연료전지자동차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전력을 생산하여 구동하는 전기자동차의 한 종류이며, 터보압축기는 전력생산 시 필요한 공기를 공급하는 역할을 한다. 이때, 공급되는 공기는 오일의 오염이 없어야하며, 터보압축기의 부피와 크기는 작을수록 차량 성능에 유리하다. 본 연구 대상인 터보압축기에 적용된 가스포일 베어링은 고속 안정성이 높고 별도의 급유장치가 필요하지 않기 때문에 터보기기의 소형, 고속화에 유리하며, 공급되는 공기의 오일 오염 가능성도 적다. 하지만 오일 윤활 베어링 대비 낮은 하중지지능력과 강성, 감쇠 특성은 회전체-베어링 시스템의 불안정성을 야기할 수 있다. 이러한 단점은 베어링 및 회전체-베어링 시스템의 안정성 증대 및 그에 따른 정확한 예측, 예측의 실험적 검증을 필요로 한다. 또한, 터보압축기가 적용되는 연료전지자동차는 내연기관이 없이 모터로 차량이 구동되기 때문에 기존 내연기관에서 발생하는 피스톤 왕복 운동에 의한 진동, 소음이 발생하지 않는다. 대신 고속 구동되는 터보압축기의 진동, 소음이 차량의 NVH 성능에 주요 요소로 작용할 수 있다. 따라서 연료전지자동차의 NVH 성능개선을 위해 터보압축기의 진동, 소음원의 특성규명의 필요성이 있다.
본 논문은 가스포일 베어링이 적용된 터보압축기의 회전체-베어링 시스템 안정성 향상을 위해 심포일을 추가하였으며, 심포일이 적용된 베어링 및 회전체-베어링 시스템의 특성을 예측하고 실험을 통해 해석모델을 검증하였다. 해석결과는 심포일이 적용된 가스포일 베어링이 기존 가스포일 베어링 대비 높은 강성, 감쇠 계수를 가지며, 회전체-베어링 시스템의 불안정성 발생속도를 증가시켜 안정성을 증대시킴을 예측하였다. 이후 심포일이 적용된 가스포일 베어링을 사용한 터보압축기의 관성정지 실험을 통해 회전축 거동을 측정하여 회전축-베어링 시스템의 특성을 분석하고 해석결과와 비교하였다. 실험결과 회전축의 거동은 회전동기성분이 지배적이고 비동기 진동성분이 발생하지 않아 터보압축기의 회전체-베어링 시스템이 안정함을 확인할 수 있었으며, 유한요소 모델과 베어링 해석결과를 결합하여 예측한 회전체-베어링 시스템의 감쇠 고유진동수 및 불안정성 발생 속도가 실험결과와 좋은 일치성을 보였다. 이러한 결과를 통해 해석모델을 신뢰성을 검증할 수 있었다.
터보압축기의 NVH 특성 분석을 위해 차량 주행실험과 터보압축기 단품실험을 수행하였다. 차량주행 시 발생하는 주요 진동, 소음원 분석을 위해 터보압축기, 스택프레임, 서브프레임에 가속도 센서를 부착하였으며, 보닛 내부의 터보압축기로부터 30 cm 떨어진 지점에서 소음을 측정하였다. 실험결과 차량의 주요 진동, 소음은 구동모터와 터보압축기에서 발생하였으며, 가속도와 소음의 경향이 유사하였다. 터보압축기에 의해 발생하는 주요 진동, 소음은 터보압축기의 회전주파수와 모터 극수의 곱의 형태로 발생하는 불평형 자기흡인력으로 판단하였으며, 구동 모터에서 발생하는 진동, 소음성분은 차량 구동에 따른 감속기의 기어 맞물림 주파수에 의해 발생하는 것으로 판단하였다. 특히, 터보압축기 하우징에서 측정한 가속도는 3,300 Hz에서 그 크기가 급격히 증가하였으며, 이러한 결과는 터보압축기의 단품실험에서도 동일하게 발생하였다. 가속도가 급격히 증가한 주파수위치는 실험을 통해 측정한 터보압축기 하우징의 고유진동수 주파수와 일치하였고, 이러한 결과를 통해 3,300 Hz의 급격한 가속도 증가의 원인을 터보압축기의 불평형 자기흡인력과 하우징의 공진으로 판단하였다. 이러한 결과는 터보압축기의 불평형 자기흡인력과 하우징의 공진회피 설계가 터보압축기의 진동과 진동에 의해 발생하는 구조기인 소음을 저감할 수 있으며, 터보압축기의 NVH 성능의 주요요소임을 의미한다.

Fuel cell electric vehicle`s (FCEV) turbocompressor supplies air for generation of electricity. The supplied air should be free of oil contamination. Also, it is better to have compressor of smaller size and mass.
Gas foil bearings(GFBs) reveal relatively better stability at high speeds. Since they do not require lubrication supply systems, supplied air is less likely to be contaminated. Also, using these type of bearings result in making miniature turbocompressor system operating at high speeds. However, they have low load capacity, stiffness and damping coefficients causing instability. For stable operations of turbocompressor supported on GFBs, accurate predictions and experimental validation of GFBs characteristics and rotor-bearing system is needed. Since driven by the motor without internal combustion, FCEV does not generate vibration and noise created by the piston reciprocation. Instead, vibration and noise of high speed turbocompressors affect the noise, vibration, and harshness (NVH) performances of FCEV. Therefore, it is necessary to analyze noise and vibration of turbocompressor to improve NVH performance of FCEV.
To increase rotor-bearing system`s stability, this study attempts to change GFB`s clearance profile using shim foil. Characteristics of bearing and rotor-bearing systems are predicted including the shim foil and compared to experiments. Predicted stiffness and damping coefficients of GFBs with shim foil is higher than those of typical GFBs, thus, the predicted stability of rotor-bearings system improves. The experiments found that synchronous rotor motions were dominant and noticeable subsynchronous motion did not occur, thereby implying the rotordynamics stability. The predicted rotor synchronous motion and onset speed of instability(OSI) shows good agreement with test data, thereby validating the predictive model.
To analyze NVH performance of FCEV, two types of tests i.e. on-road and lab were performed. During the on-road test, vehicle is accelerated to a speed of 110 km/h and retarded to 0 again. The results revealed that the vibration and noise were mainly caused by 2x synchronous component of turbocompressor and components of driving motor-gear box package which have the similar profiles as the speed of a vehicle. Particularly, measured acceleration of turbocompressor`s housing increases rapidly at 3,300 Hz. Lab test showed same results. Because of air gap between rotor and stator, unbalanced magnetic pull(UMP) appeared in measured acceleration and noise of the turbocompressor`s 2x synchronous component. Rapid increase in acceleration at 3,300 Hz arise from resonance by turbocompressor`s housing and UMP. In conclusion, resonance avoided design is needed to improve the NVH performance of turbocompressor. These results show that resonance avoidance design of the housing according to the UMP is main factor of turbocompressor`s NVH performance.