ABSTRACT
Propulsion motors are vital components in marine propulsion systems and industrial machinery, where high torque and operational reliability are paramount. During operation, high-power propulsion motors generate considerable heat, which can adversely affect efficiency, durability, and stability. Therefore, an effective thermal management system is necessary to maintain optimal performance and ensure long-term reliability. Cooling technologies, such as water jackets, are commonly employed to regulate temperature distribution, prevent localized overheating, and preserve insulation integrity under high-power conditions. This paper examines the cooling performance of water jackets for high-power propulsion motors through numerical analysis. We evaluated the effects of three different cooling pipe locations and varying coolant flow rates on thermal balance and cooling efficiency. Additionally, we analyzed temperature variations in the windings and key heat-generating components to determine if a specific cooling flow rate and pipe configuration can effectively keep the winding insulation (Class H) within its 180oC limit. The findings of this study highlight the significance of optimized cooling system design and contribute to the development of efficient thermal management technologies, ultimately enhancing motor reliability, operational stability, and energy efficiency.
-
KEYWORDS: Propulsion motor, Computational fluid dynamics, Heat transfer, Cooling structure, Cooling performance
-
KEYWORDS: 전동기, 전산유체역학, 열전달, 냉각구조, 냉각성능
1. 서론
전기적, 기계적, 구조적 등 다양한 기술을 복합적으로 적용하는 전동기는 선박, 항공, 우주, 자율 주행 차량, 방위, 스마트 팩토리 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다
[1]. 전동기의 전기적 측면에서는 전력 밀도, 토크 등의 전기적 성능을 향상시키는 것이 계속 연구되고 있고, 기계적 측면에서는 손실에 따른 권선에 발생되는 발열을 감소 및 제어하는 열 관리(냉각 시스템)이 연구되고 있다
[2]. 전동기는 작동 중에 발생하는 권선 부품의 온도가 10
oC 증가하면 절연물의 수명이 절반으로 감소하는 영향이 있고, 절연물 손상에 의한 전동기의 고장이 약 37%에 이르기 때문에 전동기 냉각에 대한 연구와 냉각기술이 중요하다
[3,
4]. 전동기에 냉각기술을 적용하여 권선의 발열을 감소시키면, 권선의 전기 저항이 감소하고, 전류 밀도에 대한 구리 손실이 낮아져서 전동기의 효율이 향상되기 때문에 권선 온도를 관리하는 것이 필수적이다
[5]. 전동기의 발열을 효율적으로 방출시키기 위한 열 관리는 방식은 공랭
[6], 수냉
[7], 오일 냉각
[8], 냉매 냉각
[9], 하이브리드 냉각 방식
[10]이 있으며, 다양한 냉각 방식으로 전동기의 열 관리를 위해 적합한 방식을 적용하면 전동기 신뢰성, 안정성 및 고효율화가 가능한 연구개발이 가능하다.
전동기 손실로 인한 열 발생은 전동기의 성능과 효율에 직접적인 영향을 미치므로, 이에 대한 열전달 특성 및 열관리 방식을 분석하여 고성능·고효율화를 달성하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 전기자동차용 전동기의 냉각 성능 향상을 위한 하우징 내부에 냉각 채널 재질 및 형상에 관한 연구들을 수치해석으로 분석하였다
[11-
14]. 방열 핀, 메탈 하이브리드 소재, 핀-휜 와류 발생기 등 다양한 설계 요소를 활용하여 냉각 성능 향상 가능성을 검토하였으며, 채널 형상 변화와 재질 특성이 전동기의 열 관리에 미치는 영향을 평가하였다. 이러한 연구들은 전기자동차 전동기의 효율성과 열 안정성을 높이기 위한 설계 방향을 제시하였다. Wu 등은
[15] Fluent를 사용하여 고출력 밀도를 갖는 영구자석 모터의 높은 손실에 의한 열을 냉각하기 위해 워터 자켓의 형상에 대해서 연구하였으며, 워터자켓의 채널의 수, 직경, 입구 속도가 평균 대류 계수에 미치는 영향과 압력 손실 등의 상관관계를 규명하였다. Park 등은
[16] 주 열원 권선 냉각을 위한 고정자 개방형 슬롯 냉각과 워터 자켓 냉각을 연구하였다. 그 결과, 고정자 개방형 슬롯 냉각이 워터 자켓 냉각 방식보다 높은 전류 밀도와 토크, 출력 성능 등이 높았으며, 고속도로 운전 조건에 대한 과도 열해석에서 낮은 최대 온도를 나타내는 것을 분석하였다.
