테크니컬 리포트 2022 No.1
모터 개발을 지지하는 설계 기술~진동·소음을 예측하는 연성 해석~

서보 모터는 전자기력 및 스테이터나 로터와 같은 구조부의 진동 모드(어떻게 진동하고 있는지를 나타내는 진동의 형상) 등의 요인에 의해 진동이나 소음이 발생합니다. 이들은 서보 모터를 이용한 장치의 생산 품질이나 장치가 설치되는 생산 현장의 환경에 악영향을 미칩니다. 그 때문에 서보 모터의 진동·소음의 저감이 요구됩니다. 따라서 설계 단계에서 진동 및 소음을 ​​예측하는 해석 기술이 중요합니다.
서보 모터의 진동은 공진에 의해 증가합니다. 공진은 가진력(구조물에 진동을 일으키는 힘)과 구조부의 진동 모드의 주파수가 일치하면 발생합니다.

설계 단계에서 이러한 현상을 예측하려면 설계된 서보 모터의 3D 모델을 사용하여 구조 해석 및 음향 해석과 같은 시뮬레이션을 통해 진동과 소리를 확인합니다. 이러한 해석으로 정밀도 좋게 진동·소음을 예측하기 위해서는, 가진력과 진동 모드의 진동 요인이 조합되어 일어나는 공진 현상을 재현할 수 있는, 매우 레벨의 높은 해석 기술이 요구됩니다.

스테이터는 링 2차, 3차, 4차로 변형되는 진동 모드를 가지며 이러한 진동 모드에서 공진을 일으킬 수 있습니다.
또한 프로덕션 테스트에서는 서보 모터를 구동했을 때의 진동 및 소리를 측정하고, 이 측정한 데이터를 분석하여 각 주파수 성분의 진동 및 소리를 확인했습니다. 분석한 결과로부터 스테이터가 변형하는 원환 2차 모드와 가진력이 공진하여 진동·소리가 증대하는 것을 알 수 있습니다.
따라서 서보 모터의 진동과 소음을 줄이기 위해서는 고정자의 원환 2차 모드와 공진하는 진동과 소리를 예측하는 해석 기술이 필요합니다.

스테이터의 진동·소음을 정확하게 예측하기 위해, 전자계·구조·진동·음향 해석을 연성한 해석 기술을 구축했습니다. 다음은 분석 흐름입니다.

전자계·구조·진동·음향연성 해석의 포인트는 3개 있습니다.

(1)

간단화 기술
해석에서 정확하게 진동이나 소리를 예측할 수 있다고 해도, 해석의 계산 시간이 걸리면 설계 검토에 활용할 수 없습니다. 따라서 계산 시간을 줄이기 위해 도선이 감겨진 코일이나 얇은 강판을 쌓은 고정자 코어는 일체의 형상으로 단순화합니다. 또한 단순화 모델을 이용하여 실제 기계의 현상을 재현하기 위해 이방성을 고려한 재료 물성치를 설정합니다. 이러한 간소화 기술을 통해 계산 시간은 1일 이하로 정확한 분석 결과를 얻을 수 있습니다.

(2)

조립 및 가공의 응력 고려
모터 생산 공정에서는 압입, 구운 버드, 나사 체결 등의 가공에 의해 모터에 응력이 발생합니다. 이것은 강성을 변화시키고 진동 모드와 고유 진동수에 영향을 미칩니다. 그래서 정적 구조 해석에서 조립·가공 현상을 재현한 응력을 계산하고, 이 응력을 고유치 해석이나 주파수 응답 해석에 반영함으로써 진동 모드나 고유 진동수를 정밀도 좋게 예측할 수 있습니다.

(3)

모터 작동 시 발생하는 진동력을 고려
모터를 움직여서 발생하는 전자기력이 진동을 일으키는 진동력이 됩니다. 실제 기계를 재현한 전류 파형을 이용하여 전자계 해석으로 가진력을 산출하고, 주파수 응답 해석에 반영함으로써 진동 모드와 가진력의 공진을 해석으로 예측할 수 있습니다.

진동·소리를 측정한 모터에 연성 해석을 적용하고, 실측과 해석의 진동 및 소리를 비교해, 연성 해석의 효과를 확인했습니다.

■ 진동 모드 및 주파수
고정자의 원형 2차 모드의 진동 모드를 확인할 수 있었고, 이 공진 주파수는 오차 1%로 고정밀도로 예측할 수 있었습니다.
대상 모터는 프레임과 코어가 구운 버들로 체결되어 있어, 이 가공에 의해 발생하는 응력을 정적 구조 해석을 이용하여 산출하고, 실기의 상태를 해석상에서 재현함으로써, 정밀한 결과를 얻을 수 있었습니다.

■ 진동과 소리
환환 2차 모드의 진동 및 음압의 최대치는 오차 5% 이하로 예측할 수 있으며, 환환 2차 모드에서의 공진 현상을 포착할 수 있습니다. 진동 모드를 정확하게 예측할 수 있고, 전자계 해석으로 산출한 가진력을 이용할 수 있는 전자계·구조·진동·음향 연성 해석에 의해, 실기의 공진 현상을 재현할 수 있어, 정밀도 좋게 진동과 소리를 예측할 수 있는 것을 알 수 있습니다.

이상의 결과로부터, 구축한 연성 해석 기술에 의해, 지금까지 기술적으로 정확한 예측이 곤란했던 가진력과 진동 모드, 이러한 진동 요인이 조합되는 공진 현상의 예측이 가능하게 되었습니다.

또한 진동과 소음이 문제가 되기 쉬운 몇 kHz의 원환 3차 모드에 대해서도 좋은 정밀도를 얻을 수 있는 것을 알 수 있습니다.
구축한 해석 기술은 정밀도 좋게 진동·소음을 예측할 수 있는 것에 더해, 범용성도 갖고 있어, 서보 모터의 설계에 폭넓게 활용하고 있습니다.

전자계·구조·진동·음향연성 해석을 설계에 활용함으로써 스테이터의 진동 모드나 진동·소음을 정확하게 예측할 수 있었습니다. 모터의 진동·소음은 스테이터 이외에 로터로부터도 발생하기 때문에, 연성 해석 기술을 로터의 진동·소음의 예측에 전개해 갑니다. 또한 고정자의 해석 기술은 과제를 해결하는 대처를 계속해 설계 기술을 더욱 향상시킵니다.