 전기자동차용 모터의 내부 형상에 따른
냉각 효과 향상에 관한 전산 열 해석 연구
기존 화석연료 중심의 에너지는 연소 시 이산화탄소와 질소산화물 등 오염물질을 증가시켜 지구의 온난화와 미세먼지 등 심각한 문제를 야기하고 있다. 이 심각한 문제를 해결하고자 세계 각국은 탄소를 규제하는 등 오염물질을 감소시킬 수 있는 방법을 연구하면서 차세대 에너지 개발에 박차를 가하고 있다. 이에 따라 다양한 친환경 에너지 자동차가 활발히 발전하고 있다. 특히 전기자동차의 발전에 따라 여기에 사용되는 견인 전기 모터는 고토크화, 고속화, 고에너지밀도화, 고효율화가 매우 요구된다. 전기자동차용 고밀도 전기 모터를 사용하기 위해서는 적절한 전자기 설계가 중요하지만 출력이 높아지는 만큼 많은 열이 발생하게 되는데, 최근에 전기 모터 내부의 열 방출 능력을 향상시켜 내부 부품을 열로부터 보호하기 위한 많은 최적 냉각 설계가 진행되고 있다. 본 연구에서는 전기자동차에 사용되는 매입형 영구자석 동기 모터를 구동할 때, 모터 내부 냉각성능을 증가시킬 수 있는 전기 모터 모델을 개발하였다.
글 : 장리텐(한양대학교 융합기계공학과 대학원) / 엄석기 지도교수(한양대학교 기계공학부)
출처 : 한양대학교 석사학위 논문
제1장 서론
제1절 연구 목적
지금까지 개발된 대부분의 고효율 전기자동차용 구동 전기 모터 개발은 활발히 진행되고 있지만 전적으로 외국기술을 도입 및 습득하며 개발하여 왔다. 하지만, 현재는 차종 대부분을 고유 모델로 생산하고 있으며, 전기 모터 핵 심부품의 국산화를 이루는 상당한 기술 수준에 도달하였다. 다만 아직까지 생산기술, 조립 기술 등에 의한 생산능력에만 경쟁력을 가지고 있고, 고부가가치 창출이 가능한 보조 구동모터의 설계 기술 및 첨단 제품 기술개발 능력은 선진국에 비해 5~7년 이상 낙후되어 있는 실정이다. 특히 전기자동차 기술 은 최근에 이르러서야 중요성이 대두되었기에 기술적 수준은 선진국에 비해 다소 부족하다. 또한 전기 자동차의 핵심부품인 구동 모터의 설계 및 제작 기술은 선진국 수준에 이르기 위해서는 많은 연구가 필요할 것으로 예상된다.
제2절 연구내용
전기자동차용 고밀도화 전기 모터를 사용하기 위해서는 적절한 전자기 설계가 중요하다. 최근에는 전기 모터 내부의 열 방출 능력을 상승시키기 위한 많은 최적 냉각 설계가 중요시되면서 이에 대한 연구가 보다 적극적으로 이뤄지고 있다. 전기 모터가 구동되면 내부에서 열이 발생하는데, 이 고온은 내부 부품의 특성이나 효율에 영향을 준다. 따라서 적절한 냉각 설계는 전기 모터에 있어 무엇보다 중요한 요소이다.
본 연구에서는 모터 외부에 별도의 추가 장치 없이 로터 자체의 냉각성능을 향상시킬 수 있는 두 가지 방법을 제안하였다.
첫째, 회전자 중공에 각도를 부여한 새로운 형상의 회전자 공극(Screw Holes)을 제시하여 단지 회전자가 회전함으로써 한쪽 방향으로의 기류를 생성시키도록 하였다. 둘째, 회전자 상단의 회전자 중공 바로 옆 부분에 돌기(Protrusions)을 설치하여 회전자 중공 내부의 한쪽 방향으로 유동 기류의 속도를 가속시켰다. 또한 전산해석(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 이용하여 모터 내부의 온도와 작동 변수(회전 속도와 실내 온도) 사이의 관계를 연구 및 분석하였다.
제2장 전산 모델
제1절 연구 대상
본 연구에서는 저속-고 토크에서 고속-저 토크까지 운전 차세대 친환경 파워트레인(Powertrain)으로 제시되고 있는 매입형 영구자석 동기 전기 모터를 대상으로 했다. 고효율, 고내구성, 소형화를 목적으로, 전기 모터 내부의 냉각성능을 분석 및 증가시키기 위한 개발 연구를 진행하였다. 기본 특성을 [표 1]에 제시한다.
