[논문]전기자동차용 유냉식 인휠 모터의 방열 특성 연구

임동현; 김성철

doi:10.7467/ksae.2014.22.5.029

전기자동차용 유냉식 인휠 모터의 방열 특성 연구
Thermal Characteristics of Oil-cooled In-wheel Motor in Electric Vehicles 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.5, 2014년, pp.29 - 34

임동현 (자동차부품연구원 그린카파워시스템연구본부) , 김성철 (자동차부품연구원 그린카파워시스템연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Cooling the in-wheel motor in electric vehicles is critical to its performance and durability. In this study, thermal flow analysis was conducted by evaluating the thermal performance of two conventional cooling models for in-wheel motors under the continuous rating base speed condition. For conventional model #1, in which cooling oil was stagnant in the lower end of the motor, the maximum temperature of the coil was $221.7^{\circ}C$; for conventional model #2, in which cooling oil was circulated through the exit and entrance of the housing and jig, the maximum temperature of the coil was $155.4^{\circ}C$. Therefore, both models proved unsuitable for in-wheel motors since the motor control specifications limited the maximum temperature to $150^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 지식경제부가 지원하는 산업융합원천기술개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 현대모비스 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
본 연구는 지식경제부가 지원하는 산업융합원천기술개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 현대모비스 관계자 여러분께 감사하는 바이다.
본 연구에서는 2가지 인휠 모터 냉각 모델들을 대상으로, 수치해석을 이용하여 연속정격 기저속도 구동조건에서의 방열 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 대용량 인휠 모터를 대상으로 하여, 일반적인 오일 냉각구조들의 적용 가능성을 파악하고, 이들의 방열 성능을 비교 평가하였다. 이로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.

제안 방법

2가지 형태의 일반적인 오일 냉각구조를 적용한 인휠 모터 모델을 대상으로 열유동 해석을 실시하였다. Fig.
원활한 해석을 위하여 모터의 형상을 단순화시켰으며 볼트 및 너트 등과 같은 해석에 불필요한 부품들을 제거하거나 통합하였다. 또한, 모터 내부에 고여 있는 냉각유 영역을 지정하도록 하였다. 생성된 해석 모델을 기반으로 해석격자를 형성하였으며, 격자의 수는 약 300만개 수준으로 Fig.
모터 다이나모미터에서 토크 20 N·m를 인가하였으며, 전용 인버터를 통하여 회전속도 2000 RPM을 제어하였다.
실험에는 인휠 모터 시제품을 다이나모미터에 연결하여 구동환경을 조성하였으며, 코일(Point 1 ~ 4, 원주방향으로 90°방향), 스테이터 코어(5 ~ 8, 원주방향으로 90°방향), 하우징 (9)의 포화온도를 측정하였다.
본 연구 대상인 인휠 모터는 크게 모터부(코일, 스테이터 코어, 로터 코어, 영구자석)와 기계부(샤프트, 하우징, 베어링, 지그)로 나눌 수 있다. 원활한 해석을 위하여 모터의 형상을 단순화시켰으며 볼트 및 너트 등과 같은 해석에 불필요한 부품들을 제거하거나 통합하였다. 또한, 모터 내부에 고여 있는 냉각유 영역을 지정하도록 하였다.
인휠 모터의 유냉식 방열 성능을 평가하기 위하여, 2가지 냉각모델에 대하여 열유동 해석을 실시하였다. 해석에 사용된 지배방정식은 질량보존, 운동량보존, 에너지보존 방정식이며, 에너지보존 방정식은 식 (1)에 표시하였다.
베어링에 인가되는 마찰손은 식 (6)에 따라 결정되며, 풍손은 식 (7)과 같이 나타난다. 풍손은 다른 손실에 비하여 상대적으로 매우 적은 양으로서, 본 연구에서는 베어링에 마찰손 값을 인가하여 해석에 기계손을 반영하도록 하였다.
1(b)와 같다. 해석 모델의 형상을 실제와 유사하게 구현하기 위하여 사면체 격자를 사용하였으며, 벽과 접하는 유체의 면에 프리즘 격자를 삽입하여 해석 정확도를 확보하고자 하였다.
인휠 모터의 유냉식 방열 성능을 평가하기 위하여, 2가지 냉각모델에 대하여 열유동 해석을 실시하였다. 해석에 사용된 지배방정식은 질량보존, 운동량보존, 에너지보존 방정식이며, 에너지보존 방정식은 식 (1)에 표시하였다.
해석은 모터 연속정격, 기저속도인 4400 RPM, 37.5 N·m 구동조건을 적용하여 수행하였으며, 냉각유는 냉각설계 기준 조건인 입구 유량 1.5 L/min, 온도 65℃로 설정하였다.

대상 데이터

Conventional model #1을 대상으로 선정하였으며, 저부하 조건인 회전속도 2000 RPM, 인가토크 20 N·m 구동조건에서 수행하였다.
1(a)와 같이, 인휠 모터의 열유동 해석모델을 생성하였다. 본 연구 대상인 인휠 모터는 크게 모터부(코일, 스테이터 코어, 로터 코어, 영구자석)와 기계부(샤프트, 하우징, 베어링, 지그)로 나눌 수 있다. 원활한 해석을 위하여 모터의 형상을 단순화시켰으며 볼트 및 너트 등과 같은 해석에 불필요한 부품들을 제거하거나 통합하였다.
공랭방식의 경우 냉각시스템 구성이 간단한 장점이 있으나 냉각용량이 다른 방법에 비하여 작아서 소형화된 대용량 모터에는 적용이 어렵다. 본 연구의 대상인 인휠 모터는 35 kW급의 대용량으로 유냉식 냉각방식을 채택하였다. 일반적으로 유냉식은 수냉식에 비하여 다소 냉각용량이 낮지만 냉각과 윤활을 동시에 수행할 수 있는 장점이 있다.

