한국승강기안전기술원 R&D사업부 이선순 본부장
한국승강기안전기술원 서상윤 검사원

1. 개요
동기전동기용 권상기의 소음으로 인한 민원이 발생되어 이를 해소하고자 본 연구를 실시했다. 특히 기계의 소음은 진동을 수반하는 경우가 많기 때문에 진동과 소음을 동시에 측정하고, 이 취득된 데이터를 분석, 소음 및 진동에 대한 원인을 파악해 대안으로 제시하기 위함이다.

2. 분석 장비
소음 및 진동 분석에 사용한 장비는 B&K사의 pulse 장비를 사용했으며, 센서는 B&K사의 가속도 센서 및 소음센서를 사용해 소음은 20~20,000Hz 대역, 진동은 동기전동기의 진동을 충분히 파악할 수 있는 구간인 400Hz까지 측정했다.

3. 대상 기계 및 조건
소음 및 진동을 분석하기 위해서 17인승 및 24인승의 2가지 타입 권상기에 대한 실험을 실시했다. 먼저 17인승용 권상기는 무부하에서 진동/소음 패턴에 대한 확인 및 분석을 실시했고, 24인승용 권상기의 경우에는 진동/소음이 더 심했기 때문에 0, 50, 125%의 다양한 부하에서 진동/소음 실험을 실시하고 분석했다.

4. 권상기 진동/소음 원인 및 분석 절차
권상기는 상승 때 감속 구간에서 순간적으로 큰 소음이 발생하고 있었으며, 정확한 소음 원인을 찾기 위해 소음 및 진동 데이터를 측정하는 중에 소음과 진동이 동시에 발생하는 현상을 확인할 수 있었다.
이러한 현상을 근거로 공진이 의심됨에 따라 가진시험을 했으며, 이 시험을 통해 권상기의 공진주파수를 확인했다. 그 결과 확인된 공진주파수와 실제 소음/진동 데이터에서 나타나고 있는 주파수 영역이 공진주파수와 동일 영역임을 확인할 수 있었다.
다음과 같은 단계로 최종적으로 측정된 데이터를 이용해 정확한 소음/진동 발생에 대한 원인을 도출하겠다.
1) 고유진동수 파악
2) 소음 발생주파수 파악
3) 진동 발생주파수 파악
4) 진동과 소음의 관계성 파악
5) 소음 발생원인 분석

5. 진동/소음 분석
5.1 17인승 (부하 0%)
5.1.1 Impact Test
4절에서 파악된 소음 및 진동의 원인과 절차에 따라서 소음/진동 원인을 확인하기 위해 우선 각목을 이용해 권상기의 베이스를 가진하면서 고유진동수를 파악하기 위해 진동을 측정했다. 측정된 파형은 [그림 1]과 같으며 [그림 1]은 진동을 시간대별로 나타낸 그래프로서 X축은 주파수, Y축은 시간, Z축은 색으로 크기가 표시되면서 진동 진폭을 의미한다.
총 3차에 걸쳐 가진을 실시하였을 때 동일한 주파수 대역에서 진동이 발생되고 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서 이 실험을 통해 확인한 권상기의 고유진동수는 [그림 1]에서 표현되는 바와 같이 대략 30Hz, 50Hz, 90Hz, 180Hz, 260Hz, 310Hz 영역이다.