본 연구에서 고려한 PCD (Pitch Circle Diameter)와 냉각 유량 중, PCD는 고정자의 구조적 형상과 냉각 유로의 배치를 결정짓는 핵심 설계 인자로서 전체 냉각 성능의 기준을 형성한다. PCD는 냉각 채널의 길이, 열전달 면적 등에 직접적인 영향을 미치며, 물리적 공간 제약과 성능 요구 조건을 동시에 만족시켜야 하는 구조 설계의 출발점이 된다. 따라서 PCD의 설정은 후속 냉각 구조나 유속 조건을 정의하는 기반이 되며, 적절한 PCD 없이 냉각 성능을 개선하기 위한 어떠한 설계 보완도 효과적으로 작동하기 어렵다. 또한, 냉각 유량은 열전달 성능에 직접적인 영향을 미치는 유체역학적 변수로, 냉각 시스템의 실질적인 작동 효율을 결정짓는 요소이다. 냉각 유량이 충분하지 않으면, 유체 물성이 우수하거나 냉각 경로가 최적화되었다 하더라도 권선에서 발생하는 발열을 효과적으로 제거하기 어렵다. 이는 냉각 시스템의 효율이 결국 단위 시간당 얼마나 많은 열을 제거할 수 있는지에 의해 결정된다는 점에서, 냉각 유량 역시 매우 중요한 변수임을 의미한다. 따라서 본 연구에서는 PCD와 냉각 유량을 전동기 열관리에서 가장 우선적으로 고려해야 할 주요 설계 변수로 설정하였다. 이러한 설계 체계는 복합 열유동 조건에서도 신뢰성 있는 냉각 성능을 확보할 수 있는 효과적인 열관리 전략으로 판단된다.
기존의 연구에서 전동기의 전기적 성능에 영향을 고려하여 전동기의 하우징에 냉각 채널을 적용하여 연구하는 것이 많이 진행되었다. 본 연구는 전동기의 냉각 성능을 향상시키기 위해 하우징이 아닌 고정자(Yoke)에 채널을 설계하여 냉각 채널 위치 PCD와 냉각 유량에 따른 냉각 성능 차이를 Ansys Fluent를 이용해서 수치해석적으로 분석하였다. 연구 결과를 바탕으로 고정자의 냉각 채널 위치와 유량에 따른 냉각 성능과의 상관관계를 분석하여 냉각 성능이 향상되는 구조에 설계 데이터 기반을 확보하는 것이 목표이다.
2. 설계 모델 및 수치해석
2.1 설계 모델
Fig. 1은 본 연구에서의 사용된 전동기의 형상을 나타냈으며, 전체 형상(360
o)에서 수치해석과 결과 분석의 효율성을 위해 일부 형상(60
o)으로 설계하여 연구를 진행하였다. 전동기는 36P 432S 구조와 권선, 고정자[치(Teeth), 요크(Yoke) 1, 2]로 설계되어 있고, 냉각 파이프는 50 A의 규격으로 Back Yoke 1과 2에 삽입되는 형태로 설계하였다. 그 외 전동기의 설계 사양에 대해서는
Table 1에 나타냈다.
Fig. 1Configuration of a high-power motor: nomenclature and specifications of components
Table 1Dimensional characteristics and configurations of high-power motors
Table 1
|
Characteristics |
Value [mm] |
|
a. Stator outer diameter |
4100 |
|
b. Stator inner diameter |
3270 |
|
c. Back yoke 1 |
N/A (confidential) |
|
d. Back yoke 2 |
N/A (confidential) |
|
e. Stack length |
N/A (confidential) |
|
f. PCD |
3950, 3850, 3750 |
냉각 성능의 변수가 되는 PCD (Pipe Center Diameter)는 냉각 파이프가 전동기의 원점으로부터의 거리를 의미한다. 본 연구에서는 PCD는 100 mm 차이를 바탕으로 반복적인 곡관의 형상을 3가지 구조(3950, 3850, 3750)로 설계하여 연구를 진행하였다. 유동해석은 실제 형상에서 PCD에 따른 냉각 성능과 냉각 유량((a)0.13855, (b) 0.69275, (c) 1.3855 kg/s)을 변수로 적용하여 냉각 성능을 정량적으로 파악하여 분석하였다.
