[논문]외부회전자형 BLDC 전동기의 소음원 규명

이창민; 신영훈; 문정원

doi:10.5050/ksnve.2012.22.3.208

외부회전자형 BLDC 전동기의 소음원 규명
Sound Source Investigation of Outer Rotor BLDC Motor 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.22 no.3, 2012년, pp.208 - 213

이창민 (LIG 넥스원(주)) , 신영훈 (LIG 넥스원(주)) , 문정원 (LIG 넥스원(주))

Abstract ▼ AI-Helper

With great advancement of the automobile functions, environmental factors become important performances, especially noise. This paper investigates noise sources of outer rotor type BLDC motor using in the air-conditioner of the automobiles. To this end, this paper is analyzed two viewpoints, structural and electromagnetic causes. Structural analysis is conducted through modal test and analysis. For modal analysis, 3D finite element analysis is carried out using commercial program ansys. Electromagnetic causes are analyzed from local force that is computed by Maxwell stress tensor method. Local force excites structure of motor directly. Finally, correlation analysis is performed to determine effect between noise causes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5 kHz 부근에서 소음이 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서 이 영역을 관심주파수로 선정하고 소음의 원인을 분석하고자 한다.
이 논문에서는 BLDC 전동기 중에서 외부회전자형 전동기의 소음원을 밝히고자 한다. 전동기의 소음원은 크게 구조적인 원인과 전자기적 원인으로 나눌 수 있다.
이 논문에서는 외부회전자형 BLDC 전동기의 소음원을 분석하였다. 전동기의 소음을 저감하는 설계를 진행함에 있어서 소음원 분석 과정이 없이 소음을 저감하는 방법이란 있을 수 없을 것이다.

가설 설정

셋째, 비대칭 행렬의 계산도 용이하다. 넷째, 변위와 응력이 단일 경로로 계산된다. 다섯째, 모든 종류의 하중을 인가할 수 있다.
주파수분석 결과에서도 알 수 있듯이 고정자와 회전자는 기본주파수가 다른 것을 확인할 수 있다. 주파수분석 결과를 가진력으로 이용하여 고정자와 회전자 표면에 접한 공기층의 운동에너지가 소음에너지로 전부 변환한다는 가정 하에 강제 진동해석을 수행하였다. 해석은 상용 프로그램인 Ansys를 이용하였다.

제안 방법

그림에서 알 수 있듯이 고정자는 360˚ 회전하는 동안 4개의 주기를 가지고, 회전자는 6개의 주기를 가지는데 이는 고정자와 회전자 각각의 고정된 한 점에서 볼 때, 회전자는 4개, 고정자는 6개의 대칭형상을 가지기 때문에 나타나는 현상이다. 강제 진동해석 시 하모닉 해석을 위해 반경방향 로컬포스의 주파수 분석을 실시하였다. 주파수 분석은 관심주파수영역인 2.
전동기의 소음원은 크게 구조적인 원인과 전자기적 원인으로 나눌 수 있다. 구조적인 원인은 모드실험과 해석을 통해 분석한다. 전자기적 원인은 전자기력으로 작용하는 글로벌 포스인 코깅토크와 토크리플이 있으며, 로컬포스인 법선방향 로컬포스가 있다.
외부회전자형 전동기의 구조적 소음원인을 분석하기 위해 모드실험과 해석을 병행하였다. Fig.
구조적 소음원 분석을 통해 전기의 회전자가 구조적인 소음원임을 알 수 있었다. 이 절에서는 서론에서 언급한 바와 같이 전자기 가진력인 로컬포스를 분석한다. 로컬포스는 접선방향 힘과 법선방향 힘이 존재하지만 접선방향의 힘은 법선방향의 힘에 비해 300배 가량 작아 무시할 수 있으므로 법선방향의 힘만 이용하였다.
전동기의 소음을 저감하는 설계를 진행함에 있어서 소음원 분석 과정이 없이 소음을 저감하는 방법이란 있을 수 없을 것이다. 이를 밝히기 위해 모드실험과 모드해석을 통해 구조공진주파수를 찾고, 전자기 가진력인 로컬포스를 해석하여 가진력의 주파수 성분을 확인하였다. 그 결과 회전자의 전자기 가진력 주파수가 회전자 및 전동기 전체의 구조공진주파수와 일치하는 것을 알 수 있었고, 이는 소음이 크게 발생하는 주파수 대역과 동일한 것을 알 수 있었다.
1의 대상전동기는 4극 6슬롯의 히터 또는 에어컨 모드 시 공기순환용으로 사용되는 전동기이며, Table 1은 출력 특성에 대한 제원표이다. 전동기 자체의 소음을 분석하기 위하여 홴을 부착하지 않은 상태에서 소음을 측정하였으나, 홴을 장착한 상태의 정격부하를 인가하기 위해 Fig. 2와 같이 전동기에 커플링을 통해 부하기를 연결하였다. 수음거리에 대해서는 정해진 국제 규격이 없으며, 업체별, 제품별로 자체규정을 가지고 있는 것이 일반적이다⁽²⁾.
강제 진동해석 시 하모닉 해석을 위해 반경방향 로컬포스의 주파수 분석을 실시하였다. 주파수 분석은 관심주파수영역인 2.4 kHz까지 수행하였고, Fig. 12에 그 결과를 나타내었다. 주파수분석 결과에서도 알 수 있듯이 고정자와 회전자는 기본주파수가 다른 것을 확인할 수 있다.