데이터처리

동일 모델에서의 해석과 실험을 실시하여 그 결과들을 비교함으로써 타당성을 확인하였다. Conventional model #1을 대상으로 선정하였으며, 저부하 조건인 회전속도 2000 RPM, 인가토크 20 N·m 구동조건에서 수행하였다.

이론/모형

또한, 냉각유의 거동과 로터의 회전에 따른 내부 공기의 유동 및 열전달을 보다 정확하게 표현하기 위하여 MP(modified Production) k-ε난류모델을 사용하였다.

성능/효과

1) 냉각유의 순환이 없는 모델(Conventional model #1)과 단순 순환하는 모델(Conventional model #2)의 경우, 두 모델에서 코일의 최고 온도가 각각 221.7℃, 155.4℃이며 온도 상한치인 150℃를 초과하므로, 인휠 모터에 그대로 적용하기에는 두 모델 모두 부적합하여 사용할 수 없음을 확인하였다.
2) 모터 냉각구조들의 방열성능 평가를 위한 인휠 모터의 열모델을 개발하였으며, 실험을 통하여 3℃ 이내의 신뢰도를 갖는 것을 확인하였다.
4℃인 것으로 나타났다. 따라서, 기존에 사용되던 일반적인 오일 냉각구조는 본 연구에서 대상으로 한 대용량 인휠 모터에 적용하기에 부적절하다고 판단할 수 있으며 내부 유로를 통한 분사유동과 같은 보다 효과적인 냉각 방식의 적용이 필요함을 알수 있다.
3에 나타내었으며, 각 모델의 부품별 평균 온도는 Table 2와 같다. 부품별 평균온도가 Conventional #2 모델이 Conventional #1 모델에 비해 약48℃ ~ 75℃ 더 낮은 분포를 보이며, 특히 모터부인 코일에서 74.5℃, 스테이터 코어에서 68.3℃의 큰 차이를 나타내었다. 이는 Conventional #2 모델에서 냉각유의 순환을 통하여 모터 발생열을 보다 효과적으로 외부로 방출하기 때문이다.
실험에서도 각각 약105 ~ 108℃, 약 84 ~ 89℃, 약 77.3℃의 유사한 온도 분포를 나타내었으며, 전체 측정 지점에서 ±3℃ 이내의 오차를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
5에 각각 나타내었으며, 해석 결과와는 Table 3에서 직접 비교하였다. 해석에서는 코일부 온도가 약 103 ~ 105℃, 스테이터 코어 온도가 약 86 ~ 91℃, 하우징 온도가 약 79.5℃의 분포를 나타내었다. 실험에서도 각각 약105 ~ 108℃, 약 84 ~ 89℃, 약 77.

후속연구

향후에는 방열 성능을 향상시키기 위한 추가 연구가 필요함을 알 수 있으며, 보다 높은 방열 성능을 보이는 오일분사 냉각기법이 적용된 인휠 모터의 열모델을 개발할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인휠 시스템은 무엇인가?	최근, 환경오염 및 에너지고갈 문제가 전 세계적으로 많은 관심을 받으면서 기존의 내연기관 차량을 전력기반 자동차로 대체하려는 노력들이 활발하게 진행되고 있다.1-3) 전기구동 방식의 한 종류인 인휠 시스템은 차량의 휠에 구동 모터를 장착하여 바퀴를 직구동 시키는 방법으로, 최적화된 질량 배분을통하여운동성능이향상되며차량레이아웃이나 디자인의 자유도가 향상되는 장점을 가지고 있다.4)반면에 인휠 시스템은 휠이라는 제한된 공간에 여러 부품들이 복잡한 구조의 형태로 장착되기 때문에 부품의 소형화가 요구되며, 그 중 핵심 부품인 모터는 소형화 및 고출력, 그리고 내구성 확보를 위하여 원활한 냉각이 필요하다.
	전기자동차용 구동 모터의 냉각방식 중 공랭방식의 장, 단점은 무엇인가?	전기자동차용 구동 모터의 냉각방식은 작동유체에 따라 공랭식,7) 유냉식,8) 수냉식9)으로 나눌 수 있으며, 모터의 용량 및 장착환경을 고려하여 적합한 방식을 사용한다. 공랭방식의 경우 냉각시스템 구성이 간단한 장점이 있으나 냉각용량이 다른 방법에 비하여 작아서 소형화된 대용량 모터에는 적용이 어렵다. 본 연구의 대상인 인휠 모터는 35 kW급의 대용량으로 유냉식 냉각방식을 채택하였다.
	인휠 시스템의 장점은 무엇인가?	최근, 환경오염 및 에너지고갈 문제가 전 세계적으로 많은 관심을 받으면서 기존의 내연기관 차량을 전력기반 자동차로 대체하려는 노력들이 활발하게 진행되고 있다.1-3) 전기구동 방식의 한 종류인 인휠 시스템은 차량의 휠에 구동 모터를 장착하여 바퀴를 직구동 시키는 방법으로, 최적화된 질량 배분을통하여운동성능이향상되며차량레이아웃이나 디자인의 자유도가 향상되는 장점을 가지고 있다.4)반면에 인휠 시스템은 휠이라는 제한된 공간에 여러 부품들이 복잡한 구조의 형태로 장착되기 때문에 부품의 소형화가 요구되며, 그 중 핵심 부품인 모터는 소형화 및 고출력, 그리고 내구성 확보를 위하여 원활한 냉각이 필요하다.

참고문헌 (12)

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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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