[논문]진공청소기용 팬-모터 어셈블리의 시스템-레벨 분석

박창환; 박경현; 장경식

doi:10.5293/kfma.2017.20.1.005

진공청소기용 팬-모터 어셈블리의 시스템-레벨 분석
System-level Analysis of a Fan-motor Assembly for Vacuum Cleaner 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.20 no.1, 2017년, pp.5 - 14

박창환 (삼성전기) , 박경현 (삼성전기) , 장경식 (한서대학교 항공기계학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A fan-motor assembly in a vacuum cleaner is analyzed through system-level analysis method. This system consisted of three components, a fan, motor, and the flow resistance of the motor, or of the vacuum cleaner. System-level analysis method is characterized by the combination of torque matching at a constant throttling condition between the fan and the motor and the pressure drop at a constant flow rate due to the flow resistance of the motor, or of the vacuum cleaner. The performance characteristics of the fan-motor assembly and the vacuum cleaner system could be predicted over the whole range of operation, based on the characteristics of each component. The predicted performance of the vacuum cleaner system through system-level analysis agreed well with the experimental results within 4.5% difference of pressure and 6% difference of the efficiency. The effect of flow resistance of a motor is investigated and it is found that the efficiency decrease of fan-motor assembly at the constant flow rate due to the flow resistance of a motor is determined by the flow resistance ratio(FRR), which is defined as a ratio of flow resistance of motor and the flow resistance of a constant throttling condition of a given point. The fan-motor assembly(S2 model) was modified to reduce the FRR from 9.0% to 2.4% and the experimental result shows that the efficiency of S2 model was improved by about 3% at best efficiency point.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

ACE를 통해 개별 컴포넌트 특성으로부터 팬모터 어셈블리나 진공청소기 시스템의 성능을 예측하고, 컴포넌트간의 상호관계를 고려하여 팬모터 어셈블리의 성능을 최적화하는 방법에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 ACE를 이용하여 실제 진공청소기 시스템의 성능 특성을 예측하고 이를 실험을 통하여 검증하였다. 또한, 모터의 유동저항이 팬모터 어셈블리의 성능에 미치는 영향을 분석하고 모터의 유동저항을 감소시킨 모델에 대해 실험을 통해 효율 상승의 효과를 확인하였다.
앞 절에서 구한 팬+모터의 특성에 추가로 유동저항의 영향을 살펴보려고 한다. 다시 말해 팬+모터에 유동저항이 결합된 등가 팬+모터(equivalent fan+motor)의 특성을 구하는 것이라고 볼 수 있다.
이번 절에서는 모터의 유동저항은 고려하지 않고 팬과 모터가 결합된 “팬+모터”의 특성을 구하는 방법을 설명하고자 한다.

가설 설정

(b)와 같이 모터의 NT 곡선 위에 표시하면, 일반적으로 모터의 NT곡선 위에 존재하지 않을 것이다.
단지, 고유량 영역에서 실험값과 차이가 커짐을 알 수 있는데, 이는 크게 두 가지의 원인에 기인하는 것으로 추정된다. 첫째는 팬 성능 시험장치를 통한 시스템의 유동저항 측정 시팬에 의한 속도의 회전(swirl) 성분이 고려되지 않기 때문에 실제 값과 예측에 사용된 값에 차이가 존재할 것이다. 또한,흡입일률 시험에 사용되는 오리피스 직경의 간격이 고유량 영역에서 크기 때문에 이에 의한 보간 오차가 증가하기 때문으로 보인다.

