[논문]MR 댐퍼를 사용한 드럼세탁기의 진동완화

차상태; 백운경

doi:10.9726/kspse.2013.17.2.063

MR 댐퍼를 사용한 드럼세탁기의 진동완화
Vibration Attenuation of a Drum-Typed Washing Machine Using Magneto-Rheological Dampers 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.17 no.2, 2013년, pp.63 - 69

차상태 (부경대학교 대학원 메카트로닉스공학과) , 백운경 (부경대학교 기계자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Most washing machines are now produced as a drum-type, where a washing drum mounted on a suspension system with springs and dampers, to minimize the transmittance of the vibration from the drum to the frame. A low-cost MR damper, using magneto-rheological fluids, can produce variable damping forces by changing the current values in the magnetic coil. Experimental results show the comparison of the vibration attenuation performances between two different dampers. One test set-up uses a passive damper and another one uses a MR fluid damper. The test results showed that the vibration amplitude of the washing machine with the MR damper is much smaller than the case with the passive damper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 드럼형 세탁기에서 발생하는 진동 및 소음의 저감을 위한 MR댐퍼를 설계하고 그 성능을 확인하였다. MR유체에 발생하는 자계 강도를 효율적으로 증가시키기 위해 자기장 해석을 통해 MR 댐퍼의 설계변수를 조정하였고, 제작된 댐퍼의 각 전류 세기에서의 감쇠력 특성을 확보하였다.
²⁾ 밸브형 댐퍼에 비해서 MR유체를 적게 사용하지만 감쇠력의 크기가 작으며, 주로 소형 클러치나 브레이크용으로 사용된다. 본 연구에서는 전단형 MR댐퍼에 대해서 연구를 수행하였으며, 전단형 MR댐퍼의 감쇠력과 관련된 개념도는 Fig. 1과 같다. 피스톤 로드와 솔레노이드 사이에 MR 유체를 밀봉시키고 세탁기의 터브가 움직일 때 순간적으로 전류를 인가하여 자기장의 세기에 따라 MR유체의 점도를 변화시켜 마찰 전단 응력에 의해 감쇠력이 발휘된다.
그리고 최대 속도에 도달 할 때 까지 두 번의 가속 구간이 존재하며, 1차 가속은 50~170 rpm, 2차 가속은 170~950 rpm까지 가속 된다. 본 연구에서는 진동의 발생이 큰 1차와 2차 가속 구간에 대하여 주안점을 두었다.
¹⁾ MR댐퍼는 이러한 MRF를 적용하여 세탁기의 운전조건 및 환경에 따라 댐퍼에 부하되는 하중과 진동을 감지하여 적절하게 감쇠력을 제어할 수 있는 지능형 댐퍼이다. 본 연구의 목적은 MR댐퍼를 세탁기에 적용하여 진동과 소음을 완화할 수 있는 저가형 MR댐퍼를 개발하고 그 성능을 확인하는데 있다.

제안 방법

5) MR댐퍼는 로드(rod)를 중심으로 하여 축대칭이므로 해석의 편의를 위해 축을 중심으로 오른쪽 단면만을 모델링 하였다. Fig.
세탁과정은 크게 세탁모드와 탈수모드로 나뉘는데, 실험은 탈수모드에서 불균형질량을 부착하여 베니어판의 가속도를 측정하도록 구성하였다. Fig. 11과 같이 홀 센서를 사용하여 드럼의 회전 속도를 측정하였으며, MR댐퍼와 수동형 댐퍼를 장착한 경우의 드럼의 회전속도에 대한 가속도를 비교하였다. 가속도 센서는 Fig.
본 연구에서는 드럼형 세탁기에서 발생하는 진동 및 소음의 저감을 위한 MR댐퍼를 설계하고 그 성능을 확인하였다. MR유체에 발생하는 자계 강도를 효율적으로 증가시키기 위해 자기장 해석을 통해 MR 댐퍼의 설계변수를 조정하였고, 제작된 댐퍼의 각 전류 세기에서의 감쇠력 특성을 확보하였다. 또한 제작된 MR댐퍼를 실제 세탁기 시스템에 장착하여 전류 세기에 대한 베니어판의 가속도 데이터베이스를 구축하였으며, 이를 바탕으로 전류제어 알고리즘을 구성하였다.
기장 해석을 바탕으로 시제품을 제작하였으며, MR댐퍼의 특성시험을 Fig. 7과 같은 장비를 사용하여 실시하였다. MR댐퍼의 특성 시험을 위해서 스프링과 고무부싱을 제거한 후 지그를 연결 하였으며, 시험기의 상부에 위치한 액추에이터의 운동에 의해 댐퍼가 가진된다.
MR유체에 발생하는 자계 강도를 효율적으로 증가시키기 위해 자기장 해석을 통해 MR 댐퍼의 설계변수를 조정하였고, 제작된 댐퍼의 각 전류 세기에서의 감쇠력 특성을 확보하였다. 또한 제작된 MR댐퍼를 실제 세탁기 시스템에 장착하여 전류 세기에 대한 베니어판의 가속도 데이터베이스를 구축하였으며, 이를 바탕으로 전류제어 알고리즘을 구성하였다. 구성한 알고리즘을 적용하여 베니어판의 가속도를 측정한 결과 MR댐퍼를 장착한 경우가 일반적인 수동형 댐퍼를 장착한 경우에 비해 두드러진 진동저감 효과를 보였다.
세탁기의 진동은 세탁물이 드럼 내에 고루 분포되어 있지 않고 한 곳에 집중되었을 때와 중심점에서 제일 가장자리로 벗어났을 때 심해진다. 본 연구에서는 실제 드럼세탁기의 탈수과정에서 옷감의 거동을 고려하여 Fig. 13과 같이 500 g의 불균형질량을 드럼내부 중심에 부착하여 세탁물이 한 곳에 모이는 효과를 구현하였다.
Table 2는 해석조건을 나타내며, Table 3은 자기장 해석의 설계변수를 나타낸다. 설계변수는 자속가이드의 구성품 중 MR유체의 항복응력에 가장 큰 영향을 미치는 요크(yoke)와 로드(rod)의 단면적을 고려하여 선정하였다.⁶⁾
세탁과정은 크게 세탁모드와 탈수모드로 나뉘는데, 실험은 탈수모드에서 불균형질량을 부착하여 베니어판의 가속도를 측정하도록 구성하였다. Fig.
이로 보아 280 rpm 이후에는 MR댐퍼의 감쇠력이 적을수록 진동을 줄이는데 효과적이라는 것을 알 수 있다. 이를 바탕으로 전류제어기 설계에서 필요한 전류세기에 대한 가속도의 데이터베이스를 구축하였다.

