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가설 설정
- 7 과 같은 BLDC Motor stator 는 강판의 적층으로 이루어진 Core 와 Coil 에 의해 구성 되어 있으며, 횡방향 및 종방향의 물성이 다른 이방성 특징을 보인다. 따라서, 이러한 특성을 고려하기 위하여 Core 는 식(9)와 같이 Transverse isotropic material 로 가정 하였다.
제안 방법
- Impeller 는 Blade 의 강성 및 질량을 고려하여 등가 모델을 사용하였으며, Rotor Ass’ y 의 형상은 축 대칭 Element 를 이용하여 3 차원 모델로 구현하였다.
- 마지막으로, Turbo Blower 의 구조적 진동 특성을 분석하기 위하여 Solid element 를 이용한 FEA 모델을 구성하였다. MAC 을 이용한 FEA 모델의 타당성 검증 후, 1g Sine sweep vibration test 을 이용하여 Turbo Blower 의 구조적 진동 특성을 분석하였다. 해석및 실험 결과는 서로 유사함을 확인하였으며, Rubber Bushing 에 의한 비대칭 강성으로 인해 전후, 좌우, 상하 방향의 구조적 공진 주파수가 다름을 확인하였다.
- Rotor Ass’ y의 FEA 모델의 Normal Mode Analysis 및 Modal test 결과를 통해 FEA 모델의 신뢰성을 검증하였다.
- Turbo Blower 의 구조적 진동 특성을 분석하기 위하여, 강제 진동 해석을 수행하였다. Rubber bushing 의 형상에 따른 강성을 고려하여 전후, 좌우, 상하 방향으로 각 각 10 ~ 200Hz 대역에서 1g Sine sweep vibration 해석을 진행하였다. 이후, 실험 결과와의 비교 분석을 통해 FEA 모델의 신뢰성을 검증하였다.
- Turbo Blower 의 구조적 진동 특성을 분석하기 위하여, 강제 진동 해석을 수행하였다. Rubber bushing 의 형상에 따른 강성을 고려하여 전후, 좌우, 상하 방향으로 각 각 10 ~ 200Hz 대역에서 1g Sine sweep vibration 해석을 진행하였다.
- 측정 장비로 LMS CADA X 를 이용하였으며, Impact hammer 와 가속도계를 이용한 fixed point test 를 수행하였다. 가속도계로 인한 mass loading effect 가 최소가 되도록 측정하였으며, 관심 주파수 범위는 4096 Hz 로 설정 하였다. MAC 을 이용하여 유한 요소 해석 결과와 실험적 모드 해석 결과를 비교하기 위하여 25 개의 가속도 측정 지점을 이용하여 Fig.
- 특히, Rotor Ass’ y 의 unbalance(1X)에 의한 Critical speed 는 실험 및 해석 결과를 통해 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로, Turbo Blower 의 구조적 진동 특성을 분석하기 위하여 Solid element 를 이용한 FEA 모델을 구성하였다. MAC 을 이용한 FEA 모델의 타당성 검증 후, 1g Sine sweep vibration test 을 이용하여 Turbo Blower 의 구조적 진동 특성을 분석하였다.
- 차량으로의 진동 전달을 감소 시키기 위한 Rubber Bushing 은 각 방향의 강성을 고려하여 Spring element 를 이용한 Spring-dashpot serial model 로 구성하였다. 마지막으로, Turbo Blower 조립 조건은 RBE Element 를 이용하여 구현하였다.
- [4] Transverse isotropic material 은 평면 방향(i=1,2) 의 특성은 동일하므로 식(10)의 조건을 만족한다. 본 연구에서는 Core 의 평면 방향과 수직 방향의 Elastic modulus 는 각 각 190,4 Gpa 을 사용하였다. 차량으로의 진동 전달을 감소 시키기 위한 Rubber Bushing 은 각 방향의 강성을 고려하여 Spring element 를 이용한 Spring-dashpot serial model 로 구성하였다.
- 본 연구에서는 FEA 및 실험을 통하여 FCEV Turbo Blower 의 동특성을 분석 하였다. 회전 속도에 따른 BLDC Motor 회전자의 안정성을 평가하기 위하여, 유한 요소 해석 모델을 구성하여 원심력에 의해 Sleeve 에 발생하는 인장 응력을 통해 회전자의 안정성을 입증하였다.
