KR101753812B1 - Ｄｃ 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 라우드니스와 평균율을 이용한 DC 모터의 소음 평가를 하여 부하에 따른 DC 모터의 소음 관계를 효과적으로 정량화할 수 있도록 한 DC 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 모터 특성 및 소음 측정을 수행하여 소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 소음 평가 정보 수집 및 계산부;소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 계산 처리부;상기 라우드니스 계산 처리부의 계산 결과를 기준으로 부하에 따른 DC 모터의 소음 레벨 분석을 수행하는 소음 레벨 분석부;소음 성분간의 주파수 관계를 파악하고 부하에 따른 소음 주파수 분석을 수행하는 소음 주파수 분석부;상기 소음 주파수 분석부의 분석 결과에 따라 부하에 따른 평균율의 음으로 나타내는 평균율 음 변환부;상기 소음 레벨 분석부의 분석 결과 및 평균율 음 변환부의 출력을 기준으로 부하에 따른 DC 모터 소음 차트를 생성하는 소음 차트 생성부;를 포함하는 것이다.

Description

ＤＣ 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법{System and Method for Predicting Noise of ＤＣ Motor}
본 발명은 모터 소음 제어에 관한 것으로, 구체적으로 라우드니스와 평균율을 이용한 DC 모터의 소음 평가를 하여 부하에 따른 DC 모터의 소음 관계를 효과적으로 정량화할 수 있도록 한 DC 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 전기자동차 및 하이브리드 차량에서는 모터를 주구동력으로 이용하고 있으며, 차량의 편의사양이 증가하면서 그 조작을 위해 모터 사용이 증가하는 추세이다.
또한 E/G 소음의 감소 및 흡차음 성능 향상에 따른 외부소음 유입 감소로 모터 소음이 실내 소음에 주요한 요소가 되었다.
모터의 구동으로 시스템을 작동시킬 때 모터에 부하 토크가 발생하게 되는데 시스템 작동을 위해 필요한 에너지에 따라 모터에 걸리는 부하가 변한다.
이 부하에 따라 모터에서 발생하는 소음이 변하고 무부하 상태인 모터 단품의 경우와 시스템을 작동시킬 때 모터의 소음 차이가 발생되어 모터 단품일때 와는 다른 예상치 못한 모터 소음이 발생하게 된다.
이런 이유로 모터 소음의 품질 관리에 어려움이 나타나고 있다.
전기모터는 사용전원에 따라 DC 모터와 AC 모터로 분류하고 DC 모터의 구성은 크게 브러쉬와 정류자, 고정자와 회전자로 이루어진다.
브러쉬와 정류자는 모터에 전류를 흘려주는 역할을 하는데 브러쉬와 정류자 막대간에 접촉을 통해 전류가 +극에서 -극으로 흐르게 된다.
모터에 전류가 흐를 때 회전자와 고정자간에 전자력으로 인한 토크가 발생하여 모터가 회전한다. 또한, 모터가 회전함에 따라 브러시에 접촉하는 정류자 막대의 전류방향이 변화하게 되어 같은 방향의 토크를 연속적으로 발생시켜 모터는 동일한 방향으로 회전할 수 있게 된다.
DC모터는 고정자가 자기장을 형성하는 방법이 영구자석(Permanent magnet)을 사용하거나 계자철심(pole piece), 계자권선(field winding)을 사용하였느냐에 따라 Permanent 모터와 Wound Field 모터 구분된다.
또한, 고정자는 극수에 따라 2극기, 4극기, 6극기 등 짝수로 한 쌍의 자극을 갖추어야 하고, 회전자의 극수는 고정자(전기자)의 극수와 맞춰주어 토크를 발생시켜야 한다.
이와 같은 DC모터의 소음 발생원은 크게 2가지로 분류된다.
모터에 전류를 인가하기 위한 브러쉬와 정류자, 모터를 회전시키기 위해 전자력을 발생시키는 회전자와 고정자이다.
모터가 회전함에 따라 이 3가지 성분들은 하모닉으로 소음이 발생한다.