본 연구의 수치해석 모델에서 적용된 전동기의 부품 물성치를
Table 2에 나타냈다. 고출력 전동기의 슬롯 내부의 권선의 열적 거동은 복잡하여, 권선과 고정자 코어 사이의 열전도도 값을 쉽게 정의하기가 어렵다. 그리하여, 권선의 단순화된 구조와 권선 함침 및 절연의 동등한 열전도도를 사용하는 것이 필요하다. 본 연구에서 사용된 권선의 구조와 단순화된 모델을 이용하여 등가 열전도 모델을 구현하는 방법을 그림을
Fig. 2에 나타냈으며
[17], 이 방법을 통해 등가 열전도도를
식(1)로 계산할 수 있다.
Table 2Properties of high-power motor material
Table 2
|
Winding |
Stator |
Pipe |
|
C1100 |
35H210 |
C70600
(Cu-Ni 9:1) |
Density
[kg/m3] |
8940 |
7710 |
8900 |
Specific heat
[J/kg·k] |
390 |
425 |
3700 |
Thermal Conductivity
[W/m·k] |
A: 333.05
R/T: 2.47 |
A: 2.04
R/T: 22.52 |
50 |
Fig. 2Configuration and equivalent of the winding. (a) Configuration of the slot winding and (b) Equivalent model of slot winding
여기서
δi (
i = 1, 2, 3, 4)는 각각 슬롯의 함침재, 바니시, 주 절연, 턴간 절연, 충전 스트립의 두께이며,
λi는 해당 절연재의 각각 열전도도이다. 슬롯 내부의 열전달 모델의 복잡성을 고려하여 등가열전도도 값과 권선의 Fill Slot Rate 값으로 권선 열전도도의 축 방향과 반경 방향에 대한 값을 계산하고
[18], 고정자의 Stacking Factor 값과 등가 열전도도 값으로 고정자 열전도도의 축 방향과 반경 방향에 대한 값을 계산하여 적용하였다
[19].
본 연구에서의 유동 해석 조건은 열전달과 유체의 유동 해석을 위하여 운동량 보존 법칙, 질량 보존 법칙, 에너지 보존 법칙을 Ansys FLUENT V24.1을 활용하여 비압축성 정상상태로 수치해석을 진행하였다. PCD와 냉각 유량에 따른 유동 해석을 유체에 따라 수치적으로 계산하기 위해
연속방정식(2), 운동량 보존
방정식(3), 비압축성 에너지
방정식(4)을 사용하여 수치해석을 진행하였다. 고출력 전동기 냉각에 필요한 유량에 따른 유동 특성은
식(5)를 통해서 가장 낮은 유량에서 레이놀즈 수가 4844으로 계산되어 난류 유동으로 판단하였으며, 난류 해석의 방법은 정확성과 벽면에서 유동 해석을 집중적으로 향상시켜 계산하기 위해서 k-omega SST 모델을 사용하였다.
전동기의 발열은 전기적 손실과 기계적 손실에서 발생되며, 전기적 손실은 권선에서 Joule 법칙에 의해 동손(Copper Loss)이 발생되고, 회전자와 고정자에서 자계의 변화에 발생하는 철손(Iron Loss)과 히스테리시스 손, 기계적 손실 등이 있다
[20]. 손실에 의해 발생되는 열은 전동기의 성능 및 수명을 저하시키기 때문에 열관리에 대한 연구로 개선시키는 것이 중요하다.
