[논문]부하에 따른 DC모터 소음 평가법

차수호; 신성환

doi:10.7776/ask.2020.39.2.113

부하에 따른 DC모터 소음 평가법
Noise evaluation method of DC motor according to change of load 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.39 no.2, 2020년, pp.113 - 119

초록
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자동차에서의 모터 사용 증가로 자동차 실내 음질(sound quality) 향상을 위해 모터 소음이 주요 관심사이다. 본 연구의 목적은 부하변화에 따른 모터 소음 성능을 나타낼 수 있는 인자를 제안하는 것이다. 이를 위하여, 파워스펙트럼과 라우드니스가 소음 성능을 나타내는데 적합하지 않음을 확인하였고, 브러쉬 마찰 성분과 관련된 부분라우드니스(PN_B)와 토크 리플 성분과 관련된 부분라우드니스(PN_R)가 소음 성능을 나타내는 인자로 파악되었다. 그리고 PN_B와 PN_R를 이용하여 부하에 따른 모터 소음의 변화 특성을 나타내기 위한 방법으로 모터 소음 성능 곡선을 제안하였다. 이 곡선은 소음 제어, 모터 선정 및 시스템 개선을 위한 가이드로 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Motor noise is a major concern in order to improve perceptual feeling of car interior sound due to increased motor usage in passenger cars. The purpose of this study is to propose factors that can represent the acoustic performance of motor noise according to the change of load. To this end, at first, it is shown that power spectrum and total loudness are not fit for noise performance, and then, PNB, partial loudness related to the brush friction component, and PNR, partial loudness related to the torque ripple component are investigated as factors representing motor noise. The performance curve of motor noise using PNB and PNR is proposed to identify trends of motor noise according to the loads. The curve could be a guide for the noise control, the selection of motor, and the improvement of a system.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. (Color available online) Motor dynamo-meter and measurement set-up.
그림 Fig. 2. (Color available online) Comparison of frequency spectra according to the change of load.
그림 Fig. 3. (Color available online) DC Motor characteristics according to the change of load. (a) RPM, (b) current.
그림 Fig. 5. Comparison of total loudness according to the change load.
그림 Fig. 4. (Color available online) Specific loudness of the motor noise in the no-load condition.
그림 Fig. 6. (Color available online) Patterns of specific loudness for the main noise components of DC motor in the load conditions: 0 N-m, 1 N-m, 2 N-m.

AI 본문요약
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문제 정의

그 결과 5 Bark ~ 12 Bark 대역에서 차이가 주요하게 발생하였는데, 이 대역은 모터의 주요 소음원인 브러쉬 마찰 소음과 토크 리플 소음이 발생하는 대역이다. 따라서 이 패턴의 경향을 정량적으로 파악하기 위해서 브러쉬 마찰 성분에 대한 부분라우드니스(Partial Loudness, PN)인 PN_B와 토크 리플 성분에 대한 부분 라우드니스인 PN_R을 제안하였다.
그러므로 부하에 따른 DC 모터의 특성이 이론적인 값과 정확히 일치한다. 이러한 특성은 부하에 따라 변하는 모터 소음의 원인 규명에 활용하고자 한다.