대상 데이터

이 논문에서는 0.1 m 떨어진 지점에서 Bruel&Kjaer Microphone Type 2669를 이용하여 수음을 하였고, 소음 측정을 위해 Bruel&Kjaer Multichannel Data Acquisition Type 2816을 이용하였다.
또한 대상전동기의 정격 회전수인 3000 RPM을 확인하기 위해 타코미터를 장착하였다. 측정주파수는 가청주파수인 20 Hz~20 kHz 범위 내에서 실시하였다. Fig.

이론/모형

전류파형의 왜곡이나 드라이버에 의한 스위칭 주파수(switching frequency)도 소음에 영향을 미치지만, 결국 로컬포스에 영향을 미쳐 진동이나 소음의 원인이 된다고 보는 것이 타당하다. 이를 분석하기 위해서 Maxwell stress tensor를 이용한 2D 유한요소법으로 해석하고 주파수 분석을 실시하였다.
해석은 상용 프로그램인 Ansys를 이용하였다. 해석방법은 전체 시스템의 행렬을 계산하는 풀 방법(full method)을 이용하였다. 풀 방법의 장점은 다음과 같다.
주파수분석 결과를 가진력으로 이용하여 고정자와 회전자 표면에 접한 공기층의 운동에너지가 소음에너지로 전부 변환한다는 가정 하에 강제 진동해석을 수행하였다. 해석은 상용 프로그램인 Ansys를 이용하였다. 해석방법은 전체 시스템의 행렬을 계산하는 풀 방법(full method)을 이용하였다.