본 연구에서의 전동기 성능은 효율이 99%일 때, 손실 1%에 대한 발열량을 각 요소별 권선에서만 발생하는 동손과 고정자에서 발생되는 철손에 의한 발열량을 계산하여
Table 3에 나타냈다. 함정용 추진 전동기에는 일반적으로 폐회로형 냉각 시스템을 적용하며, 냉각 유체로는 냉각수(청수)가 사용된다. 전동기의 작동 중 발생하는 열은 냉각수와의 열교환을 통해 제거되며, 이 과정에서 청수의 온도가 상승하게 된다. 청수를 직접 냉각하기 위한 추가적인 유체 탱크를 함정 내에 설치하는 것은 중량적으로 무게가 증가하기 때문에, 청수의 온도 저감을 위해 외부 해수를 열교환기로 유입시켜 청수와 간접 열교환을 수행하는 방식을 사용한다. 본 연구에서는 해수와 열교환 된 청수의 온도를 37
oC로 가정하여 해석을 진행하였다. 냉각 유량은 H사에서 개발하는 함정용 추진 전동기에 적용되는 냉각 유량 범위를 고려하여 적용하였다.
Table 3Properties of high-power motor material
Table 3
|
Efficiency 99% |
P.C.D 3950 |
P.C.D 3850 |
P.C.D 3750 |
|
Heat generation rate |
[kW/m3] |
|
Winding |
100% |
68.32 |
|
Teeth |
80.2% |
46.27 |
|
Back yoke 1 |
19.3% |
6.556 |
6.968 |
|
Back yoke 2 |
0.5% |
0.393 |
0.345 |
전동기는 출력에 따른 절연 등급이 있으며, 절연 재료가 장기간 견딜 수 있는 최고 허용 온도를 의미한다. 본 연구의 전동기 절연 등급은 Class H이며, 해당 부품이 연속 운전시 최대 180oC 까지 견딜 수 있는 절연 성능을 갖는다. 권선의 온도가 이를 초과시 절연 재료의 열화가 가속되고 수명이 급격히 단축될 수 있으며, 장기적으로 절연 파괴에 따른 전기적 고장 및 시스템 신뢰성 저하로 이어질 수 있다. 냉각 파이프에 의한 냉각 성능 차이를 분석하기 위해 단열조건을 적용하였다. SIMPLE Scheme은 유체 유동 해석에서 압력과 속도 사이의 결합(Pressure-velocity Coupling)을 해결하기 위한 대표적인 계산 기법으로, 반복적 예측-보정 방식(Predictor-corrector Method)에 기반하며, 해당 방식은 안정성과 계산 효율성 측면에서 가장 많이 사용된다. 수치해석의 정확도를 위해 압력, 모멘텀 그리고 에너지 방정식을 2차 Upwind 차분 기법을 설정하였다.
Fig. 3은 수치해석에서 격자 설계와 격자 수에 따른 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 격자 의존도에 대해 나타냈다. 격자는 Fluent Meshing에서 Polyhedra로 격자를 설계하였으며, 격자 수를 1.4 × 10
7에서 5.4 × 10
7까지의 범위 내로 설계하여 PCD 3950과 1.3855 kg/s의 유량으로 수치해석을 수행하여 권선의 최고 온도를 기준으로 격자 의존도 검사를 진행하였다. 격자 의존도 결과를 통해 수치해석 시간 및 효율성을 위해 3.3 × 10
7개의 격자가 적합하다고 판단하여 사용하였다.
Fig. 3The grid independency test
3. 결과
본 연구에서는 고출력 전동기의 형상을 해석 시간과 효율성을 위해 일부를 설계하여 PCD와 냉각 유량에 따른 냉각 성능에 대해 열 해석과 유동 해석으로 연구하였다.
Fig. 4에서는 고출력 전동기에 냉각 파이프의 위치와 유량의 변화에 대해 정성적으로 온도 분포의 차이를 나타냈다. 전동기의 주요 발열원 권선에서 가장 높은 발열이 발생하고, 전동기 성능, 효율, 신뢰성과 안정성을 위해 권선의 온도 관리가 중요한 것을 확인할 수 있다. PCD의 변화는 냉각 성능에 대한 영향이 있는 것을 확인할 수 있다. PCD 3750에서는 냉각 채널과 발열 부위 간의 열전달 거리가 상대적으로 감소하여 냉각 성능이 향상되어 냉각 유량의 상관없이 절연 등급의 허용 온도(180
oC) 이내로 만족하는 것을 확인할 수 있다. PCD가 증가할수록 냉각 채널은 발열원(권선)으로부터의 거리가 멀어지게 되어, 열전달 경로가 길어지고 이에 따라 냉각 성능이 저하되는 경향을 보인다. 본 연구는 냉각 채널의 위치가 권선 냉각 성능에 미치는 영향을 수치적으로 정량 분석하였으며, 이를 통해 냉각 채널의 배치가 열관리 성능에 중요한 설계 변수임을 규명한 데 의의가 있다. 한편, PCD 거리에 따른 냉각 성능은 일정 거리에서 수렴 양상을 보이기도 하나, 특정 임계 거리 이상에서는 오히려 열전달 효율이 감소할 수 있어, 냉각 채널의 위치와 열전달 성능 간의 상관관계에 대한 후속 연구가 요구된다.
