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가설 설정
- d) 가진 주파수와 방사 노이즈와의 관계를 분석 하기 위한 주파수 대역은 최대 1GHz 까지 한다.
제안 방법
- 고전압 커 넥터의 차폐성능검증은 유한요소해석을 통해 진행하였고, 흡수클램프법과 유사한 방법으로 결과를 분석하였으며, 그 결과를 Table 2 에나타내었다. 저주파 대역에서의 커넥터 차폐성능은 55dB 이상으로 나타났으며, 고주파 대역인 70~ 108MHz 에서는 37~44dB 범위의 차폐성능을 나타내었다.
- 실제 단자와 케이블이 서로 연결되어 있고 케이블에 부하(전류 및 전압)가 인가되면, 단자 내부저항에 의한 열이 발생된다. 따라서 인가되는 통전전류가 증가함에 따라 발생되는 열의 증가 경향을 분석하고, 기본 통전전류(63.5A) 인가 시 발생되는 열에 의한 열 평형 온도를 구하여, 요구성능 부합 여부를 판단하였다. 여기서 실 부하에 대한 온도상승 현상과 전압강하에 대한 해석을 수행하였다.
- 부여하여 진행하였다. 또한 상기 SPEC 에서 규정하지 않은 구조 및 성능들에 대해서도 구조 안정성 확보를 위해서 항복강도 이하의 응력분포가 나타나는 안전한 구조를 기준 하였으며, 체결안정성 및 작업성에 기초한 요구성능을 만족하도록 최적화하였다. Fig.
- 열 해석을 수행함으로써, 고전압커넥터의 실 부하(65A) 시의 전기적 저항에 의해 발생 온도를 분석할 수 있었다. 또한 통전 시 열 발생을 최소화하기 위해, TML 단면 전체로 전류가 흐르도록 구조를 최적화하여 국부적인 전류 밀도 집중을 방지하였다.
- 본 연구에서 고전압 커넥터 설계를 위한 유한요소해석을 수행하여, 이를 제품의 요구성능에 대한 시험결과와 비교 분석하였으며, 이를 통하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 다양한 부하조건과 구조에 대한 차폐성능을 용이하게 분석하기 위해 유한요소해석을 이용하여 차폐성능을 분석하였으며, 전선의 차폐성능과 고전압커넥터의 차폐성능을 비교 분석하였다. 이를 위해서 케이블의 차폐시험은 한국산업기술시험원 (KTL) 전자파 평가센터에서 흡수 클램프 법 기반으로 제작 된 장비를 이용하여 차폐성능을 분석하였으며, 전자기장 해석 프로그램인 HFSSTM 와 비선형 구조해석 프로그램인 MSC.
- 본 연구에서는 플라스틱 커버에 두 번째 방법인 EMI 도료를 도포하는 것에 대한 효과를 분석하였으며, 그 결과를 Fig. 12 와 Fig. 13 에 나타내었다. 플라스틱 소재 커버 부품에 EMI 도료 도포한 조건에 대한 해석 결과는 도포 전.
- 본 절에서는 해석을 통하여 고전압 커넥터의 전자파 차폐특성을 분석하였으며, 실제 작동조건을 부여하여 해석의 신뢰도를 높이도록 하였다.
- 5A) 인가 시 발생되는 열에 의한 열 평형 온도를 구하여, 요구성능 부합 여부를 판단하였다. 여기서 실 부하에 대한 온도상승 현상과 전압강하에 대한 해석을 수행하였다.
- 4) 전압강하 및 온도상승에 대한 전기.열 해석을 수행함으로써, 고전압커넥터의 실 부하(65A) 시의 전기적 저항에 의해 발생 온도를 분석할 수 있었다. 또한 통전 시 열 발생을 최소화하기 위해, TML 단면 전체로 전류가 흐르도록 구조를 최적화하여 국부적인 전류 밀도 집중을 방지하였다.