브러쉬와 정류자간의 마찰 성분은 브러쉬에 있는 스프링에 의해 정류자와 브러쉬가 접촉하고 모터가 회전에 따라 정류자 막대와 브러쉬간에 마찰이 발생하여 소음이 발생한다.
회전자와 고정자간의 소음 발생 원인은 회전자가 회전함에 따라 고정자에 가까울 때 전자력에 의한 토크 성분이 최대이고 멀수록 최소가 되는 원리에 의해 토크 리플이 발생한다.
모터 소음과 관련해서 대부분의 연구는 소음 레벨 저감을 위한 브러쉬(Bruch)와 정류자(Commutator)사이의 동적 상호작용, 아마추어의 불평형, 아마추어 축과 베어링 사이의 상호 작용, 기어박스에 관한 연구, 전자기력에 의한 토크리플에 관한 연구, BEM과 FEM을 통한 해석 연구 등이 주를 이루고 있다.
이와 같이 모터의 소음을 줄이기 위한 연구 개발이 이루어지고 있지만, 모터의 다양한 부하 조건에 따라 발생되는 소음의 주파수, 패턴 등이 각기 다르므로 모터 소음을 줄이기가 어렵다.
특히, 모터 소음을 줄이기 위하여, 관련 연구 분야에서는 전자기학적 원인, 기계적인 원인, 공기 역학적인 원인 등 다각적인 접근으로 해법을 모색하고 있지만 실용화까지 많은 해결 과제들이 있다.
이러한 방법들은 방음 장치를 설치하기 위한 모터 내의 공간 확보가 어렵고 모터의 구동력을 전달하는 기어 장치에서 증폭되는 소음을 차단할 수 없을 뿐 아니라 사용조건별로 달라지는 부하에 대응하기 위하여 방음 장치를 추가하거나 모터의 성능을 떨어뜨리는 등의 문제가 있다.
따라서, 모터의 소음을 제어하기 위한 새로운 기술의 연구 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2012-0047603호 대한민국 공개특허 제10-2012-0067238호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 모터 소음 예측 및 억제 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 라우드니스와 평균율을 이용한 DC 모터의 소음 평가를 하여 부하에 따른 DC 모터의 소음 관계를 효과적으로 정량화할 수 있도록 한 DC 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 평균율의 개념을 이용하여 주파수 관점에서 부하에 따른 모터 음질을 효과적으로 예측할 수 있도록 한 DC 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 모터가 시스템을 구동할 때 모터 단품에서 예기치 못한 소음을 정확하게 예측하여 소음 관점에서의 모터 선정에 적용할 수 있도록 한 DC 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 모터의 다양한 부하 조건에 따라 발생되는 소음의 주파수, 패턴 등이 다른 경우에도 정확한 모터 소음 예측이 가능하도록 한 DC 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 장치는 모터 특성 및 소음 측정을 수행하여 소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 소음 평가 정보 수집 및 계산부;소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 계산 처리부;상기 라우드니스 계산 처리부의 계산 결과를 기준으로 부하에 따른 DC 모터의 소음 레벨 분석을 수행하는 소음 레벨 분석부;소음 성분간의 주파수 관계를 파악하고 부하에 따른 소음 주파수 분석을 수행하는 소음 주파수 분석부;상기 소음 주파수 분석부의 분석 결과에 따라 부하에 따른 평균율의 음으로 나타내는 평균율 음 변환부;상기 소음 레벨 분석부의 분석 결과 및 평균율 음 변환부의 출력을 기준으로 부하에 따른 DC 모터 소음 차트를 생성하는 소음 차트 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 소음 평가 정보 수집 및 계산부는, 브러쉬 및 정류자 개수, 회전자 슬롯 및 고정자 극수의 모터 구조 정보를 수집하는 모터 정보 수집부와,RPM, 전류값의 모터 특성 및 소음 측정을 수행하는 모터 특성 및 소음 측정부와,소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 파워 스펙트럼 밀도 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 라우드니스 계산 처리부는, 소음 신호의 비라우드니스(Specific loudness)를 계산하는 제 1 라우드니스 계산부와,소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 계산을 하는 제 2 라우드니스 계산부와,소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 비율 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 소음 성분은, 기어부 마찰 소음성분(G), 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B), 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 방법은 모터 특성 및 소음 측정을 수행하여 소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 소음 평가 정보 수집 및 계산 단계;소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 계산 처리 단계;상기 라우드니스 계산 처리 단계의 계산 