모터 구동 시의 진동 및 방사소음 해석

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확장요약문

최근 모터의 정숙성과 제품 품질에 대한 요구가 증가함에 따라 구동 시 발생하는 진동과 방사소음을 정확하게 예측하기 위한 해석 기술의 중요성이 커지고 있다. 특히 모터의 진동과 소음은 전자기 가진뿐만 아니라 구성 부품의 동적 특성과 지지조건, 주변 음향 환경의 영향을 받으므로, 실제 시험 조건을 반영한 해석 모델의 구성이 요구된다. 본 연구에서는 모터 구동 시 발생하는 진동에 따른 방사소음을 예측하고 실험 결과와 비교하기 위하여 동역학 해석과 음향 해석을 연계한 진동·소음 평가 방법을 구성하였다. 먼저 주요 전자기 구성요소를 중심으로 수행하던 기존 해석에서 하우징과 회전축 등 모터 조립체를 포함하는 모델로 해석 범위를 확장하고, ANSYS Motion을 이용하여 회전조건에 따른 시간영역의 동적 응답을 계산하였다. 이후 구조물의 시간에 따른 속도 응답을 푸리에 변환하여 주파수영역의 속도로 변환하고, 이를 ANSYS Harmonic Acoustics의 경계조건으로 전달하는 단방향 연계 해석을 수행하였다. 음향 해석에서는 구조물과 공기가 접하는 경계면의 진동을 음향 가진으로 적용하고, 실험의 마이크로폰 위치에 대응하는 평가점에서 주파수에 따른 A가중 음압레벨을 비교하도록 하였다. 또한 실험에서 중심주파수 4 kHz와 5 kHz의 1/3 옥타브 대역에서 소음이 크게 나타나는 특성을 고려하여 해석 주파수 범위를 3,000~6,000 Hz로 설정하고, 12.5 Hz 간격으로 음향 응답을 계산하였다. 실험과 해석의 비교에는 개별 주파수의 음압레벨과 함께 1/3 옥타브 대역별 음압레벨을 활용하여 주요 소음 대역의 응답 특성을 평가하고자 하였다. 외부로 전파되는 음파를 모사하기 위해 음향영역의 외곽에 방사 경계조건(Radiation Boundary)을 적용하였으며, 음향영역의 크기가 예측 결과에 미치는 영향을 검토하였다. 이를 위한 사전 검토로 소리굽쇠 모델의 음향영역 크기를 변경하여 해석한 결과, 동일한 구조 가진조건에서도 계산된 음압레벨이 달라지는 현상을 확인하였다. 이에 따라 모터의 방사소음 해석에서도 음향영역의 크기와 외곽 경계조건을 주요 검토 항목으로 설정하였다. 아울러 실제 시험 환경의 바닥 반사를 고려하기 위하여 반구형 음향영역과 강체벽(Rigid Wall) 경계조건의 적용을 검토하고, 모터 받침대와 지지조건을 반영한 모델 구성을 고려하였다. 모터의 예비 해석 결과에서는 실험보다 음압레벨이 크게 예측되는 차이가 나타났으며, 이러한 차이의 원인을 검토하기 위해 구조 속도의 전달 범위와 매핑 상태를 확인하였다. 특히 모터 내부 영역까지 포함하여 속도를 전달하는 조건과 외부 공기에 접하는 하우징 표면을 중심으로 전달하는 조건을 구분하여, 속도 입력면의 설정이 음향 응답에 미치는 영향을 비교하고자 하였다. 최종적으로 음향영역과 속도 입력조건에 따른 응답 변화를 분석하고, 동일한 평가 위치와 주파수 대역을 기준으로 실험 결과와 비교하여 해석 모델의 타당성을 평가하고자 한다. 본 연구를 통해 실제 시험 조건을 고려한 모터의 진동·방사소음 예측 절차를 제시하고, 향후 모터의 진동·소음 저감을 위한 해석 모델 구축과 설계 개선의 기초 자료로 활용하고자 한다.