- 이를 위해서 케이블의 차폐시험은 한국산업기술시험원 (KTL) 전자파 평가센터에서 흡수 클램프 법 기반으로 제작 된 장비를 이용하여 차폐성능을 분석하였으며, 전자기장 해석 프로그램인 HFSSTM 와 비선형 구조해석 프로그램인 MSC.MARC™ 를 사용하여 전자기, 구조 및 열.전기 해석을 통하여 친환경 자동차용 고전압 대전류 커넥터를 설계하였다.
- 커넥터 삽입력의 경우 최대 98N 이하의 성능이 나타나야 하는데, 초기 성능이 해석 결과 U0N 으로 나타나, 실제 작업자의 작업 성능 저하가 우려된다. 이에 하우징간의 삽입력을 저감하기 위한 하우징의 체결 돌기부의 높이를 조정하고, 내부 전원단자의 접속 탄성부재의 접속 간섭량을 낮추어, 전체 커넥터 삽입력을 저감시키도록 하였다. 그 결과 접속성능유지를 위한 접압력 성능은 만족시 키 면서, 110N 에서 88N 으로 삽입력 을저감시켜 작업자의 작업성능을 만족하도록 하였다.
- 대신 하우징 돌기부의 높이를 낮춤으로 인해 커넥터 의 유지력 은 327N 에서 199N 으로 낮아졌으나, 커넥터 유지력에 대한 요구성능인 98N 보다 약 2 배 정도의 안정성을 확보하고 있어, 안전하다고 판단할 수 있다. 이외 항목에 대해서도 동일한 방법으로 주요 파라미터의 성능개선을 위한 설계 최적화 해석을 수행하였다.
- MARC™ 를 사용하여 전자기, 구조 및 열.전기 해석을 통하여 친환경 자동차용 고전압 대전류 커넥터를 설계하였다.
- 열.전기에 대한 연성해석으로서 수행되었다. 실제 단자와 케이블이 서로 연결되어 있고 케이블에 부하(전류 및 전압)가 인가되면, 단자 내부저항에 의한 열이 발생된다.
- 커넥터 요구성능에 대한 구조적인 분석을 위해서 국내 자동차 관련 규격 중 일반 커넥터 및 고전압 커넥터의 요구성능(ES91500-00, ES91500-20)을기준으로 구조해석을 수행하였다.3
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 제품은 국내 하이브리드자동차(HEV) 엔진 룸 내의 배터리에서 인버터로 전력공급을 연결하는 65A 고전압용 커넥터로 선정하였으며, 시험은 암수(Male / Female)측 간의 체결상태로 시험을 진행하였다. Fig.
이론/모형
- 차폐 성능 시험은 흡수클램프법을 이용하였으며,4 Fig. 10 에 나타내고 있다.
성능/효과
- 1) 차폐해석을 통한 고전압커넥터의 차폐구조검토에 있어, 부하 전력 및 주파수 증가에 따른 전자파 노이즈 양이 증가됨을 알 수 있었다.
- 2) 전선과 커넥터의 차폐성능 비교에 있어서, 균일한 편조체가 구성되는 전선이, 구조적 제약이 있는 커넥터에 비해 차폐성능이 우수한 것을 알 수 있었다. 단, 규정된 주파수 대역에서의 차폐성능은 케이블 및 커넥터 모두 요구성능을 만족하는 결과를 보였다.
- 3) 흡수클램프법에 의한 성능평가는 전선과 같은 가늘고 긴, 둥근 제품에 한하여 시험 진행이 가능하지만, 커넥터와 같은 큰 제품의 경우는 시험이 불가능하였다. 하지만 차폐해석을 이용하여 비교적 형상이 큰 고전압커넥터의 흡수클램프 법을 적용한 성능평가도 가능하였고, 전선과의 성능 비교 평가도 가능하였다.
- 5) 복잡한 구조 및 부품을 가지는 고전압 커넥터의 최적설계를 위해 비선형 구조 접촉해석을 수행하여, 체결 안정성 및 작업성을 향상시킬 수 있었다.