 동기 모터는 전원 주파수에 동기화하여 동기 속도로 회전하는 전기 모터이다. 동기 모터는 회전자에 영구자석을 설치하고, 고정자에 다상 권선을 감은 형태의 전기 모터 형태를 띠면서, 회전자에 손실이 거의 없어져서 고효율화, 소형화가 가능해진다. 동작 원리는 회전자계의 발생과 이로 인한 자성체의 흡인 및 반발력으로 설명할 수 있다. 공간적으로 120˚차이를 가진 권선에 3상 대칭 교류 전압을 가하면 각 권선에 대칭의 3상전류가 흐르게 되고, 이로 인해 코어에 기자력이 생기게 된다, 이는 PWM 인버터를 사용하여 구현할 수 있다. 이런 3개의 권선이 만들어 내는 기자력의 합은 한 개의 자석이 회전하며 만들어내는 기자력과 같다고 가정할 수 있다. 따라서 이 자석이 회전을 하면 영구자석으로 이루어진 회전자, 즉 로터가 따라서 같이 회전하게 된다. 이러한 매입형 영구자석 동기 전기 모터는 회전자의 형태에 따라 크게 표면부착형 영구자석 전기 모터 및 매입형 영구자석 전기 모터로 나뉜다.
[그림 1]은 본 논문에서 사용하는 모델링 기본구조이다. 매입형 영구자석 동기 전기 모터 때문에 자석이 로터 내부에 삽입되어 있다. 모델은 안쪽에서 바깥쪽을 향해 회전자 (Shaft, Rotor), 고정자(Stator, Coil)와 하우징이 배치돼 있다. 또한 모델에 적용하는 하우징은 면적이 일정하게 유지되는 단순화 모델을 사용하였다.
 [그림 1] 모터의 분석 모델제2절 해석 가정
수치해석 모델에 적용된 가정을 아래와 같이 정리하였다.
· 3차원 전산 해석을 수행하였다.
· 중력효과를 고려하였다.
· 정상상태(Steady-State)를 고려하였다.
· 물성치는 온도에 따라 변하지 않는다.
· 유체 밀도는 유동에 따라 변하지 않는다.
· 복사열 전달을 고려하지 않는다.
제3장 설계 모델 및 해석 결과
제1절 기준 모델 해석
 [그림 2] 회전 속도 3,000RPM 시의 온도 분포[그림 2]는 회전 속도가 3,000RPM일 때, 모터의 최고 온도가 로터에 324K였으며 [그림 3]은 9,000RPM일 때, 모터의 최고 온도가 377K를 보였다. 3,000RPM과 9,000RPM의 속도로 구동되었을 때, 자석의 온도는 50K 차이를 보였다. 그 이유는 전기 모터가 회전 속도에 따라 각 부품의 발열량 차이가 있기 때문이다. 전기 모터의 회전 속도를 증가시키면서 각 부품의 발열량도 증가하였다. 9,000RPM으로 회전할 때, 3,000RPM보다 로터의 발열량은 약 16배 차이가 있었다.
 [그림 3] 9,000RPM 시의 온도 분포
[그림 4]는 회전 속도에 따란 각 영역(Rotor, Magnet, Stator, Coil)의 최고 온도를 나타낸 그래프이다. 속도를 변화시켜도 고정자 부분의 온도는 크게 변화가 없는 것으로 나타났다. 회전속도를 3,000RPM으로 회전한 경우, 모델을 온도별로 정리하면 Rotor는 324K, Magnet은 324K, Stator는 322K과 Coil은 321K을 나타냈으며, 최고 온도는 로터(324K)와 자석(324K)인 것을 확인하였다. 회전속도가 9,000RPM인 경우 온도별로 정리하면, Rotor는 375K, Magnet은 374K, Stator는 325K, Coil은 325K을 나타냈고, 최고 온도는 로터 375K인 것을 확인하였다.
 [그림 4] 3,000RPM과 9,000RPM 사이의 온도 비교 (100kW IPMSM)제2절 변수 설정
본 논문에서는 전기 모터 내 로터의 형상에 대한 형상 변수를 통하여 전기 모터의 냉각성능을 증가시키기 위하여 전기 모터 내부의 온도 변화를 분석하였다. [그림 5]를 살펴보면, 먼저 회전자 내부에 공극을 적용하였다. 로터 안에 총 8개의 공극이 있으며 각각 회전 각도가 5°로 공극 간 간격은 동일하다. 공극의 각도에 의해 회전자가 시계 방향으로 회전할 때 공극 안에 기류가 하강 기류를 생성하였다. 그리고 회전자 공극에 돌기까지 형상을 추가하였다. 돌기는 총 8개로 공극과 동일한 수로 구성되어 내부 유동 순환 효과를 증대시키기 위해 각각 회전자 공극 옆에 배치해 놓았다. 회전자가 회전할 때 상부에 위치한 돌기를 통하여 유체가 공극 안으로 들어갈 수 있게 설계하였다. 따라서 공극 안으로 이동하는 유체가 전체적으로 잘 순환되어 전기 모터 내부의 고온 유체와 저온 유체가 잘 순환되며 내부 열전달을 높이는 목적으로 설계하였다.
