FEM-FVM 연성해석을 이용한 xEV용 PE시스템 열유동 수치해석

Abstract

최근 자동차 산업은 지속적으로 강화되는 환경 규제에 발맞춰, 전기자동차의 연구가 활발히 진행되고 있다. 전기 자동차의 핵심 부품 중 하나인 전기모터는 고출력, 소형화 연구가 진행되고 있다. 전기자동차용 traction motor는 시장의 고출력 요구로 인해 증가한 전기에너지 손실 및 소형화와 같은 원인으로 발열 문제가 대두되고 있다. 이 같은 전기 자동차용 traction motor의 발열문제는 모터를 고온에 환경에 놓이게 하고, 그 결과 모터의 성능이 감소한다. 이는 traction motor의 열유체-전자기장 결합효과로 인해 온도상승에 따라 모터의 손실이 증가하고 영구자석의 잔류자속밀도가 감소하기 때문이다. 이 같은 이유로, traction motor의 적절한 냉각 최적설계는 열-유체의 동적 거동뿐만 아니라, 전자기 손실 및 효율을 정확하게 분석해야 하는 multi-physics 문제이다. 본 논문에서 기존에 열유체-전자기장 결합효과를 고려한 연성해석 기법을 검증하고, 해석결과를 모터제원과 비교하여 타당성을 확보한다. 먼저, 열유체-전자기장 연성해석을 구현하기 위해 각 해석에 특화된 solver package를 사용하며, 서로의 해석결과를 MPI(message passing interface)방식을 사용해 서로 공유하며 진행한다. 이후, 구현된 연성해석 결과를 검증하기 위해, 3kW IPMSM에 적용해 비연성해석, 연성해석, 모터제원의 해석결과를 차례로 비교하였다. 또한, 연성해석에 사용되는 시간이 길다는 단점을 해결하기 위해 열유체-전자기장의 시간 간격에 관한 연구를 진행하였다. 연성해석, 비연성해석의 토크는 모터제원과 각각 약 4.5%, 11% 차이를 확인할 수 있었으며, 연성해석이 더욱 높은 정확도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 연성해석을 최적화 하여 해석 시간을 약 90% 감소시켰고, 정확도는 동등한 수준의 결과를 얻을 수 있었다. | Due to the recently introduced environmental regulations in the automobile industry, research into electric vehicles have significantly increased. Electric motors, one of the core components of electric vehicles, are therefore being designed to have higher power density, more compact design and lighter weight. Due to the increased losses, however, compact and light-weight traction motors for electric vehicles are being limited by the internal heat generation. High temperature environments can result in reduce motor performance due to, the coupling between thermofluidics and electromagnetic field within the motor. For this reason, traction motor cooling is a multi-physics problem that requires a coupled analysis of the electromagnetic as well as the thermofluid to ensure an accurate assessment of the overall loss. In this paper, the thermofluidics and the electromagnetic field has been solved simultaneously, The results were validated against an actual electric motor specification. Comparison between two analysis techniques are presented based on an actual 3kW IPMSM specification; a sequential solution using two uncoupled solvers, and the coupled solver presented in this study. In addition, a study was conducted to reduce the calculation time of the coupled analysis technique. The results showed that calculation time can be reduced by 1100% by optimizing the solver based on the time scales of the two main physical phenomena: electromagnetic and thermofluidics.