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문제 정의
- 3차년도 전동식 워터펌프 설계에 있어서는 2차년도 시제품에 대한 안정성 향상을 위한 각 부분별 개선에 초점을 맞추고 진행하였다. 향후 신뢰성 시험 진행 및 Down Sizing, Down Weight를 목표로 진행할 예정이다.
제안 방법
- Hall Sensor 용 PCB 의 절연 저항 개선을 위해 Hall Sensor PCB 와 Housing 사이 Insulator를 추가 하였다. 그결과 절연저항이 0.
- 유한요소 해석으로부터 장하분배법으로 기초 설계된 전동기의 제반 파라미터를 추출하고 전동기의 구동 성능을 예측하여 전동기의 설계 조건을 만족할 때까지 동일한 과정을 반복한다. 그리고 자성 재료의 특성을 반영한 비선형 해석으로부터 고정자 또는 회전자의 요크와 치에서의 포화 상태를 확인하고 만족되지 않는 경우 치수를 변경하였다.
- 메인 전원 소스가 240V ~ 460V의 고전압이 입력되므로 ECU 안정성 향상을 위하여 전원부 및 제어부의 분리 설계가 필요하다. 그리하여 SMPS 부분과 Micom 제어 부분의 분리 설계하였다.
- 전동식 워터펌프의 성능 향상을 위하여 BLDC모터의 ROTOR & STATOR Part를 냉각수 유동의 내부에 배치하여 냉각수에 의한 강제 냉각이 가능하도록 설계함으로써 최상의 효율을 구현하고 Impeller Size 증가를 통한 유량 및 압력을 증대하였다. 냉각수 출구측의 유동 안정화를 실현하기 위해 GUIDE VANE을 적용하여 입구에서 유입되는 냉각수의 와류현상을 최소화 하여 안정적인 유동이 가능하도록 설계 하였으며 워터펌프의 회전부와 정지부 사이의 최상의 SEALING을 구현하기 위해 일체형 MECHANICAL SEAL을 채용함으로써 내구성을 확보 하였다.
- 노이즈 성분으로 인한 CAN 통신시 이상 신호가 발생한다. 노이즈 성분의 간섭을 없애기 위해 캔 통신 방식을 포토커플러를 통한 방식으로 변경하였다.
- Controller의 안정성 향상을 위하여 몇가지의 개선을 진행하였다. 먼저 제어기의 방열 성능 향상을 위하여 제어기 Cover와 PCB를 분리하였다. 그리고 PCB용 방열판을 장착하였다.
- 모터의 성능을 향상시키기 위해서 전자기장 재해석 수행을 통한 최적화 및 , 기구부의 Stator 및 Rotor의 Size를 확대하였다. 모터의 전자기장 해석을 실시한 결과 최고의 효율을 나타내는 회전수가 5000 RPM일 때 92%로 나타났으며 이를 근거로 워터펌프의 전체 효율을 최대화하기 위해 워터펌프 회전수 설계에 반영하였다.
- 모터의 성능을 향상시키기 위해서 전자기장 재해석 수행을 통한 최적화 및 , 기구부의 Stator 및 Rotor의 Size를 확대하였다. 모터의 전자기장 해석을 실시한 결과 최고의 효율을 나타내는 회전수가 5000 RPM일 때 92%로 나타났으며 이를 근거로 워터펌프의 전체 효율을 최대화하기 위해 워터펌프 회전수 설계에 반영하였다. Fig.
- 본 연구에서는 원심식 축류 펌프를 적용하였다. 원심 펌프는 한 개 또는 여러 개의 임펠러를 밀폐된 케이싱 내에서 회전시킴으로써 발생하는 원심력을 이용하여 액체의 펌프 작용, 즉 액체의 수송 작용을 하거나 압력을 발생시키는 펌프를 말한다.
- 현재 시제품에 적용된 Guide Vane의 유동해석 조건 및 결과는 아래와 같다. 유동해석을 통해 유로의 저항과 회전하며 지나가는 유체의 형상을 해석을 통하여 파악한 후 베인의 형상 및 각도 등을 설계에 반영하였다.
- 10과 같다. 이는 펌프와 제어기간 와이어가 필요 없으며 내부에 커넥터를 삽입하여 펌프 브라켓과 제어기간 조립성이 용이하도록 설계하였다.
