환경을 개선하는 것 뿐 아니라 PC의 진동에 의한 각종부품의 고장 및 파손을 줄여 데이터를 보호할 뿐 아니라 불필요한 비용을 줄일 수 있을 것이다.
- 다양한 시작품의 제작과 반복적인 실험과정을 통하여 PC의 진동 및 소음을 저감할 수 있는 시스템을 개발할 수 있었다. 이 연구결과는 향후 쿨링홴과 같이 회전하는 구조물의 편심에 의하여 발생되는 진동저감을 위하여 적용될 수 있을 것이다.
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