전동기의 전자기 특성과 회전 특성을 동시에 고려한 진동 및 소음 분석에 대한 연구

Abstract

본 연구에서는, 전동기의 기계적 가진원인 로터 구조 동강성, 굽힘에 의한 편심 등의 영향과 전자기적 가진원인 전자기력의 영향을 동시에 고려하여, 전동기의 진동 및 소음 특성을 분석하였다. 본 연구를 수행하기 위하여, 첫 번째로, 고정자 코어와 로터 구조 및 부속 부품을 모두 포함한 전동기 전체 구조 모델을 구성하였다. 이어서, 구성된 전체 구조 유한 요소 모델의 동강성을 검증하기 위한 노말 모드 해석을 수행하였다. 노말 모드 해석 결과를 임팩트 해머 시험을 통해 측정된 실제 전동기의 모달 특성과 비교하였으며, 전체 구조 유한 요소 모델이 실제 전동기의 동강성 특성을 매우 정확히 반영하고 있음을 검증하였다. 두 번째로, 동강성이 검증된 전체 구조 유한 요소 모델을 이용한 전자기-구조 약결합 진동 해석을 수행하여, 하우징과 고정자 코어 결합 구조로 단순화된 모델을 이용한 기존의 전자기-구조 약결합 진동 해석 결과와의 차이점을 분석하였다. 이를 통하여, 로터 구조를 고려함으로써 발생되는 모드 형상과, 로터 구조를 고려한 전체 전동기 구조의 동강성 특성이 진동 특성에 영향을 미침을 보였다. 이어서, 로터에 작용하는 전자기력을 고려한 전자기-구조 약결합 진동 해석을 수행함으로써, 로터의 강제 진동 응답에 의해 변화하는 전체 전동기 진동 특성을 보였다. 또한, 진동 측정 시험 결과와 비교하여, 기존 진동 해석 결과 대비, 시험 결과와 매우 유사한 진동 특성 해석 결과를 보였다. 세 번째로, 전체 구조 유한 요소 모델을 이용한 다물체 동역학-전자기-구조 완전 결합 진동 해석을 수행하여, 로터의 동강성 뿐만 아니라, 로터 회전 운동으로 유발되는 기계적 하중과 전자기력의 상호 작용이 전동기 진동에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 통하여, 다물체 동역학-전자기-구조 완전 결합 진동 해석을 함으로써, 로터 구조의 질량 편심과 전자기력으로 인해 유발되는 로터 구조의 회전체 동역학적 특성 분석이 가능함을 보였다. 또한, 다물체 동역학-전자기-구조 완전 연성 진동 해석을 통하여, 로터 구조의 회전 속도에 따른 전동기 진동 특성 해석 결과 분석함으로써, 고유 진동수, 전자기력 및 로터 굽힘에 의한 사이드밴드 주파수 유발 진동 특성을 시험과 매우 유사하게 예측할 수 있음을 보였다. 이어서, 정격 속도에서의 진동 특성을 이전의 전자기-구조 약결합 진동 해석 결과 및 시험 결과와 비교함으로써, 약결합 진동 해석으로는 계산되지 않았던, 다양한 고조파 성분이 고려됨으로써, 진동 측정 시험 결과와 매우 유사한 해석 결과가 계산됨을 보였다. 마지막으로, 하우징과 로터 연결부 강성 변화에 따른 진동 해석을 수행하여, 연결부 강성에 따라 변화하는 로터 구조의 회전체 동역학적 특성과 전동기 전체 구조 진동에 미치는 영향을 분석하였다. 마지막으로, 로터 구조의 회전 운동과 전자기력이 전동기 방사 소음 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여, 약결합 진동 해석 결과와 완전 결합 진동 해석 결과를 각각 이용한 방사 소음 해석을 수행하였다. 이를 통하여, 앞서 진행한 각 진동 해석 방법에 따른 전동기 진동 해석 결과가 방사 소음 특성에 반영되는 것을 확인하였다. 또한, 완전 결합 진동 해석 결과를 이용한 소음 해석 시, 로터의 질량 편심과 회전 운동으로 유발되는 방사 소음 특성 예측이 가능함을 보이고, 기존 진동 해석 방법을 이용한 방사 소음 해석 결과 대비, 로터의 구조와 회전 운동을 모두 고려하였을 때, 소음 측정 시험 결과와 매우 유사한 SPL 주파수 특성이 계산될 수 있음을 보였다.