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문제 정의
- 본 연구는 지식경제부가 지원하는 산업융합원천기술개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
- 본 연구는 지식경제부가 지원하는 산업융합원천기술개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
- 본 연구를 통하여 다중 채널을 가지며 회전하는 샤프트 내에 위치한 냉각유로에 대하여 유동 특성을 평가하고 최적화 시키는 연구를 진행하였다. 낮은 압력강하 특성을 갖고 모터부로의 충분한 유량이 공급되는 냉각유로의 설계를 목적으로 CFD 예측방법을 이용한 초기 유로 모델의 유동 성능을 평가하였으며, 개선 해석 결과를 이용하여 설계 인자를 도출하였다.
- 본 연구에서는 인휠 모터 냉각을 목적으로 하는 유로의 유동특성을 평가하고 최적화하였다. 초기 설계된 냉각유로와 개선 설계된 유로의 해석결과를 바탕으로 하여 설계인자를 추출하고, 다구치 최적화 기법에 적용하여 형상 최적화를 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 2) 유로의 직경 및 수를 설계 변수로 설정하였으며 다구치 최적화 기법을 통하여 변수의 영향도를 분석하였다. 유로 직경 및 수에 따라 냉각유로의 압력강하의 증감, 모터부 배출구로의 유량 분배 조절이 가능함을 알 수 있었으며, 이를 통하여 중공축 유로를 가지는 냉각구조에 다양하게 적용이 가능하다.
- 냉각유는 작동 온도가 낮아짐에 따라 점도가 높아져서 유동저항이 커지며 압력강하의 증대를 초래한다. 각 온도 조건을 냉각유의 물성에 반영하여 해석을 진행하였으며, 273K에서의 냉각유밀도 및 점도는 각각 850.4 kg/m3 , 158.5 cP이다. 또한, 냉각유의 점도가 증가하여 펌프에서 연속으로 공급 가능한 냉각유의 양이 줄어들게 된다.
- 원주 방향을 따라서 대칭구조를 가지므로 단순화된 1/8 모델을 생성하였으며, 해석격자는 약 100만개 수준이다. 격자의 형상은 Fig. 2와 같으며 실제 형상을 유사하게 구현하기 위하여 사면체 격자를사용하고, 벽면에서의 유동 발달을 보다 정확하게 표현하기 위하여 프리즘 격자를 삽입하였다.
- 연구 대상인 냉각유로는 고속 회전에 따른 강성 및 다른 부품과의 간섭이 고려되어 설계된 샤프트 내부에 존재하여 유로의 길이 및 형상 개선이 어렵다. 그러한 이유로 설계인자를 각 유로부분의 유동저항 조절이 가능한 변수인 주요 유로의 직경 및 개수로 정하였고, 실제 제작 및 가공이 가능한 최소값, 최대값, 그리고 중간값의 총 3수준으로 설정하였다. 이는 Table 5와 같다.
- 본 연구를 통하여 다중 채널을 가지며 회전하는 샤프트 내에 위치한 냉각유로에 대하여 유동 특성을 평가하고 최적화 시키는 연구를 진행하였다. 낮은 압력강하 특성을 갖고 모터부로의 충분한 유량이 공급되는 냉각유로의 설계를 목적으로 CFD 예측방법을 이용한 초기 유로 모델의 유동 성능을 평가하였으며, 개선 해석 결과를 이용하여 설계 인자를 도출하였다. 또한, 도출된 설계인자를 다구치 기법에 적용하여 냉각유로의 형상 최적화를 수행하였다.
- 사용 유체의 점도가 높고 유로의 단면적이 작아서 레이놀즈수가 500 이하인 층류이므로 해석에는 층류 모델을 적용하였으며, 경계조건은 Table 1과 같다. 냉각유 유입량은 오일 펌프 사양을 기준으로 약 0.5 bar의 압력강하를 가지는 유로에 대하여 안정적인 공급이 가능한 1.4 L/min으로 적용하였고, 냉각유의 온도는 제어 목표인 338 K으로 설정하여 물성에 반영하였다. 냉각유의 회전속도는 인휠 모터의 최대회전속도인11,000 rpm으로 설정하였다.
