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[국내논문] 철도차량용 IPMSM의 Water-cooling Jacket 설계 연구
A Study on the Water-cooling Jacket Design of IPMSM for Railway Vehicles 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.10, 2013년, pp.1475 - 1480  

박찬배 (Korea Railroad Research Institute) ,  이준호 (Korea Railroad Research Institute) ,  이병송 (Korea Railroad Research Institute)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, the basic design study of a water-cooling jacket, which have reported no cases for applying to railway traction motors so far, were conducted for applying to Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) for railway vehicles. The basic thermal characteristics analysis of the 110...

Keyword

#Interior permanent magnet synchronous motor   #IPMSM   #Water-cooling jacket   #Pipe   #Railway vehicle  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 아직까지는 국내 철도차량용 견인전동기에 수냉각방식이 적용된 예가 없는 상황이다. 따라서 본 논문에서는 철도차량 견인용 110kW급 IPMSM에 타력 통풍형 방식중 수냉각방식을 적용할 것을 고려하였다. 먼저 3차원 열등가회로망법을 이용하여 110kW급 IPMSM의 기본적인 열 특성 분석을 수행하였으며, 기본적인 열 특성 결과를 분석하여 이에 필요한 수냉각장치의 설계 요구사양을 도출하였다.
  • IPMSM용 Water-cooling Jacket 설계에 앞서서, Watercooling Jacket용 등가 파이프 모델 내부에서의 유체의 유동 특성 및 열전달 특성을 분석하기 위한 이론을 먼저 정리하고자 한다. 일단 본 논문에서는 수냉각을 위한 파이프의 단면 형상은 원형만을 고려하였다[5][6].
  • 본 논문에서는 110kW급 IPMSM용 냉각장치로써 고정자 코어 외면을 감싸는 구조인 솔레노이드 타입의 파이프 구조를 갖는 Water-cooling Jacket를 검토하였으며, 내부 파이프의 구조에 따라 1 채널 타입과 2 채널 타입의 Water-cooling Jacket를 검토하였다. 그림 6은 본 논문에서 고려한 110kW 급 IPMSM용 Water-cooling Jacket의 형상을 보여준다.
  • 최근 철도차량용 견인전동기의 고효율화 및 소형 경량화에 대한 관심이 커져감에 따라, 본 논문에서는 아직까지 국내 철도차량용 견인전동기에 적용된 예가 없는 Water-cooling jacket을 IPMSM에 적용하기 위한 Water-cooling Jacket 기본 설계 연구를 수행하였다. 따라서 철도차량 견인용 110kW급 IPMSM에 대하여 먼저 3차원 열등가회로망법을 이용하여 IPMSM의 기본적인 열 특성 분석을 수행하였으며, 기본적인 열 특성 결과를 분석하여 이에 필요한 Water-cooling Jacket의 설계 요구사양을 도출하였다.

가설 설정

  • ii) 파이프의 내부 표면은 매끄럽다.
  • iii) 파이프 내부에서의 유속은 위치에 관계없이 일정하다.
  • 그림 7(a)는 Nusselt 수의 변화를 보여주며, 파이프의 직경이 커질수록 느린 유속에서도 난류가 발생되며, 파이프의 길이와 관계없이 파이프의 직경이 동일하면 Nusselt 수가 같음을 확인할 수 있다. 그림 7(b)는 냉각수의 출구 온도 변화를 보여주며, 파이프의 주변 온도가 75[℃]이므로 냉각수의 출구 온도도 75[℃] 근처에 도달되도록 설계하는 것이 냉각수의 열흡수량 증대에 도움이 될 것이다. 그러기 위해서는 파이프 내부에서의 유동은 난류일 경우가 가장 효과적이나, 파이프의 열흡수 요구량 및 냉각수 순환용 펌프의 용량 등을 고려하여 선정해야 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전폐형 전동기는 어떠한 문제점으로 인해 영구자석 동기전동기에 있어서 불리한 구조라 여겨지는가? 철도 궤도 환경의 영향으로 차량의 운영 시 먼지가 많이 날리게 되고, 이러한 운영 환경 때문에 외부로부터 견인전동기로 이물질의 출입을 원천적으로 막을 수 있는 전폐형 전동기가 주로 적용되고 있다. 하지만 이러한 전폐형 전동기는 열적으로 냉각이 어려워지는 문제를 갖고 있기 때문에 회전자에 영구자석이 매입되는 구조를 갖는 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)에 있어서는 불리한 구조라 할 수 있다. 특히 요즘과 같이, 견인전동기의 소형화/경량화가 크게 요구되고 있는 시장에서 IPMSM의 경쟁력을 갖기 위해서는 열 문제를 해결할 수 있는 별도의 냉각장치에 대한 연구가 필요하다.
견인전동기의 냉각방식은 어떻게 구분되는가? 일반적으로 견인전동기의 냉각방식은 냉매의 종류에 따라 공랭식, 수냉 및 유냉식으로 구분할 수 있으며, 냉각 통로의열 방산의 형식에 따라 자유 통풍형, 외피표면 냉각형 및 입 출구관 통풍형으로 구분할 수 있으며, 냉매의 이송방식에 따라 온도차에 의한 자연대류를 이용하는 자냉형과 회전자 자체의 작용에 의한 자력형 및 별도 장치에 의한 타력형으로 구분할 수 있다[1]. 그림 1은 견인전동기의 냉각방식 분류를 보여준다.
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참고문헌 (10)

  1. A. F. Armor, and M. V. K. Chari, "Heat flow in the stator core of large turbine-generators by the method of three dimensional Finite Elements (Part II : Temperature distribution in the stator iron)," IEEE Transactions on PAS, PAS-95(5), pp. 1657-1668, 1976. 

  2. C.B Park, H.W. Lee, B. S. Lee, "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," Vol.15, No.4, pp. 376-380, 2012. 

    원문보기 상세보기 crossref

  3. C.B Park, H.W. Lee, B. S. Lee, "Investigation of a thermal analysis method for IPMSM in railway vehicles, Journal of the Korean Society for Railway," Vol.16, No.2, pp. 99-103, 2013. 

    원문보기 상세보기 crossref

  4. C. B. Park, "A Study on the Thermal Characteristics of 110kW-class IPMSM for Light Railway Transit using the 3？Dimensional Thermal Equivalent Network considering Heat Source by Iron Loss Density Distributions," The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol.62, No.7, pp. 1038-1044, 2013. 

    원문보기 상세보기 crossref

  5. Y. Bayazitoglu and M. N. Ozisik, "Element of Heat Transfer." New York : McGraw-Hill, 1988. 

  6. F. Kreith and M. S. Bohn, "Principles of Heat Transfer : 5th edition," St. Paul, MN : West Publishing, 1993. 

  7. T. Jokinen and J. Saari, "Modeling of the coolant flow with heat flow controlled temperature sources in thermal networks," IEE Proceeding of Electrical Power Applications, Vol.144, No.5, 1997. 

  8. J.H. Choi, S.M. Jang, C. Han, J.H. Ahn, K.H. Sim, "Electromagnetic loss and thermal analysis on high speed PM motor for turbo compressor," KIEE Summer Conference 2012, pp. 618-619, 2012. 

  9. J. Driesen, R. J. M. Belmans, and K. Hameyer, "Finite-element modeling of thermal contact resistances and insulation layers in electrical machines," IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.37, No.1, pp. 15-20, 2001. 

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  10. Batchelor, G. K., "An Introduction to Fluid Dynamics," Cambridge University Press, 1967. 

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