결과를 기준으로 부하에 따른 DC 모터의 소음 레벨 분석을 수행하는 소음 레벨 분석 단계;소음 성분 간의 주파수 관계를 파악하고 부하에 따른 소음 주파수 분석을 수행하는 소음 주파수 분석 단계;상기 소음 주파수 분석 단계의 분석 결과에 따라 부하에 따른 평균율의 음으로 나타내는 평균율 음 변환 단계;상기 소음 레벨 분석 단계의 분석 결과 및 평균율 음 변환 단계의 출력을 기준으로 부하에 따른 DC 모터 소음 차트를 생성하는 소음 차트 생성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 소음 평가 정보 수집 및 계산 단계는, 브러쉬 및 정류자 개수, 회전자 슬롯 및 고정자 극수의 모터 구조 정보를 수집하는 모터 정보 수집 단계와,RPM, 전류값의 모터 특성 및 소음 측정을 수행하는 모터 특성 및 소음 측정 단계와,소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 파워 스펙트럼 밀도 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 라우드니스 계산 처리 단계는, 소음 신호의 비라우드니스(Specific loudness)를 계산하는 제 1 라우드니스 계산 단계와,소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 계산을 하는 제 2 라우드니스 계산 단계와,소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 비율 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 제 2 라우드니스 계산 단계에서 주파수와 임계 대역 환산 식은, z=26.81/(1+1960/f)-0.53인 것을 특징으로 한다.
그리고 라우드니스 비율 계산 단계에서, 각 부하에 따른 모터의 1Bark에 대한 Loudness(sone)에 대하여 0kgf-cm일 때를 기준으로 각 부하에 대한 비율을,
Figure 112016032928094-pat00001
으로 구하고, 여기서, Loudnessref는 무부하인 경우의 라우드니스인 것을 특징으로 한다.
그리고 소음 레벨 분석 단계에서, 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B)은 선형 감소하고, 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)은 선형 증가하는 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 소음 주파수 분석 단계에서, 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B)은 선형 감소하고, 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)은 선형 감소하는 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 소음 성분은, 기어부 마찰 소음성분(G), 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B), 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 소음 성분 간의 주파수 관계를 파악하고 부하에 따른 소음 주파수 분석을 수행하는 소음 주파수 분석 단계에서, 기어부 마찰 소음성분(G), 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B), 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)의 3가지 소음 성분이 서로 옥타브 관계에 있고 음악적으로 동일한 음을 나타내는 것을 이용하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 라우드니스와 평균율을 이용한 DC 모터의 소음 평가를 하여 부하에 따른 DC 모터의 소음 관계를 효과적으로 정량화할 수 있다.
둘째, 평균율의 개념을 이용하여 주파수 관점에서 부하에 따른 모터 음질을 효과적으로 예측할 수 있어 DC 모터 사용의 효율성을 높일 수 있다.
셋째, 모터가 시스템을 구동할 때 모터 단품에서 예기치 못한 소음을 정확하게 예측하여 소음 관점에서의 적합한 모터 선정을 가능하게 한다.
넷째, 모터의 다양한 부하 조건에 따라 발생되는 소음의 주파수, 패턴 등이 다른 경우에도 정확한 모터 소음 예측이 가능하다.
도 1a내지 도 1c는 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 3내지 도 13은 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 각 단계별 특성을 나타낸 그래프
이하, 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1a내지 도 1c는 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
그리고 도 3내지 도 13은 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 각 단계별 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 라우드니스와 평균율을 이용한 DC 모터의 소음 평가를 하여 부하에 따른 DC 모터의 소음 관계를 효과적으로 정량화할 수 있도록 한 것으로 라우드니스와 평균율을 이용한 DC 모터의 소음 평가를 위한 구성 및 이를 이용한 부하에 따른 DC 모터 소음 차트 생성을 위한 구성을 포함한다.
