[논문]BLDC Fan Motor의 소음 원 규명 및 동 특성 분석

신현정; 이동일

문제 정의

따라서 특정 운전대역에서 공진현상이 종종 발생하였으나 공진의 원인이 규명되지 않아 운전대역을 변경하는 방법으로 공진을 회피해 왔다. 따라서 본 연구에서는 공잔소음의 원인을 규명하고 공진소음 희피설계가 가능한 동특성 인자들에 관한 연구를 수행하였다.
운전점인 1500rpm 대역온 공진현상윤 없으나 공진현상의 원인이 규명되지 않아 Motor 또는 Fan의 구조 변경 시 공진의 가능성이 있어 공진소음의 원인을 분석하는 것은 향후 모델 전개에 였어 중요한 Issue가 되고 있다, 본 논문에서는 기계실 퍤 모터는 냉동실과 동일한 현상을 보이므로 냉동실 팬 모터에 있어세080rpm 대역[제 1공진]과1353pm[제 1공진]의 가진원과 동특성을 분석하고 이에 대한 대안을 제시하고자 하였다
Rot어.의 Inertia 몇 축의 길이와 관련이 있었고 저11공진은 Fan의 형상에 따라 차이가 있었음에 착안 하여 Fan의 공진 및 축계 Torsional Vibration 가능성을 검토하였다.

제안 방법

Torsional Vibmticm을 계산하기 위해 유한요소 해석율 통하여 축계 해석을 수행하였다, 그림 10과 같이 본 연구모델의 Rotor Systeme Shaft 끝단에 압입된 Axial Fan 및 Shaft 그리고 Shaft에 일체로 삽입 고정된 영구자석으로 구성되어 있다.
공진현상을 분석한 결과 제공진회전수는 Rotore 영향을 크게 받지 않으며 Fan 형상과 밀접한 관계가 있는 것으로 분석되었다 따라서 Fan Bde의 동특성 분석을 수햄하였다.
활발히 추진되고 있다. 본 연구예서는 최근 냉장고의 소비전력 및 소음 저감을 위하여 점차로 적용이 확대되고 있는 고효율 BLDC Fan Motor에 관한 것으로서 종래 유도전동기는 운전속도가 1속 또는 2속 정도로서 속도 범위가 낮은 반면에 본 모터는 입력 전압을 가변하여 성능을 고려하여 설계자가 원항는 대역을 훨씬 자유로이 설정할 수 있는 장점을 가지고 있어 대부분 2속 또는 3속으로 운전하고 있다. 따라서 특정 운전대역에서 공진현상이 종종 발생하였으나 공진의 원인이 규명되지 않아 운전대역을 변경하는 방법으로 공진을 회피해 왔다.
해석결과, 허브와 Blade간의 굽힘 강성 등이 주요한 인자임을 보였으므로 풍량 맟 구조변경의 제한성을 고려하여 아래의 그림과 같이 팬의 형상율 변화시켜 고유진똥수를 변경하였다.

대상 데이터

그러므로 본 과제에 사용된 BLDC 모터는 회전속도의 18베 성분의 주파수를 기본으로 한 가진주파수가 존재하게 된다. 교렴 5는 이상적인 경우의 각상에 대한 여자 전류 및 합성된 토크 프로파일을 나타내었다.
BLDC모터는 회전자와 고정자, 축으로 구성이 되펴, 회전자는 영구자석 (Permanent Magn)을 사용하며 고정자에는 코일이 감겨져 있다. 본 과제에서 연구대상으로 사용된 BLDC 모터는 전술한 바와 같이 9슬롯 6극 구형파 2상 통전 구동방식의 BLDC 모터로서 통전되는 상(pha)을 매 60도(전기각)마다 전기적으로 철환(Commiitation)해야 하므로 모터의 인덕턴스 (Inductance)성분에 의하여 전류의 위상지연 (Phase Lag)이 발생하여 토크리플(Tore Ripple)의 원인이 되고, 이 토크 리플이 모터의 가친원 (Exciting Sours) 이 된다. 절환 주파수 (Commutation Frequency) = 전기적주파수 X 6[Hz]=(Poles X N/120)X 6[Hz]가 된다.
기본파로 하는 전자기 가친력이 있게 된다. 본 논문의 연구대상 모터는 6극 9슬롯의 구조를 가지고 있으므로 1희전당 18 회의 코깅 토크를 기본파로 하는 가진주파수 및 그것의 고조파 성분이 존재하게 된다. 이 성분은 우연히 Commutation Torque Ripple 의 주파수와 일치하나 본 논문에서 고려된 모터에서는 크기가 상대적으로 매우 작아 가진원으로 보기 어렵다.