 [그림 5] 로터의 돌기와 공극전산해석을 위한 과정을 크게 세 가지로 분류하여 나열하였다.
첫째, 어느 변수도 적용되지 않은 모델을 기준으로 (Ref. M) 회전자 내부 5°각도의 공극을 적용한 모델(M1)을 열유동 전산 해석을 하였다.
둘째, 공극 변수가 적용된 모델 내부 회전자 상단에 돌기 형상을 적용한 모델(M2)을 전산 해석 후 열 분포를 확인하였다.
셋째, M1의 공극 변수와 M2의 돌기 형상을 혼합 적용한 모델(M3)을 전산 열유동 해석 후 결과를 비교하였다.
제3절 해석 결과 및 토의
[그림 6]과 [그림 7]은 회전자 중공 형상 및 돌기의 유무에 따라 각 영역(Rotor, Magnet, Stator, Coil)의 최고 온도를 나타낸 그래프이다. 회전자 형상을 변경시켜도 고정자 부분의 온도는 크게 변화가 없는 것으로 나타났다. 회전속도를 3,000RPM으로 회전할 경우, 모델을 온도별로 정리하면 Ref. M(324K) > M2(321.7K) > M1(321.5K) > M3(321.0K)으로 나타났다. 공극과 돌기가 동시에 적용된 모델(M3)은 기준 모델링(Ref. M)보다 회전자 온도가 약 2K 낮아진 것을 확인하였다. 회전속도가 9,000RPM인 경우, 온도별로 정리하면 Ref. M(376.0K) > M2(375.2K) > M1(374.8K) > M3(372.0K)을 나타내고, 공극과 돌기가 함께 적용된 모델(M3)은 기준 모델링(Ref.M)보다 회전자 온도가 약 3.3K 낮아진 것을 확인하였다.
 [그림 6] 모터 부품별 온도 분포 (100kW IPMSM@3,000RPM)
 [그림 7] 모터 부품별 온도 분포(100kW IPMSM@9,000RPM)제4장 최적화 설계 및 특성해석 연구
제1절 최적화 설계
[그림 8(a)]는 공극 입구와 출구에 대한 형상을 나타내는 변수이다. 본 연구에 적용된 공극 면적 형상 변수에는 총 4개 형상(사각형, 육각형, 팔각형과 원형)이 있다. 식 (4.1)은 유체역학 유량 공식이다. 공식을 보면 속도(V)가 일정할 때 접촉 면적(A)을 증가하면 공극 내부가 들어가는 유량(Q)도 증가하는 것을 나타낸다. 본 연구에는 이 이론을 이용하여 길이가 같은 경우에 입구와 출구 형상의 변화를 통하여 냉각성능을 상승하도록 최적화 설계를 하였다.
Q = V·A ( 4 .1 )
[그림 8(b)]는 돌기에 대한 형상을 나타내는 변수이다. 전기 모터가 회전하면서 공극으로 들어가는 공기가 증가하기 위한 돌기를 작성하였다. 돌기 강도를 유지하기 위해 돌기의 표면적과 높이를 증가시키면 공극으로 이동하는 유량 외 다른 방향으로 이동하는 유동 형태가 나타나는 것을 확인하였다.
 [그림 8] 최적화 설계 모델을 위한 공극과 돌기의 형상 변수제2절 최적화 설계 및 해석 결과
2.1 최적화 결과
[그림 9]는 최적화 설계 결과이다. [그림 9(a)]는 회전자 내부 공극의 출입구 형상은 최적화 설계로 나타낸 것이다. 공극 [그림 10]을 보면 공극 출입구의 길이 일정하면 사각형의 면적이 원형보다 14㎟ 증가하는 것을 확인할 수 있다.
 [그림 9] 최적화 모델[그림 9(b)]는 회전자 상단 돌기 형상을 최적화 설계로 나타낸 것이다. 돌기의 최적화 설계변수를 측정한 결과, 최적화 돌기의 높이가 기준 돌기보다 h1가 0.4㎜로 증가하고 h2가 2.4㎜로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 두께는 기준 돌기보다 1㎜로 감소하였다. 제적이 일정한 경우에는 최적화 돌기의 표면적은 기준 돌기에 비하여 49㎟ 증가하는 것을 관찰하였다.