본 발명은 라우드니스와 평균율을 이용한 DC 모터의 소음 평가를 하는데, 라우드니스(Loudness)는 인간의 청감을 고려하여 인간이 느끼는 소리의 크기를 나타내는 청감인자이다.
라우드니스는 음압레벨과 밀접한 연관이 있으며 동일한 주파수의 순음에 대하여 음압레벨이 증가하면 라우드니스도 증가하는 특성이 있다.
그리고 라우드니스와 평균율을 이용한 DC 모터의 소음 평가를 하는 구성에서 평균율은 다음과 같이 정의될 수 있다.
440Hz인 4옥타브 A(라) 음을 기준으로 하여 주파수가 2배씩 차이가 나는 옥타브를 만들고 각 옥타브에서 음간의 간격을 배 차이를 갖는 12음으로 나타낸 것을 평균율이라 정의한다.
정수비를 사용하는 순정률의 개념도 있지만 순정률을 사용하였을 때 조옮김이 불가능하다는 단점이 있어, 본 발명의 실시 예에서는 RPM에 따라 일정한 주파수 가진을 하는 모터소음을 나타내기 위해 일정한 주파수 간격을 사용하는 평균율 개념을 적용한다.
이와 같이 평균율의 개념을 사용한 이유는 평균율에서 말하는 음학적 음으로 모터 소음을 나타내게 되면 인간이 학습에 의한 익숙한 소리로 모터 소음을 나타낼 수 있게 되어 보다 직관적이기 때문이다.
본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 장치는 도 1a에서와 같이, 브러쉬 및 정류자 개수, 회전자 슬롯 및 고정자 극수 등의 모터 구조 정보를 수집하고, RPM, 전류값 등의 모터 특성 및 소음 측정을 수행하여 소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 소음 평가 정보 수집 및 계산부(10)와, 소음 신호의 비라우드니스(Specific loudness)를 계산하고, 소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 계산 및 소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 파악하는 라우드니스 계산 처리부(11)와, 라우드니스 계산 처리부(11)의 계산 결과를 기준으로 부하에 따른 DC 모터의 소음 레벨 분석을 수행하는 소음 레벨 분석부(12)와, 소음 성분간의 주파수 관계를 파악하고 부하에 따른 소음 주파수 분석을 수행하는 소음 주파수 분석부(13)와, 소음 주파수 분석부(13)의 분석 결과에 따라 부하에 따른 평균율의 음으로 나타내는 평균율 음 변환부(14)와, 소음 레벨 분석부(12)의 분석 결과 및 평균율 음 변환부(14)의 출력을 기준으로 부하에 따른 DC 모터 소음 차트를 생성하는 소음 차트 생성부(15)를 포함한다.
여기서, 소음 평가 정보 수집 및 계산부(10)는 도 1b에서와 같이, 브러쉬 및 정류자 개수, 회전자 슬롯 및 고정자 극수 등의 모터 구조 정보를 수집하는 모터 정보 수집부(10a)와, RPM, 전류값 등의 모터 특성 및 소음 측정을 수행하는 모터 특성 및 소음 측정부(10b)와, 소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 파워 스펙트럼 밀도 계산부(10c)를 포함한다.
그리고 라우드니스 계산 처리부(11)는 도 1c에서와 같이, 소음 신호의 비라우드니스(Specific loudness)를 계산하는 제 1 라우드니스 계산부(11a)와, 소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 계산을 하는 제 2 라우드니스 계산부(11b)와, 소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 비율 계산부(11c)를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 방법은 다음과 같다.