성능/효과

따라서 아래 표 및 그림과 칼이 기존의 Plastic Magn비중 3를 Sintered Magn비중 5로 변경하였으며 이 경우 Inertia를 약 56% 증대시킬 수 있여 고유진동수를 25% 낮출 수 였다.
실험적으로 해석결과를 확인하기 위하여 그림 M과 같은 실험 장치를 사용하여 로터가 Fan에 처부된 상태에서의 고유진동수를 계측한 결과, 그림 15에서 보여준 바와 같이 316Hz로 측정되었으며 이는 기 계측된 제 1 공진점에서의 주파수(323Hz)와 거의 일치하고 해석 결과와도 잘 일치하는 것을 알 수 있었다
실험적으로 해석결과를 확인하기 위하여 그림11과 같은 실험 장치 즉 전자 가진법에 의하여 고유진동수를 계측하였으며 이는 기 계측된 공진점의 주파수와 거의 일치하며 해석결과와 비교할 때도 거의 유사함을 알 수 있었다.
위의 식에서와 같이 Fan의 Inertia는 영구자석의 Inertia에 비하여 매우 크므로 1/J 성분은 Fan의 Inertia에 영향을 거의 받지 않으며 기계실과 냉동실에 있어서 제 2공진 죡, 비틀림 공진점윤 Fan의 형상에 크게 영향을 받지 않음을 알 수 있고 고유진동수를 변경하기 위해서는 축의 강성을 변경시키거나 축을 변경하지 않는 경우 Mag의 관성을 변화시키는 것이 른 효과가 있을 것으로 추정된다. 따라서 아래 표 및 그림과 칼이 기존의 Plastic Magn비중 3를 Sintered Magn비중 5로 변경하였으며 이 경우 Inertia를 약 56% 증대시킬 수 있여 고유진동수를 25% 낮출 수 였다.
이 성분은 우연히 Commutation Torque Ripple 의 주파수와 일치하나 본 논문에서 고려된 모터에서는 크기가 상대적으로 매우 작아 가진원으로 보기 어렵다. 이롤 확인하기 위해서 Cogging Torque만 존재할 경우[인가전류=0]에서 소음을 측정한 결과, 공진소음은 거의 발생하지 않고 있음을 확인하였기 때문에 연구대상 모터의 퐁진소음의 가친원 Commutation Torque Ripple로 보는 것이 타당할 것으로 생각된다.
해석온 문제가 된 기존의 플라스틱 Magn비중 3에 대하여 수행되었으며 해석결과, 375의 비틀림 고유진동수를 갖는 것이 확인되었으며 Fan과 영구자석이 성로 다른 방향으로 비틀리며 특1, 비틀림 각은 영구자석의 위치에 근접할수록 크게 나타남을 알 수 있었고 비틀림 친동시 Fan 가 굽혀치면서 축 방향으로 진동하는 모드를 보였다.

후속연구

BLDC MoSr의 Commutation Torque Ripple0!) 의한 가진 주파수와 일치하여 공찬이 발생하는 것으로 분석되었으며 이와 관련된 주요 인자를 분석하고 대안을 제시하였다 아울러 소형 Fan & Rotor System의 동특성 실험에 있어서 전자 가진법 및 Microphone 을 이용한 고유진동수 계측방법의 타당성을 보였으며 향후, 소음의 전파경로를 분석하기 위혜 음향방사 특성 연구륽 수행할 예정 이며 본 모터는 Side by Side 냉장고(DIOS)에 양산 적용하역 제품 소음 레벨 저감은 물론 품질 향상에 기여 할 수 있었다.

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