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소형 전자식 진동가진기 구성 및 원리 ; Compact Electrodynamic Shaker configuration and principle 본문

기초이론/내구시험(Endurance)

소형 전자식 진동가진기 구성 및 원리 ; Compact Electrodynamic Shaker configuration and principle

cylos 2024. 11. 4. 09:00

 

목차

1. 전자식 진동가진기 (Electrodynamic Shakers)

2. 전자식 진동가진기의 일반적인 구성과 설명

3. 전자식 진동가진기의 가진력 설명

4. 전자식 진동가진기의 가진 변위 설명

5. 전자식 진동가진기의 가진 속도 설명

 

미국 Labworks사의 ET-139 소형 전자식 진동 가진기, 그림 1

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1. 전자식 진동가진기 (Electrodynamic Shakers)

Labworks사 진동가진기는 일반적인 전류/힘 모터 원리를 사용하여 진동력을 생성합니다. 전기역학적 힘은 본질적으로 선형이며 기계적 또는 유압 기반 진동 생성보다 더 낮은 노이즈 및 낮은 고주파 왜곡으로 더 넓은 가진 주파수 대역폭을 제공합니다. 대부분의 Labworks 진동가진기는 공랭식이므로 다른 유형의 진동가진기 냉각과 함께 사용되는 오일이나 물이 필요하지 않습니다.

 

관성 진동가진기를 제외하고 Labworks사의 전자식 진동가진기(Electrodynamic Shakers)는 DC까지 주파수 응답을 제공하여 우수한 저주파 힘 기능을 보장합니다. 상위 주파수 한계는 진동가진기 전기자의 기계적 공명에 의해 제어되며 대부분의 시험편 진동 시험 요구 사항보다 높은 주파수에 도달하도록 신중한 설계를 통해 제작됩니다.

 

ET-139 Electrodynamic Shaker의 진동 가진

 

 

2. 전자식 진동가진기의 일반적인 구성과 설명

Labworks사의 일반 용도(general purpose), 모달(modal test) 및 트랜스듀서 교정(Transducer, accelerometer calibration) 진동가진기는 일반적인 라우드스피커와 유사한 구조를 사용하여 입력 파형의 스펙트럼 왜곡을 최소화하면서 가장 넓은 주파수 범위에서 전류의 흐름을 기계적 힘으로 변환합니다. 이 무빙 "보이스 코일" 구성은 가벼운 무빙 질량으로 큰 시험 물품 부착 표면을 제공합니다.

 

셰이커의 보이스 코일은 "전기자(armature)"라고 불리는 매달린 금속 지지대 및 시험 물품 부착 구조물에 부착됩니다. 진동가진기의 전기자는 생성된 힘의 방향으로 비교적 쉽게 움직일 수 있도록 안내되고 다른 모든 방향에서 가능한 가장 높은 강성을 갖습니다. 이러한 측면에서 이러한 진동가진기는 주로 단방향 진동 장치입니다. 전기자 서스펜션은 모든 횡 방향으로 단단하여 부하 부착으로 인해 발생하는 측면 전기자 코일 처짐을 일으킬 수 있는 측면 처짐을 최소화하는 것이 매우 중요합니다.

 

Labworks사의 일반 용도(general purpose), 모달(modal test) 및 트랜스듀서 교정(Transducer, accelerometer calibration) 진동가진기는 "single-end" 자석 구조 구성을 사용합니다. 이 구성은 다른 유형의 자석 구조에 비해 여러 가지 중요한 이점을 제공합니다. 최적화된 single-end 진동가진기 설계는 더 큰 전기자 코일 직경을 제공하여 이러한 진동가진기에 더 큰 장착 표면을 제공하며, 이는 시험 물품을 쉽게 부착하고 시험을 용이하게합니다. Single-end 자석 구조는 또한 검사 및 유지 관리를 위한 가장 쉬운 물리적 접근을 제공합니다. 진동가진기의 동적 구성 요소를 서비스하기 위해 진동가진기 본체를 분해할 필요가 없습니다.

 

탄소 섬유 복합 플랙셔 부품(Carbon fiber composite flexure components)은 높은 횡방향 강성을 유지하면서 가용 동적 스트로크를 최대화하기 위해 전기자 서스펜션에 사용됩니다. 전기자 서스펜션에 고무를 최소한으로 사용하면 속도와 관련된 감쇠 손실이 감소하므로 더 빠른 속도와 더 작은 저주파 왜곡 특성이 가능합니다

 

진동가진기 단면 (미국 Labworks사 홈페이지), 그림 2

 

 

3. 전자식 진동가진기의 가진력 설명

전기 역학적 셰이커는 본질적으로 힘 발생기입니다. 전기자 코일에 흐르는 전류는 진동가진기의 자석 구조(본체)의 강력한 DC 자기장과 상호 작용하여 물리적 힘을 생성합니다. 이 힘은 전기자 코일과 진동가진기 본체 사이에서 생성되는 것으로 간주할 수 있습니다. 이 측면에서 전기자는 힘의 방향으로 본체에 대해 자유롭게 움직일 수 있으므로 진동가진기의 전기자(및 부착된 테스트 항목)와 진동가진기 본체는 모두 생성된 힘에 노출됩니다. 전기자 코일 전류가 교대로 진동 여기되는 경우와 같이 변하면 전기자와 셰이커 본체는 모두 이 힘에 반응하여 가속되고 각각은 전기자 서스펜션 강성 고려 사항과 무관하게 고유질량에 따라 반응합니다.

