냉각 시스템을 고려한 IPM 전동기 열등가회로

Abstract

본 논문은 친환경 자동차 구동용 수냉식 IPM 전동기에 열등가회로를 적용하여 온도 예측하는 방법을 제시하였다. 친환경 자동차의 등장 배경은 석유 자원의 가격 및 공급 불안정성에서 기인한다. 석유 자원의 유한성으로 인해 산유국의 석유자원 무기화 및 정치 분쟁 등으로 인한 공급 불안정성이 야기되고 이와 맞물려 세계 에너지 수요 증가로 가격 급격히 상승하는 등 불안정해 졌다. 유가 상승은 대체 에너지를 이용하여 구동하는 자동차의 필요성이 커짐에 따라 본격적으로 연구 개발 되기 시작하였다. 또한 각 국의 환경 규제 강화로 인해 친환경차 판매가 의무화 되면서 친환경차 시장이 급격히 성장하였다. 친환경 자동차 시장의 성장으로 경쟁이 점차 심화됨에 따라 고성능 친환경차 개발로 경쟁력을 올릴 필요성이 생겼다. 자동차는 공간이 제한적이고 연비로 인해 모터 무게에 제약을 받기 때문에 부피에 제약이 있다. 따라서 고성능을 위해 출력을 높이면 출력 밀도가 올라 갈 수 밖에 없다. 제한된 공간의 출력 밀도가 증가는 동손, 철손, 영구자석 와전류손 등의 손실 밀도가 증가하게 되어 발열량이 커지게 된다. 이는 코일 절연 파괴 등의 문제점을 야기시킨다. 따라서 모터의 열 특성을 반영한 설계가 매우 중요해졌다. 그러나 기존의 CFD를 이용한 열 해석은 시간이 1달 정도 소요되어 설계 시 반영하기 힘들다. 따라서 이런 단점을 보완할 수 있는 해석 모델이 필요하게 되었다. 본 논문은 열등가회로를 이용한 모터 열 해석을 제안하였다. 열등가회로는 열 시스템과 전기 시스템의 상사성을 이용하여 모터 열 구조를 전기 회로로 바꾸어 빠르게 해석 할 수 있는 장점이 있다. 모터는 hollow cylinder 형상을 기본으로 하고 있기 때문에 Mellor thermal network 모델을 이용하여 전반적인 모터 열 저항 모델을 구성 하였다. 그리고 나머지 세부적인 부분은 형상을 고려한 열 저항 모델을 만들어 저항 소자를 이용하여 회로를 만들었다. 그리고 손실은 열원으로 작용하는데 이는 전류원으로 회로를 구성한다. 동손은 수식을 이용하여 산정하고, 철손과 와전류손은 FEM을 이용하여 산정한다. 또한 열용량은 커패시터 소자를 이용하여 회로를 구성하였다. 실험 온도를 구성한 열등가회로의 열 해석 결과와 상용 프로그램의 코일 부 해석 온도를 각각 비교하여 열등가회로의 유용성을 검증해보았다. 실험 온도결과와 열등가회로와의 오차는 CFD의 오차는 13%로 나왔다. 반면 실험 온도와 CFD 의 오차는 18%로 오히려 열등가회로의 정확도가 높았다. 뿐만 아니라 모터 열 해석 전용 프로그램인 Motor Cad 와의 결과는 0.2도 차이로 거의 일치함을 확인하였다. 이를 통해 구성한 열등가회로의 유용성이 입증되었다. 이 열등가회로의 해석 시간은 1분 내외 이므로 초기 설계 단계에서 설계변수에 따른 모터의 코일 부 온도를 고려한 설계를 할 수 있다. 뿐만 아니라 냉각 설계 시 냉각 성능 변화에 따른 온도 변화를 직관적으로 알기 힘들어 냉각 효율이 떨어 질 수 있다. 열등가회로를 이용하면 대략적으로 몇도 정도의 변화가 생기는지 알 수 있으므로 모터 냉각 효율을 최대한 높이는 설계가 가능해진다. 따라서 앞으로 열등가회로가 모터의 열 특성과 전자기 특성을 반영한 최적화된 모터 설계가 가능해지도록 큰 기여를 할 것으로 기대된다.