- 5 L/min을 충분히 공급이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 압력강하의 경우 안전율을 고려한 0.4 bar 이내로 제한 조건을 설정하고, 최적화 목적함수는 망목 특성인 모터부 배출유량으로 단일화시켜서 최적모델을 도출하도록 하였다.
- 낮은 압력강하 특성을 갖고 모터부로의 충분한 유량이 공급되는 냉각유로의 설계를 목적으로 CFD 예측방법을 이용한 초기 유로 모델의 유동 성능을 평가하였으며, 개선 해석 결과를 이용하여 설계 인자를 도출하였다. 또한, 도출된 설계인자를 다구치 기법에 적용하여 냉각유로의 형상 최적화를 수행하였다.
- 본 연구에는 회전운동에 의한 유동 해석에 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있는15,16) 상용해석코드인 SC/Tetra17)를 사용하였다.
- S/N 비는 인자의 영향과 노이즈의 영향의 비를 의미하고, 특정한 목표치가 정해져 있는 망목특성, 목표치가 작을수록 좋은 망소특성, 목표치가 클수록 좋은 망대특성으로 나눠지며 Table 4와 같이 나타내어진다. 본 연구에서는 압력강하를 망소특성, 모터부 공급 유량을 망대특성으로 설정하여 연구를 수행하였다.
- 사용 유체의 점도가 높고 유로의 단면적이 작아서 레이놀즈수가 500 이하인 층류이므로 해석에는 층류 모델을 적용하였으며, 경계조건은 Table 1과 같다. 냉각유 유입량은 오일 펌프 사양을 기준으로 약 0.
- 위와 같은 회전 유로의 특성을 반영하기 위하여 수치해석에 MRF(Moving Reference Frame)기법과 ALE(Arbitray Lagrangian Eulerian)방법을 적용하였다. 유동 영역의 유체에 움직임을 지정해 주는 MRF 기법을 통하여 유로 모델 내의 유체 격자에 회전을 정의하였으며, 다음과 같은 ALE 방법을 통하여 연산에 적용하였다.
- 4개의 설계인자 중에서 모터 및 베어링 배출구로의 전달 유로 직경(C), 수(D)는 압력강하 및 모터부측 배출량에 대하여 같은 경향을 나타내었지만, 감속기측 배출구 수(A)와 베어링측 배출구 직경(B)은 서로 반대 경향을 갖는다. 이러한 이유로 압력강하 감소 및 모터부 공급유량 증대의 두가지 설계 목표 중에서 우선 순위를 정하였다. 전 시험모델에 걸쳐서 압력강하가 0.
- 직교표 상에서 각 인자 평가는 수치해석 기법을 통하여 실시하며, 일반 조건과 노이즈 인자 영향을 분석하기 위한 가혹 조건으로 나누어 진행하였다. 일반 조건은 정상 주행 상태에서의 냉각유 제어 온도인 338 K이고, 가혹 조건은 273 K의 동절기 환경온도로 설정하였다. 냉각유는 작동 온도가 낮아짐에 따라 점도가 높아져서 유동저항이 커지며 압력강하의 증대를 초래한다.
- 설계인자의 영향도 분석을 위하여 3수준을 가지는 4개 인자에 대하여 최소한의 시험횟수를 가지는 L9 다구치 직교표를 만들어 Table 6에 나타내었다. 직교표 상에서 각 인자 평가는 수치해석 기법을 통하여 실시하며, 일반 조건과 노이즈 인자 영향을 분석하기 위한 가혹 조건으로 나누어 진행하였다. 일반 조건은 정상 주행 상태에서의 냉각유 제어 온도인 338 K이고, 가혹 조건은 273 K의 동절기 환경온도로 설정하였다.
- 본 연구에서는 인휠 모터 냉각을 목적으로 하는 유로의 유동특성을 평가하고 최적화하였다. 초기 설계된 냉각유로와 개선 설계된 유로의 해석결과를 바탕으로 하여 설계인자를 추출하고, 다구치 최적화 기법에 적용하여 형상 최적화를 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 초기모델, 개선모델의 유동해석 결과를 바탕으로 가공 용이성을 고려하여 설계 인자 및 수준을 선정하였다. 앞선 해석에서 냉각유 유동이 원활하지 못하고 압력강하에 큰 영향을 미치던 모터부 배출구 직경을 가공이 가능한 최대 수치인 7 mm로 고정하였으며, Fig.
