[논문]유입부 형상이 저전압 전동기 냉각홴의 공력성능에 미치는 영향

박재민; 허만웅; 김광용

doi:10.5293/kfma.2016.19.5.042

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Aerodynamic analysis of a low-voltage electric motor has been performed with various inlet vent shapes. Effects of inlet vent shape on aerodynamic performance of a motor cooling fan have been investigated numerically using three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The k-${\va...

Aerodynamic analysis of a low-voltage electric motor has been performed with various inlet vent shapes. Effects of inlet vent shape on aerodynamic performance of a motor cooling fan have been investigated numerically using three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The k-${\varepsilon}$ turbulence model was used for the analysis of turbulence. The finite volume method and unstructured tetrahedral grids were used in the numerical analysis. Optimal grid system in the computational domain was selected through a grid-dependency test. From the results of the flow analysis, considerable energy loss by flow separation was observed in the flow passage. It was found that mass flow rate through the cooling fan in the low-voltage motor can be increased by modifying the inlet vent shape. And, some inlet vent shapes were suggested to improve the aerodynamic performance of the motor cooling fan.

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문제 정의

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 저전압 전동기용 냉각홴의 홴덮개(fan cover)위에 설치된 공기 유입부(inlet vent) 형상이 공력학적 성능에 미치는 영향을 파악하기 위한 연구를 수행하였다. 전동기 냉각홴의 공력성능을 분석하기 위하여 삼차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) 해석을 수행하였으며, 11가지의 냉각홴 입구부 형상에 대해 냉각홴의 공력학적 성능을 비교 평가하였다.
본 연구에서는 전동기용 냉각홴의 공기 유입부 형상변화에 따른 홴의 성능 변화를 분석하기 위하여 유입부의 11가지 형상에 대해 공력성능을 평가하였다. 유입부 형상 변화에 따라 유입부의 단면적 변화의 영향을 배제하기 위해 선행연구⁽⁸⁾에서의 유입부의 단면적과 11가지 형상의 유입부 형상의 면적을 일정하게 유지시켰다.
본 연구에서는 위에서 언급한 바와 같이 저전압 전동기에서 공기 유입부 형상이 냉각홴의 공력성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 Fig. 6에 나타난 11가지 유입부 형상을 테스트하였다.
본 연구에서는 저전압 전동기용 냉각홴의 공기 유입부 형상이 냉각홴의 공력성능에 미치는 영향을 삼차원RANS해석을 이용하여 평가하였다. 난류모델 시험에서는 저레이놀즈 수 SST모델에 비해 실험치에 보다 접근하는 결과를 보인 k-ε 모델을 본 연구의 난류모델로 선정하였다.

가설 설정

본 연구에서는 저전압 전동기의 공기 유입부 형상에 따른 냉각홴의 공력학적 특성을 분석하기 위하여 유동장을 비압축성 삼차원 정상상태로 가정하고 상용 CFD 코드인 ANSYS CFX-15.0⁽⁷⁾을 사용하여 삼차원 정밀 유동해석을 수행하였다.
유동해석을 위해 전동기 냉각홴을 통과하는 작동유체는 표준상태의 25℃ 공기로 가정하였으며, 계산 영역의 입구와 출구에는 각각 전압력(total pressure)과 정압력(static pressure) 경계조건을 적용하였다. 회전영역과 고정영역 사이의 경계면 처리는 격자면에서 계산값을 그대로 정지좌표계에 입력 값으로 사용하는 방식인 고정회전자 기법(frozenrotor method)을 적용하여 계산을 수행하였으며, 모든 벽면에는 점착조건(no-slip condition)을 적용하였다.

