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문제 정의
- 초기 제품 설계 시 진동 규격은 ISO 규격에 맞도록 설계를 진행하였으나 컴프레서 모터의 특성상 고객사(고객사 자체 기준)의 요구로 좀 더 엄격한 진동 기준을 만족시켜야 했다. 이 과정에서 진동 기준이 초과하게 되었으며 이에 대한 원인 분석을 위해서 본 연구를 진행하였다. 진동기준은 제품마다 다르며 본 제품에 대해서는 업체 기준이 1mm/s 이내 이다.
- 진동 측정 결과 120Hz에서 과도한 진동 성분이 측정 되었으며 120Hz에서 공진모드가 존재하고 있다고 판단하였다. 공진 모드의 발생 원인을 찾고 이를 해결하기 위해서 본 연구를 진행하였다.
제안 방법
- 2와 같은 모델링을 사용하였다. FEM에 필요 없는 부분은 생략하였지만 모터 코어와 코일 회전축은 원형 부분을 최대한 살려서 해석을 진행하였다. 이 부분의 과도한 단순화는 해석 오차를 증대시키기 때문이다.
- 모달 실험을 수행하기 전에 자유단 조건의 모드 해석을 수행하였다. 자유단 조건으로 해석과 실험을 수행한 이유는 315Fr 유도 전동기에 대한 제작이 처음이었기 때문에 기존 해석 및 실험 결과에 대한 자료가 부족하여 자유단 조전에서 먼저 실험을 한 후에 FEM 해석에 필요한 재질 및 해석 조건을 잡기 위해서 실험을 실시하였다.
- 모달 실험을 수행하기 전에 자유단 조건의 모드 해석을 수행하였다. 자유단 조건으로 해석과 실험을 수행한 이유는 315Fr 유도 전동기에 대한 제작이 처음이었기 때문에 기존 해석 및 실험 결과에 대한 자료가 부족하여 자유단 조전에서 먼저 실험을 한 후에 FEM 해석에 필요한 재질 및 해석 조건을 잡기 위해서 실험을 실시하였다. Fig.
- Table 1은 해석 결과를 나타낸다. 자유단 해석(3)을 실제 조건과 최대한 유사하게하기 위해서 실제 체인과 동일한 위치에 스프링 요소를 첨부하였다. Table 1에 해석결과를 나타내었으며 강체모드는 생략하였다.
- 4와 같다. Fig. 4 붉은 점선과 같이 볼트를 4개 모델링해서 해석 모델에 삽입하였으며 바닥 부분을 추가하여 모터가 지면에 볼트로 고정되는 조건을 모사하였다.
- Table 1의 결과를 보면 1차 모드는 두 모델 모두 터미널 박스 쪽의 진동에 해당한다. 매다는 조건을 모사하기 사용한 스프링 요소의 강성과 위치에 따라서 고유진동수가 변화하기 때문에 최대한 실험 조건과 유사하게 스프링의 위치와 강성을 선정하였다. 스프링 요소의 위치와 강성을 조정한 결과 실험 결과와 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
- 5는 모드 실험(4)을 위해 모터를 공중에 크레인으로 띄운 상태를 나타낸다. 크레인으로 띄운 상태에서 임팩트 해머를 이용하여 가진을 하고 모드 파라미터를 추출하였다. 가속도는 3축 가속도계를 사용하였으며 가속도계를 옮겨가며 측정을 진행하였다.
- 9는 고정된 상태의 각 점에서 측정된 FRF 선들 나타내었다. 이 선들을 바탕으로 모드 파라미터를 추출하였다. 모드 파라미터 추출을 위해서 Time MDOF(1,6)(Multi Degree of Freedom)기법을 사용하였으며 모드 파리미터 추출은 Fig.
- 먼저 자유단 조건을 해석과 실험 결과를 비교하였다. FEM과 모드실험(4,5)의 1차 모드형상을 비교하였다.
- 먼저 자유단 조건을 해석과 실험 결과를 비교하였다. FEM과 모드실험(4,5)의 1차 모드형상을 비교하였다. Fig.
- 메쉬의 정도도 타당하다고 판단된다. 이를 바탕으로 고정조건에 대한 해석과 모드 실험 결과를 비교하였다. Fig.
대상 데이터
- 실험에 사용된 315Fr 유도 전동기의 규격은 900마력 460V 2극 전동기이며 무게는 1775kg, 1789.5×1172.5×712.5mm의 크기를 가지고 있다.
