[논문]BLDC 모터의 열적 성능에 대한 설계 인자의 영향

김민수; 이관수

doi:10.3795/ksme-b.2008.32.2.141

BLDC 모터의 열적 성능에 대한 설계 인자의 영향
Effects of Design Parameters on the Thermal Performance of a Brushless DC Motor 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.32 no.2 = no.269, 2008년, pp.141 - 148

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical simulation of brushless DC motor is performed to elucidate thermo-flow characteristics in winding and bearing with heat generation. Rotation of rotor and blades drives influx of ambient air into the rotor inlet. Recirculation zone exists in the tiny interfaces between windings. The flow separation causes poor cooling performance in bearing part and therefore the redesign of the bearing groove is required. The design parameters such as the inlet location, geometry and bearing groove threshold angle have been selected in the present simulation. As the inlet location moves inward in the radial direction, total incoming flow rate and heat transfer rate are increased. Total incoming flow rate is increased with increasing the inlet inner length. The effect of the bearing groove threshold angle on the thermal performance is less than that of other design parameters.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 권선부의 냉각 성능을 높게 하기 위해서는 권선부로 유체가 바로 유입되도록 하여 박리를 줄이는 것이 필요하다. 그러나 권선부의 경우에는 형상 변경이 어렵기 때문에 로터 유입부의 변경 등 다른 요인의 변경에 의해 유입을 유도해야 하며 따라서 본 연구에서는 권선부에서의 형상 개선점은 다루지 않았다.
따라서 본 논문에서는 내부 돌출 발열부(권선부)를 갖는 모터 내 회전 유동을 3 차원 해석하여 유동 장애물이 있는 회전유동과 발열부에 의한 열 특성을 분석하고, 이를 이용하여 모터의 성능을 향상시킬 수 있는 모터 냉각 시스템을 검토하고자 한다.
본 연구에서는 BLDC 모터에서의 열적 특성을 분석하고 냉각 성능을 개선하기 위한 제인자 영향을 조사하였다.

가설 설정

(4) 고체의 접합부에서의 접촉 열저항은 무시한다.

제안 방법

⁽²⁾은 회전하는 실린더에서 회전 속도에 따른 불안정성, 난류 강도의 영향에 대해 조사하였으며, Inamuro et al.⁽³⁾은 실린더와 회전하는 원판의 상대속도에 따른 유동 특성을 분석하였다. Sobolik et al.
Raimundo et al.^(9,10)은 실린더에서 원판의 회전에 의한 영향을 3 차원 모델을 이용하여 해석하였으며 이를 실험을 통하여 검증하였다. 그러나 이들은 실린더 내에 유동 장애물이 없는 이상적인 형상을 연구했으며, 본 연구에서와 같이 권선부에 의해 유동 장애가 발생하는 모터의 경우에는 적용하기 어렵다.
수치해석 시 압력과 속도를 결합하여 유동장을 풀기 위해 SIMPLE 알고리즘을 선택하였다. 각 지배방정식의 대류항과 에너지 방정식은 그 정확도를 높이기 위해 2 계 상류도식을 이용하여 이산화하였다. 반복 계산 시 종속 변수들의 수렴 정도는 종속 변수의 상대 오차의 최대값이 연속 방정식, 운동량 방정식, 난류 방정식 및 에너지 방정식의 경우 10^-6 이하일 때 수렴된 것으로 판정하였다.
앞에서 기술한 것과 같이 모터 내 냉각 성능을 높이기 위해서는 로터 입구를 반지름 방향 안쪽으로 위치시키거나 입구 형상 변경, 베어링 홈의 재설계를 필요로 한다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 7 과 같이 로터 입구의 위치(X₁) 및 형상 변화(X₂)와 베어링 턱경사각(X₃)을 변화시키면서 냉각성능을 비교하였다.
모터 내 유동 및 온도 분석을 통해 문제점과 개선 사항에 대해 알아보았다. 앞에서 기술한 것과 같이 모터 내 냉각 성능을 높이기 위해서는 로터 입구를 반지름 방향 안쪽으로 위치시키거나 입구 형상 변경, 베어링 홈의 재설계를 필요로 한다.
는 윤활유의 동점성계수이다. 본 연구에서는 윤활유에 의한 열발생이 미미하여 윤활유에 의한 토크는 무시하였으며, 하중에 의한 토크만을 이용하여 베어링에서의 열발생을 계산하였다.
본 연구의 모터는 격자 및 계산 시간을 고려하여 전체의 1/5(φ : 0o ~ 72o)만을 해석하였다.
비교 결과, RNG k–ε 모델의 경우에 가장 오차가 작았으며 따라서 이를 이용하여 열 및 유동 해석을 실시하였다.
수치해석을 통하여 모터 내 유동 및 온도장에대해 분석하였으며, 모터 냉각에 대한 문제점을 파악하고 영향을 미치는 인자를 선정하였다.
3(b)와 같이 베어링부의 온도가 권선부의 온도보다 더 높다. 위에서는 모터 내 유체 유동 및 온도 분포에 대해 개략적으로 살펴보았으며 앞으로 로터 유입구, 권선부 주위, 베어링 유입구 및 베어링 내부에서의 유동 및 온도 분포에 대해 구체적으로 살펴볼 것이다.

