전자기 유도 음향 소음

Electromagnetically induced acoustic noise
전기 소음, 소음(전자공학) 또는 전자기 간섭과 혼동하지 마십시오.

전자석 유도 음향 소음(및 진동), 전자석 흥분 음향 소음, 또는 더 흔히 코일 윙윙거리는 소음으로 알려진 소음은 전자기력의 흥분 하에서 진동하는 물질에 의해 직접 발생하는 음향이다. 이러한 소음의 일부 예로는 주전원 웅성거림, 변압기의 웅성거림, 일부 회전하는 전기 기계들의 윙윙거림 또는 형광등의 윙윙거림 등이 있다. 고압 송전선이 쉿하는 것은 자력이 아닌 코로나 방전 때문이다.

이 현상을 가청 자기 소음,[1] 전자기 음향 소음, 적층 진동[2] 또는 전자기 유도 음향 소음이라고도 하며,[3] 용도에 따라 전기 소음 또는 [4]"코일 소음"이라고도 한다. 전자기 잡음이라는 용어는 일반적으로 전자파 적합성 분야에서 사용되며 무선 주파수를 다루기 때문에 피한다. 전기 소음이라는 용어는 소리가 아닌 전자 회로에서 발생하는 전기적 동요를 설명한다. 후자의 경우,[6] 구조 현상에[5] 초점을 맞춘 전자기 진동 또는 자기 진동이라는 용어가 덜 모호하다.

전자기력에 의한 음향 소음과 진동은 마이크의 역수로 볼 수 있는데, 이것은 기계적 진동이나 음향 소음이 원하지 않는 전기적 섭동을 어떻게 유도할 수 있는지를 설명한다.

일반적 설명

전자기력은 전자기장(전기장만, 자기장만 또는 둘 다)의 존재에서 발생하는 힘으로 정의할 수 있다.

자기장이 존재하는 전자기력은 맥스웰 스트레스 텐서, 자기장착, 로렌츠 힘(라플라스 힘이라고도 함)으로 인한 등가력을 포함한다.[7] 거부력이라고도 불리는 맥스웰 힘은 예를 들어 전기 기계에서 공기와 강자성 물질 사이의 높은 자기 거부성 변화의 접점에 집중된다. 그들은 서로 마주보고 있는 두 자석의 끌어당김이나 반발도 담당한다. 자기 자극력은 강자성 물질 자체 내부에 집중된다. 로렌츠 또는 라플라스 힘은 외부 자기장에서 추락한 도체에 작용한다.

전기장의 존재로 인한 동등한 전자기력은 정전기, 전기 충격 및 역피에조전 효과를 수반할 수 있다.

이러한 현상은 잠재적으로 전기, 자기 및 전자기 장치의 강자성, 전도성 부품, 코일 및 영구 자석의 진동을 발생시킬 수 있으며, 진동의 주파수가 20Hz ~ 20kHz 사이일 경우, 그리고 들을 수 있을 만큼 높은 소리 수준일 경우(예: 방사선의 큰 표면)을 발생시킬 수 있다.큰 진동 수준. 전자기력이 능동 부품(자기 회로, 전자기 코일 또는 전기 회로) 또는 그 외함의 구조 모드 자연 주파수와 일치할 때 기계적 공진의 경우 진동 수준이 증가한다.

소음의 빈도는 전자기력의 특성(전기장 또는 자기장의 양 또는 선형 함수)과 전자기장의 주파수 함량(특히 DC 성분이 존재하는 경우)에 따라 달라진다.

전자기기 소음 및 진동

전자파 토크는 에어갭을 따라 맥스웰 응력 텐서의 평균 값으로 계산할 수 있으며, 전기 기계에서 전자기력의 결과 중 하나이다. 정적 힘으로서 진동이나 음향 소음을 일으키지 않는다. 그러나 전자파 토크의 고조파 변화를 나타내는 토크 리플(개방 회로에 있는 영구 자석 동기식 기계에 대한 톱니 토크라고도 함)은 회전자와 스테이터의 비틀림 진동을 생성하는 동적 힘이다. 단순 실린더의 비틀림 편향은 효율적인 음향 노이즈를 발산할 수 없지만, 특정 경계 조건에서는 스테이터가 토크 리플레이션 하에서 음향 노이즈를 방출할 수 있다.[8] 구조 기반 소음은 또한 로터 샤프트 라인 진동이[9] 프레임과 샤프트 라인으로 전파될 때 토크 리플에 의해 발생할 수 있다.