- 구동부는 Impeller 에 회전 운동을 부여하는 BLDC Motor 및 Shaft 로 구성되며, 마지막으로 차량 장착부는 Turbo Blower 의 작동 시 발생하는 진동의 절연을 위한 고무 부싱 및 차량 고정부로 구성된다. 본 연구에서는 유한 요소 해석 (FEA)을 이용하여 Turbo Blower 의 회전 동특성 및 구조적 진동 해석을 수행하였다. 이 후, 유한 요소 해석 결과와 실험 결과를 비교 분석하여 해석 결과의 타당성을 검증하였다.
- 특히, 회전 시스템의 unbalance 에 의한 가진 주파수는 기본 회전수의 1 배수를 갖는다. 이 연구에서는 Turbo Blower 의 회전 동특성을 분석하기 위하여 Spring 및 Damping Element 를 이용하여 Bearing 의 강성을 모델링 하였으며, Bearing 지지부는 Solid element를 이용하여 회전 지지부의 특성을 고려하였다. 이후, Campbell Diagram 을 도출하여 실험 결과와 비교 분석을 통해 Turbo Blower 의 회전 동특성을 분석하였다.
- 1 과 같으며, Permanent magnet, Sleeve, Shaft 는 각 각 NdFeB, Inconel, Steel 계열의 소재이다. 이러한 조건을 고려하여 유한 요소 모델을 구성하였으며, 회전 속도에 따른 Rotor 의 안전성을 평가하였다.
- 이 연구에서는 Turbo Blower 의 회전 동특성을 분석하기 위하여 Spring 및 Damping Element 를 이용하여 Bearing 의 강성을 모델링 하였으며, Bearing 지지부는 Solid element를 이용하여 회전 지지부의 특성을 고려하였다. 이후, Campbell Diagram 을 도출하여 실험 결과와 비교 분석을 통해 Turbo Blower 의 회전 동특성을 분석하였다. 회전 속도에 따른 Bearing 강성은 예압 변화(0~40N)에 따라 Fig.
- 이러한 사항들을 고려할 때, Turbo Blower 의 유한 요소 모델링 기법의 타당함을 알 수 있다. 이후, Turbo Blower 의 구조적 진동 특성을 분석하기 위하여 1g Sine sweep vibration test 를 이용하였다. Fig.
- Rotor Ass’ y의 FEA 모델의 Normal Mode Analysis 및 Modal test 결과를 통해 FEA 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이후, Turbo Blower 의 회전 동특성을 분석하기 위하여 회전 지지부의 강성을 고려한 FEA 모델을 구성하여 Campbell diagram 을 도출하였다. RPM Sweep test 를 통한 실험 결과와 비교 분석을 통해 해석 결과의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
- Rubber bushing 의 형상에 따른 강성을 고려하여 전후, 좌우, 상하 방향으로 각 각 10 ~ 200Hz 대역에서 1g Sine sweep vibration 해석을 진행하였다. 이후, 실험 결과와의 비교 분석을 통해 FEA 모델의 신뢰성을 검증하였다. 강제 진동 해석을 위해 RBE element 를 이용한 Large mass method 를 이용하였으며, 차량고정부의 자유도 구속을 통해 가진력의 방향을 설정하였다.
- MAC의 값은 0 과 1 사이의 값을 가지며, 0 에 근접할수록 두 모드 사이의 연관성은 적어지며, 1 에 근접할수록 두 모드 사이의 연관성이 높다는 것을 의미한다. 즉, 실험을 통해 얻은 Mode shape 과 해석을 통해 얻은 Mode shape 을 MAC 을 통하여 상관 관계를 분석할 수 있다.
- 실험 장치는 정반 위에 설치하여, 주위 환경으로부터의 잡음 및 진동의 영향을 최소화 하였다. 측정 장비로 LMS CADA X 를 이용하였으며, Impact hammer 와 가속도계를 이용한 fixed point test 를 수행하였다. 가속도계로 인한 mass loading effect 가 최소가 되도록 측정하였으며, 관심 주파수 범위는 4096 Hz 로 설정 하였다.
