[논문]그린카용 인휠 모터의 냉각 성능에 관한 연구

정정훈; 김성철; 홍정표

doi:10.7467/ksae.2012.20.1.061

그린카용 인휠 모터의 냉각 성능에 관한 연구
A Study on Cooling Performance of In-wheel Motor for Green Car 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.20 no.1, 2012년, pp.61 - 67

정정훈 (자동차부품연구원 그린카 파워트레인연구본부) , 김성철 (자동차부품연구원 그린카 파워트레인연구본부) , 홍정표 (한양대학교 자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The in-wheel motor used in green car was designed and constructed for an electric direct-drive traction system. It is difficult to connect cooling water piping because the in-wheel motor is located within the wheel structure. In the air cooling structure for the in-wheel motor, a outer surface on the housing is provided with cooling grooves to increase the heat transfer area. In this study, we carried out the analysis on the fluid flow and thermal characteristics of the in-wheel motor under the effects of motor speed and heat generation. In order to check the problem of heat release, the analysis has been performed using conjugate heat transfer (conduction and convection). As a result, flow fields and temperature distribution inside the in-wheel motor were obtained for base speed condition (1250 rpm) and maximum speed condition (5000 rpm). Also, the thermo-flow characteristics analysis of in-wheel motor for vehicles was performed in consideration of ram air effect. Therefore, we checked the feasibility of the air cooling for the housing geometry having cooling grooves and investigated the cooling performance enhancement.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 차량 주행풍을 고려하여 실차상태에서의 모터 성능을 예측하였다. 그리하여 복합형 냉각홈을 갖는 인휠 모터에 대한 공랭 방식의 적용가능성을 살펴보았고, 냉각 성능을 향상시키기 위한 연구 방향을 설정하였다.
본 연구는 지식경제부가 지원하는 전략기술개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
본 연구는 지식경제부가 지원하는 전략기술개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
본 연구에서는 인휠 모터의 각 부품별 온도 분포 및 열전달 특성을 파악하였고, 이를 실험결과와 비교하여 타당성을 검증하였다. 또한 차량 주행풍을 고려하여 실차상태에서의 모터 성능을 예측하였다.
본 연구에서는 전기를 동력원으로 사용하는 자동차에 적용되는 새로운 개념의 구동시스템인 인휠 모터의 열유동 해석을 통하여 단품 및 실차상태에서의 각 부품별 온도가 예측되었고, 냉각 성능 특성을 파악하였다.
본 연구에서는 전기를 동력원으로 사용하는 자동차에 적용되는 새로운 개념의 구동시스템인 인휠 모터의 열유동 해석을 통하여 단품 및 실차상태에서의 각 부품별 온도가 예측되었고, 냉각 성능 특성을 파악하였다. 이를 바탕으로 하여 공랭식 냉각 방식의 적용 가능성을 확인하였고, 냉각 성능 향상을 위한 연구 방향을 설정하였다.

가설 설정

특히, 철손은 로터에서 공극에 가까운 부위와 이외의 영역에서 손실 분포가 현저히 다르므로 이를 고려하여 모델링을 하였다. 열원에 의한 각 부품간의 전도 열전달, 내부 회전체에 의하여 발생하는 강제대류 열전달 및 모터 외곽 하우징과 외기와의 자연대류 열전달 현상을 정상상태로 가정하여 해석하였다.
코일부는 실제로 구리선이 여러 가닥이 겹겹이 감겨 있으나, 해석 모델에서는 이것을 하나의 고체형상으로 가정하고 모델링을 단순화하였다. 해석 모델 형상을 실제와 유사하게 하기 위하여 격자는 사면체 격자를 사용하였고, 유체영역의 벽 근처에서 프리즘 격자를 삽입하여 전체 격자수는 약 3천만개이다.