Fig. 4 Total temperature distribution of high-power electric motor components according to PCD and cooling flow rate (a) 0.13855 kg/s, (b) 0.69275 kg/s, and (c) 1.3855 kg/s
전체적인 결과에서 냉각 성능이 동일하게 가장 필요한 부분은 전동기 내측에 위치한 권선의 끝 부분에 고온 영역이 분포하는 것으로 확인할 수 있다. 권선의 불균일한 온도 분포는 전동기의 성능에 영향을 미치기 때문에, 권선의 균일한 온도 분포를 갖기 위해서 권선의 끝 부분에 냉각 기술 적용도 중요한 열 관리의 설계 요소로 판단할 수 있다. 냉각 유량의 증가는 전반적으로 전동기의 발열 부위의 온도를 감소시키며, 특히 권선 주변의 열 축적을 완화하는데 효과적으로 적용되는 것을 확인할 수 있다. PCD 3950, 3850과 낮은 냉각 유량 조건에서는 권선 주변의 온도가 200oC에 달하는 고온 영역이 나타났으며, 이는 권선 절연 등급 (H급)의 허용 온도 범위 180oC를 초과하여 전동기의 신뢰성과 안정성에 부정적인 영향을 유발할 수 있음을 보여준다. 반면, 냉각 유량이 증가함에 따라 이러한 고온 영역이 감소하거나 사라지며, 권선의 최고 온도가 감소하는 온도 분포를 갖는 것을 확인할 수 있다. 수치해석 결과는 냉각 시스템 설계에서 PCD 위치 선정이 전동기의 열 안정성 및 신뢰성을 확보하는데 있어 중요한 설계 변수임을 보여준다. 그러나, 권선의 발열을 감소시키기 위해 권선에 최대한 근접하게 PCD를 설계하면 효과적인 냉각을 할 수 있을 것 같으나, 권선과 고정자에서 발생되는 자기장 영역에 악영향을 주며 전동기의 전기적 성능 저하를 유발할 수 있는 문제가 야기되기 때문에 PCD의 거리에 한계가 있다. 추가적으로 근접하게 설계시 냉각 채널 설치 공간 부족에 따른 기계적 구조 복잡성, 제작성 저하, 전동기 중량 증가에 문제가 발생될 수 있다. 그리고 근접한 냉각 채널에서 타공 또는 부식에 의한 냉각 유체 누수 발생 시 전기적 단락 또는 절연 파괴와 같은 작동 정지 및 파손의 심각한 고장을 유발할 수 있다. 그리하여, 전동기에 열 변형 및 열 축적을 감소시켜 내부 온도 분포를 균일 할수록 한다면 전동기의 수명과 성능을 향상시킬 수 있음으로 전동기의 전기적 성능을 유지하는 위치에 PCD를 고려하여 설계하는 것이 중요하다고 판단된다.
Fig. 5에서는 전동기의 PCD 위치와 냉각 유량에 따른 부품별 최고 온도를 비교하여 나타냈다. 정성적 분석에서도 확인했듯이, 최고 발열을 발생시키는 권선 부위에 근접하는 것과 냉각 유량이 증가할수록 냉각 성능이 증가하는 것을 정량적으로 분석할 수 있다.
