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제안 방법
- 아울러 기본 모델의 유동장분석을 통해 산출된 주요 소음원들에 대한 설계 개선을 수행하여 소음 저감 제안 모델들을 도출하였다. 각 소음 저감 제안 모델들에 대하여 검증된 수치해석 기법을 적용하여 성능을 평가함으로써 제안 모델들에 대한 소음 저감 효과를 확인하였다. 이러한 분석 결과들을 토대로 전동차용 견인전동기소음 저감을 위한 최종 설계 개선안을 선정하였다.
- 점음원으로 정하였을 때, 소음의 방사 형태는 원형의 양상을 가지므로, 보셀 영역의 형태는 음원으로부터 멀어질수록 원형으로 커지도록 하였다. 격자볼츠만 기반의 해석 기법을 적용하기 위하여 정렬 격자계를 생성하였으며, 격자에 따른 신뢰도 검증을 위해 격자 밀집도에 따라 5억개(coarse mesh)와 7억개(fine mesh)로 구성된 두가지 격자계를 생성하였다.
- 기본 모델의 소음 저감을 위해 주요 소음원들에 대한 설계 개선 작업을 통해 수정 모델들을 도출하였다. 이 과정에서 6개의 주요 소음원들 중 4 가지의 소음원들(소음원①,②,⑤,⑥)에 대한 설계 개선을 수행하였다.
- 2는 본 연구의 해석 수행 시 적용된 보셀 영역(VoxelRegion) 및 영역에 따른 격자계를 나타낸다. 벽면에 의한 반사파 영향을 최소화하기 위하여 전체 해석 영역을 매우 크게 하였으며, 여러 보셀 영역으로 세분화하여 영역에 따른 격자수준을 조정할 수 있도록 하였다. 점음원으로 정하였을 때, 소음의 방사 형태는 원형의 양상을 가지므로, 보셀 영역의 형태는 음원으로부터 멀어질수록 원형으로 커지도록 하였다.
- 본 연구를 통해 격자볼츠만기법을 기반으로 하는 소음 해석을 이용하여 전동차용 견인전동기 소음 저감 설계를 수행하였다.
- 해당 소음원들 중 설계 제한 조건을 제외한 4 가지 설계 개선 요소(입구부, 회전자와 고정자 사이 단차, 냉각팬, 토출부)을 선정하였다. 선정된 개선구간에 대한 수정 설계를 통해 해석 모델들을 산출하였으며, 수치해석을 통해 소음 성능을 평가하였다. 그 결과 입구부, 회전자와 고정자 사이 단차, 냉각팬 수정에 따른 소음 저감효과가 크게 나타났다.
- 소음 저감 효과의 원인을 분석하기 위해 수정 모델 3에 대한 유동장 분석을 수행하였다. Fig.
- 7의 주파수 영역 별 음향파워레벨 분석 결과를 통해 확인할 수 있듯이 4000 Hz 대역에서의 피크 소음이 감소하였다. 소음 저감의 원인을 확인하기 위해기본 모델과 수정 모델 1의 유동장 비교 분석을 수행하였다.Fig.
- 10과 같이 그릴의 개수 및 형태를 변경하였다. 수정 모델 3 역시 선행 설계 개선 모델의 소음 감소 효과를 반영하기 위해 수정 모델 1과 수정 모델 2의 설계 개선 사항들을 적용하였다. 수치해석을 통해 산출된 수정 모델 3의 음향파워레벨은 103.
- 수정 모델 3은 소음원 ⑥(토출부 영역 소음)에 대한 설계개선 모델로, 출구 그릴에 부딪혀 발생하는 와류 성분을 억제하기 위해 Fig. 10과 같이 그릴의 개수 및 형태를 변경하였다. 수정 모델 3 역시 선행 설계 개선 모델의 소음 감소 효과를 반영하기 위해 수정 모델 1과 수정 모델 2의 설계 개선 사항들을 적용하였다.
- 수치해석을 이용하여 산출된 기본 모델의 유동장 분석을 통해 6 개의 소음원을 도출하였다.