제안 방법

1과 같이 저전압 전동기용 냉각홴의 홴덮개(fan cover)위에 설치된 공기 유입부(inlet vent) 형상이 공력학적 성능에 미치는 영향을 파악하기 위한 연구를 수행하였다. 전동기 냉각홴의 공력성능을 분석하기 위하여 삼차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) 해석을 수행하였으며, 11가지의 냉각홴 입구부 형상에 대해 냉각홴의 공력학적 성능을 비교 평가하였다.
1에 도식화하였다. 선행연구⁽⁸⁾에서 서로 다른 계산영역에 대해 실험값과 수치해석 결과를 비교하였으며, 이 두 결과가 가장 잘 일치하는 경우의 계산영역을 본 계산의 계산영역으로 설정하였다. 유동방향은 z 축의 음의 방향이다.
해석에 사용할 난류모델을 결정하기 위해 Fig. 5와 같이 두 가지 난류모델, 즉 SST 모델과 k-ε 모델을 적용한 유동 해석을 각각 수행하여 해석 결과를 실험치와 비교하였다.
난류모델 테스트 결과는 Fig. 5(a)에 나타난 바와 같이 k-ε 난류모델을 사용한 유동해석 결과가 SST 모델을 사용한 결과와 비교하여 전반적으로 실험 데이터와 더 잘 일치하는 경향을 보였으며, 이를 바탕으로 본 연구에서는 k-ε 난류모델을 해석을 위한 난류 모델로 선정하였다.
난류 모델 테스트를 위하여 벽으로부터 첫 번째 격자의 위치에 대하여 SST 난류모델은 y+ 최대 값을 1 이하로 유지되도록 하여 저레이놀즈수 SST모델이 적용되도록 하였고, k-ε 난류모델을 사용할 경우에는 y+를 20보다 크게 격자계를 구성하여 벽근처에서 실험적인 벽함수(wall function)가 적용되도록 하였다.

대상 데이터

유동방향은 z 축의 음의 방향이다. 계산영역은 입구부 덕트, 전동기용 냉각홴, 그리고 전동기 몸체 등 세 부분으로 구성하였다. 전동기용 냉각홴은 15개의 임펠러 날개를 갖고 임펠러 날개 끝단에서의 회전속도는 21.
5(b)에 나타내었다. 본 연구에서 사용된 실험치는 선행연구(8)에서 얻은 결과이며, 3상 인버터를 이용하여 홴이 일정한 회전수로 회전할 때 전동기 벽면으로부터 수직으로 1.5 cm 떨어진 지점에서 Testo 425 열선풍속계에 의해 측정되었다.
난류모델 시험에서는 저레이놀즈 수 SST모델에 비해 실험치에 보다 접근하는 결과를 보인 k-ε 모델을 본 연구의 난류모델로 선정하였다. 총 11개의 냉각 홴 유입부 형상을 시험하였으며, 이 형상들에 있어 공기가 유입되는 유로의 총 단면적을 일정하게 유지하였다. 성능변수로는 유량계수와토크계수를 사용하였는데 유입부의 형상은 이 두 변수 에 대해 모두 민감한 영향을 미쳤다.

이론/모형

난류모델 시험에서는 저레이놀즈 수 SST모델에 비해 실험치에 보다 접근하는 결과를 보인 k-ε 모델을 본 연구의 난류모델로 선정하였다.
유동해석을 위해 전동기 냉각홴을 통과하는 작동유체는 표준상태의 25℃ 공기로 가정하였으며, 계산 영역의 입구와 출구에는 각각 전압력(total pressure)과 정압력(static pressure) 경계조건을 적용하였다. 회전영역과 고정영역 사이의 경계면 처리는 격자면에서 계산값을 그대로 정지좌표계에 입력 값으로 사용하는 방식인 고정회전자 기법(frozenrotor method)을 적용하여 계산을 수행하였으며, 모든 벽면에는 점착조건(no-slip condition)을 적용하였다. 반복계산은 질량보존방정식의 RMS(root mean square) 잉여값 (residual)이 10E-05 이하가 되었을 때 수렴되었다고 판정하였다.