제안 방법

ACE를 이용하여 어셈블리 특성과 시스템의 유동저항 값으로부터 시스템의 특성을 예측하였고(Fig. 8(a) 참고), Fig.
4% 수준으로 개선한 모델이다. Fig. 13에 ACE로 예측한 팬+모터의 효율과 흡입일률 시험으로 측정한 S2 모델과 S2-1모델의 효율을 비교하였다. S21 모델은 S2 모델에 비해 어셈블리의 BEP 효율이 3.
S2 모델을 Upright형 진공청소기에 장착하여 시스템의 성능을 흡입일률 시험기로 측정하였다. Fig.
또한, 모터의 유동저항이 팬모터 어셈블리의 성능에 미치는 영향을 분석하고 모터의 유동저항을 감소시킨 모델에 대해 실험을 통해 효율 상승의 효과를 확인하였다.
본 연구에서는 실제 진공청소기 시스템에 S2 모델을 장착하고 시스템의 특성과 ACE의 예측결과를 비교, 분석하였다. 또한, 어셈블리의 특성에 모터의 유동저항이 미치는 영향에 대해 고찰하고, S2 모델의 모터 유동저항을 감소시킨 수정모델에 대해 어셈블리의 효율 증가를 실험으로 확인하였다. 이를 위해 어셈블리나 시스템의 성능은 흡입일률 시험기로 측정하였고, 다이나모미터를 이용하여 모터의 성능을 측정하였다.
이를 위해 어셈블리나 시스템의 성능은 흡입일률 시험기로 측정하였고, 다이나모미터를 이용하여 모터의 성능을 측정하였다. 또한, 팬 성능 시험장치를 이용하여 모터와 진공청소기의 유동저항을 측정하였다.
본 연구에서 ACE를 이용한 진공청소기용 팬모터 어셈블리의 시스템레벨 분석을 수행하였다.
등은 ACE의 검증을 위하여 유동저항용 테스트 지그를 이용하여 ACE의 시스템 특성 예측능력을 검증하였다. 본 연구에서는 실제 진공청소기 시스템에 S2 모델을 장착하고 시스템의 특성과 ACE의 예측결과를 비교, 분석하였다. 또한, 어셈블리의 특성에 모터의 유동저항이 미치는 영향에 대해 고찰하고, S2 모델의 모터 유동저항을 감소시킨 수정모델에 대해 어셈블리의 효율 증가를 실험으로 확인하였다.
또한, 어셈블리의 특성에 모터의 유동저항이 미치는 영향에 대해 고찰하고, S2 모델의 모터 유동저항을 감소시킨 수정모델에 대해 어셈블리의 효율 증가를 실험으로 확인하였다. 이를 위해 어셈블리나 시스템의 성능은 흡입일률 시험기로 측정하였고, 다이나모미터를 이용하여 모터의 성능을 측정하였다. 또한, 팬 성능 시험장치를 이용하여 모터와 진공청소기의 유동저항을 측정하였다.
테스트 챔버는 내부 500 mm×500 mm×500 mm 크기의 균압박스가 이용되었다. 진공청소기의 성능 측정 시에는 클리닝 헤드를 제거하고 파이프를 흡입일률시험기에 직접 연결하여 측정하였고(Fig. 1 참조), 팬의 회전속도는 SRM 에 부착된 홀 센서(hall sensor) 신호로부터 계산하였다. 모터나 시스템의 유동저항 측정을 위해서는 ANSI/AMCA 21099⁽⁹⁾에 의거하여 제작된 멀티노즐 챔버 타입의 팬 성능 시험장치(fan performance tester)를 사용하였다.
팬모터 어셈블리의 특성과 진공청소기 시스템의 유동저항 계수를 이용하여 시스템의 성능특성을 예측하였고, 예측된 결과는 실제 진공청소기의 성능 측정을 통해 검증하였다.

대상 데이터

모터나 시스템의 유동저항 측정을 위해서는 ANSI/AMCA 21099(9)에 의거하여 제작된 멀티노즐 챔버 타입의 팬 성능 시험장치(fan performance tester)를 사용하였다.
모터의 특성은 Magtrol社의 고속기기시험용 다이나모미터(모델명: 2WB43HS)를 이용하여 측정하였다.
식 (8)의 해를 구함으로써, 팬 특성 곡선 상의 임의의 점에서 압력과 유량 값으로부터 그 점의 교축조건에 해당하는 오리피스 직경을 알 수 있다. 본 연구에서는 두께 2 mm의 오리피스 플레이트가 사용되었다.
본 연구에서는 청소기용 팬모터 어셈블리로 Fig. 3의 S2 모델을 사용하였다.
테스트 챔버는 내부 500 mm×500 mm×500 mm 크기의 균압박스가 이용되었다.

이론/모형

IEC 규격⁽⁸⁾에 의해 제작된 흡입일률시험기를 이용하여 청소기용 어셈블리의 성능이 측정되었다. 테스트 챔버는 내부 500 mm×500 mm×500 mm 크기의 균압박스가 이용되었다.