성능/효과

4는 소음 측정결과를 각각 1/3 octave band와 narrow band로 나타낸 것이다. 결과에서 알 수 있듯이 600 Hz와 1.5 ~ 2.5 kHz 부근에서 소음이 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서 이 영역을 관심주파수로 선정하고 소음의 원인을 분석하고자 한다.
구조적 소음원 분석을 통해 전기의 회전자가 구조적인 소음원임을 알 수 있었다. 이 절에서는 서론에서 언급한 바와 같이 전자기 가진력인 로컬포스를 분석한다.
이를 밝히기 위해 모드실험과 모드해석을 통해 구조공진주파수를 찾고, 전자기 가진력인 로컬포스를 해석하여 가진력의 주파수 성분을 확인하였다. 그 결과 회전자의 전자기 가진력 주파수가 회전자 및 전동기 전체의 구조공진주파수와 일치하는 것을 알 수 있었고, 이는 소음이 크게 발생하는 주파수 대역과 동일한 것을 알 수 있었다.
7은 모드 실험의 결과 그래프이다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 회전자 및 고정자와 회전자를 결합한 상태의 공진주파수는 600 Hz와 1.6 kHz, 2.2 kHz로 소음이 크게 발생하는 부분과 일치하는 것을 알 수 있고, 고정자는 3.3 kHz에서 공진이 발생함을 알 수 있다. 모드 실험의 결과를 모드해석을 통해 다시 한 번 확인하였다.
넷째, 변위와 응력이 단일 경로로 계산된다. 다섯째, 모든 종류의 하중을 인가할 수 있다. 이 논문의 전동기는 구조가 복잡하지 않은 소형 구조물이므로 이 해석 방법을 이용하는데 용이하다.
3 kHz에서 발생하는 고정자의 1차모드 형상이다. 모드실험과 모드해석 결과 소음이 발생하는 주파수와 일치하는 모드는 회전자에서 발생하는 것을 알 수 있고, 외부회전자형 BLDC 전동기에서는 구조적으로 회전자가 소음에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
둘째, 전체 행렬을 이용하여 계산하므로 질량 행렬의 근사화가 필요없다. 셋째, 비대칭 행렬의 계산도 용이하다. 넷째, 변위와 응력이 단일 경로로 계산된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	외부회전자형 BLDC 전동기에서 발생하는 소음이 탑승자에게 더욱 민감한 이유는 무엇인가?	외부회전자형 BLDC 전동기는 일반 내부회전자형 전동기보다 관성 모멘트가 커서 정속운전에 유리하고, 고속회전과 회전력이 많이 필요한 곳에 사용된다. 특히 자동차의 환풍장치나 에어컨 홴에 주로 사용되기 때문에 전동기에서 발생하는 소음이 탑승자에게 더욱 민감하다(1).
	BLDC 전동기의 쓰임이 계속 증가하는 추세인 이유는 무엇인가?	특히 전기자동차와 하이브리드 자동차의 개발과 자동차의 고급화와 고내구성을 지속적으로 요구하는 추세에 맞게 BLDC(brushless direct current) 전동기가 각광을 받고 있다. BLDC 전동기는 기존의 기계적으로 정류하는 DC 전동기와는 달리 전기적으로 비접촉식 정류가 가능하므로 반영구적이고 신뢰성이 높아 그 쓰임이 계속 증가하는 추세이다. 그러나 여전히 소음측면에서의 문제점은 대두되고 있으며, 이를 해결하기 위해 여러 가지 설계 방안이 제시되고 있다.
	BLDC 전동기는 회전하는 형태에 따라 어떻게 나눌 수 있는가?	그러나 여전히 소음측면에서의 문제점은 대두되고 있으며, 이를 해결하기 위해 여러 가지 설계 방안이 제시되고 있다. BLDC 전동기는 회전하는 형태에 따라 외부회전자형과 내부회전자형으로 나눌 수 있다. 외부회전자형 BLDC 전동기는 일반 내부회전자형 전동기보다 관성 모멘트가 커서 정속운전에 유리하고, 고속회전과 회전력이 많이 필요한 곳에 사용된다.

참고문헌 (4)

Bang, K. C., Kim, K. S., Kwon, J. H., Ree, Y.-U. and Hwang, S.-M., 2008, Analysis of Outer Rotor Type BLDC Motor Vibration Characteristics According to Slot Combination, Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 196-201.
Lee, H. J. and Kwon, J. H., 2009, Study on Acoustic Resonance of Air-conditioner Fan BLDC Motor, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 19, No. 9, pp. 863-869.

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Kwon, J. H. and Kim, K. S., 2009, Effect of the Number of Slots on the Acoustic Noise from BLDC Motors, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 19, No. 8, pp. 759-763.

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Kenneth, G. M., 1995, Vibration Testing, John Wiley & Sons, Inc., New York.

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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