대상 데이터
- 초기모델, 개선모델의 유동해석 결과를 바탕으로 가공 용이성을 고려하여 설계 인자 및 수준을 선정하였다. 앞선 해석에서 냉각유 유동이 원활하지 못하고 압력강하에 큰 영향을 미치던 모터부 배출구 직경을 가공이 가능한 최대 수치인 7 mm로 고정하였으며, Fig. 5에서와 같이 4개의 설계인자를 설정하였다. 연구 대상인 냉각유로는 고속 회전에 따른 강성 및 다른 부품과의 간섭이 고려되어 설계된 샤프트 내부에 존재하여 유로의 길이 및 형상 개선이 어렵다.
- 5에서와 같이 4개의 설계인자를 설정하였다. 연구 대상인 냉각유로는 고속 회전에 따른 강성 및 다른 부품과의 간섭이 고려되어 설계된 샤프트 내부에 존재하여 유로의 길이 및 형상 개선이 어렵다. 그러한 이유로 설계인자를 각 유로부분의 유동저항 조절이 가능한 변수인 주요 유로의 직경 및 개수로 정하였고, 실제 제작 및 가공이 가능한 최소값, 최대값, 그리고 중간값의 총 3수준으로 설정하였다.
- 연구대상인 35 kW급의 대용량 인휠 모터는 유냉식 냉각방식을 사용한다. 일반적으로, 출력이 낮은 모터의 경우에는 방수형 밀폐 구조를 갖더라도 공랭방식의 적용이 가능하지만,9) 구동모터와 같은 대용량 모터의 경우는 유냉식 냉각방식이 보다 적합하다.
- 초기 유로 모델의 유동 해석을 실시하기 위한 유로 내 냉각유 유동 영역을 대상으로 해석격자를 생성하였다. 원주 방향을 따라서 대칭구조를 가지므로 단순화된 1/8 모델을 생성하였으며, 해석격자는 약 100만개 수준이다.
이론/모형
- 18-20) 다구치 기법은 목표성능에 대한 인자의 영향과 노이즈에 따른 영향을 동시에 고려하기 위하여 S/N 비(Signal to Noise Ratio)를 사용한다. S/N 비는 인자의 영향과 노이즈의 영향의 비를 의미하고, 특정한 목표치가 정해져 있는 망목특성, 목표치가 작을수록 좋은 망소특성, 목표치가 클수록 좋은 망대특성으로 나눠지며 Table 4와 같이 나타내어진다.
- 위와 같은 회전 유로의 특성을 반영하기 위하여 수치해석에 MRF(Moving Reference Frame)기법과 ALE(Arbitray Lagrangian Eulerian)방법을 적용하였다. 유동 영역의 유체에 움직임을 지정해 주는 MRF 기법을 통하여 유로 모델 내의 유체 격자에 회전을 정의하였으며, 다음과 같은 ALE 방법을 통하여 연산에 적용하였다.
성능/효과
- 1) 초기 설계된 냉각유로의 유동 특성 결과, 압력강하는 0.5 bar 수준이며 모터부로의 냉각유 공급량이 0.004 L/min으로 거의 공급되지 않는 것을 확인하였다.
- 3) 모터부 배출량 증대를 설계 목적으로 최적 도출된 냉각유로는 초기모델에 비하여 약 0.3 bar 낮은 압력강하특성을 나타내었으며, 모터부로의 냉각유공급량도 약 0.2 L/min 향상된 결과를 얻었다.
- 4개의 설계인자 중에서 모터 및 베어링 배출구로의 전달 유로 직경(C), 수(D)는 압력강하 및 모터부측 배출량에 대하여 같은 경향을 나타내었지만, 감속기측 배출구 수(A)와 베어링측 배출구 직경(B)은 서로 반대 경향을 갖는다. 이러한 이유로 압력강하 감소 및 모터부 공급유량 증대의 두가지 설계 목표 중에서 우선 순위를 정하였다.
- 3을 통하여 나타내었다. 냉각유 주입구에서 각각의 배출구를 향할수록 점차 압력이 감소되는 경향을 확인할 수 있고, 특히 베어링 배출구에서 모터부 배출구 사이의 유로에서 유동이 원활하게 이루어지지 않는 것을 알 수 있다.