일부 접선 자기력 고조파들은 스테이터 톱니에 적용할 때 자기 진동과 음향 소음을 직접 발생시킬 수 있다: 접선력은 스테이터 톱니의 휨 모멘트를 생성하여 요크의 방사형 진동을 유발한다.[10]

접선 힘 고조파 외에도 맥스웰 응력에는 요크의 반경 진동을 담당하는 방사상 힘 고조파도 포함되며, 이는 다시 음향 소음을 방사할 수 있다.

패시브 구성 요소의 전자파 소음 및 진동

인덕터

원자로나 콜크라고도 불리는 인덕터에서는 자기 회로의 에어갭에 자기 에너지가 저장되며, 여기서 맥스웰의 큰 힘이 작용한다. 그 결과 발생하는 소음과 진동은 에어갭 재료와 자기 회로 기하학에 따라 달라진다.[11]

트랜스포머

변압기에서 자기 소음과 진동은 권선에 대한 로렌츠 힘,[12] 층 접합부의 맥스웰 힘, 적층 코어 내부의 자기 자극 등을 포함하는 하중 케이스에 따라 몇 가지 현상에 의해 발생한다.

콘덴서

캐패시터에도 큰 정전기력이 작용한다. 캐패시터 전압/전류 파형이 일정하지 않고 시간 고조파를 포함하면 일부 고조파 전력이 나타나 음향 노이즈를 발생시킬 수 있다.[13] 강전 캐패시터는 또한 가청 소음을 발생시킬 수 있는 압전 효과를 나타낸다. 이 현상은 "싱잉 커패시터" 효과로 알려져 있다.[14]

전기 기계에서의 공명 효과

방사형 플럭스 회전 전기 기계에서 전자기력에 의한 공명은 신나는 맥스웰 힘과 스테이터 또는 로터 자연 주파수 사이에, 그리고 스테이터나 로터 모달 모양과 신나는 맥스웰 조화음파(동행하는 힘의 주기) 사이에 일치해야 하는 두 가지 조건에서 발생하기 때문에 특히 중요하다. 공중 [15]격차

스테이터의 모드 형태 번호 2 예제, 프레젠테이션 번데기에 대해 이동이 과장됨

예를 들어 스테이터의 타원형 모달 모양의 공명은 힘이 2일 때 발생할 수 있다. 공명 조건 하에서, 공극에 따른 전자기 방출의 최대값과 모달 형상 변위의 최대값이 위상에 있다.

수치 시뮬레이션

방법론

전자기 유도 노이즈 및 진동의 시뮬레이션은 다음 세 단계로 수행되는 다단계 모델링 프로세스다.

  • 전자기력의 계산
  • 결과로 발생하는 자기 진동 계산
  • 결과로 발생하는 자기 소음을 계산

그것은 일반적으로 약하게 결합된 문제로 간주된다: 전자기력에 의한 구조물의 변형은 전자기장 분포와 그에 따른 전자기 응력을 유의하게 변화시키지 않는다고 가정한다.

전기 기계에 적용

전기 기계에서 들리는 자기 소음에 대한 평가는 다음 세 가지 방법을 사용하여 수행할 수 있다.

  • 전용 전자기 및 진동음 시뮬레이션 소프트웨어 사용(예: MANATE )
  • 전자파(예: 플럭스,[17] Jmag,[18] 맥스웰,[19] 오페라[20]), 구조(예: 앤시스 기계, 나스트란, 옵티스트럭트) 및 음향(예: 액트란, LMS, 시스노이즈) 수치 소프트웨어를 전용 연결 방법과 함께 사용
  • 다중물리학 수치 시뮬레이션 소프트웨어 환경 사용(예: Comsol Multiphysics,[21] Ansys Workbench[22])

전자기 노이즈 및 진동에 노출되는 장치의 예

정적 장치

정적 장치에는 다음과 같은 전력 저장 또는 전력 변환에 사용되는 전기 시스템 및 구성품이 포함된다.