대상 데이터

본 연구에서의 해석 대상인 모터는 Fig. 1 과 같이 크게 회전부, 고정부 및 베어링부로 나누어지며 회전부가 바깥에 위치한 외부 회전형, 외부 공기의 유·출입이 가능한 개방형 모터이다.
측정을 위한 실험 장치는 BLDC 모터, 모터 드라이버, 아크릴 상자, 데이터 획득 장치 K-type 열전대로 구성하였다. 온도 측정은 실험 시작 시부터 실시하였고, 측정온도편차가 0.2^oC 이하인 상태가 20분 이상 지속될 경우 열적 정상 상태로 판단하여 데이터를 취득하였다. 실험에 의한 데이터와 표준 k–ε 모델, RNG k–ε 모델, Realizable k–ε 모델과 비교하였으며, 이에 대한 결과는 Table 3 에 나타내었다.
2 에 나타내었다. 측정을 위한 실험 장치는 BLDC 모터, 모터 드라이버, 아크릴 상자, 데이터 획득 장치 K-type 열전대로 구성하였다. 온도 측정은 실험 시작 시부터 실시하였고, 측정온도편차가 0.

데이터처리

실험에 의한 데이터와 표준 k–ε 모델, RNG k–ε 모델, Realizable k–ε 모델과 비교하였으며, 이에 대한 결과는 Table 3 에 나타내었다.

이론/모형

)만을 해석하였다. 수치해석 시 압력과 속도를 결합하여 유동장을 풀기 위해 SIMPLE 알고리즘을 선택하였다. 각 지배방정식의 대류항과 에너지 방정식은 그 정확도를 높이기 위해 2 계 상류도식을 이용하여 이산화하였다.
해석하고자 하는 모터 내 유동은 모터 전체 크기, 회전속도, 실험결과를 고려하여, RNG k–ε 모델을 사용하였으며 지배방정식은 다음과 같이 연속 방정식, 운동량 방정식, 난류운동량 에너지 방정식, 난류운동량 에너지 소산율 방정식 및 에너지 방정식이다.

