본 논문에서는 철도차량 추진용 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 운전 중 열 발생 특성 분석을 위한 열해석 기법 연구를 수행하였다. IPMSM의 구동 중에 권선, 코어, 영구자석에서 발생되는 과도한 열은 IPMSM의 장시간 연속운전을 어렵게 만들기 때문에, IPMSM에서 발생된 열의 효율적인 냉각이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 IPMSM의 냉각장치 적용을 위한 선행 연구로써 IPMSM 의 열 발생 특성 분석을 위하여 IPMSM의 각 구성품에 대한 열전달 계수를 도출하고, 열 등가회로를 구성하여 열해석을 수행하는 열해석 기법 연구를 수행하였다. 또한 IPMSM 실 모델의 열 실험 데이터와의 비교를 통한 열해석 기법의 유효성 검증을 수행하였다.
본 논문에서는 철도차량 추진용 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 운전 중 열 발생 특성 분석을 위한 열해석 기법 연구를 수행하였다. IPMSM의 구동 중에 권선, 코어, 영구자석에서 발생되는 과도한 열은 IPMSM의 장시간 연속운전을 어렵게 만들기 때문에, IPMSM에서 발생된 열의 효율적인 냉각이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 IPMSM의 냉각장치 적용을 위한 선행 연구로써 IPMSM 의 열 발생 특성 분석을 위하여 IPMSM의 각 구성품에 대한 열전달 계수를 도출하고, 열 등가회로를 구성하여 열해석을 수행하는 열해석 기법 연구를 수행하였다. 또한 IPMSM 실 모델의 열 실험 데이터와의 비교를 통한 열해석 기법의 유효성 검증을 수행하였다.
In this paper, research on the thermal analysis method is reported for the characterization of heat generation while operating an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) for railway vehicles. Efficient cooling of the heat generated in the IPMSM is important because the excessive heat gen...
In this paper, research on the thermal analysis method is reported for the characterization of heat generation while operating an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) for railway vehicles. Efficient cooling of the heat generated in the IPMSM is important because the excessive heat generated from the winding, core and permanent magnets increases the difficulty of continuously operating an IPMSM over long time periods. Therefore, in this study, in order to analyze the heat generation characteristics of the IPMSM for advanced research in the application of IPMSMs to cooling devices, the heat transfer coefficients for each component of the IPMSM were derived and the thermal equivalent circuit was configured to perform thermal analyses. Finally, the validation of the suggested thermal analysis method was performed through comparison with the heat experimental data of an IPMSM prototype.
In this paper, research on the thermal analysis method is reported for the characterization of heat generation while operating an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) for railway vehicles. Efficient cooling of the heat generated in the IPMSM is important because the excessive heat generated from the winding, core and permanent magnets increases the difficulty of continuously operating an IPMSM over long time periods. Therefore, in this study, in order to analyze the heat generation characteristics of the IPMSM for advanced research in the application of IPMSMs to cooling devices, the heat transfer coefficients for each component of the IPMSM were derived and the thermal equivalent circuit was configured to perform thermal analyses. Finally, the validation of the suggested thermal analysis method was performed through comparison with the heat experimental data of an IPMSM prototype.
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문제 정의
최근 철도차량 추진용 견인전동기로 영구자석 동기전동기가 많은 관심을 받고 있는 상황에서 영구자석 동기전동기의 운전 중 권선, 코어, 영구자석에서 발생되는 과도한 열은 영구자석 동기전동기의 장시간 연속운전을 어렵게 만들며 신뢰성을 영향을 끼치기 때문에, 영구자석 동기전동기의 운전 중 열 발생 메커니즘의 분석 및 발생된 열의 효율적인 냉각이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 철도차량 추진용 매입형 영구 자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 별도 냉각장치 적용을 위한 선행 연구로써 IPMSM 의 열 발생 특성 분석을 위하여 IPMSM의 각 구성품에 대한 열전달 계수를 도출하고, 열등가회로를 구성하여 열해석을 수행하는 열해석 기법 연구를 수행하였다. 또한 IPMSM 실 모델의 열 실험 데이터와의 비교를 통한 열해석 기법의 유효성 검증을 수행하였다.
