몽키로 전력 변환하기

MOSFET과 같은 스위칭 소자의 경우 발열해소를 위해 HEAT sink를 적용합니다.

스위칭 소자에서 일정 Heatflux가 발생할 경우 열해석을 통해 방열핀의 사이즈가 적절한지 알아보도록 하겠습니다.

대류열전달을 고려하지 않고 Heatsink의 열전도계수만을 고려하여 설계할 경우 대기로 100%의 방열효율을 가진다고 가정한 것이기에 정확하지 않은 결과를 가져오고 이를 위한 안전율을 많이 가져야 하기 때문에 오버스펙을 가진 Heat sink를 적용하게 됩니다.

그렇기에 대류열전달을 고려한 열 해석을 통해 적절한 Heatsink의 선정이 필요합니다.

예시로 다음과 같은 Heat sink에 MOSFET이 2W의 손실이 일정하게 발생한다고 할 때 MOSFET의 온도를 알아보도록 하겠습니다.

1.ANYSY에서 제공하는 3d CAD프로그램을 통해 다음과 같이 모델링 합니다.

2. TIM(Thermal interface material)이 적용된 것을 구현하기 위해 TIM또한 Mosfet이 부착될 곳에 모델링 후

Model~Solution에서 material과 시뮬레이션 조건을 적용합니다.

시뮬레이션에 적용된 material 의 열특성은 다음과 같습니다.

3. mesh 설정

간단한 형상의 열해석이기 때문에 삼각mesh로 진행하였고 계산시간을 줄이기 위해 body sizing을 통해 1mm로 적용하였습니다.

mesh는 열전달이 계산되는 node의 수를 결정짓는 것으로 가로세로의 비율이 일정하고 작은 사이즈의 mesh가 정확하지만 cpu의 spec을 고려해 간단한 삼각메쉬와 큰 사이즈의 mesh를 선정했습니다.

CPU i5 10300H

Ram 16 GB

계산시간은 위와 같은 스펙으로 3시간 정도 걸렸습니다.

2W의 손실이 발생하고 MOSFET과 Heat sink가 맞닿는 면으로만 방열이 발생한다 가정하고 시뮬레이션을 진행하였습니다.

대류열전달 계수 h는 자연대류의 경우로 가정하고 (25W/m^2 k) 진행했습니다.

시뮬레이션 결과

이전 포스팅에서 고유진동수에 대해 알아보았는데 이번엔 직접 고유진동수를 증명해 보도록 하겠습니다.

아래 조건은 Damping과 가진이 없는 자유진동 상태입니다.

식을 구하는 방법은 Energy conservation에 의해 만들어 집니다.

Solution을 구하는 방식은 위에같이 Newton의 법칙에 의해 식이 만들어지고 이 식의 결과를 먼저 유추한 후 역으로 맞는지를 확인합니다.

x = 진폭, k = 강성, m = 질량 (여기선 질량에 물체의 중심에 점질량으로 몰려있다고 가정합니다.)

아래와 같이 먼저 결과를 예측합니다.

외팔보를 이용한 진동감쇠기 (Seismic Design)내진설계

모든 물체는 고유진동수를 가지고 있고 조화가진 시 가진주파수와 고유진동수가 일치하게 되면 공진이 발생하여 파괴되는 문제가 있습니다.

이러한 공진문제를 해결하는 방법중 하나로 공진주파수가 같은 물체를 부착하면 이론적으로 진폭이 0이되는데 이를 알아보도록 하겠습니다.

진폭이 0이 되는 공학적이유는 아래와 같습니다.

사진 설명을 입력하세요.

EX) 만약 11HZ의 고유진동수 (Natural frequency)를 가진 물체가 있을 때 이와 같은 진폭을 가진 물체를 만들어 보도록 하겠습니다.

아래와 같이 동전을 이용하여 외팔보형태의 기구를 설계하면 됩니다.

사진 설명을 입력하세요.

외팔보 형태로 만든 이유는 정확히 등가질량(Equivalent mass)을 계산할 수 있고(23.6% 이는 적분법으로 구하면 되는데 다음에 알아보도록하겠습니다.) 직접만들기 쉽기 때문입니다.

이렇게 얼추 비슷하게 만들고 ANSYS 를 통해 이론값이 맞는지 확인합니다.

ANSYS도 이론값이긴 합니다...

좌 : 1차 모드 우 :2차 모드

1차고유진동수는 11.053HZ로 왼쪽과 같은 Mode shape를 보이고 2차고유진동수는 148.34HZ로 Mode shape를 보면 트위스팅되는 것을 볼 수 있습니다.

이 결과를 잘 생각해보면 트위스팅되기 까지가 어렵다라는 결론과 실제 내진설계와 같은 공학설계에서는 높은차수까지 고려할 필요성이 없다는 것을 유추해 볼 수 있습니다.

이를 실제로 알아보기 위해 가속도 센서를 부착 후 실험한 결과는 다음과 같습니다.

실제 공진주파수 대역에서의 가속도 측정결과.

사진 설명을 입력하세요.

위의 결과에서 보듯 공진영역의 진폭이 0에 가깝게 된 것을 볼 수 있다.

내진설계를 진행할 때 건물에서는 보통 제진을 통해 건물에 기둥(column)과 같은 곳에 구조물을 부착 하여

지진을 견디도록 합니다.

오늘 제가말씀드리고자하는 것은 지진을 견디는 것이 아니라 건물이 지진에 의해 발생하는 공진을 회피하는 방식에 대해 알아보고자 합니다.

<이 포스팅은 2019내진설계 창의공모전 경진대회 최우수상작(충북대학교 기계공학부)을 바탕으로 제작되었습니다>

공진이란?

공진이란 가진주파수가 고유진동수와 일치할 경우 진폭은 무한대로 커져 물체에 파괴를 일으키는 것

고유진동수란?

모든 물체는 고유진동수를 가지고 있고 이는 1차원적으로 볼 경우 질량과 강성과 연관되어 있습니다.

이 때 만약 고유진동수와 같은 물체를 부착하였을 때 아래 계산한것과 같이 공진주파수가 2개로 나뉘어지는 것을 볼 수 있습니다.

이러한 결과는 아래의 실험결과를 통해서도 확인할 수 있습니다.

11HZ의 1차 고유진동수를 가지고있는 3층구조물에 아래와 같은 진동흡수기를 부착하게 되면 다음과 같은 결과가 나오게 됩니다.

 

ANSYS harmonic 해석결과

다음으로는 면진입니다.

면진은 다음과 같은 면진장치로 구조물에 가진이 전해지지 않도록 하는 장치입니다.

ANSYS harmonic 해석결과

 

위 두 제진 및 면진을 같은 scale로 exel로 정리한 결과는 아래와 같습니다

step1 미부착

step2 제진장치 부착

step3 면진장치 부착

전체적인 진폭에서 면진은 이론상 0에 가까운것을 볼 수 있습니다

제진에서 공진주파수가 2개로 나뉘어 진것을 볼 수 있습니다