[논문]외부 유동을 고려한 1.2[kW] BLDC 모터의 열 전달 해석

황하영; 정태욱; 이동연; 황평; 심재술

doi:10.5207/jieie.2012.26.2.027

외부 유동을 고려한 1.2[kW] BLDC 모터의 열 전달 해석
The Heat Transfer Analysis of 1.2[kW] BLDC Motor on the Condition of the External Flow 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.26 no.2, 2012년, pp.27 - 33

황하영 (영남대학교 기계공학) , 정태욱 (경남대학교 전기공학과) , 이동연 (영남대학교 기계공학) , 황평 (영남대학교 기계공학부) , 심재술 (영남대학교 기계공학)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we researched the heat transfer analysis of 1.2[kW] BLDC motor on the condition of the external flow. The BLDC motor is fallen under influence of some heat generated by rotationg motor speed and it changes the life and confidence of motor. The heat makes to reduce the life of insulation and the magnetization. So motor can't make own performance. Therefore we calculated the losses about number of revolutions of motor. And then, we analyzed the heat transfer of BLDC motor by using the results when a fan attached to motor makes the external flow or not. The results showed that the temperature of motor increased constant values irrespective of external air temperature. The temperature of motor decreased very lower values than prior researches when the fan makes the external flow. In this method we can analyze the performance, losses and heat transfer of motor applied in the many industries.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 이러한 모터의 회전수에 따른 철손과 동손을 구하여 이것을 이용하여 모터의 구동 회전수와 흡입 온도에 따른 각 내부의 온도를 측정하는 시뮬레이션을 실시하였다. 이 때 외부 유동을 만들어내는 모터에 장착되어 있는 모터의 회전수와 동일하게 움직이는 냉각팬의 유무에 따른 해석을 실시하였다.
우리는 이번 연구에서 모터의 수명과 신뢰성을 좌우하는 모터 내부의 열전달에 대한 방법을 연구하였다. 다양한 변수에 따른 결과를 도출하기 위한 방법을 활용하였고, 또한 유동에 관하여 와류 등의 경계조건 값에 대한 자료 없이 올바른 해석을 할 수 있도록 하였다.

제안 방법

그렇기에 우리는 이번 연구를 통하여 다양한 변수들에 대하여 변화하는 모터 내부의 열전달을 연구하였다. 이것을 위하여 모터의 회전수에 따른 손실을 구하고 그 값을 적용하여 모터에 외부 유동을 만들어 주는 팬이 장착된 경우와 장착되지 않는 경우에 대한 열전달 해석을 실시하였다.
우리는 이번 연구에서 모터의 수명과 신뢰성을 좌우하는 모터 내부의 열전달에 대한 방법을 연구하였다. 다양한 변수에 따른 결과를 도출하기 위한 방법을 활용하였고, 또한 유동에 관하여 와류 등의 경계조건 값에 대한 자료 없이 올바른 해석을 할 수 있도록 하였다. 시뮬레이션을 한 결과 모터 내부의 각 부품 온도는 모터 속도와 이에 따른 냉각팬의 속도 변화에 따라 많은 변화를 보였고 냉각 방식의 차이에 따른 온도의 차이도 극명하게 나타났다.
고정자 치의 철손은 고정자 치의 형상에 의해 발생하는 손실을 의미한다. 베어링에 의한 마찰 손실은 전체적 손실에 대한 비율을 적용하여 구하였다.
손실을 해석하기 위하여 먼저 구동 모터에 대한 형상을 먼저 입력하고 해석을 수행하고자 하는 모델을 만든 다음 앞에서 적용한 조건에 따라 시뮬레이션을 수행한다. MaxwellTM을 이용하여 수행한 결과 철손과 동손의 결과는 다음과 같다.
반면에 초기 대기 흡입 온도에 따른 변화는 미미하였다. 우리가 시뮬레이션을 위하여 모터의 회전수와 냉각방식, 그리고 흡입온도를 변수로 지정하였으며 이에 따른 모터 내부의 온도 변화 추이를 살펴보았다. 하지만 이것 외에도 모터 내부에 들어가는 절연체의 재료, 영구자석의 재료, 고정자나 회전자를 이루는 재료 등 온도변화에 관여하는 다양한 변수가 존재하고, 이번 연구를 통하여 모터에 사용되어지는 모든 것에 대한 온도 변화 추이를 변수로 정하여 시뮬레이션을 할 수 있다.
본 연구에서는 이러한 모터의 회전수에 따른 철손과 동손을 구하여 이것을 이용하여 모터의 구동 회전수와 흡입 온도에 따른 각 내부의 온도를 측정하는 시뮬레이션을 실시하였다. 이 때 외부 유동을 만들어내는 모터에 장착되어 있는 모터의 회전수와 동일하게 움직이는 냉각팬의 유무에 따른 해석을 실시하였다.
그렇기에 우리는 이번 연구를 통하여 다양한 변수들에 대하여 변화하는 모터 내부의 열전달을 연구하였다. 이것을 위하여 모터의 회전수에 따른 손실을 구하고 그 값을 적용하여 모터에 외부 유동을 만들어 주는 팬이 장착된 경우와 장착되지 않는 경우에 대한 열전달 해석을 실시하였다. 그 결과 우리는 흡입 온도와는 거의 상관없이 모터의 각 내부 온도는 거의 일정하게 증가하는 것을 알 수 있었다.