- c) 해석과정 중 주요 결과 발생부는 최적화 유한요소생성 방법을 통해 신뢰도를 향상 시켰다 (Element No: 1, 165,000 EA).
- 이에 하우징간의 삽입력을 저감하기 위한 하우징의 체결 돌기부의 높이를 조정하고, 내부 전원단자의 접속 탄성부재의 접속 간섭량을 낮추어, 전체 커넥터 삽입력을 저감시키도록 하였다. 그 결과 접속성능유지를 위한 접압력 성능은 만족시 키 면서, 110N 에서 88N 으로 삽입력 을저감시켜 작업자의 작업성능을 만족하도록 하였다. 대신 하우징 돌기부의 높이를 낮춤으로 인해 커넥터 의 유지력 은 327N 에서 199N 으로 낮아졌으나, 커넥터 유지력에 대한 요구성능인 98N 보다 약 2 배 정도의 안정성을 확보하고 있어, 안전하다고 판단할 수 있다.
- 기존 구조해석에 의해 최적화된 블레이드 형식 단자 구조와 원재료가 적용된 조건으로 해석한 결과, 전압강하는 0.12mV/A, 커넥터의 실제 전류 부하인 65A 통전 시의 온도상승은 A27.5℃의 결과를 얻을 수 있었다. 전압강하에 대한 요구성능은 3mV/A 이하, 온도상승에 대한 요구성능은 A60℃ 이하임을 감안할 때, 전원단자의 전기-열적 특성도 안전하다고 판단할 수 있다.
- 다만, Fig. 6 에서 알 수 있듯이, 전선과 커넥터 모두 주파수가 높아질수록 차폐성능이 낮아지는 경향을 보였다.
- 있었다. 단, 규정된 주파수 대역에서의 차폐성능은 케이블 및 커넥터 모두 요구성능을 만족하는 결과를 보였다.
- 그 결과 접속성능유지를 위한 접압력 성능은 만족시 키 면서, 110N 에서 88N 으로 삽입력 을저감시켜 작업자의 작업성능을 만족하도록 하였다. 대신 하우징 돌기부의 높이를 낮춤으로 인해 커넥터 의 유지력 은 327N 에서 199N 으로 낮아졌으나, 커넥터 유지력에 대한 요구성능인 98N 보다 약 2 배 정도의 안정성을 확보하고 있어, 안전하다고 판단할 수 있다. 이외 항목에 대해서도 동일한 방법으로 주요 파라미터의 성능개선을 위한 설계 최적화 해석을 수행하였다.
- 7 에 해석 결과를 나타내었다. 본 해석은 30MHz 주파수에서 차폐구조의 유무에 따른 성능을 분석한 것으로서, 차폐구조의 성능해석 결과는 약 57dB 정도의 성능을 나타내었다.
- 저주파대역에서의 시험결과는 69~83dB 으로 나타났으며, 고주파대 역 에서의 시험 결과는 54-68 dB 로 나타나 저주파 대역 보다 고주파 대역에서의 차폐성능이 낮은 것으로 나타났다.
- 불가능하였다. 하지만 차폐해석을 이용하여 비교적 형상이 큰 고전압커넥터의 흡수클램프 법을 적용한 성능평가도 가능하였고, 전선과의 성능 비교 평가도 가능하였다.
- 해석을 통하여, 요구성능을 미치지 못하거나, 성능은 만족하나 작업성이나 구조안정성이 낮은 사항은 주요 설계 파라미터를 조정함으로써 개선할 수 있었다. 커넥터 삽입력의 경우 최대 98N 이하의 성능이 나타나야 하는데, 초기 성능이 해석 결과 U0N 으로 나타나, 실제 작업자의 작업 성능 저하가 우려된다.
- 플라스틱 소재 커버 부품에 EMI 도료 도포한 조건에 대한 해석 결과는 도포 전.후의 차폐성능이 최대 10dB 정도 향상되는 것으로 나타났으며, EMI 도료를 도포하는 것이 차폐성능 개선에 효과적임을 알 수 있었다.
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