도 2에서와 같이, 모터 특성 및 소음 측정을 수행하여 소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 소음 평가 정보 수집 및 계산 단계(S201~S203)와, 소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 계산 처리 단계(S211~S213)와, 상기 라우드니스 계산 처리 단계의 계산 결과를 기준으로 부하에 따른 DC 모터의 소음 레벨 분석을 수행하는 소음 레벨 분석 단계(S214)와, 소음 성분 간의 주파수 관계를 파악하고(S221) 부하에 따른 소음 주파수 분석을 수행하는 소음 주파수 분석 단계(S222)와, 상기 소음 주파수 분석 단계의 분석 결과에 따라 부하에 따른 평균율의 음으로 나타내는 평균율 음 변환 단계(S223)와, 상기 소음 레벨 분석 단계의 분석 결과 및 평균율 음 변환 단계의 출력을 기준으로 부하에 따른 DC 모터 소음 차트를 생성하는 소음 차트 생성 단계(S230)를 포함한다.
여기서, 상기 소음 평가 정보 수집 및 계산 단계는, 브러쉬 및 정류자 개수, 회전자 슬롯 및 고정자 극수의 모터 구조 정보를 수집하는 모터 정보 수집 단계(S201)와, RPM, 전류값의 모터 특성 및 소음 측정을 수행하는 모터 특성 및 소음 측정 단계(S202)와, 소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 파워 스펙트럼 밀도 계산 단계(S203)를 포함한다.
그리고 상기 라우드니스 계산 처리 단계는, 소음 신호의 비라우드니스(Specific loudness)를 계산하는 제 1 라우드니스 계산 단계(S211)와, 소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 계산을 하는 제 2 라우드니스 계산 단계(S212)와, 소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 비율 계산 단계(S213)를 포함한다.
그리고 소음 레벨 분석 단계(S214)에서, 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B)은 선형 감소하고, 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)은 선형 증가하는 특징을 갖는다.
그리고 소음 주파수 분석 단계(S222)에서, 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B)은 선형 감소하고, 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)은 선형 감소하는 특징을 갖는다.
이와 같은 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법의 구체적인 기술 구성을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3은 소음 평가 정보 수집 및 계산 단계를 수행하기 위하여 브러쉬 및 정류자 개수, 회전자 슬롯 및 고정자 극수의 모터 구조 정보를 수집하는 일 예를 나타낸 것이다.
그리고 도 4a와 도 4b는 RPM, 전류값의 모터 특성 및 소음 측정을 수행하는 모터 특성 및 소음 측정 단계에서의 특성을 나타낸 것으로, 부하에 따라 RPM은 선형 감소하고, 부하에 따라 전류값은 선형 증가하는 것을 나타내고 있다.
그리고 도 5는 소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 파워 스펙트럼 밀도 계산 단계에서의 특성을 나타낸 것으로, 각 소음 성분에 대한 가진 주파수를 알 수 있고, 모터의 토널 성분으로 인해 레벨 관점에서 모터 소음을 정량적으로 나타내기 어려운 것을 알 수 있다.
도 5의 그래프에서 G는 기어부 마찰 소음성분, B는 브러쉬 정류자 마찰 소음성분, R은 고정자 회전자 토크리플 소음성분이다.
그리고 도 6은 소음 신호의 비라우드니스(Specific loudness)를 계산하는 제 1 라우드니스 계산 단계에서의 기어부 마찰 소음성분(G), 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B), 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)을 나타낸 것이다.
그리고 도 7은 소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 계산을 하는 제 2 라우드니스 계산 단계의 특성을 나타낸 것으로, 주파수와 임계 대역 환산 식은,
z=26.81/(1+1960/f)-0.53이다.
모터의 각 부하에 대한 비라우드니스(Specific loudness)로는 M1, M2에 대한 라우드니스를 정량적으로 비교하기 어렵기 때문에 1Bark에 해당하는 라우드니스에 대하여 비교하였다.
이를 위해 각 부하조건에서 M1, M2 의 가진주파수를 Bark 단위로 환산한 다음 거기서부터 1Bark에 해당하는 라우드니스를 구하여 나타낸 것이다.