본 논문에서는 소용량 추진용 집중권 IPMSM 모델의 열등가회로망을 구성하여 열 특성 분석을 수행하였으며, 실 모델의 열 시험데이터를 통하여 제시된 열등가회로망법의 유효성을 검증하였다. Fig.
본 논문에서는 철도차량 추진용 매입형 영구자석 동기전동기의 운전 중 열 발생 특성 분석을 위한 열해석 기법 연구를 수행하였다. IPMSM의 냉각장치 적용을 위한 선행 연구로써 IPMSM의 열 발생 특성 분석을 위하여 IPMSM의 각 구성품에 대한 열전달 계수, 열저항 및 열용량을 도출하고, 열원이 되는 열손실 도출을 위하여 IPMSM의 FEM을 이용한 손실 분석을 수행하고, 열등가회로를 구성하여 열 특성을 분석하는 열해석 기법 연구를 수행하였으며, 소용량 추진용 5kW급 IPMSM 시제품의 온도상승시험 결과와의 비교를 통한 제안 기법의 유효성 검증을 수행하였다.
제안 방법
본 논문에서는 하이브리드법을 적용하였으며, 집중정수법을 기반으로 전동기의 전반적인 온도 분포 및 열의 흐름 등을 파악하고, 열 등가회로 상의 각 부분에서의 열전달 파라미터 및 손실과 같은 열원 도출 시에는 분포정수법을 이용하는 프로세스를 적용하였다. Fig. 1은 본 논문에서 제안하는 IPMSM의 미소 제어체적을 고려한 3차원 열등가회로망 해석기법의 순서도를 보여주며, IPMSM의 미소 제어체적을 고려한 3차원 열등가회로망을 구성하여 적용하였으며, IPMSM의 고정자와 회전자 코어의 철손 데이터로부터 열등가회로망의 열원을 도출하는 과정에 있어서 철손밀도를 고려하는 개선된 방법을 제시한다.
Fig. 2의 IPMSM 모델의 각 제어체적에서의 열저항과 열용량을 실제 주어진 IPMSM의 치수와 재질에 따른 여러 열상수들로 계산하여 열등가회로망을 구성하고 FEM을 통하여 구해진 손실분포로부터 전기회로적인 해석을 한다. 이와 같은 열등가회로망법을 이용한 IPMSM의 열적 정상상태 특성 및 과도상태 특성 분석법을 설명하기 위한 열등가회로망의 기본 개념을 Fig.
본 논문에서는 철도차량 추진용 매입형 영구자석 동기전동기의 운전 중 열 발생 특성 분석을 위한 열해석 기법 연구를 수행하였다. IPMSM의 냉각장치 적용을 위한 선행 연구로써 IPMSM의 열 발생 특성 분석을 위하여 IPMSM의 각 구성품에 대한 열전달 계수, 열저항 및 열용량을 도출하고, 열원이 되는 열손실 도출을 위하여 IPMSM의 FEM을 이용한 손실 분석을 수행하고, 열등가회로를 구성하여 열 특성을 분석하는 열해석 기법 연구를 수행하였으며, 소용량 추진용 5kW급 IPMSM 시제품의 온도상승시험 결과와의 비교를 통한 제안 기법의 유효성 검증을 수행하였다. 결과적으로 코일과 엔드코일 부분에서는 해석 결과와 시험 결과 사이에 약 5~8℃(3.