- 전동기의 여러 가지 설계방법 중에서 전기장하와 자기장하를 적절히 안배하여 설계하는 장하분 배법에 의하여 초기설계를 수행하였다. 자기장하와 전기장하를 적절히 안배하여 사양으로부터 한 극당 자속과 유효 직렬 턴 수를 계산하고 전동기 제반 치수를 구한 후, 특성이 만족되지 않으면 장하비를 변경시켜 나가는 방법을 사용하여 대략적인 전동기의 치수를 결정한 다음, 유한요소법을 이용하여 상세 설계를 진행하였다.
- 전동식 워터펌프의 성능 향상을 위하여 BLDC모터의 ROTOR & STATOR Part를 냉각수 유동의 내부에 배치하여 냉각수에 의한 강제 냉각이 가능하도록 설계함으로써 최상의 효율을 구현하고 Impeller Size 증가를 통한 유량 및 압력을 증대하였다.
- 6는 CAN 통신으로 제어를 구현하는 제어기 로직으로 이를 기본으로 알고리즘을 구성하였다. 제어 소자는 Program IC를 사용하여 사용자가 원하는 사양의 대응에 유리하도록 설계하였다. 메인 전원 소스가 240V ~ 460V의 고전압이 입력되므로 ECU 안정성 향상을 위하여 전원부 및 제어부의 분리 설계가 필요하다.
- 9의 최종 형상 설계 진행하였다. 차량 Layout에 근거하여 외곽 형상 결정 후 본 과제의 버스용 전동식 워터펌프는 고유량에 유리한 축류식 펌프 타입으로 설계 하였다.
- 형상 설계 완료 후 시제품 제작을 진행하였다. Pump부 및 제어부 일체형 Type으로 Fig.
이론/모형
- 전동기의 여러 가지 설계방법 중에서 전기장하와 자기장하를 적절히 안배하여 설계하는 장하분 배법에 의하여 초기설계를 수행하였다. 자기장하와 전기장하를 적절히 안배하여 사양으로부터 한 극당 자속과 유효 직렬 턴 수를 계산하고 전동기 제반 치수를 구한 후, 특성이 만족되지 않으면 장하비를 변경시켜 나가는 방법을 사용하여 대략적인 전동기의 치수를 결정한 다음, 유한요소법을 이용하여 상세 설계를 진행하였다.
성능/효과
- Guide Vane 해석 결과는 임펠러 회전수 : 5000rpm, 토크 [Nm] : 1.47, 유량 [LPM] : 200, 전압 [Pa] : 163,991, 양정 [m]: 17.193, 효율 [%] : 71.05 이다. Spec 조건인 유량 200LPM에서의 결과는 양정 17.
- 05 이다. Spec 조건인 유량 200LPM에서의 결과는 양정 17.19 mAq 이고 효율 71.01 % 로 해석 되었다.
- 그리고 PCB용 방열판을 장착하였다. 그결과 PCB 장착 Cover 표면 온도 측정 결과 15℃ 정도 온도가 감소함을 확인하였다.
- 5는 BLDC Motor 시제품 성능 그래프이다. 성능 시험결과 5000rpm으로 회전시 최대 효율이 90%정도 나타났으며 20kgf.cm에서는 80%의 효율을 나타내고 있다. 해석 결과는 전동기의 여로 손실 요소의 고려가 힘든 점을 감안하여 10%정도의 오차가 발생한 것으로 보이는 것으로 판단된다.
- 시제품 시험 결과는 4000RPM 구동시 목표 사양과 동일한 200LPM, 1.8bar, 효율 50%의 만족하는 결과를 얻었다.
- cm에서는 80%의 효율을 나타내고 있다. 해석 결과는 전동기의 여로 손실 요소의 고려가 힘든 점을 감안하여 10%정도의 오차가 발생한 것으로 보이는 것으로 판단된다.
후속연구
- 3차년도 전동식 워터펌프 설계에 있어서는 2차년도 시제품에 대한 안정성 향상을 위한 각 부분별 개선에 초점을 맞추고 진행하였다. 향후 신뢰성 시험 진행 및 Down Sizing, Down Weight를 목표로 진행할 예정이다.
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