하이브리드 차량용 ISG (Integrated Starter Generator) 모터의 열 특성에 관한 수치해석적 연구

Abstract

본 연구는 ISG (Integrated starter generator) 모터 시제품의 형상 및 구동조건, 환경에 따라 변하는 방열성능을 3차원 열유동 해석 장비를 이용하여 분석하였다. 연구 대상 ISG 모터는 로터 코어 양 단에 원심형 냉각팬이 설치되어 냉각 홀을 통해 들어온 외부공기가 코일엔드를 냉각시킨 후 배출되는 강제 공랭식 냉각방식이 적용되었다. 강제 공랭식 냉각방식이 적용된 모터는 외기환경 온도와 회전속도에 따라 온도나 방열특성이 크게 변동하는 특징을 가지고 있어 모터의 열 특성 및 구동 안전성을 평가할 필요가 있다. 본 논문에서 수행한 열유동 해석을 통해 ISG 모터 초기 설계모델의 입·출구 홀의 위치 및 형상을 수정하여 형상개선을 통한 방열성능 개선여부를 분석하였다. 입·출구 홀의 위치를 변경한 ISG 모델은 코일 주변 유동이 발달되면서 코일의 온도가 상승온도를 기준으로 약 8.4% 낮아지는 것으로 예측되었으며, 출구 홀의 각도를 변경한 모델과 출구 홀의 개수를 증가시킨 모델은 상승온도를 기준으로 각각 8.9%, 10.6%의 방열성능 개선효과를 확인하였다. 또한, 일부 개선안이 적용된 ISG 모터 시제품 모델의 외기 환경온도 및 회전속도에 따라 변하는 모터 방열특성을 열유동 해석을 통해 분석하였고, 105℃의 환경조건에서 4500rpm으로 구동될 때 코일의 온도가 189.2℃까지 상승하는 것으로 예측되었다. 고속 약계자 제어와 회전속도와 함께 증가하는 풍량으로 ISG 모터는 고속조건보다 저속조건에서 각 부품의 온도가 높게 나타났다. 발전기뿐만 아니라 시동기로도 운전될 수 있는 ISG 모터 주요 부품의 온도 변화 및 열전달특성을 분석하기 위해 초기 시동구간에서 짧은 시간동안 대전류 인가에 따른 큰 손실이 발생하는 상황을 고려하여 과도 열유동 해석을 수행하였다. 환경온도 및 구동속도에 따른 방열특성 분석과 함께 ISG 모터의 모터 다이나모 성능평가를 수행하였고, 시험평가 측정결과와 해석 검증용 열유동 해석 결과를 비교하여 해석에 사용된 해석모델의 타당성을 검증하였다.| In this study, we carried out a study on the ISG (integrated starter generator) motor that can be vulnerable to thermal issue because it has high power density and is installed close to the IC engine. If the motor is exposed to high environment temperature, it can make the performance and durability decreased by demagnetization and insulation breakdown. So, it is necessary to evaluate the thermal characteristic and improve the cooling performance of ISG motor. We investigated the thermal performance of ISG motor which is modified thermal design such as hole position, hole angle and number of holes. Also, the prototype of ISG motor that is applied cooling structure is analyzed interior temperature variations of the ISG motor with respect to operating parameters for instance rotation speed and environment temperature. And We confirmed the temperature variation during starting operation by transient analysis. The analysis model was verified by the comparison of analysis results and those of experiment.; In this study, we carried out a study on the ISG (integrated starter generator) motor that can be vulnerable to thermal issue because it has high power density and is installed close to the IC engine. If the motor is exposed to high environment temperature, it can make the performance and durability decreased by demagnetization and insulation breakdown. So, it is necessary to evaluate the thermal characteristic and improve the cooling performance of ISG motor. We investigated the thermal performance of ISG motor which is modified thermal design such as hole position, hole angle and number of holes. Also, the prototype of ISG motor that is applied cooling structure is analyzed interior temperature variations of the ISG motor with respect to operating parameters for instance rotation speed and environment temperature. And We confirmed the temperature variation during starting operation by transient analysis. The analysis model was verified by the comparison of analysis results and those of experiment.