제안 방법

3.1.2에서 파악한 모터 소음 변화의 원인을 규명하기 위해 모터 구동 시 발생하는 물리적 특징을 이용하고자 한다. 먼저, 부하 증가 시 PN_B이 감소하는 원인에 대하여 브러쉬와 정류자 간의 파워 손실(power loss)을 나타내는 Eq.
그리고 PN_B와 PN_R을 이용하여 부하에 따른 모터 소음의 변화 특성을 나타내기 위한 방법으로 모터 소음 성능 곡선들을 제안하였다. 이 곡선들은 모터 소음의 제어, 모터 선정, 시스템 개선 등을 위한 가이드 자료로 활용될 것으로 기대된다.
(5)를 이용하여 주파수를 임계대역으로 변환한다. 그리고 변환된 임계대역으로부터 각 소음 성분 별 1 Bark에 해당하는 임계대역으로 비라우드니스 패턴을 적분하여 PN_B와 PN_R을 계산하였다. 한편 14 Bark ~ 22 Bark(2000 Hz ~ 9500 Hz) 에 해당하는 광대역 소음도 주요하게 발생한다.
따라서 부하 증가 시 브러쉬 마찰 소음의 감소 경향이 규명된다. 다음으로, 부하 증가 시 PN_R이 증가하는 원인에 대하여 모터 회전에 따른 토크의 특성을 통하여 살펴보았다. Fig.
본 논문에서는 모터가 반시계 방향(Count Clock Wise, CCW)으로 회전하는 조건만 사용하였다. 그 이유는 모터의 구조(브러쉬, 고정자, 회전자, 기어 등)가 대칭 구조이기 때문에 시계 방향(Clock Wise, CW)과 물리적으로 동일한 특성을 갖는다고 볼 수 있기 때문이다.
, Φ는 회전자 전압, 회전자 권선 저항, 고정자 자속이고 k는 토크상수이다. 본 연구에서는 전압이 12 V로 일정한 조건이며, 고정자는 자속이 일정한 영구자석을 사용하였다. 그러므로 부하에 따른 DC 모터의 특성이 이론적인 값과 정확히 일치한다.
1과 같이 구성하였다. 부하 조건은 0.25 N-m 간격으로 0 N-m ~ 2 N-m 범위를 사용하였으며, 각 부하 조건마다 소음, RPM, 전류 신호를 취득하였다
부하에 따른 비라우드니스 패턴의 변화를 파악하기 위해 Fig. 6와 같이 0 N-m, 1 N-m, 2 N-m 부하 조건에서 비라우드니스 패턴을 비교하였다. 그 결과 5 Bark ~ 12 Bark 대역에서 차이가 주요하게 발생하였는데, 이 대역은 모터의 주요 소음원인 브러쉬 마찰 소음과 토크 리플 소음이 발생하는 대역이다.
소음은 마이크로폰을 이용하여 모터 하우징에서 수직으로 300 mm 위치에서 측정하였고, RPM은 타코미터를 이용하여 모터다이나모미터 회전축의 RPM을 측정하여 기어비(보정상수)를 이용한 계산을 통해 회전자 RPM을 취득하였다. 전류는 전류프로브를 이용하여 DC 파워 케이블의 전류를 측정하였으며, 모터 구동을 위해 12 V 조건에서 전류를 인가하였다.
앞서 제안한 PN_B와 PN_R를 이용하여 부하에 따른 모터 소음의 변화 특성을 나타내기 위한 방법으로 소음 성능 곡선을 제안한다. 첫 번째 곡선은 부하별로 라우드니스 대비 PN_B와 PN_R 각각의 기여도를 제시하는 곡선으로 Fig.
라우드니스의 단위는 sone이며, 음의 크기에 대한 인간의 지각량과 선형 관계를 갖는다. 이 분석은 비라우드니스(specific loudness) 계산을 통하여 인간의 청감특성을 반영한다. 비라우드니스는 가청 주파수 대역에서 일반적으로 24개의 임계대역 필터를 이용 하여 각 임계대역을 통과한 신호의 주 라우드니스(main loudness)를 계산한다.
은 증가하는 경향을 확인하였다. 이렇게 나타나는 경향의 원인에 대해서는 모터 구동시 발생하는 물리적 특징을 이용하여 규명하였다.
소음은 마이크로폰을 이용하여 모터 하우징에서 수직으로 300 mm 위치에서 측정하였고, RPM은 타코미터를 이용하여 모터다이나모미터 회전축의 RPM을 측정하여 기어비(보정상수)를 이용한 계산을 통해 회전자 RPM을 취득하였다. 전류는 전류프로브를 이용하여 DC 파워 케이블의 전류를 측정하였으며, 모터 구동을 위해 12 V 조건에서 전류를 인가하였다.
비라우드니스는 가청 주파수 대역에서 일반적으로 24개의 임계대역 필터를 이용 하여 각 임계대역을 통과한 신호의 주 라우드니스(main loudness)를 계산한다. 하지만 본 연구에서는 47 개의 임계대역 필터를 이용하여 주라우드니스를 계산^[8]하였다. 그 이유는 Fig.

대상 데이터

대상 모터는 자동차 윈도우 시스템에 사용되는 DC모터를 사용하였다. 모터에 정량적인 부하를 인가하기 위해서 부하장치와 부하를 측정할 수 있는 토크센서로 모터다이나모미터를 Fig.
은 회전자 공극수, 고정자 극수이다. 대상 모터는 정류자 편수 8개, 회전자 공극수 8개, 고정자 극수 2개를 가지는 모터이다. Fig.

이론/모형

모터 소음을 분석하기 위해 협대역 주파수 분석시, 주파수 해상도에 따라 특성 표현에 영향이 발생 하며 인간의 청감특성을 반영하지 못하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 광대역 소음 분석법 중 하나인 라우드니스 분석^[6,7]을 활용하고자 한다.