대상 데이터

4에 유한 요소 모델을 나타내었다. 본 모델에는 2차원 자속 요소인 plane53 요소가 사용되었다. Table 2는 해석조건을 나타내며, Table 3은 자기장 해석의 설계변수를 나타낸다.

데이터처리

MR유체에 발생하는 자계강도를 효율적으로 증가시키기 위해 상용 프로그램인 ANSYS를 이용하여 자기장 해석을 수행하였다.⁵⁾ MR댐퍼는 로드(rod)를 중심으로 하여 축대칭이므로 해석의 편의를 위해 축을 중심으로 오른쪽 단면만을 모델링 하였다.

성능/효과

또한 제작된 MR댐퍼를 실제 세탁기 시스템에 장착하여 전류 세기에 대한 베니어판의 가속도 데이터베이스를 구축하였으며, 이를 바탕으로 전류제어 알고리즘을 구성하였다. 구성한 알고리즘을 적용하여 베니어판의 가속도를 측정한 결과 MR댐퍼를 장착한 경우가 일반적인 수동형 댐퍼를 장착한 경우에 비해 두드러진 진동저감 효과를 보였다.
Case 2의 경우에 가장 큰 감쇠력이 발생하는 것을 알 수 있다. 이로 보아 높은 감쇠력을 얻기 위해서는 자속가이드를 구성하는 요크와 로드의 단면적을 증대시켜 전단력의 작용면적을 늘리는 것이 효과적임을 알 수 있다.
16은 MR댐퍼를 장착한 경우와 수동형 댐퍼를 장착한 경우의 베니어판의 가속도 값을 보여준다. 저속에서는 감소비율이 낮으나 고속으로 증가 될수록 MR댐퍼의 진동 저감 효과가 수동형 댐퍼 보다 큰 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MR댐퍼는 무엇인가?	미국 Lord사에서는 미크론 크기의 자화물질 입자를 오일에 부유상태로 첨가하여 자기장이 가해지면 수 밀리 초 이내에 유동특성이 변하는 기능성 유체인 MRF(Magneto-Rheological Fluid)를 개발 하였다.1) MR댐퍼는 이러한 MRF를 적용하여 세탁기의 운전조건 및 환경에 따라 댐퍼에 부하되는 하중과 진동을 감지하여 적절하게 감쇠력을 제어할 수 있는 지능형 댐퍼이다. 본 연구의 목적은 MR댐퍼를 세탁기에 적용하여 진동과 소음을 완화할 수 있는 저가형 MR댐퍼를 개발하고 그 성능을 확인하는데 있다.
	밸브형 MR댐퍼의 단점은 무엇인가?	세 가지 타입 중에서 가장 큰 감쇠력을 얻을 수 있으며, 가장 널리 사용되는 타입이다. 하지만 밸브형의 경우 많은 양의 MR유체가 소모되는 단점이 있다. 전단형 MR댐퍼의 경우 자기장이 인가된 방향과 수직한 방향으로 힘이 작용할 때 사용되는 마찰형 MR댐퍼 타입이다.
	세탁기의 수동형(passive) 댐퍼는 어떤 문제점을 가지는가?	최근 드럼형 세탁기의 보급이 대폭 확대됨에 따라 생산업체에서도 다양한 성능의 제품을 개발하고 있다. 기존의 수동형(passive) 댐퍼는 고정된 감쇠계수를 가지므로 운전조건에 따라 능동적으로 감쇠력을 조절하기 불가능하기 때문에, 세탁과정 중 발생하는 진동과 소음을 줄이는데 한계가 있다. 특히 탈수 과정에서 소음과 진동이 가장 큰 문제가 되고 있으며, 이러한 문제점을 개선하기 위해 새로운 방식의 댐퍼 설계가 요구되고 있다.

참고문헌 (6)

J. H. Park et al., 2009, "A Study on MR Brake for High-tension Control of Converting Machinery", Spring conference of The Korea Society for Power System Engineering, pp. 153-156.
N. M. Wereley et al., 2008, "Magnetorheological dampers in shear mode", Smart Materials and Structures, Vol. 17, No. 1, 015021.

상세보기
D. W. Youn et al., 2006, "Electromagnetic Analysis and design of rotary MR brake", Autumn conference of The Korea Society for Power System Engineering, pp. 146-151.
J. D. Carlson, 2004, "MR Technology Workshop" Lord Corporation, Cary, NC, pp. 6/9-6/10.
W. H. El-Aouar, 2002, "Finite Element Analysis Based Modeling of MagnetoRheological Dampers", M. S. Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University.
G. S. Lee, W. H. Yoo and B. J. Ryu, 2008, "Design of damper with multi_stage core", Spring conference of The Korea Society for Noise and Vibration Engineering, pp. 525-528.

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