Fig. 5(a)에서는 전동기에서 가장 냉각 적용이 필요한 권선의 최고 온도를 비교하였으며, 권선에 근접한 PCD 3750에서는 냉각 유량에 영향 없이 절연 등급(H급, 180
oC) 조건에 만족을 하는 것을 분석하였다. 중간 냉각 유량(0.69275 kg/s)과 높은 냉각 유량(1.3855 kg/s)에서는 냉각 성능의 차이가 어느정도 수렴하는 경향성을 나타냈다. 권선에서의 거리가 증가할수록 열원과의 열전달 거리의 한계로 냉각 성능이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 권선 외 고정자(Teeth, Yoke 1 및 2)에도 발열이 있기 때문에 변수에 따른 냉각 적용이 중요하며,
Fig. 5(b)에서 치 영역에 대해서 최고 온도를 분석하여 나타냈다. 치 영역은 전기적, 기계적, 열관리 측면에서도 다양한 역할을 하기 때문에 냉각 적용이 중요하다. 고정자의 재질은 실리콘 강으로 절연 코팅하여 히스테리시스 손실과 와전류 손실을 줄이는 역할을 하며, 내열 온도는 보통 200-250
oC 이하로 유지하는 것이 중요하다. 치 영역에서도 권선의 온도 분포의 경향성과 유사하게 나타났다.
Table 3에서 확인할 수 있듯이, 전동기 철손에서 발열의 80% 기여하고 있어서 권선과 동일하게 온도가 높게 분포하는 것으로 분석하였다. 권선과 마찬가지로 치 영역에서도 PCD 3750 위치에서 냉각 유량에 영향 없이 절연 등급 (H급, 180
oC) 조건을 만족하는 것을 분석하였다.
Fig. 5(c)의 Yoke 1에서는 가장 높은 냉각 파이프의 영향과 약 20%로 낮아진 철손의 발열량으로 최고 온도 값이 낮아졌으며, 열전달 효과로 최고 고온의 영역은 권선과 치 영역이 접하는 부근에서 분포하였다. 이 영역에서도 근접한 PCD 3750에서 높은 냉각 성능을 갖는 것을 분석할 수 있다.
Fig. 5(d)의 Yoke 2 영역에서는 기존의 경향성과 다른 최고 온도 분포를 나타냈다. PCD 3950의 경우 설계 상 일부가 냉각 파이프를 포함하는 구조로 동일 발열에 대해 적은 면적에 높은 발열량이 적용하여 최고 온도가 높게 계산되었다. PCD 3850과 PCD 3750는 구조적 설계와 열전달 면적 등의 적절한 조화로 소량의 높은 냉각 성능을 갖는 것으로 판단하였다. 이를 통해, PCD가 냉각 구조에 따른 냉각 성능에 결정적인 영향을 갖는 것으로 판단하였다.
Fig. 5 Effect of P.C.D and cooling flow rate on temperature distribution in a high-power electric motor
PCD 감소에 따른 냉각 채널의 길이 차이 변화 폭이 낮았으며, 유체 흐름에서 압력의 변화는 전체적으로 최대 1.8% 정도의 차이를 나타내서 압력 손실에서 영향이 적은 것으로 계산되었다. 이러한 결과는 PCD를 권선에 보다 근접한 위치에 냉각 채널을 배치하더라도 압력 손실 측면에서의 설계 부담이 크지 않음을 시사하며, 냉각 성능 향상을 위한 PCD 최적화 설계의 실현 가능성을 높이는 근거가 된다.
본 연구는 고출력 전동기의 열 관리 측면에서 PCD와 냉각 유량을 변수로 설정하여 냉각 성능과의 상관관계를 분석하였다. 결과적으로, PCD의 위치가 냉각 성능에 지배적인 것을 규명하였다. 추가적으로 전기적 성능을 고려한 PCD 설계와 전동기 내부에 추가적인 냉각 기술을 적용한다면, 전동기의 균일한 권선의 온도 분포와 냉각 성능을 극대화할 수 있을 것으로 예측하며, 이는 고출력 전동기의 신뢰성과 효율성을 보장하기 위한 중요한 기술적 데이터로 활용될 수 있다고 판단된다.
4. 결론
본 연구에서는 고출력 전동기의 열 관리 성능 향상을 위해 PCD와 냉각 유량을 변수로 설정하여 전동기의 고온 영역의 온도 분포에 대해 열 해석과 유동 해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) PCD는 주요 발열 부위인 권선과 고정자 영역에서 PCD 3750위치에서 온도 분포 및 냉각 성능에 가장 우수한 냉각 성능을 보였으며, 이는 발열 부위와 냉각 채널 간의 열전달 거리가 가장 짧아 효율적인 것으로 분석하였다. 반면, PCD가 증가할수록 냉각 채널과 발열 부위 간의 거리가 증가하여 냉각 성능이 저하되는 결과를 도출하였다.