이론/모형

손실을 구하기 위하여 사용된 조건은 표 1과 같다. 사용한 프로그램으로는 MaxwellTM을 활용하였다.

성능/효과

이것을 위하여 모터의 회전수에 따른 손실을 구하고 그 값을 적용하여 모터에 외부 유동을 만들어 주는 팬이 장착된 경우와 장착되지 않는 경우에 대한 열전달 해석을 실시하였다. 그 결과 우리는 흡입 온도와는 거의 상관없이 모터의 각 내부 온도는 거의 일정하게 증가하는 것을 알 수 있었다. 그리고 팬에 의한 외부 유동이 있는 경우는 없는 경우와 비교하였을 때 매우 많은 온도강하를 볼 수 있었다.
다양한 변수에 따른 결과를 도출하기 위한 방법을 활용하였고, 또한 유동에 관하여 와류 등의 경계조건 값에 대한 자료 없이 올바른 해석을 할 수 있도록 하였다. 시뮬레이션을 한 결과 모터 내부의 각 부품 온도는 모터 속도와 이에 따른 냉각팬의 속도 변화에 따라 많은 변화를 보였고 냉각 방식의 차이에 따른 온도의 차이도 극명하게 나타났다. 반면에 초기 대기 흡입 온도에 따른 변화는 미미하였다.
위의 그래프를 살펴보면 흡입되는 공기의 온도에 따른 모터 내부에서의 온도는 흡입온도가 높아질수록 9도 정도의 증가를 보였다. 그리고 RPM(회전 속도)에 따른 온도 차이는 팬에 의한 냉각, 즉 외부 유동에 의한 냉각이 없을 경우와 팬에 의한 냉각이 없는 자연대류에 의한 냉각만 존재할 경우 온도차는 2도 정도였다.

후속연구

그리고 팬에 의한 외부 유동이 있는 경우는 없는 경우와 비교하였을 때 매우 많은 온도강하를 볼 수 있었다. 이를 통하여 설계하고자 하는 용량의 모터를 제조함에 있어서 기존의 방법보다 더 쉽게 모터 내부 각 부분의 온도를 추정하는데 큰 도움이 될 것이다.
하지만 이것 외에도 모터 내부에 들어가는 절연체의 재료, 영구자석의 재료, 고정자나 회전자를 이루는 재료 등 온도변화에 관여하는 다양한 변수가 존재하고, 이번 연구를 통하여 모터에 사용되어지는 모든 것에 대한 온도 변화 추이를 변수로 정하여 시뮬레이션을 할 수 있다. 이번 연구는 앞으로 많은 모터의 성능 향상을 위한 모터 제작에 있어서 많은 좋은 선행 연구로 사용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 모터의 수명과 신뢰성에 큰 영향을 주는 요소는?	이것은 소형이면서도 고속형으로 만들 수 있기 때문에 많은 분야에서 넓게 사용된다. 이 모터의 수명과 신뢰성은 모터의 구동 회전속도에 의하여 발생하는 열에 의해 매우 큰 영향을 받는다. 특히나 구조적인 장점을 가지고 있는 BLDC 모터의 경우에는 열에 굉장히 많은 취약점을 가지고 있다. 열에 의하여 절연체의 수명이 줄어들고 PCB에서의 제어 성능이 저하되고 자석에 의한 자화 정도도 줄어듦으로써 모터의 제 기능을 발현하기가 어려워진다.
	아레니우스 식에 따르면 모터의 수명은 온도가 10[℃] 높아질때마다 수명은 얼마나 감소하는가?	모터의 수명은 아레니우스 식(Arrhenius equation)에[1] 따르면 온도가 10[℃] 높아질 때 그 수명은 절반으로 감소한다. 그렇기에 모터의 온도에 대한 예측은 매우 중요하다.
	BLDC 모터가 많은 분야에서 사용되는 이유는?	이러한 모터들 중에서도 많이 사용되는 것이 BLDC 모터이다. 이것은 소형이면서도 고속형으로 만들 수 있기 때문에 많은 분야에서 넓게 사용된다. 이 모터의 수명과 신뢰성은 모터의 구동 회전속도에 의하여 발생하는 열에 의해 매우 큰 영향을 받는다.