회전 장치

회전 장치에는 다음과 같은 전기에서 기계적 전력 변환에 사용되는 방사형 및 축속 회전 전기 기계가 포함된다.

그러한 장치에서 동적 전자기력은 일정한 AC 권선 또는 회전 DC 권선(영구 자석 또는 DC 권선)에서 오는 자기장의 변화로부터 발생한다.

전기기계의 자기소음 및 진동 발생원

건강한 기계에서 자기소음과 진동을 담당하는 조화 전자기력은

고장난 기계에서는 전자기력에 의한 추가적인 소음과 진동이 발생할 수 있다.

  • 기계적 정적 및 동적 편심[30]
  • 고르지 못한 공극[31]
  • 자기화
  • 단락
  • 없어진 자석 쐐기

불균형 자기 당김(UMP)은 기계적 회전 불균형의 전자기 동등성을 설명한다. 전자기력이 균형을 이루지 못하면 스테이터와 로터에 0이 아닌 순자력이 나타난다. 이 힘은 로터의 벤딩 모드를 자극할 수 있고 추가적인 진동과 소음을 발생시킬 수 있다.

전자파 소음 및 진동 감소

전기기계의 자기소음 및 진동 감소

전기 기계의 NVH 완화 기법은 다음을[32] 포함한다.

  • 전기 기계의 구조적 반응과 무관하게 전자기 방출의 크기 감소
  • 전자파 방출과 독립적으로 구조 응답의 크기 감소
  • 전자파 방출과 구조 모드 사이에 발생하는 공진 감소

전기 기계의 전자기 소음 및 진동 완화 기법은 다음을 포함한다.

  • 적절한 슬롯/폴 조합 및 권선 설계 선택
  • 스테이터와 전자기파 방출 사이의 공명 방지
  • 스테이터 또는 로터의 기울기
  • 폴 쉐이핑/폴 시프트/폴 페어링 기법 구현
  • 고조파 전류 분사 또는 확산 스펙트럼 PWM 전략 구현
  • 스테이터 또는 로터에 노치/플럭스 장벽을 사용하여
  • 증가하는 댐핑

"코일 소음" 감소

코일 소음 완화 조치에는 다음이 포함된다.

  • 접착제를 첨가한다(예: 접착제 층이 텔레비전 코일 위에 종종 첨가된다; 이 접착제는 수년에 걸쳐 분해되고 소리 레벨이 증가한다).
  • 코일의 모양을 변경(예: 코일 모양을 전통적인 코일 모양이 아닌 그림 8로 변경)
  • 구조물에 의한 소음을 최소화하기 위해 코일을 장치의 나머지 부분으로부터 분리한다.
  • 댐핑을 늘리다

실험 일러스트레이션

회전 영구자석 흥분장에 의한 강자성 실린더의 처짐
전자석 흥분 튜닝 포크 설정

다양한 전자기력은 DC 자기장의 이동 소스(예: DC 전류와 함께 공급되는 회전 영구 자석 또는 회전 코일) 또는 AC 자기장의 일정한 소스(예: 가변 전류가 공급한 코일)에 의해 생성될 수 있다.

회전하는 영구 자석에 의한 강제 진동

이 애니메이션은 회전하는 자석의 자기장으로 인해 강자성 시트가 어떻게 변형될 수 있는지를 보여준다. 슬롯 없는 스테이터가 있는 이상적인 1극 쌍 영구 자석 동기식 기계에 해당한다.

가변 주파수 코일에 의한 음향 공진

구조모드에 의한 자기진동의 공명 효과는 철로 만든 튜닝포크를 사용하여 설명할 수 있다. 튜닝 포크의 프롱은 가변 주파수 전원 공급 장치에 의해 공급되는 코일로 감긴다. 가변 플럭스 밀도는 두 프롱 사이에서 순환하며, 일부 동적 자력은 공급 주파수의 두 배에서 두 프롱 사이에 나타난다. 신나는 힘 주파수가 400Hz에 가까운 튜닝 포크의 기본 모드와 일치하면 강한 음향 공진이 발생한다.

오디오 파일의 예

PMSM 모터(트랙션 적용)

지하철 전기 모터에서 발생하는 자기 소음의 예

참조

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외부 링크