- 수치해석을 이용한 성능 평가는 해석 조건에 따른 신뢰도 검증을 위해 coarse 조건(격자수: 5억개, 최소 격자 크기: 0.65 mm, 시간 간격: 1.0 × 10-6 초) 과 fine 조건(격자수: 7억개, 최소 격자 크기: 0.35 mm, 시간 간격: 5.4 × 10-7초)을 적용하여 각각 수행하였다.
- 산출된 성능 평가 결과들을 비교 분석하여 수치해석의 신뢰도를 검증하였다. 아울러 기본 모델의 유동장분석을 통해 산출된 주요 소음원들에 대한 설계 개선을 수행하여 소음 저감 제안 모델들을 도출하였다. 각 소음 저감 제안 모델들에 대하여 검증된 수치해석 기법을 적용하여 성능을 평가함으로써 제안 모델들에 대한 소음 저감 효과를 확인하였다.
- 그에 따라 날개 프로파일이 부드럽게 변화할 수 있도록 수정 모델 2를 도출하였다. 아울러 수정 모델 1의 소음 개선 효과를 반영하기 위해 수정 모델 1의 설계 수정 사항도 함께 적용하였다. 도출된 수정 모델 2 역시 수치해석을 이용하여 소음 성능을 평가하였다.
- 해석 수행 시 견인전동기 냉각팬의 최대 회전수는 5300rpm으로 하였으며, 작동 유체는 공기를 적용하였다. 아울러 외부 벽면 경계 조건으로 압력 감쇠 조건을 부여하여 흡음 효과를 모사하였다.
- 연구 수행을 위해 기존 상용품을 기본 모델로 선정하였으며, 수치해석과 실험을 이용하여 기본 모델의 소음 성능을 각각 평가하였다. 수치해석을 이용한 성능 평가는 해석 조건에 따른 신뢰도 검증을 위해 coarse 조건(격자수: 5억개, 최소 격자 크기: 0.
- 본 연구에서는 격자볼츠만기법을 이용하여 전동차용 견인전동기의 소음 저감 설계를 수행하였다. 연구 수행을 위해 기존 상용품인 200 kW급 4극 3상 농형 견인 전동기를 기본 모델로 선정하였으며, 수치해석과 실험을 통해 소음 성능을 각각 평가하였다. 산출된 성능 평가 결과들을 비교 분석하여 수치해석의 신뢰도를 검증하였다.
- 기본 모델의 소음 저감을 위해 주요 소음원들에 대한 설계 개선 작업을 통해 수정 모델들을 도출하였다. 이 과정에서 6개의 주요 소음원들 중 4 가지의 소음원들(소음원①,②,⑤,⑥)에 대한 설계 개선을 수행하였다. 소음원 ③,④의 경우 모터 냉각에 큰 영향을 미치는 요소이기 때문에 본 연구 논문에서는 배제하였다.
- 이러한 결과들을 바탕으로 소음 저감 효과가 큰 수정 모델 2를 본 연구의 최종 설계 개선 모델로 선정하였다. 수정 모델 3의 경우 추가적인 소음 저감 효과가 있었지만 그 수준이 미미하고 전반적인 유속 및 와류 성분 증가가 관측되었기 때문에 설계 개선안에서 제외하였다.
- 각 소음 저감 제안 모델들에 대하여 검증된 수치해석 기법을 적용하여 성능을 평가함으로써 제안 모델들에 대한 소음 저감 효과를 확인하였다. 이러한 분석 결과들을 토대로 전동차용 견인전동기소음 저감을 위한 최종 설계 개선안을 선정하였다.
- 좌측항에 해당하는 입자 분포함수의 이동과정과 우측항에 해당하는 입자의 충돌과정의 계산을 통해 유동 해석이 수행된다. 여기서, τ는 완화 시간을 나타내며 아래 식과 같이 동점성계수(υ)에 의해 산출된다.