5.1.2 상승 시 진동 및 소음 패턴 분석
[그림 2]의 상부 2개 그래프는 진동을 측정한 것으로써 좌측은 수직방향, 우측은 수평방향 진동이 되겠다. 하부의 좌측은 소음 옥타브 밴드 그래프이며, 우측은 소음 FFT 그래프이다.
소음발생 시의 현상을 파악하기 위해 [그림 2]의 좌측 하단의 소음 옥타브밴드 그래프를 보면, 속도가 감소함에 따라 약 380Hz~180Hz 영역까지 소음이 증가하는 양상을 보이고 있다.
추가적으로 80~150Hz 대역에서도 소음이 증가하는 양상을 보이고 있다. 그리고 실제 소음을 들어보면 소음은 ‘우웅~~우웅~~’ 2번에 걸쳐서 소음이 발생하고 있음을 확인할 수 있었다. 소음 옥타브밴드를 사용하는 이유는 실제 사람이 인식할 수 있는 소음이 옥타브 단위이기 때문이며, 간단하게 설명하자면 실제 사람이 듣고 인식하는 것을 그래프로 나타내어 준 것으로 생각하면 된다.
위와 같이 소음 원인과 동일하게 상단 좌측의 수직방향 진동 그래프를 보면 감속 시 330~ 270Hz에서 진동이 증가하고, 130~90Hz 대역에서도 진동이 증가하는 양상을 보이고 있다.
따라서 진동이 증가하는 영역은 90~130Hz, 270~330Hz 대역이며, 소음은 80~150Hz, 180~380Hz 영역에서 커지는 것으로 볼 때, 권상기의 고유진동수 대역인 대략 90Hz, 180Hz, 260Hz, 310Hz 영역에서 소음이 증가하는 것으로 판단된다. 또한 56Hz와 그 배수성분에서 진동/소음이 발생하고 있는 것을 확인할 수 있다.
위의 현상을 종합하면, 이 권상기에서 진동 및 소음을 발생시키는 원인은 권상기에 공급되는 전원주파수인 56Hz와 그 배수성분들로 판단되며, 전원주파수와 그 배수성분이 감속 시 줄어들면서 권상기의 공진주파수를 가진하고 있기 때문에 이러한 소음/진동이 발생하고 있는 것으로 판단된다.
정확한 진동 원인을 유추하면, 1차적으로 56Hz와 그 배수성분이 나타나는 원인은 제어반과 전동기의 전기적인 특성이 좋지 않아서 전원주파수와 그 고조파가 많이 발생하는 것으로 사료되며, 이러한 원인에 따라 가감속 시 부하가 증가할 때 그만큼 전류의 소비량이 많아지게 되고 이에 따라 전자기력이 증가해 가진원으로 작용할 수 있을 정도의 큰 힘을 발휘하게 되는 것으로 판단된다.
2차적으로는 기계적으로 충분한 강성을 가지고 있지 않아서 56Hz와 그 배수성분에 의해 가진이 되어 진동 및 소음이 발생되고 있는 것으로 판단된다.
따라서 이러한 진동 및 소음을 줄이기 위해서는 56Hz와 그 배수성분의 영향을 줄여 가진력을 제거 시키거나 가진력에 의해 가진되는 대상물인 기계구조를 변경시키는 것이 필요하다.
다음은 하강 시에도 동일한 영향이 나타나는 것을 확인하기 위해 소음/진동 측정을 실시해 봤다.

5.1.3 하강 시 진동 및 소음 패턴 분석
하강 시에도 [그림 3]과 같이 가감속 시에 동일한 형태로 진동/소음이 발생하고 있으며, 56Hz와 그 배수성분들이 나타나고 있다.
5.2 24인승
5.2.1 Impact test
[그림 4]를 확인하면 공진주파수는 위에서와 같이 동일한 조건으로 테스트를 했을 때 40Hz, 160Hz, 200Hz, 320Hz, 350Hz 영역인 것을 확인할 수 있었으며, 공진주파수는 수직일 경우 무부하일 때와 125% 부하일 경우에 권상기의 고유진동수에는 큰 변화가 없는 것으로 판단된다. 또한 수평일 경우에는 수직과는 다른 방향이기 때문에 공진주파수는 조금 틀린 양상을 보이지만 공진주파수 영역에서는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 판단된다.
한편, 24인승의 경우 공진주파수는 0%, 125% 부하에 관계없이 40Hz, 160Hz, 200Hz, 320Hz, 350Hz 영역이며, 17인승의 경우 권상기의 고유진동수는 대략 30Hz, 50Hz, 90Hz, 180Hz, 260Hz, 310Hz 영역이다. 따라서 인승에 따라 권상기의 고유진동수는 다르게 나타나는 것으로 판단되며, 이는 권상기의 구조가 다르기 때문이다.
☞ 다음 호에 계속