성능/효과

팬모터 어셈블리의 특성과 진공청소기 시스템의 유동저항 계수를 이용하여 시스템의 성능특성을 예측하였고, 예측된 결과는 실제 진공청소기의 성능 측정을 통해 검증하였다. ACE의 예측결과는 압력은 4.5% 이내, 효율은 6 % 이내에서 실험 결과와 잘 일치하였다. 또한, 모터의 유동저항이 팬모터 어셈블리의 성능에 미치는 영향을 일정 유량조건에서 모터의 유동저항과 일정 교축조건의 유동저항의 비로 정의되는 FRR 값으로 정량화할 수 있으며, FRR은 오리피스 직경 기준의 효율 감소를 고려할 때에도 정성적인 설계 변수로 활용 가능하다는 것을 확인하였다.
S21 모델은 S2 모델에 비해 어셈블리의 BEP 효율이 3.2% 상승하였고, S1과 S3 모델처럼 이상적인 경우인 팬+모터의 효율에 비하여 효율 감소가 1% 수준대로 성능이 개선되었다.
또한, 모터의 유동저항이 팬모터 어셈블리의 성능에 미치는 영향을 일정 유량조건에서 모터의 유동저항과 일정 교축조건의 유동저항의 비로 정의되는 FRR 값으로 정량화할 수 있으며, FRR은 오리피스 직경 기준의 효율 감소를 고려할 때에도 정성적인 설계 변수로 활용 가능하다는 것을 확인하였다.
또한, 모터의 유동저항이 팬모터 어셈블리의 성능에 미치는 영향을 일정 유량조건에서 모터의 유동저항과 일정 교축조건의 유동저항의 비로 정의되는 FRR 값으로 정량화할 수 있으며, FRR은 오리피스 직경 기준의 효율 감소를 고려할 때에도 정성적인 설계 변수로 활용 가능하다는 것을 확인하였다. 모터의 유동저항에 의해 어셈블리의 효율 감소가 큰 S2 모델의 FRR 값을 9.0%에서 2.4% 수준으로 개선한 모델의 성능 평가를 통해 실제 팬모터 어셈블리의 효율 증가를 확인하였다.
021823 kPa/(L/s)²이 이용되었다. 예측값은 압력은 4.5 % 이내, 효율은 6 %이내에서 실험과 잘 일치하고 있으며, 입력전력이나 회전속도도 2 %이내에서 실험값과 잘 일치한다. 이를 통해 ACE는 실제 진공청소기 시스템의 성능 예측도 정확하게 예측함을 확인하였다.
5 % 이내, 효율은 6 %이내에서 실험과 잘 일치하고 있으며, 입력전력이나 회전속도도 2 %이내에서 실험값과 잘 일치한다. 이를 통해 ACE는 실제 진공청소기 시스템의 성능 예측도 정확하게 예측함을 확인하였다. 단지, 고유량 영역에서 실험값과 차이가 커짐을 알 수 있는데, 이는 크게 두 가지의 원인에 기인하는 것으로 추정된다.
4(b)에서 알 수 있듯이 회전속도의 증가에 따라 입력전력과 토크가 감소하는 특성을 가진다. 즉, 시스템의 효율 관점에서 입력전력 및 흡입일률 모두 감소한다는 것을 알 수 있다. Fig.

후속연구

따라서, 팬모터 어셈블리에서 FRR은 모터의 기구적인 설계 시 고려되어야 하는 유용한 인자로 사용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컴포넌트 간의 매칭 특성이 좋지 않아 팬모터 어셈블리나 어셈블리가 장착된 시스템의 성능이 원하는 스펙을 만족하지 못 하는 경우가 발생하면 어떻게 해야하는가?	개별 컴포넌트의 설계에서 우수한 성능의 팬 또는 모터를 개발하였다 할지라도, 컴포넌트 간의 매칭 특성이 좋지 않아 팬모터 어셈블리나 어셈블리가 장착된 시스템의 성능이 원하는 스펙을 만족하지 못 하는 경우가 종종 발생한다. 이러한 경우 팬 또는 모터의 수정설계가 이루어져야하는데 대부분은 경험에 의하거나 반복적인 테스트를 통해 이루어진다. 따라서 고효율의 진공청소기나 진공청소기용 모터 개발을 위해서는 개별 컴포넌트의 성능을 향상시키는 것 외에, 이러한 상호관계를 고려하여 시스템레벨에서 팬모터 어셈블리나 진공청소기 시스템의 특성을 최적화 하는 것이 또 하나의 방법이 될 것이다.
	어셈블리란 무엇인가?	2에 나타낸 바와 같이 편의상 팬과 모터 등 기본 컴포넌트의 조합으로 이루어지는 팬모터를 어셈블리, 팬모터 어셈블리가 장착된 진공청소기를 시스템이라고 부른다. 어셈블리는 팬, 모터 그리고 모터의 유동저항으로 정의하고, 시스템은 어셈블리에 진공청소기의 유동저항까지 포함한다. 어셈블리의 유동저항은 Fig.
	팬모터 어셈블리는 어떤 타입으로 나눌 수 있는가?	진공청소기에 사용되는 팬모터 어셈블리는 흡입된 공기의 이동경로에 따라 bypass 타입과 throughflow 타입으로 나눌 수 있다.(1,7) Bypass 타입 모터에서는 팬을 지난 공기는 모터를 거치지 않고 바로 배출되는데, 이 때문에 모터의 냉각을 위해 별도의 냉각용 팬이 필요하다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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상세보기
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