- 영향도의 분석 결과, 감속기 배출구의 수(A)가 많을수록 압력강하는 적어지지만 모터부의 공급유량 또한 줄어드는 것을 확인할 수 있으며 베어링 배출구의 직경(B)이 커질수록 압력강하가 줄지만 모터부 공급유량도 줄어든다. 또한, 모터 및 베어링 배출구로의 전달 유로 직경(C)은 클수록, 전달 유로의 수(D)는 많을수록 압력강하와 모터부 냉각유 공급량 증가에 유리함을 알 수 있다.
- 6과 같이 정리하였다. 영향도의 분석 결과, 감속기 배출구의 수(A)가 많을수록 압력강하는 적어지지만 모터부의 공급유량 또한 줄어드는 것을 확인할 수 있으며 베어링 배출구의 직경(B)이 커질수록 압력강하가 줄지만 모터부 공급유량도 줄어든다. 또한, 모터 및 베어링 배출구로의 전달 유로 직경(C)은 클수록, 전달 유로의 수(D)는 많을수록 압력강하와 모터부 냉각유 공급량 증가에 유리함을 알 수 있다.
- 5%)로 감소하였다. 유동 정체구간의 유동저항 감소로 인하여 유로 전체의 압력강하 또한 0.5 bar에서 0.235 bar로 절반 이하로 줄어드는 효과를 얻을 수 있었다. 이 결과를 통하여 유로부분의 직경 변화 및 그에 따른 유동저항 감소를 이용해 유로의 압력강하 감소 및 배출 유량의 분배량 조절이 가능함을 알 수 있다.
- 2) 유로의 직경 및 수를 설계 변수로 설정하였으며 다구치 최적화 기법을 통하여 변수의 영향도를 분석하였다. 유로 직경 및 수에 따라 냉각유로의 압력강하의 증감, 모터부 배출구로의 유량 분배 조절이 가능함을 알 수 있었으며, 이를 통하여 중공축 유로를 가지는 냉각구조에 다양하게 적용이 가능하다.
- 235 bar로 절반 이하로 줄어드는 효과를 얻을 수 있었다. 이 결과를 통하여 유로부분의 직경 변화 및 그에 따른 유동저항 감소를 이용해 유로의 압력강하 감소 및 배출 유량의 분배량 조절이 가능함을 알 수 있다.
- 7%)으로 증가하는 결과를 얻었다. 이와 더불어, 직경이 확장된 유로 중간에 위치한 베어링 배출구의 유량도 약 0.407L/min (29.1%)에서 약 0.850 L/min (60.7%)로 증가하였으며 상대적으로 감속기 배출구는 약 0.992 L/min(70.9%)에서 약 0.358 L/min (25.5%)로 감소하였다. 유동 정체구간의 유동저항 감소로 인하여 유로 전체의 압력강하 또한 0.
- 이러한 이유로 압력강하 감소 및 모터부 공급유량 증대의 두가지 설계 목표 중에서 우선 순위를 정하였다. 전 시험모델에 걸쳐서 압력강하가 0.4 bar 이내의 결과이었으며, 냉각유공급 펌프의 성능을 고려할 때 목표 주입량인 1.5 L/min을 충분히 공급이 가능할 것으로 판단된다. 따라서 압력강하의 경우 안전율을 고려한 0.
- 축방향 수직 유로 및 모터부 배출구 유로의 직경 확대에 따라 해당 부분의 냉각유 유동이 원활해짐으로써 모터부 배출구 유량이 약 0.004 L/min (전체 유량의 0.3%)에서 약 0.192 L/min (13.7%)으로 증가하는 결과를 얻었다. 이와 더불어, 직경이 확장된 유로 중간에 위치한 베어링 배출구의 유량도 약 0.
후속연구
- 4) 최적 냉각유로는 초기 유로모델보다 저용량의 펌프를 이용한 냉각시스템 구성, 그리고 스테이터 및 코일 등의 열적으로 민감한 부품으로의 보다 원활한 냉각유 공급이 가능해졌으며, 이는 향후인 휠모터의 성능 및 내구성 향상에 기여할 것으로 기대한다.
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