진동가진기의 자기 구조는 전기자 코일의 내부 영역에 집중된 매우 높은 DC 자기장을 갖도록 설계되었습니다. 또한 높은 자기장은 일부 테스트 항목 작동 및 테스트 결과에 해로울 수 있으므로 자석 구조는 일반적으로 진동가진기 본체 외부에서 최소한의 "stray" 자속을 갖도록 설계됩니다. 이는 전기자 "상단"에 있는 테스트 항목 부착 영역에서 특히 중요합니다. 고에너지, 중앙에 위치한 자석 또는 필드 코일을 독점적으로 사용하면 두 영역 모두에서 매우 효과적입니다.

전기자 코일과 본체 직류장의 상호작용에 의해 발생하는 힘은 코일에 흐르는 전류와 직류장의 세기에 비례합니다.

 

ET-126 소형 전자식 가진기와 PA-138 파워 앰프, 그림 3

 

 

4. 전자식 진동가진기의 가진 변위 설명

전자식 진동가진기의 전기자(armature) 변위는 전기자 코일의 축 방향 길이와 전기자 서스펜션 시스템의 물리적 제한에 의해서만 제한됩니다. 대부분의 진동가진기는 저주파에서 비교적 선형적인 힘 생성을 유지하기에 충분한 축 방향 코일 길이가 제공되므로 주요 제한은 서스펜션 구성 요소의 물리적 간섭입니다. 진동가진기에는 사용 가능한 작동 변위 창(operating displacement window)이 있으므로 피크 대 피크 용어로 진동 테스트 변위를 평가하고 논의하는 것이 가장 일반적입니다. 이러한 이유로 진동 테스트를 포함하는 대부분의 엔지니어링 운동 방정식은 피크 대 피크 단위(때로는 "이중 진폭 변위"라고 함)로 변위를 사용합니다.

전자식 진동가진기의 정격 변위는 일반적으로 전기자와 진동가진기 본체/서스펜션 사이에서 사용 가능한 최대 상대 변위입니다. 주어진 테스트에 대한 진동가진기의 적합성을 고려할 때, 사용 가능한 테스트 물품의 절대 변위를 감소시킬 수 있는 다양한 요소를 고려하는 것이 중요합니다.

전기자 코일에 가해지는 동일한 힘이 진동가진기 본체에도 가해지므로 진동가진기 본체도 가속되고 정상적인 운동 방정식으로 정의할 수 있는 변위가 발생합니다. 이 본체 운동은 전기자 운동과 정반대 위상을 가질 수 있으므로 전기자 및 시험 대상과 사용 가능한 상대적(정격) 진동가진기 전기자 변위를 공유해야 합니다. 즉, 진동가진기 본체 변위에 추가된 시험 대상 변위는 정격 진동가진기 변위보다 작아야 합니다.

사용 가능한 변위를 줄이는 또 다른 요인은 시험 대상과 고정물이 수직 셰이커 방향으로 셰이커에 놓일 때 전기자 서스펜션의 자연스러운 처짐입니다. 이 추가된 하중의 무게는 전기자를 아래로 오프셋하여 사용 가능한 아래쪽 전기자 변위를 줄입니다. 대칭적 교대 진동의 한쪽 끝에서 사용 가능한 스트로크를 줄이면 허용되는 피크 대 피크 변위가 처짐량의 두 배로 줄어듭니다.

대부분의 시험 대상의 경우 셰이커 본체 무게는 시험 대상, 고정물 및 전기자보다 상당히 무겁고 변위 운동은 무시할 수 있습니다. 이 경우 시스템 엔지니어링 섹션에서 찾은 필수 변위 방정식이 적용됩니다.

 

Dreq = (g / .0511 x f^2) + (2 x w / k)

 

g : Sine Acceleration (g)

f : frequency (Hz)

w : total load (lb force pk)

k : shaker flexure stiffness

 

수직 방향의 진동가진기에 대한 정상적인 최대 비지지 하중 중량은 사용 가능한 시험 물품 절대 변위를 정격 변위의 1/2로 감소시켜 진동가진기 몸체 운동을 무시하는 것입니다. 이것은 서스펜션을 정격 변위의 1/4만큼 감소시키는 중량에 해당합니다.

Labworks사 진동가진기는 모두 비지지 하중 수직 작동을 더 잘 수용하기 위해 비정상적으로 큰 상대 변위로 설계되었습니다.

ET-126, ET-132 소형 진동 가진기, 그림 4

 

 

5. 전자식 진동가진기의 가진 속도 설명

진동가진기의 속도 제한은 주로 전도성 전기자 구성 요소의 내부 유도 가열과 과감쇠 서스펜션 구성 요소의 감쇠 손실 가열에서 비롯됩니다. Labworks사 진동가진기는 전기자 구성 요소의 유도 가열을 줄이는 낮은 스트레이 자기장으로 설계되었습니다. 최소한의 서스펜션 감쇠가 사용되며 대부분의 응용 분야에서 Labworks사 진동가진기는 최대 가속 및 변위 사양에 의해 부과되는 것 외에는 속도 제한이 없습니다.

 

그러나 진동가진기 시스템은 시스템 증폭기의 역기전력 요구 사항으로 인해 속도 제한이 있을 수 있습니다. 속도 제한은 Labworks사 진동가진기 시스템에서는 거의 문제가 되지 않습니다. 매우 높은 속도가 필요한 경우 제조사와 논의하시는 것을 추천합니다.

 

FG-142 관성 가진기(이너셔 가진기), 그림 5

ET-139 소형 전자식 가진기 (stinger 조립 상태) 및 PA-138 파워 앰프, 그림 6

 

소형 전자식 진동가진기의 자세한 문의는 sales@cylos.co.kr, 031-251-1905, 또는 싸이러스 홈페이지를 참고하시기 바랍니다.

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참고자료 (reference) :

1. Labworks사 홈페이지 (www.labworks-inc.com)

2. 싸이러스 홈페이지 (www.cylos.co.kr)