참고문헌 (13)

Andreas, J. C., "Energy -efficient electronic motor" Selection and Application, Marcel Dekker Inc., pp.243-245,1992.
B.K. Fussell " Thermal effects on the torque-speed performance of a brushless DC motor".Electrical Electronics Insulation Conference and Electrical Manufacturing & coil winding conference, pp403-411, Oct. 1993.
Alain Cassat, Christophe Espanet, and Nicolas Wavre "BLDC Motor Stator and Rotor Iron Losses and Thermal Behavior Based on Lumped Schemes and 3-D FEM Analysis".IEEE Trans. on Industry Applications. Vol. 47, No. 3, 2003.
T.J.E. Miller, Fellow, IEEE, Mircea popescu, Calum Cossar, and Malcolm McGilp, "Performance Estimation of Interior Permanent-magnet Brushless Motors Using the Voltage-Driven Flux-MMF Diagram". IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 42, No. 7, July 2006.
Katsumi Yamazaki, Member, IEEE, and Yoshiaki Seto "Iron loss analysis of interior permanent-magnet synchronous motors-variation of main loss factors due to driving condition", IEEE transactions on industry applications, Vol.42, NO.4, July. 2006.

상세보기
Soojin Kang, Kwan-Soo Lee, Semyung Wang and Hokyung Shim "Thermal and flow analysis of outer-rotor type bldc motor".The Korean society of mechanical engineers paper B, No.31, Vol.9, pp772-779, 2007.

원문보기 상세보기
Min-soo Kim, Kwan-soo Lee and Sukkee Um, "Numerical investigation and optimization of the thermal performance of a brushless DC motor". ScienceDirect on international Journal of Heat and Mass transfer,Volume 52, issues 5-6, February. 2008.
Min-soo Kim, Kwan-soo Lee "Thermo-flow behavior of a BLDC motor according to design parameters" The Korean society of mechanical engineers paper pp:2-293, 2007.
Min-soo Kim, Kwan-soo Lee"Effects of design parameters on the Thermal performance of a brushless DC MOtor". The Korean society of mechanical engineers paper, B, No. 32, Vol.2, pp. 141-148, 2008.

원문보기 상세보기
Jin-Huek Hur, Tae-Gu Lee, Sun-Ae Moon, Sang-Jae Lee.Hoseon Yoo.Seung-Jae Moon and Jae-Heon Lee "Thermal reliability analysis of a BLDC motor in a high-speed axial fan by the accelerated-life test and numerical methods". Heat and Mass Transfer. Vol. 44, NO. 11, pp. 1355-1369, 2008.

상세보기
Sun-Ae Moon, Jae-Heon Lee "Thermal reliability analysis of BLDC Motor in a high speed axial fan by numerical method".Korean Journal of air-conditioning and refrigeration engineering. No.33, Vol.3, pp.130-138, 2010.
James Kuria, Pyung Hwang "Optimizing Heat Sink Geometry for Electric Vehicle BLDC Motor Using CFD", Sustainable Research and Innovation conference Proceedings, Vol.3, 2011.
Seok-Myeong Jang, Han-Wook Cho, Kyoung-Jin Ko"Analysis on the core loss and windage loss in permanent magnet synchronous motor for high-speed application", The Korean institute of eelectrical engineers, B, pp.511-520, 2006.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증