본 논문에서 제시한 열등가회로법에 의한 IPMSM 모델 열해석 기법의 유효성을 검증하기 위하여 소용량 추진용 5kW급 집중권 IPMSM 시제품의 온도 상승시험 결과를 이용하였다. 시제품의 온도 측정 포인트는 엔드코일에서 2포인트 (U,V상), 코일 센터에서 3포인트(U,V,W상), 프레임 커버에서 1포인트 측정을 실시하였으며, 시험환경은 외기온도가 19℃였다.
본 논문에서는 하이브리드법을 적용하였으며, 집중정수법을 기반으로 전동기의 전반적인 온도 분포 및 열의 흐름 등을 파악하고, 열 등가회로 상의 각 부분에서의 열전달 파라미터 및 손실과 같은 열원 도출 시에는 분포정수법을 이용하는 프로세스를 적용하였다. Fig.
데이터처리
따라서 본 연구에서는 철도차량 추진용 매입형 영구 자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 별도 냉각장치 적용을 위한 선행 연구로써 IPMSM 의 열 발생 특성 분석을 위하여 IPMSM의 각 구성품에 대한 열전달 계수를 도출하고, 열등가회로를 구성하여 열해석을 수행하는 열해석 기법 연구를 수행하였다. 또한 IPMSM 실 모델의 열 실험 데이터와의 비교를 통한 열해석 기법의 유효성 검증을 수행하였다.
이론/모형
Table 3에 IPMSM 각 매질에서의 전도 열전달계수와 대류 열전달계수를 계산하여 정리하였다. Table 3에서 보는 바와 같이, 공극에서의 대류 열전달계수는 Gazley 의 고정자 슬롯의 치수에 따른 회전방향/축방향 유동을 고려한 실험적 결과를 참조하여 도출하였으며, 그 외의 대류 열전달계수는 자연대류 조건을 적용하여 도출하였다[6]. 또한, IPMSM의 프레임 표면과 외기 사이에는 대류 열전달계수에 추가적으로 복사 열전달계수를 함께 고려하였으며[7], 일반적으로 전동기의 표면온도가 30℃정도 바뀔 경우 복사 열전달계수의 변화가 ±0.
성능/효과
(a) 에서 보는 바와 같이, 코일 부분의 온도가 약 141o C로 가장 높으며, 허용온도 150o C를 만족함을 확인할 수 있다.
결과적으로 코일과 엔드코일 부분에서는 해석 결과와 시험 결과 사이에 약 5~8o C(3.6~6%)의 온도 차이가 발생하였으며, 전반 적으로 본 논문에서 제시한 열 등가회로법에 의한 IPMSM 의 열해석 기법에 대한 유효성이 어느 정도 확보되었다고 볼수 있겠다.
Table 4에서 보는 바와 같이, IPMSM의 프레임 커버에서는 해석 결과와 시험 결과 사이에 약 3℃의 온도 차이가 발생하였으며, 코일과 엔드코일 부분에서는 약 3℃의미만의 온도 차이가 발생하였다. 결과적으로 프레임 커버에서는 해석 결과와 시험 결과 사이에 오차가 약 3.5% 정도 발생하였으며, 코일과 엔드코일 부분에서는 약 2% 미만 정도 발생하였다. 전반적으로 본 논문에서 제시한 열등가회로법에 의한 IPMSM의 열 특성 분석법에 대한 유효성이 어느 정도 확보되었다고 볼 수 있다.
추가적으로 IPMSM에서 대부분의 열이 발생되는 지점이 손실이 크게 발생되는 코일 및 공극과 접하는 코어 부분임을 감안할 때, 코일 및 공극과 접하는 코어 부분에서의 세분화된 열 분포 특성을 도출하는 것이 중요할 것이다. 따라서, 본 논문에서 제시하는 미소 제어체적을 고려한 3차원 열등가회로망법은 IPMSM의 공극과 접하는 고정자 티스 및 회전자 코어 외각 부분의 제어체적을 세분화하고 각 세분화된 제어체적간의 3차원 방향으로의 열등가회로망을 구성함으로써, 열해석 결과에 영향을 줄 수 있는 다양한 열저항들을 3차원 방향으로 고려하여 좀 더 현실적인 열 특성 결과 및 국부적인 온도 분포 결과를 도출할 수 있다는 장점을 갖고 있다. Fig.