제안 방법

1에서 보여주는 바와 같이, 구조적으로는 크게 고정부와 회전부로 구분된다. 고정부는 코일(Coil), 스테이터 코어(Stator core), 절연체(Insulator), 하우징(Housing), 커버(Cover), 베어링(Bearing) 등으로 구성되며, 스테이터 코어는 분할 방식을 적용하였고 절연체는 N종 절연등급이 사용되었다. 하우징은 모터 내부를 보호하는 역할과 더불어 발생 열을 대류 열전달에 의해 외부로 방출시키는 주요 수단이다.
본 연구에서는 인휠 모터의 각 부품별 온도 분포 및 열전달 특성을 파악하였고, 이를 실험결과와 비교하여 타당성을 검증하였다. 또한 차량 주행풍을 고려하여 실차상태에서의 모터 성능을 예측하였다. 그리하여 복합형 냉각홈을 갖는 인휠 모터에 대한 공랭 방식의 적용가능성을 살펴보았고, 냉각 성능을 향상시키기 위한 연구 방향을 설정하였다.
Wang⁶⁾등은 하이브리드 자동차용으로서 최대 출력 25 kW급 영구자석 매입형 전동기의 열유동 해석에 대한 연구를 하여, 모터의 열전달 특성을 파악하였고 실험과의 비교 평가를 통하여 해석 정확도를 검증하였다. 또한, 가혹조건에서의 성능을 예측하기 위하여 비정상상태로 해석하여 모터의 온도를 예측하였으며, 설계개선을 위한 근거 자료로서 활용하였다.
모터에서 발생하는 열원으로는 구리로 만든 권선의 저항 때문에 생기는 동손, 외부 자계의 변화로 인한 히스테리시스 손실과 전자기유도 현상에 의해 변화하는 자계가 철심에서 전류를 발생시켜 나타나는 와전류 손실을 포함하는 철손, 베어링 부위의 마찰에 의한 기계손 등으로 나눌 수 있다. 보다 정확한 해석을 위한 발열량으로 동손 및 마찰손은 실험을 통하여 산출하였으며, 철손은 유한요소 해석 결과를 반영하였다. 특히, 철손은 로터에서 공극에 가까운 부위와 이외의 영역에서 손실 분포가 현저히 다르므로 이를 고려하여 모델링을 하였다.
외기 온도는 상온 20℃로 설정하였고, 인휠 모터의 연속정격 10 kW 운전조건으로 기저속도인 1250 rpm과 최대속도 5000 rpm에서 해석을 각각 수행하였다. 모터의 회전을 모사하기 위하여 MRF(Multiple moving reference frames) 기법을 활용하였고, 고정자와 외곽 경계는 정지된 벽(Stationary wall) 조건을 주었다.
앞 절에서는 인휠 모터의 외부 공기를 자연대류 현상으로만 가정하였기 때문에 과도한 온도가 예측되었지만, 실제 차량에 장착되어 주행풍에 의한 효과를 감안하면 전반적으로 이보다 훨씬 낮은 온도를 나타낼 것이다. 이러한 실차 주행풍의 영향을 살펴보기 위하여, 인휠 모터가 최대 회전속도인 5000 rpm으로 운전되고 있을 경우에 주행풍 속도 및 방향을 고려하여 해석을 수행하였다. 입구 공기의 온도는 상온 20℃, 속도 및 방향은 Fig.
8에서는 온도 측정을 위한 장치 구성도이며, 이는 인휠 모터, 장착용 지그, 모터 제어기, 부하 모터, 토크센서 및 온도 계측기 등으로 이루어져있다. 인휠 모터의 운전은 10 kW의 연속 정격운전 1250 rpm 조건으로, 전압 140 V, 전류 45 A, 역률 95%, 토크 76.5 Nm의 상태로 모터의 온도가 포화될 때까지 연속 운전을 하였다. 온도 측정을 위해 사용한 열전대는 T-type을 사용하였고, 온도 데이터를 저장하기 위한 계측기는 요코가와사의 MV100이다.
인휠 모터의 해석결과에 대한 타당성을 검증하고, correlation을하기위한온도실험을수행하였다. Fig.
보다 정확한 해석을 위한 발열량으로 동손 및 마찰손은 실험을 통하여 산출하였으며, 철손은 유한요소 해석 결과를 반영하였다. 특히, 철손은 로터에서 공극에 가까운 부위와 이외의 영역에서 손실 분포가 현저히 다르므로 이를 고려하여 모델링을 하였다. 열원에 의한 각 부품간의 전도 열전달, 내부 회전체에 의하여 발생하는 강제대류 열전달 및 모터 외곽 하우징과 외기와의 자연대류 열전달 현상을 정상상태로 가정하여 해석하였다.
2에 나타내었다. 해석 격자 모델링은 전체 모델을 열유동 해석영역으로 정하고, 격자수와 해석 시간을 충분히 확보하여 해석 정확도를 향상시켰다.