 [그림 10] 공극 출입구 형상에 따른 면적 차이점2.2 해석 결과 및 토의
[그림 11]과 [그림 12]는 기준 모델과 최적화 모델에는 회전자 공극 형상 및 돌기의 유무에 따란 각 영역(Rotor, Magnet, Stator, Coil)의 최고 온도를 나타낸 그래프이다. 최적화 회전자 형상을 변경시켜도 고정자 부분의 온도는 크게 변화가 없는 것을 볼 수 있다. 회전속도를 3,000RPM으로 회전할 경우 모델을 온도별로 정리하면 Ref. M(324.0K) > M2(321.7K) > M1(32 1.5K) >M2N(321.2K) > M3(321.0K) = M1N(321.0K) > M3N(320.5K)을 나타내고, 최적화 공극과 돌기가 함께 적용된 모델(M3N)은 기준 모델링(Ref. M)보다 회전자 온도가 약 3.5K 낮아지는 것을 확인하였다. 회전속도가 9,000RPM인 경우 온도별로 정리하면 Ref. M(376.0K) > M2(375.2K) > M1(374.8K) > M2(373.2K) > M1N(373.0K) > M3N(372.0K) > M3N(369.5K)을 나타내고, 공극과 돌기가 함께 적용된 모델(M3N)은 기준 모델링(Ref. M)보다 회전자 온도가 약 5.5K 낮아진 것을 확인하였다.
 [그림 11] 기준 모델과 최적화 모델의 모터 부품별 온도 분포(100kW IPMSM@3,000RPM)
 [그림 12] 기준 모델과 최적화 모델의 모터 부품별 온도 분포(100kW IPMSM@9,000RPM)제5장 결론
본 논문의 연구대상인 매입형 영구자석 동기 전기 모터는 전기자동차용 구동 모터로 사용하기 위해 기하학적 변수가 적용된 모델이다. 회전 속도를 변경하여 사용할 수 있도록 회전자의 형상을 바꾸고 이를 최적화 설계하여 회전자 내부 공극과 상단의 돌기 형상을 연구하였다.
본 논문에서는 현재 공업용으로 사용되고 있는 매입형 영구자석 동기 전기 모터 회전자로 형상을 수정하여 목적함수를 정하고 변수를 변화시켜 설계하였다. 이후 두 종류의 회전자 형상모델을 전산해석 프로그램으로 분석하고 비교해 보았다.
기본 모델과 최적화 모델의 운전 영역에서의 유동 해석과 열 해석을 통하여 유도 전기 모터의 고정자와 회전자의 온도특성을 분석하였다. 전기자동차에서 사용하는 전기 모터가 냉각성능을 상승시키며 운전구간을 늘리도록 설계하였다. 그 결과를 보면, 회전자 내부의 공극 출입구를 사각형으로 하고 회전자 상단 돌기의 높이는 2.4㎜와 9.4㎜, 두께는 3㎜, 표면적은 194㎣로 설계하면, 최적화 냉각성능과 운전구간이 늘어나는 것을 확인하였다. 열 해석을 통하여 전기 모터 온도는 저속도 구간에서 최고온도가 기준 모델에 비하여 3.5K이 낮아지고, 고속도 구간에서 약 5.5K이 낮아진 것으로 분석되었다. 전기 모터의 내부온도는 상승 시 권선절연의 수명은 반으로, 모터의 수명은 줄어드는 것으로 알려져 있다. 본 연구 최적설계로 모터의 냉각 성능이 증가하여 모터의 수명은 늘어났다고 말할 수 있다.
결론적으로 기존에 사용되고 있는 전기 모터를 회전자 형상의 변화만으로도 바꿀 수 있는 특성의 변화를 보여주었으며, 또한 최적설계를 통하여 전기 모터의 특성, 온도 등의 결과를 제시하였다. 특히 온도에 따라 수명의 영향이 큰 전동기를 전기적 특성 해석뿐만 아니라 열 해석도 병행해야 한다는 것을 보여주었다. 전기자동차용으로 사용되는 전기 모터는 영구자석모터에 비하여 크기가 약점으로 지목되고 있으므로, 앞으로 전기 모터의 소형화 및 최적 냉각에 대한 연구는 지속될 것이다. 본 연구의 결과는 모터 내부 형상의 설계 최적화 및 냉각성능 상승에 대한 도움을 주게 될 것으로 기대된다.
※ 본 논문은 요약본으로, 보다 자세한 내용은 한양대학교 기계공학부에 문의해 확인할 수 있다.
<Energy News>
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