후속연구
향후 본 연구를 통하여 확보된 열해석 기법을 통하여 대용량급의 철도차량 추진용 매입형 영구자석 동기전동기의 냉각장치 적용 연구에 활용이 가능할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
분포정수법의 특징은?
분포정수법의 예로는 유한요소법 (FEM)을 들 수 있다. 이 방법은 국부적으로 상세한 온도를 알고자 할 때 유용한 방법으로 열 응력(Thermal Stress) 계산 등에 많이 사용된다. 다만, 계산 과정의 특수성으로 인하여 복잡한 형상의 3차원 모델을 해석하고자 할 때 많은 시간과 노력이 요구되는 번거로움이 존재한다.
견인전동기의 소형 경량화 시 단점은?
하지만 견인전동기가 소형 경량화 될수록 같은 손실(열원) 에 대하여 방열면적이 줄어들게 되어 견인전동기 내부의 온도가 높아지게 되며, 이로 인한 효율 감소와 견인전동기의 정상 운전을 저해하는 요소로 작용할 수 있다[1-3]. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서 견인전동기 의 정확한 발열량 해석과 이를 바탕으로 한 열해석이 함께 수행되어야 하며, 이는 견인전동기의 소형 경량화를 통한 고출력밀도화 기술의 안정도를 높이는데 큰 역할을 할 수 있을 것이다.
전동기의 열해석 방법은 무엇이 있는가?
흔히 사용되는 전동기의 열해석 방법에는 집중정수법 (Lumped parameter method)과 분포정수법(Distributed parameter method)이 있으며, 이 둘을 혼합한 하이브리드법이 있다. 집중정수법은 흔히 열등가회로법(Thermal network method)으로도 알려져 있으며, 이 방법의 장점은 전동기 전체가 계산영역이 되기 때문에 전동기의 전반적인 온도분포, 열의 흐름 등을 매우 쉽게 파악할 수 있을 뿐 아니라, 계산 절점의 수나 위치를 자유롭게 선택할 수 있어서 비교적 손쉬운 전처리과정(Pre-processing)을 필요로 한다.
참고문헌 (8)
C.B Park, H.W. Lee, B. S. Lee (2012) A study on the reduction of the stator iron loss on Permanent Magnet Synchronous Motor for light railway transit propulsion system, Journal of the Korean Society for Railway, 15(4), pp. 376-380.
J.W. Lim, J.H. Seo, S.Y. Lee, H.K. Jung (2006) Thermal Network Analysis of Interior Permanent Magnet Machine, 2009 Spring Conference of the Korean Society for Railway, Gyeongju, pp. 527-532.
S.M. Jang, J.C. Seo, H.W. Cho, Y.H. Jeong (2004) Analysis of thermal distribution for permanent magnet high speed motor, KIEE Summer Conference 2004, pp. 1073-1075.
J.H. Seo (2010) Thermal analysis and optimal design of Interior Permanent Magnet Motor for Vehicle Application, PhD Thesis, Seoul University.
Y.S. Lee, S.Y. H (1998) Thermal analysis technology of electric motors : Part 1, Proceedings of KIEE, 48(9), pp. 12-17.
C, Gazley, JR. (1958) Heat-transfer characteristics of the rotational and axial flow between concentric cylinders, Transaction of the ASME, pp. 79-90.
K.C. Jang, D.J. Bang, D.H. Kang (1998) Thermal analysis technology of electric motors : Part 2, Proceedings of KIEE, 48(9), pp. 25-31.
Y.S. Lee (1998) Thermal analysis of Induction Motor with Axial Cooling Channels in Stator and Rotor, PhD Thesis, Seoul National University.
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