성능/효과

(2) 작동 유체인 공기는 단상이며, 물성치는 온도에 따라 변하지 않는다.
(3) 자연대류와 복사 열전달은 무시한다.
결국 권선부로의 직접적인 유입이 많아짐에 따라 와동이 압착되며 이에 따른 재순환 영역이 감소하여 권선부의 열을 더 효율적으로 냉각시킨다. 따라서 유입유량을 늘리는 것도 좋지만 권선부로의 유체 유입을 늘리는 것이 더 큰 효과를 얻을 수 있었다.
각 지배방정식의 대류항과 에너지 방정식은 그 정확도를 높이기 위해 2 계 상류도식을 이용하여 이산화하였다. 반복 계산 시 종속 변수들의 수렴 정도는 종속 변수의 상대 오차의 최대값이 연속 방정식, 운동량 방정식, 난류 방정식 및 에너지 방정식의 경우 10^-6 이하일 때 수렴된 것으로 판정하였다.
본 연구의 실험결과를 살펴보면 권선부의 온도보다 베어링부의 온도가 더 높게 나타났다. 실제 열부하는 권선부가 훨씬 커서 모터 작동시 베어링부의 열부하는 크게 문제되지 않으나 모터 정지시 고온부 발생에 따른 자연대류의 영향 때문에 베어링부 열발생도 모터 성능에 영향을 미친다.
가장 유량이 많은 119 mm 의 경우 기준 129 mm 에 비해 약 33% 더 많은 유입량을 보인다. 열전달량도 안쪽에 위치시킬수록 많은 유량으로 인해 증가하나 가장 유량이 많은 119 mm 일 때보다 114 mm 에서 더 많은 열전달량을 나타내며 열전달 증가량은 기준에 비해 119 mm 일 때 17%, 114 mm 일 때 22%이다. 이는 114 mm 의 경우 119 mm 일 때보다 유량은 적으나 반지름 방향 안쪽으로 위치하면서 권선부 발열부로의 유체 유입이 많아져 권선부 사이의 와동을 압착시키기 때문이다.
유체 유입유량을 높이기 위해 입구 위치와 형상을 변경하였으며 입구 위치를 반지름 방향 안쪽으로 이동시킬 경우 유량과 열전달량에서 성능을 크게 개선할 수 있었다. 형상 변경시 안쪽 길이를 늘릴 경우 유량은 많아지나 열전달량은 크게 개선되지 않는데 이는 유량의 증가보다 권선부로의 유체 유입이 더 중요함을 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	권선부의 온도가 10o C 높아짐에 따라 모터 절연부의 수명은 얼마나 감소되는가?	이들 부하에 의한 열발생은 모터의 효율과 회전속도 및 베어링의 윤활에 큰 영향을 주어 운전 시뿐만 아니라 정지 시의 열적 노화를 유발하여 모터 성능에 큰 악영향을 주며, 합선에 의한 고장의 원인이 된다. 또한 권선부(winding system)의 온도가 10o C 높아짐에 따라 모터 절연부(insulation)의 수명은 약 1/2 로 감소하기 때문에 모터 냉각 시스템 및 모터 내 열관리는 성능뿐만 아니라 모터 수명을 결정하는 매우 중요한 요소이다.(1) 그러나 기존의 모터 열관리 기술은 주로 경험에 의존하고 있으며, 모터의 전자기 해석에 의한 열원특성만을 규명하여 모터 냉각 시스템에서 가장 중요한 열 및 유체 특성에 대한 해석이 명확하게 이루어지지 않고 있다.
	BLDC 모터에서의 열적 특성을 분석하고 냉각 성능을 개선하기 위한 제인자 영향을 조사한 연구 결과는?	모터 내 유동은 로터 입구로 유체가 흡입되어 권선부 발열부를 냉각시키고 빠져나간다. 이 때, 내부 배압에 의해 베어링 홈으로 유체가 유입되며 베어링 표면을 냉각시킨다. 권선부에 비해 열부하가 훨씬 적은 베어링 부에서 고온을 보이는데 이는 베어링 부의 경우 표면 박리와 경사각의 영향으로 냉각성능이 불량하고 발열부의 경우 로터 회전에 의해 냉각성능이 상대적으로 좋기 때문이다. 유체 유입유량을 높이기 위해 입구 위치와 형상을 변경하였으며 입구 위치를 반지름 방향 안쪽으로 이동시킬 경우 유량과 열전달량에서 성능을 크게 개선할 수 있었다. 형상 변경시 안쪽 길이를 늘릴 경우 유량은 많아지나 열전달량은 크게 개선되지 않는데 이는 유량의 증가보다 권선부로의 유체 유입이 더 중요함을 의미한다. 베어링에서의 냉각효율을 높이기 위해 베어링홈 턱 경사각을 변화시켰으나 다른 설계인자에 비해 냉각 성능에 미치는 영향은 미미하였다.
	모터 내 열발생은 무엇 때문에 발생하는 철손, 회전축, 베어링 시스템 등의 기계적 마찰에 의한 기계손 등에 의해 발생되는가?	모터 내 열발생은 권선부의 코일에 흐르는 전류에 의한 동손, 철심에 의하여 자계가 변화하기 때문에 발생하는 철손, 회전축, 베어링 시스템 등의 기계적 마찰에 의한 기계손 등에 의해 발생된다. 이들 부하에 의한 열발생은 모터의 효율과 회전속도 및 베어링의 윤활에 큰 영향을 주어 운전 시뿐만 아니라 정지 시의 열적 노화를 유발하여 모터 성능에 큰 악영향을 주며, 합선에 의한 고장의 원인이 된다.

참고문헌 (12)

Bonnett, A. H., 2001, 'Operating Temperature Considerations and Performance Characteristics for IEEE 841 Motors,' IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 37, No. 4, pp. 1120~1131

상세보기
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Raimundo, A. M., Figueiredo, A. R., and Oliveira, L. A., 2002, 'Heat Transfer Measurements in a Rotor-Stator System with Three-dimensional Nonaxisymmetric Flow Conditions,' Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 27, No. 1, pp. 47~58

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Harris, T. A., 2001, Rolling Bearing Analysis, Wiley & Sons, New York, pp. 461~578

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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