대상 데이터

사용된 인휠 모터는 영구자석 매입형 전동기로서 상세 제원을 Table 1에 나타내었다. Fig.
5 Nm의 상태로 모터의 온도가 포화될 때까지 연속 운전을 하였다. 온도 측정을 위해 사용한 열전대는 T-type을 사용하였고, 온도 데이터를 저장하기 위한 계측기는 요코가와사의 MV100이다. 온도 측정 위치는 동손에 의하여 최대 온도가 예상되는 코일 엔드 표면에 90° 등간격으로 부착하였다.
코일부는 실제로 구리선이 여러 가닥이 겹겹이 감겨 있으나, 해석 모델에서는 이것을 하나의 고체형상으로 가정하고 모델링을 단순화하였다. 해석 모델 형상을 실제와 유사하게 하기 위하여 격자는 사면체 격자를 사용하였고, 유체영역의 벽 근처에서 프리즘 격자를 삽입하여 전체 격자수는 약 3천만개이다. 이렇게 생성된 격자의 형상을 Fig.

이론/모형

외기 온도는 상온 20℃로 설정하였고, 인휠 모터의 연속정격 10 kW 운전조건으로 기저속도인 1250 rpm과 최대속도 5000 rpm에서 해석을 각각 수행하였다. 모터의 회전을 모사하기 위하여 MRF(Multiple moving reference frames) 기법을 활용하였고, 고정자와 외곽 경계는 정지된 벽(Stationary wall) 조건을 주었다. 모터에서 발생하는 열원으로는 구리로 만든 권선의 저항 때문에 생기는 동손, 외부 자계의 변화로 인한 히스테리시스 손실과 전자기유도 현상에 의해 변화하는 자계가 철심에서 전류를 발생시켜 나타나는 와전류 손실을 포함하는 철손, 베어링 부위의 마찰에 의한 기계손 등으로 나눌 수 있다.

성능/효과

1) 복합형 냉각홈 구조의 하우징을 갖고 있는 인휠 모터의 정격 기저속도(1250 rpm) 운전 조건에서는 코일부의 온도가 147.7℃로 가장 높았으나, 정격 최대속도(5000 rpm)에서는 영구자석 및 로터 코어에서 온도가 집중되는 것을 알 수 있었다.
2) 정격 최대속도 조건에서 실제 차량의 주행풍에 의한 냉각 효과를 고려하게 되면, 단품 상태에서와 비교하여 전체적으로 훨씬 낮은 온도 분포를 얻을 수 있었으며, 특히 최대 온도는 영구자석에서 140.2℃를 나타내었다.
이러한 구조는 냉각에 매우 불리한 요인이기 때문에, 모터의 하우징 방열 설계가 더욱 중요하다.⁵⁾ 모터의 자체 발열을 줄이기 위한 노력으로는 철심 두께 축소, 소재변경, 영구자석 배치변경 등이 있는데, 이는 모터 손실을 줄여서 열발생을 감소시키는 것이다. 이와 더불어 발생된 열을 효과적으로 제거하기 위한 방법으로는 배관을 연결하여 모터 내부에 냉각 유체를 이용하거나(수냉식/유냉식), 하우징 표면에서 외기와의 강제 대류현상(공랭식)을 이용하는 것이 일반적이다.
그리하여 모터의 온도가 10분 동안에 온도측정 변화가 ±0.5℃이하를 정상상태로 간주하여 포화된 후의 측정 결과로서, 코일의 온도는 131.4℃까지 상승하였다.
두 번째로 인휠 모터(In-Wheel Motor)는 휠 내에 존재하며 구동축이 없이 바퀴를 직구동시키는 방식으로, 동력전달효율이 높고 차량 실내 공간을 추가로 확보할 수 있는 장점이 있다. 또한, 구동시 각휠 모터 동력 분배 및 제동시 회생제동으로 인한 제동에너지 회수를 극대화함으로써 연비 개선의 효과를 얻을 수 있다.^1-3)

