[논문]인휠 모터의 냉각 구조 개선에 관한 연구

김대건; 김성철

doi:10.7467/ksae.2013.21.1.036

인휠 모터의 냉각 구조 개선에 관한 연구
A Study on the Enhancement of the Cooling Structure for In-wheel Motor 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.1, 2013년, pp.36 - 42

김대건 (자동차부품연구원 그린카파워트레인연구본부) , 김성철 (자동차부품연구원 그린카파워트레인연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the automobile of the future will be able to substitute an electric vehicle for an internal combustion engine, so the following research is actively in the process of advancing. A traction motor is one of the core parts which compose the electric vehicle. Especially, it is difficult to connect cooling water piping to an in-wheel motor because the in-wheel motor is located within the wheel structure. This structure has disadvantage for closed type and air cooling, so the cooling design of motor housing and internal in-wheel motor is important. In this study, thermo-flow analysis of the in-wheel motor for vehicles was performed in consideration of ram air effect. In order to improve cooling efficiency of the motor, we variously changed geometries of housing and internal shape. As a result, we found that the cooling efficiency was most excellent, in case the cooling groove direction was same with air flow direction and arranged densely. Furthermore, we investigated the cooling performance enhancement with respect to variable geometries of internal in-wheel motor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서의 인휠 모터는 공랭방식이므로, 모터를 냉각하는 주요 인자인 차량 주행풍을 고려하여 열유동 해석을 수행하였다. 모터의 냉각 성능을 향상시키기 위하여, 주요 방열 부위인 하우징과 더불어 내부 형상을 다양하게 변경하면서 이에 대한 영향을 살펴보았다.

가설 설정

본 연구에서는 인휠 모터의 열유동 해석을 위하여, 모터 주위 공기 유체의 흐름이 3차원, 정상, 비압축성, 난류유동이며, 구성 부품의 물성은 온도에 관계없이 일정한 것으로 가정하였다. 난류모델은 KatoLaunder 모델을 수정한 MP(Modified Production) k-ε모델을 사용하였다.

제안 방법

모터의 냉각 성능을 향상시키기 위하여 주요 방열 부위인 하우징의 형상을 다양하게 변경하면서 해석을 진행하였다. 이러한 하우징 모델들에 대하여는 Fig.
본 연구에서는 인휠 모터의 냉각 성능을 향상시키고자 방열설계 개선 모델을 도출하기 위하여, 실차 주행풍을 고려한 모터 하우징 및 내부의 다양한 형상 모델에 대하여 열유동 해석을 수행함으로써, 운전조건에서의 인휠 모터 내·외부 구조 변경을 통한 열전달계수 및 열교환면적 증대가 방열성능 향상에 미치는 영향을 파악하였고, 이를 통해 얻은 결과는 다음과 같다.
인휠 모터의 해석 결과에 대한 타당성을 확인하기 위하여, 단품 실험과 동일한 조건에서 지그를 포함한 모델 해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 인휠 모터가 차량에 장착되었을 경우를 가정하여 주행풍을 고려한 열유동 해석을 수행하였다. 또한, 전체 열유동 해석 영역을 Fig.

이론/모형

본 연구에서는 인휠 모터의 열유동 해석을 위하여, 모터 주위 공기 유체의 흐름이 3차원, 정상, 비압축성, 난류유동이며, 구성 부품의 물성은 온도에 관계없이 일정한 것으로 가정하였다. 난류모델은 KatoLaunder 모델을 수정한 MP(Modified Production) k-ε모델을 사용하였다. 이것은 표준k-ε 난류 모델이 정체점 부근에서의 과다한 예측을 보상하기 위해 수정된 모델이다.