- 본 연구에서는 FEA 및 실험을 통하여 FCEV Turbo Blower 의 동특성을 분석 하였다. 회전 속도에 따른 BLDC Motor 회전자의 안정성을 평가하기 위하여, 유한 요소 해석 모델을 구성하여 원심력에 의해 Sleeve 에 발생하는 인장 응력을 통해 회전자의 안정성을 입증하였다. Rotor Ass’ y의 FEA 모델의 Normal Mode Analysis 및 Modal test 결과를 통해 FEA 모델의 신뢰성을 검증하였다.
대상 데이터
- [1] 따라서, Turbo Blower의 동특성 분석은 FCEV NVH 성능 개선을 위해 반드시 필요하다. 이 연구에서 사용된 Turbo Blower는 크게 압축부, 구동부, 차량 장착부로 구성된다. 압축부는 고속 회전을 통하여 흡입 공기에 운동 에너지를 부여하는 Impeller 와 흡입 공기의 운동 에너지를 압력으로 전환하는 Volute 로 구성되어 있다.
데이터처리
- 이후, Turbo Blower 의 회전 동특성을 분석하기 위하여 회전 지지부의 강성을 고려한 FEA 모델을 구성하여 Campbell diagram 을 도출하였다. RPM Sweep test 를 통한 실험 결과와 비교 분석을 통해 해석 결과의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 특히, Rotor Ass’ y 의 unbalance(1X)에 의한 Critical speed 는 실험 및 해석 결과를 통해 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 유한 요소 해석 (FEA)을 이용하여 Turbo Blower 의 회전 동특성 및 구조적 진동 해석을 수행하였다. 이 후, 유한 요소 해석 결과와 실험 결과를 비교 분석하여 해석 결과의 타당성을 검증하였다.
- 이후, 모델링 기법의 타당성을 검증하기 위하여 Normal mode analysis 해석 결과와 Modal Test 를 이용한 FRF 측정을 통해 Rotor Ass’ y FEA 모델의 신뢰성을 검증 하였다.
이론/모형
- 이후, 실험 결과와의 비교 분석을 통해 FEA 모델의 신뢰성을 검증하였다. 강제 진동 해석을 위해 RBE element 를 이용한 Large mass method 를 이용하였으며, 차량고정부의 자유도 구속을 통해 가진력의 방향을 설정하였다.
- 실험 및 해석 결과의 오차는 5% 이내이며, 이러한 결과를 통해 Rotor Ass’ y FEA 모델의 타당함을 알 수 있다. 본 연구에서는 Turbo Blower 의 회전 동특성을 분석하기 위하여 Campbell diagram 을 도출하였다. 해석 결과, Fig.
- 본 연구에서는 Core 의 평면 방향과 수직 방향의 Elastic modulus 는 각 각 190,4 Gpa 을 사용하였다. 차량으로의 진동 전달을 감소 시키기 위한 Rubber Bushing 은 각 방향의 강성을 고려하여 Spring element 를 이용한 Spring-dashpot serial model 로 구성하였다. 마지막으로, Turbo Blower 조립 조건은 RBE Element 를 이용하여 구현하였다.
성능/효과
- 실험 및 해석 결과의 오차는 5% 이내이며, 이러한 결과를 통해 Rotor Ass’ y FEA 모델의 타당함을 알 수 있다.
- 특히, Rotor Ass’ y 의 unbalance(1X)에 의한 Critical speed 는 실험 및 해석 결과를 통해 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
- MAC 을 이용한 FEA 모델의 타당성 검증 후, 1g Sine sweep vibration test 을 이용하여 Turbo Blower 의 구조적 진동 특성을 분석하였다. 해석및 실험 결과는 서로 유사함을 확인하였으며, Rubber Bushing 에 의한 비대칭 강성으로 인해 전후, 좌우, 상하 방향의 구조적 공진 주파수가 다름을 확인하였다. 향후, Turbo Blower 의 구조적방사 소음의 특성에 관한 연구를 진행할 예정이다.
후속연구
- 해석및 실험 결과는 서로 유사함을 확인하였으며, Rubber Bushing 에 의한 비대칭 강성으로 인해 전후, 좌우, 상하 방향의 구조적 공진 주파수가 다름을 확인하였다. 향후, Turbo Blower 의 구조적방사 소음의 특성에 관한 연구를 진행할 예정이다.
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