후속연구

3) 인휠 모터에 대한 냉각 구조(외부 하우징 및 내부 유로 형상)에 대한 개선 방향을 설정하였으며, 냉각 성능 최적화를 위하여 다양한 구조설계 인자들에 대하여 연구를 지속할 예정이다.
특히 최대 온도는 코일임을 알 수 있는데, 이러한 이유로는 해당조건에서 고토크 특성을 요구함으로써 코일에 흐르는 전류가 약 45 A로 높아 동손이 크게 발생하기 때문에 나타난 결과로 여겨진다. 결과적으로 코일부의 열집중은 절연체를 손상시킬 수 있고, 영구자석부인 경우는 자속밀도를 감소시켜 모터 출력을 저하시킬 수 있으므로 이를 개선할 필요가 있다.
7℃로 약 10%의 오차를 나타내었다. 그러나 오차의 요인은 실험 장비의 한계로 인한 것으로 하우징에서 방출되는 일부 열이 지그로 전달되어진 것으로 추정되는 바, 이를 고려한다면 해석 정확도가 만족할 만한 수준으로 판단된다.
앞 절에서는 인휠 모터의 외부 공기를 자연대류 현상으로만 가정하였기 때문에 과도한 온도가 예측되었지만, 실제 차량에 장착되어 주행풍에 의한 효과를 감안하면 전반적으로 이보다 훨씬 낮은 온도를 나타낼 것이다. 이러한 실차 주행풍의 영향을 살펴보기 위하여, 인휠 모터가 최대 회전속도인 5000 rpm으로 운전되고 있을 경우에 주행풍 속도 및 방향을 고려하여 해석을 수행하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인휠 모터의 자체 발열을 줄이기 위한 방법과 발생된 열을 제거하기 위한 방법으로 무엇이 있는가?	이러한 구조는 냉각에 매우 불리한 요인이기 때문에, 모터의 하우징 방열 설계가 더욱 중요하다.5) 모터의 자체 발열을 줄이기 위한 노력으로는 철심 두께 축소, 소재변경, 영구자석 배치변경 등이 있는데, 이는 모터 손실을 줄여서 열발생을 감소시키는 것이다. 이와 더불어 발생된 열을 효과적으로 제거하기 위한 방법으로는 배관을 연결하여 모터 내부에 냉각 유체를 이용하거나(수냉식/유냉식), 하우징 표면에서 외기와의 강제 대류현상(공랭식)을 이용하는 것이 일반적이다. Wang6)등은 하이브리드 자동차용으로서 최대 출력 25 kW급 영구자석 매입형 전동기의 열유동 해석에 대한 연구를 하여, 모터의 열전달 특성을 파악하였고 실험과의 비교 평가를 통하여 해석 정확도를 검증하였다.
	대표적인 미래의 친환경 자동차는 무엇인가?	최근에 내연기관을 대체할 수 있는 미래의 친환경 자동차로서 전기자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 그린카를 구성하는 공통 부품중에 구동모터는 내연기관에서의 파워트레인 역할을 담당하는 핵심부품이다.
	그린카를 구성하는 공통 부품중에 구동모터는 어떠한 역할을 하는가?	최근에 내연기관을 대체할 수 있는 미래의 친환경 자동차로서 전기자동차, 플러그인 하이브리드 자동차 및 연료전지 자동차에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 그린카를 구성하는 공통 부품중에 구동모터는 내연기관에서의 파워트레인 역할을 담당하는 핵심부품이다. 구동모터는 장착위치에 따라 크게 두 가지 종류로 나누어 지는데, 첫번째로 단일 모터(Coaxial Motor)는 중앙에 설치되어 구동축을 통하여 바퀴로 동력을 전달하는 방식이며, 차동장치를 필요로 한다.

참고문헌 (6)

T. Lee and D. Kim, "Technical Trend of In-wheel System," Auto Journal, KSAE, Vol.31, No.4, pp.21-25, 2009.
Y. Hori, "Future Vehicle Driven by Electricity and Control-research on Four-wheel-motored "UOT Electric March II"," IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol.51, No.5, pp.954-962, 2004.

상세보기
S. Sakai, H. Sado, and Y. Hori, "Novel Skid Detection Method without Vehicle Chassis Speed for Electric Vehicle," JSAE Review (Elsevier Science), Vol.21, No.4, pp.503-510, 2000.

상세보기
E. Wall and S. Rogers, Thermal Control for Power Electronics and Motors, FY 2006 Progress Report, pp.7-140, 2006.
J. Jung, S. Kim, H. Kim, J. Won and W. Kim, "A Study on Cooling Performance Analysis of In-Wheel Motor," Annual Conference Proceedings, KSAE, pp.3034-3038, 2009.
P. Turnbull, J. Kuo, R. Schultz and B. Turner, "Thermal Analysis of an Electric Machine for a Hybrid Vehicle," SAE World Congress, 2004-01-0565, 2004.

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].

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