성능/효과

2는 모터 소음 신호의 A청감보정 협대역 주파수 분석 결과이며, Eqs. (1) ~ (2) 계산을 통하여 브러쉬 마찰 성분과 토크 리플 성분이 모터 소음에서 주요하게 발생함을 확인하였다.
그리고 180°에서 90°를 향할수록 전자기력은 점차 증가하고 토크가 점차 감소하며, 90°에서 0° 를 향할수록 전자기력은 점차 감소하고 토크는 점차 증가한다.
즉, 모터 구동 시 토크 리플이 발생하며, 전자기력 리플과 역 위상의 관계를 가진다. 모터의 최종 토크는 회전자 공극수와 고정자 극수에 따른 토크들의 합과 같으며, 부하 증가 시 토크 리플 정도의 증가로 인하여 토크 리플 소음이 증가한다고 볼 수 있다.
본 연구에서는 DC모터를 대상으로 부하에 따른 소음 변화를 파악할 수 있는 인자로 PN_B와 PN_R을 제안하였으며, 부하 증가에 따라 PN_B는 감소하고 PN_R은 증가하는 경향을 확인하였다. 이렇게 나타나는 경향의 원인에 대해서는 모터 구동시 발생하는 물리적 특징을 이용하여 규명하였다.
3은 부하에 따른 RPM 및 전류 신호의 평균값을 나타낸 것이다. 부하와 RPM은 음의 상관관계를 가지며 부하와 전류는 양의 상관관계를 가지는 특성이 있음을 파악하였다. 이러한 특성의 원인은 Eqs.
시계 방향으로 0°에서 270°으로 향할수록 전자기력은 점차 증가하고 토크는 점차 감소하며, 270°에서 180°를 향할수록 전자기력은 점차 감소하고 토크는 점차 증가한다.

후속연구

을 이용하여 부하에 따른 모터 소음의 변화 특성을 나타내기 위한 방법으로 모터 소음 성능 곡선들을 제안하였다. 이 곡선들은 모터 소음의 제어, 모터 선정, 시스템 개선 등을 위한 가이드 자료로 활용될 것으로 기대된다.
이 곡선은 무부하 또는 시스템 부하 조건에서 모터의 라 드니스를 저감하기 위한 타겟 설정의 가이드 자료로 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고주파 소음의 특성은?	이 두 가지 소음의 주파수 성분은 모터의 회전수에 기인하는데, 모터의 분당 회전수(Revolution Per Minute, RPM)는 수천에서 수만 대역까지 사용하기 때문에 고주파 소음이 발생하게 된다. 고주파 소음은 인간의 청감특성으로 인하여 동일 음압레벨(Sound Pressure Level, SPL)일지라도 저주파 소음에 비하여 크게 인식 되므로 민감하게 느낀다.[2]
	모터소음의 주된 원인 2가지는?	모터소음의 원인은 크게 기계적 마찰에 의한 소음과 전자기적 리플로 인한 소음으로 구분할 수 있다. 이 두 가지 소음의 주파수 성분은 모터의 회전수에 기인하는데, 모터의 분당 회전수(Revolution Per Minute, RPM)는 수천에서 수만 대역까지 사용하기 때문에 고주파 소음이 발생하게 된다.
	모터 소음의 평가를 위한 부하 조건은?	모터 소음의 평가는 일반적으로 A청감보정 음압 레벨을 사용하고 있으며, 최근 라우드니스(loudness), 샤프니스(sharpness), 변동강도(fluctuation strength), 러프니스(roughness) 등의 음질인자(sound quality metric) 를 추가적으로 사용하는 추세이다.[1,3] 평가를 위한 부하 조건은 무부하 조건 또는 시스템 부하 조건에서 진행된다. 그런데 시스템 개선 등으로 인해 부하 조건이 변경될 경우 다른 특성의 소음이 발생한다.

참고문헌 (9)

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원문보기 상세보기
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F. Lin, S. Zuo, W. Deng, and S.Wu, "Noise prediction and sound quality analysis of variable-speed permagnet synchronous motor," IEEE Trans. Energy Convers. 32, 698-706 (2017).

상세보기
Y. T. Cho, "Characterizing sources of small DC motor noise and vibration," Micromachines, 9, 698-706 (2018).
H. A. Toliyat and G. B. Kliman, Handbook of Electric Motors (CRC Press, New York, 2004), pp. 327-364.
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H. Fastl and E. Zwicker, Psychophysics - Facts and Models, 3rd Ed. (Springer-Verlag, Berlin, 2006), Chap. 8.
H. Jeong, Sound quality analysis of nonstationary acoustic signals (in Korean), (Ph.D. thesis, KAIST, 1999).
W. Tong, Mechanical Design of Electric Motors (CRC Press, New York, 2014), pp. 385.

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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