성능/효과

0739를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 고려한 11개의 형상 중 가장 큰 유량계수 값을 갖는 Case J와 가장 작은 유량계수 값을 갖는 CaseE가 약 15.3%의 큰 유량계수 값 차이를 나타내고 있어 유입부 형상이 유량 계수에 매우 민감한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
0095로 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 이 두 가지 경우에서도 토크계수 값의 차이가 약 11.6%에 달해 유입부 형상은 토크계수에 대 해서도 민감한 영향을 미치는 것으로 확인되었다. Fig.
4330으로 가장 작은 값을 갖는 것을 확인하였다. 이를 통하여, Case B의 유량계수와 토크계수를 종합한 성능이 가장 우수하고, Case E의 경우 유량계수와 토크계수 성능이 가장 낮음을 알 수 있다.
성능변수로는 유량계수와토크계수를 사용하였는데 유입부의 형상은 이 두 변수 에 대해 모두 민감한 영향을 미쳤다. 유량계수 가 가장 큰 Case J의 토크계수는 11개의 형상 중에서 두 번 째로 컸으며, 토크계수가 가장 작은 Case A의 경우 유량계 수가 두 번째로 작은 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 유량계 수가 증가할 때 토크계수도 같이 증가하는 특성을 가지고 있음을 알 수 있었다.
유량계수 가 가장 큰 Case J의 토크계수는 11개의 형상 중에서 두 번 째로 컸으며, 토크계수가 가장 작은 Case A의 경우 유량계 수가 두 번째로 작은 것을 확인할 수 있었다. 이처럼 유량계 수가 증가할 때 토크계수도 같이 증가하는 특성을 가지고 있음을 알 수 있었다. 아울러, 상충되는 유량계수와 토크계수를 종합한 성능을 나타내 주기 위해 정의한 새로운 성능변수 MT를 비교해 본 결과, Case B가 가장 우수한 성능(MT=0.
이처럼 유량계 수가 증가할 때 토크계수도 같이 증가하는 특성을 가지고 있음을 알 수 있었다. 아울러, 상충되는 유량계수와 토크계수를 종합한 성능을 나타내 주기 위해 정의한 새로운 성능변수 MT를 비교해 본 결과, Case B가 가장 우수한 성능(MT=0.4641)을 보이고, Case E가 가장 낮은 성능(MT=0.4330)을 보였다. 공기 유입부 면적이 일정함에도 불구하고 유입부 형상에 따라 유량계수와 토크계수 모두 큰 차이를 보인 것은 유입부 형상이 홴덮개 내부의 유동구조에 민감한 영향을 미쳤기 때문이다.
공기 유입부 면적이 일정함에도 불구하고 유입부 형상에 따라 유량계수와 토크계수 모두 큰 차이를 보인 것은 유입부 형상이 홴덮개 내부의 유동구조에 민감한 영향을 미쳤기 때문이다. 내부 유동장을 비교한 결과, 유량계수가 작은 형상들은 손실을 유발하는 와류와 같은 복잡한 유동구조가 다른 형상들에 비해 많이 발생하는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여, 냉각홴의 공기 유입부 형상은 냉각홴 형상에 못지 않게 전동기의 냉각성능에 영향을 미치는 중요한 인자 임을 알 수 있었다.
내부 유동장을 비교한 결과, 유량계수가 작은 형상들은 손실을 유발하는 와류와 같은 복잡한 유동구조가 다른 형상들에 비해 많이 발생하는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여, 냉각홴의 공기 유입부 형상은 냉각홴 형상에 못지 않게 전동기의 냉각성능에 영향을 미치는 중요한 인자 임을 알 수 있었다. 본 연구결과를 바탕으로 향후 최적설계 기법을 적용하여 유입부의 형상을 최적화하는 연구를 수행 할 수 있을 것으로 기대한다.