성능/효과

1) 실차 주행풍을 고려한 다양한 형상의 하우징에 대하여는 인휠 모터의 최대 속도인 5000 rpm에서 냉각홈의 배열이 원주방향보다는 축방향, 그리고 더욱 주행풍 방향으로 이루어지는 것이 냉각 성능에 유리하였다.
2) 인휠 모터 하우징의 냉각홈이 주행풍 방향과 일치하고 최대한 홈 간격을 조밀하게 배치한 모델이 열교환 표면적 증가와 더불어 열전달계수가 향상(유동 흐름 개선)되어 하우징 온도는 기본 모델보다 4.8°C 감소되었고, 냉각 성능이 1.3% 향상되었다.
3) 인휠 모터 내부의 Fixing Part에 블레이드 설치 및 이의 형상 변경을 통하여 냉각 효과를 얻을 수 있었고, 특히 로터 코어에 블레이드가 직접 설치된 모델의 경우, 로터 표면에서의 대류열전달계수가 가장 증대되어 냉각 성능이 우수하였으며 주요 발열원인 로터 코어 및 영구자석 부위에서의 온도가 약5.5°C 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내연기관에서 파워트레인 역할을 담당하는 전기자동차 핵심부품은?	최근에 내연기관을 대체할 수 있는 미래형 자동차로서 전기자동차(Electric Vehicle)에 대한 연구 개발이 활발히 진행 중에 있다. 전기자동차를 구성하는 부품 중에 특히, 구동모터는 내연기관에서의 파워트레인 역할을 담당하는 핵심부품이다. 구동모터는 장착위치에 따라 크게 두 가지 종류로 나누어지는데, 첫 번째로 단일 모터(In-line Motor)는 차량 중앙에 설치되어 구동축을 통하여 바퀴로 동력을 전달하는 방식이며, 차동장치를 필요로 한다.
	구동모터의 종류는?	전기자동차를 구성하는 부품 중에 특히, 구동모터는 내연기관에서의 파워트레인 역할을 담당하는 핵심부품이다. 구동모터는 장착위치에 따라 크게 두 가지 종류로 나누어지는데, 첫 번째로 단일 모터(In-line Motor)는 차량 중앙에 설치되어 구동축을 통하여 바퀴로 동력을 전달하는 방식이며, 차동장치를 필요로 한다. 두 번째로 인휠 모터(In-wheel Motor)는 휠 내에 위치하며 구동축이 없이 바퀴를 직구동시키는 방식으로, 동력전달효율이 높고 차량 실내 공간을 추가로 확보할 수 있는 장점이 있다. 인휠 모터는 구조상 차륜 내에 위치하기에 냉각수 배관을 연결하기가 어렵고, 외부로부터 보호되어야 하는 이유로 인해 공랭식 밀폐형 구조를 채택하고 있다.
	공랭식 밀폐형 구조 설계 시, 중요한 것은?	인휠 모터는 구조상 차륜 내에 위치하기에 냉각수 배관을 연결하기가 어렵고, 외부로부터 보호되어야 하는 이유로 인해 공랭식 밀폐형 구조를 채택하고 있다. 이러한 구조는 냉각에 매우 불리한 요인이기 때문에, 인휠 모터의 방열 설계가 더욱 중요하다.1,2)

참고문헌 (8)

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J. H. Jung, S. C. Kim and J. P. Hong, "A Study on Cooling Performance of In-wheel for Green Car," Transactions of KSAE, Vol.20, No.1, pp.61-67, 2012.

원문보기 상세보기
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상세보기
D. R. Lee, "Investigation of Cooling Performance of the Driving Motor Utilizing Heat Pipe," Transactions of KSPSE, Vol.10, No.4, pp.11-16, 2006.
D. B. Choi, S. T. Kim , S. H. Jung, J. H. Kim and Y. K. Kim, "Thermal Characteristics of the High Frequency Motor Spindle according to the Bearing Preloads and Cooling Conditions," Transactions of KSMTE, Vol.14, No.6, pp.31- 36, 2005.
SC/Tetra Version 7 User's Guide Solver Reference, 2007.

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