그리고 도 8a와 도 8b는 소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 비율 계산 단계 및 계산 결과를 기준으로 부하에 따른 DC 모터의 소음 레벨 분석을 수행하는 소음 레벨 분석 단계의 특성을 나타낸 것이다.
라우드니스의 단위인 sone은 인간의 청감을 고려하여 인간이 느끼는 소음 레벨의 비율과 일치한다.
따라서 각 부하에 따른 모터의 1Bark에 대한 Loudness(sone)에 대하여 0kgf-cm일 때를 기준으로 각 부하에 대한 비율을 수학식 1에서와 같이 구하여 나타낸 것이다.
Figure 112016032928094-pat00003
여기서, Loudnessref는 무부하인 경우의 라우드니스이다.
브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B)은 15kgf-cm까지 선형감소(브러쉬 마찰에 대하여 부하조건)하고, 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)은 10kgf-cm부터 선형증가하는 것을 알 수 있다.
브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B)의 2nd 성분과 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)이 같으므로 10kgf-cm이하의 부하조건은 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B)의 영향으로 기울기가 완만하다.
그리고 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)은 10개의 샘플마다 차이가 있다.
그리고 도 9는 소음 성분 간의 주파수 관계를 파악하는 단계의 특성을 나타낸 것으로, 기어부 마찰 소음성분(G), 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B), 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)의 3가지 소음 성분이 서로 옥타브 관계에 있고 음악적으로 동일한 음을 나타내는 것을 알 수 있다.
그리고 도 10은 부하에 따른 소음 주파수 분석을 수행하는 소음 주파수 분석 단계에서의 특성을 나타낸 것으로, 모터 소음성분(G,B,R)이 RPM에 비례하는 성분이므로 부하에 따라 소음성분은 선형 감소하는 것을 알 수 있다.
그리고 도 11a 내지 도 11c는 소음 주파수 분석 결과에 따라 부하에 따른 평균율의 음으로 나타내는 평균율 음 변환 단계에서의 특성을 나타낸 것이다.
기어부 마찰 소음성분(G), 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B), 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)의 3가지 소음성분이 서로 옥타브 관계로 음악적으로 동일한 음인 것을 이용하여 부하에 따른 RPM의 1차 방정식을 구하고, 1차 방정식을 이용하여 부하여 대하여 평균율의 음으로 나타낸다.
평균율의 음으로 인지할 수 있는 기준은 1%의 주파수 상대오차(1%RPM 상대오차)이다.
그리고 도 12a와 도 12b는 소음 레벨 분석 결과 및 평균율 음 변환 단계의 출력을 기준으로 부하에 따른 DC 모터 소음 차트를 생성하는 소음 차트 생성 단계의 일 예를 나타낸 것이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 DC 모터 소음 예측을 위한 장치 및 방법은 라우드니스와 평균율을 이용한 DC 모터의 소음 평가를 하여 부하에 따른 DC 모터의 소음 관계를 효과적으로 정량화할 수 있도록 한 것으로, 모터가 시스템을 구동할 때 모터 단품에서 예기치 못한 소음을 정확하게 예측하여 소음 관점에서의 모터 선정에 효과적으로 적용할 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 소음 평가 정보 수집 및 계산부 11. 라우드니스 계산 처리부
12. 소음 레벨 분석부 13. 소음 주파수 분석부
14. 평균율 음 변환부 15. 소음 차트 생성부

Claims (13)

  1. 모터 특성 및 소음 측정을 수행하여 소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 소음 평가 정보 수집 및 계산부;
    소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 계산 처리부;
    상기 라우드니스 계산 처리부의 계산 결과를 기준으로 부하에 따른 DC 모터의 소음 레벨 분석을 수행하는 소음 레벨 분석부;
    소음 성분간의 주파수 관계를 파악하고 부하에 따른 소음 주파수 분석을 수행하는 소음 주파수 분석부;
    상기 소음 주파수 분석부의 분석 결과에 따라 부하에 따른 평균율의 음으로 나타내는 평균율 음 변환부;
    상기 소음 레벨 분석부의 분석 결과 및 평균율 음 변환부의 출력을 기준으로 부하에 따른 DC 모터 소음 차트를 생성하는 소음 차트 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 소음 평가 정보 수집 및 계산부는,
    브러쉬 및 정류자 개수, 회전자 슬롯 및 고정자 극수의 모터 구조 정보를 수집하는 모터 정보 수집부와,
    RPM, 전류값의 모터 특성 및 소음 측정을 수행하는 모터 특성 및 소음 측정부와,
    소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 파워 스펙트럼 밀도 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 라우드니스 계산 처리부는,
    소음 신호의 비라우드니스(Specific loudness)를 계산하는 제 1 라우드니스 계산부와,
    소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 계산을 하는 제 2 라우드니스 계산부와,
    소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 비율 계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 소음 성분은,
    기어부 마찰 소음성분(G), 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B), 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)을 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 장치.