후속연구

본 연구를 통하여, 냉각홴의 공기 유입부 형상은 냉각홴 형상에 못지 않게 전동기의 냉각성능에 영향을 미치는 중요한 인자 임을 알 수 있었다. 본 연구결과를 바탕으로 향후 최적설계 기법을 적용하여 유입부의 형상을 최적화하는 연구를 수행 할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도 전동기란 무엇인가?	유도 전동기는 고정자에 교류 전압을 가하여 전자가 유도 됨으로써 회전자에 전류를 흘려 회전력을 생기게 하는 전동 기이며, 취급과 운전이 쉽고 값이 싸며 내구성이 좋기 때문 에 가정이나 공장에서 가장 많이 사용된다. 전동기의 개발은 그 역사를 거슬러 올라가면 100년이 넘으며, 최근에는 자석 과 전기 강판 등의 성능 향상과 각종 반도체 스위칭 소자의 발전에 힘입어 출력은 향상되고 크기와 무게는 감소된 제품 이 개발되고 있다.
	삼차원 수치해석을 통하여 저전압 전동기의 냉각성 능 향상을 위한 연구는 무엇이 있었는가?	최근 컴퓨터 성능의 발전으로 전산유체역학(CFD)을 기반 으로 한 삼차원 수치해석을 통하여 저전압 전동기의 냉각성 능 향상을 위한 연구가 수행되고 있다. Li 등(1)은 마그넷 전동 기의 임펠러 형상 변화에 따른 공력학적 성능에 관한 연구를 수행하였고, Grimes 등(2)은 모터를 냉각시키는 축류 홴의 형 상이 성능에 미치는 영향을 수치해석과 실험을 통해 규명하 고자 하였다. Chang 등(3)은 대형 전동기 덮개 내부에 설치되 어 있는 가이드 베인의 모양과 개수에 따라 유량의 변화를 평가하는 연구를 수행하였다. Farsane 등(4)은 전동기 몸체 부분의 핀 배열에 따른 전동기의 온도 변화 특성을 실험을 통해 조사하였다. Staton 등(5)은 3상 유도전동기의 회전수에 따른 유속 측정 및 열 성능 특성 변화를 분석하기 위한 실험 을 하였고, Staton과 Cavagnino(6)는 전동기에 부착되어 있는 핀 의 배열 및 형상에 따른 열전달 변화를 분석하였다.
	전동기의 소형 경량화로 인해 발생한 문제는 무엇인가?	전동기의 개발은 그 역사를 거슬러 올라가면 100년이 넘으며, 최근에는 자석 과 전기 강판 등의 성능 향상과 각종 반도체 스위칭 소자의 발전에 힘입어 출력은 향상되고 크기와 무게는 감소된 제품 이 개발되고 있다. 이러한 전동기의 소형 경량화로 인하여 전동기 내부와 외부의 온도가 상승하게 되는데 적절한 냉각 이루어지지 않을 경우 전동기의 수명 단축과 효율 저감을 유 발하는 원인이 된다. 이와 같은 이유로 유도 전동기의 성능 을 유지하기 위해서는 냉각홴을 사용한 효과적인 냉각 시스템에 관한 연구가 필요하다.

참고문헌 (9)

Li, H., 2010, "Cooling of a Permanent Magnet Electric Motor with a Centrifugal Impeller," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 53, No. 4, pp. 797-810.

상세보기
Grimes, R., Davies, M., Punch, J., Dalton, T., and Cole, R., 2001, "Modeling Electronic Cooling Axial Fan Flows," Journal of Electronic Packaging, Vol. 123, No. 2, pp. 112-119.

상세보기
Chang, C. C., Kuo, Y. F., Wang, J. C., and Chen, S. L., 2010, "Air Cooling for a Large-Scale Motor," Applied Thermal Engineering, Vol. 30, No. 11, pp. 1360-1368.

상세보기
Farsane, K., Desevaux, P., and Panday, P. K., 2000, "Experimental Study of the Cooling of a Closed type Electric Motor," Applied Thermal Engineering, Vol. 20, No. 14, pp. 1321-1334.

상세보기
Staton, D., Boglietti, A., and Cavagnino, A., 2005, "Solving the More Difficult Aspects of Electric Motor Thermal Analysis in Small and Medium Size Industrial Induction Motors," IEEE Trans. Energy Convers., Vol. 20, No. 3, pp. 620-628.

상세보기
Staton, D. A. and Cavagnino, A., 2006, "Convection Heat Transfer and Flow Calculations Suitable for Analytical Modelling of Electric Machines," IEEE Industrial Electronics Conference, Paris, France, pp. 4841-4846.
ANSYS CFX-15.0, 2014, Ansys inc.
Park, J. M., Heo, M. W., Kim, K. Y., Shim, H. S., Choi, J. U., and Lee, J. Y., 2015, "Aerodynamic Characteristics of a Cooling Fan in a Low-voltage Electric Motor," Proceedings of the Fan 2015 Conference, Lyon, France, 7 Pages.
Dingeldein, R. C., 1954, "Wind-tunnel Studies of the Performance of Multirotor Configurations," NACA TN-3236.

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