대상 데이터
- 규격에 명시된 시험 규정에 따라 Fig. 3와 같이 견인전동기 중심으로부터 횡방향으로 1.308 m, 종방향으로 1.262 m 떨어진 9개의 측정 포인트에 마이크로폰을 설치하였다. 시험 데이터는 냉각팬 회전수를 5300 rpm까지 증가시키며 측정되었다.
- 견인전동기의 소음평가 시험 방법은 ISO 3744 또는 ICE 60349-2에 의해 정의할 수 있다[13,14]. 본 연구 수행 시 ISO 3744 규격을 따라 소음 성능을 평가하였다.
- 본 연구의 대상인 철도차량 견인전동기는 Fig. 1과 같이 내부에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각팬이 존재한다. 견인전동기 작동 시 냉각팬이 고속으로 회전하여 매우 높은 강도의 공력 소음을 유발한다.
- 수정 모델 1은 소음원 ①(입구 덕트)과 소음원 ②(회전자와 고정자 사이 단차 형상)에 대한 설계 개선에 따라 산출된 모델이다. Fig.
- 수치해석을 이용하여 산출된 기본 모델의 유동장 분석을 통해 6 개의 소음원을 도출하였다. 해당 소음원들 중 설계 제한 조건을 제외한 4 가지 설계 개선 요소(입구부, 회전자와 고정자 사이 단차, 냉각팬, 토출부)을 선정하였다. 선정된 개선구간에 대한 수정 설계를 통해 해석 모델들을 산출하였으며, 수치해석을 통해 소음 성능을 평가하였다.
데이터처리
- 기본 모델의 주요 소음원을 분석하기 위해 fine 조건을 적용하여 산출된 수치해석 결과를 토대로 유동장 분석을 수행하였다. Fig.
- 아울러 수정 모델 1의 소음 개선 효과를 반영하기 위해 수정 모델 1의 설계 수정 사항도 함께 적용하였다. 도출된 수정 모델 2 역시 수치해석을 이용하여 소음 성능을 평가하였다. 수정 모델 2의 음향파워레벨은104.
- 6와 같이 입구 덕트의 경우 흡기면을 단순화 하였으며, 고정자 홈을 메우고 회전자 빔의 모서리에 필렛(fillet)을 부여하여 고정자와 회전자 사이에서 발생하는 와류 성분들이 억제될 수 있도록 하였다. 도출된 수정모델 1에 대해 수치해석을 이용하여 소음 성능을 평가하였다. 수정 모델 1의 음향파워레벨은 106 dB(A)로 기본 모델(108.
- 연구 수행을 위해 기존 상용품인 200 kW급 4극 3상 농형 견인 전동기를 기본 모델로 선정하였으며, 수치해석과 실험을 통해 소음 성능을 각각 평가하였다. 산출된 성능 평가 결과들을 비교 분석하여 수치해석의 신뢰도를 검증하였다. 아울러 기본 모델의 유동장분석을 통해 산출된 주요 소음원들에 대한 설계 개선을 수행하여 소음 저감 제안 모델들을 도출하였다.
- 선정된 기본 모델에 대하여 격자계 및 해석 조건에 따른 수치해석 결과와 소음 시험 데이터를 비교 검증하여 수치해석의 신뢰도를 검증하였다. 그에 따라 1.
이론/모형
- 4와 같이 주파수 특성 역시 매우 유사하게 예측하는 것을 확인할 수 있었다. 그에 따라 Fine 조건을 적용한 수치해석 기법을 본 연구 수행을 위한 해석 조건으로 선정하였다.
- 본 연구에서는 격자볼츠만기법(LBM)을 기반으로 하는 상용 해석 툴인 PowerFLOW를 이용하여 수치해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 격자볼츠만기법을 이용하여 전동차용 견인전동기의 소음 저감 설계를 수행하였다. 연구 수행을 위해 기존 상용품인 200 kW급 4극 3상 농형 견인 전동기를 기본 모델로 선정하였으며, 수치해석과 실험을 통해 소음 성능을 각각 평가하였다.
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