  5. 모터 특성 및 소음 측정을 수행하여 소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 소음 평가 정보 수집 및 계산 단계;
    소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 계산 처리 단계;
    상기 라우드니스 계산 처리 단계의 계산 결과를 기준으로 부하에 따른 DC 모터의 소음 레벨 분석을 수행하는 소음 레벨 분석 단계;
    소음 성분 간의 주파수 관계를 파악하고 부하에 따른 소음 주파수 분석을 수행하는 소음 주파수 분석 단계;
    상기 소음 주파수 분석 단계의 분석 결과에 따라 부하에 따른 평균율의 음으로 나타내는 평균율 음 변환 단계;
    상기 소음 레벨 분석 단계의 분석 결과 및 평균율 음 변환 단계의 출력을 기준으로 부하에 따른 DC 모터 소음 차트를 생성하는 소음 차트 생성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 소음 평가 정보 수집 및 계산 단계는,
    브러쉬 및 정류자 개수, 회전자 슬롯 및 고정자 극수의 모터 구조 정보를 수집하는 모터 정보 수집 단계와,
    RPM, 전류값의 모터 특성 및 소음 측정을 수행하는 모터 특성 및 소음 측정 단계와,
    소음 신호의 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density)를 계산하는 파워 스펙트럼 밀도 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 라우드니스 계산 처리 단계는,
    소음 신호의 비라우드니스(Specific loudness)를 계산하는 제 1 라우드니스 계산 단계와,
    소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 계산을 하는 제 2 라우드니스 계산 단계와,
    소음 성분의 1Bark에 해당하는 라우드니스 비율을 산출하는 라우드니스 비율 계산 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 제 2 라우드니스 계산 단계에서 주파수와 임계 대역 환산 식은,
    z=26.81/(1+1960/f)-0.53인 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 라우드니스 비율 계산 단계에서,
    각 부하에 따른 모터의 1Bark에 대한 Loudness(sone)에 대하여 0kgf-cm일 때를 기준으로 각 부하에 대한 비율을,
    Figure 112016032928094-pat00004
    으로 구하고,
    여기서, Loudnessref는 무부하인 경우의 라우드니스인 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 방법.
  10. 제 5 항에 있어서, 소음 레벨 분석 단계에서,
    브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B)은 선형 감소하고, 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)은 선형 증가하는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 방법.
  11. 제 5 항에 있어서, 소음 주파수 분석 단계에서,
    브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B)은 선형 감소하고, 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)은 선형 감소하는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 방법.
  12. 제 5 항에 있어서, 상기 소음 성분은,
    기어부 마찰 소음성분(G), 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B), 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)을 포함하는 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 방법.
  13. 제 5 항에 있어서, 상기 소음 성분 간의 주파수 관계를 파악하고 부하에 따른 소음 주파수 분석을 수행하는 소음 주파수 분석 단계에서,
    기어부 마찰 소음성분(G), 브러쉬 정류자 마찰 소음성분(B), 고정자 회전자 토크리플 소음성분(R)의 3가지 소음 성분이 서로 옥타브 관계에 있고 음악적으로 동일한 음을 나타내는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 DC 모터 소음 예측을 위한 방법.
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