- 주물 FC250, 구리, SCM430 등이 대표적으로 사용되었다. 해석을 위해서 10node 사면체 요소를 사용하였으며 노드수 657,844, 요소수 375,721개이다.
- 6은 모터의 측정점들을 나타낸다. 가속도계는 PCB사의 100mV/g의 감도를 가지고 있는 356A15, 임팩트 해머는 0.23mV/N 감도를 가진 086D20을 사용하였다.
이론/모형
- 이 선들을 바탕으로 모드 파라미터를 추출하였다. 모드 파라미터 추출을 위해서 Time MDOF(1,6)(Multi Degree of Freedom)기법을 사용하였으며 모드 파리미터 추출은 Fig. 10, Fig. 11을 사용하였다. 이 방법을 이용해서 추출한 모드 파라미터는 Table 2, 3에 나타냈다.
성능/효과
- 진동기준은 제품마다 다르며 본 제품에 대해서는 업체 기준이 1mm/s 이내 이다. 진동 측정 결과 120Hz에서 과도한 진동 성분이 측정 되었으며 120Hz에서 공진모드가 존재하고 있다고 판단하였다. 공진 모드의 발생 원인을 찾고 이를 해결하기 위해서 본 연구를 진행하였다.
- 1차 모드는 두 개 모두 터미널 박스의 움직임을 나타낸다. 두 결과를 비교했을 때 해석상 경계조건과 재질이 정상적으로 입력되었음을 알 수 있었다. 메쉬의 정도도 타당하다고 판단된다.
- 15는 FEM 결과와 실험 결과를 나타낸다. 해석결과 좌우 Rolling 모드형상은 118.28Hz로 계산되었으며 모드실험 결과의 Rolling 모드형상은 121.685Hz는 측정 되었다. 이는 해석결과와 실험결과가 거의 차이가 나지 않음을 알 수 있다.
- 이는 해석결과와 실험결과가 거의 차이가 나지 않음을 알 수 있다. 이를 통해서 컴프레서용 모터에 120Hz 근처에 모드가 존재하고 있다는 것을 확인하였다. Fig.
- 해석결과와 모드실험 결과 120Hz 근처에서 모터 하우징의 Rolling 운동이 존재함을 알 수 있었다. 이는 60Hz, 3600rpm으로 회전하는 유도 전동기의 2X, 2fl 진동수에 해당되는 주파수이다.
- 이는 60Hz, 3600rpm으로 회전하는 유도 전동기의 2X, 2fl 진동수에 해당되는 주파수이다. 모터 하우징의 Rolling 모드와 2X, 2fl의 공진 때문에 모터의 진동이 증폭되었고 진동기준을 만족하지 못 한다는 사실을 실험과 해석으로 증명하였다. 진동의 원인이 규명되었고 해석을 통해서도 이를 입증하였으므로 추후 다른 시리즈 모터 개발에는 실험 없이 진동을 예측하고 시작 모델 제작 없이 컴퓨터 시뮬레이션만으로 미리 대처를 할 수 있을 것이라 예상된다.
후속연구
- 모터 하우징의 Rolling 모드와 2X, 2fl의 공진 때문에 모터의 진동이 증폭되었고 진동기준을 만족하지 못 한다는 사실을 실험과 해석으로 증명하였다. 진동의 원인이 규명되었고 해석을 통해서도 이를 입증하였으므로 추후 다른 시리즈 모터 개발에는 실험 없이 진동을 예측하고 시작 모델 제작 없이 컴퓨터 시뮬레이션만으로 미리 대처를 할 수 있을 것이라 예상된다. 모터 하우징 공진에 대처하기 위해 설계 변경을 통해서 공진을 회피하는 설계 및 최적화 해석을 진행하고 이를 실험을 통해서 증명할 예정이다.
- 진동의 원인이 규명되었고 해석을 통해서도 이를 입증하였으므로 추후 다른 시리즈 모터 개발에는 실험 없이 진동을 예측하고 시작 모델 제작 없이 컴퓨터 시뮬레이션만으로 미리 대처를 할 수 있을 것이라 예상된다. 모터 하우징 공진에 대처하기 위해 설계 변경을 통해서 공진을 회피하는 설계 및 최적화 해석을 진행하고 이를 실험을 통해서 증명할 예정이다.
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