(2) 냉각 유량에 관해서는 낮은 유량 조건에서는 권선과 치 영역에서 허용 온도(180oC)를 초과하는 고온 영역이 나타났으나, 유량이 증가할수록 이러한 고온 영역이 감소하거나 수렴하는 결과를 분석하였다. 이는 냉각 유체의 유량 설계가 냉각 성능의 효율성을 결정하는데 중요한 요소로 도출하였다.
결론적으로, PCD와 냉각 유량은 고출력 전동기의 열 관리에서 안정성, 신뢰성 및 성능을 유지하기 위한 중요한 설계 요소로 도출하였다. 추가적으로 전기적 성능과 구조적 안정성을 고려한 PCD 설계와 냉각 기술의 최적화는 고출력 전동기의 효율성과 신뢰성을 향상시키는 데 중요한 설계 요소로 판단된다. 이를 통해 본 연구 결과는 고출력 전동기의 설계 단계에서 효과적인 열 관리 전략을 수립할 수 있으며, 다양한 산업 분야에서 전동기의 성능 최적화와 에너지 효율 개선에 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 제안한다.
ACKNOWLEDGMENTS
이 논문은 2024년도 정부(방위사업청)의 재원으로 국방기술진흥연구소의 지원과(No. 21-403-D00-007 (KRIT-CT-22-054), 고성능 추진 전동기 개발, 2022-2024), 2025년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 G-램프(LAMP) 사업 지원을 받아 수행된 연구임(NO. RS-2024-0044 4460).
REFERENCES
- 1.
Galea, M., Gerada, C., Raminosoa T., Wheeler, P., (2012), A thermal improvement technique for the phase windings of electrical machines, IEEE Transactions on Industry Applications, 48(1), 79-87.
10.1109/TIA.2011.2175470
- 2.
Kim, J. S., Moon, J. W., Kwak, T. H., Kang, T. G., (2017), Numerical investigation on an oil cooling system in the motor for a hybrid vehicle, Journal of Computational Fluids Engineering, 22(3), 86-94.
10.6112/kscfe.2017.22.3.086
- 3.
Grubic, S., Aller, J. M., LU, B., Habetler, T. G., (2008), A survey on testing and monitoring methods for stator insulation systems of low-voltage induction machines focusing on turn insulation problems, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 55(12), 4127-4136.
10.1109/TIE.2008.2004665
- 4.
Park, J., Paek, S. H., Leem H. W., and Park, H., (2020), Effect of thermal conductivity of coil insulator material on the temperature variation of high voltage motor, Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 37(5), 355-360.
10.7736/JKSPE.019.119
- 5.
Yang, Y., Bilgin, B., Kasprzak, M., Nalakath, S., Sadek, H., Preindl, M., Cotton, J., Schofield, N., Emadi, A., (2017), Thermal management of electric machines, IET Electrical Systems in Transportation, 7(2), 104-116.
10.1049/iet-est.2015.0050
- 6.
Choi, J., Lee, J.-H., Jung, Y.-G., Park, H., (2020), Enhanced efficiency of the brushless direct current motor by introducing air flow for cooling, Heat and Mass Transfer, 56(6), 1825-1831.
10.1007/s00231-020-02827-8
- 7.
Chen, W., Mao, Z., Tian, W., (2024), Water cooling structure design and temperature field analysis of permanent magnet synchronous motor for underwater unmanned vehicle, Applied Thermal Engineering, 240, 122243.
10.1016/j.applthermaleng.2023.122243
- 8.
Jang, J. H., Oh, G. W., Sun, X., Kim, J. S., Kwak, T. H., Choi, J. I., (2020), Heat transfer analysis and optimization for improving oil cooling performance of the electric vehicle motor, Journal of Computational Fluids Engineering, 25(4), 25-33.
10.6112/kscfe.2020.25.4.025
- 9.
Li, B., Yuan, Y., Gao, P., Zhang, Z., aLi, G., (2022), Cooling structure design for an outer-rotor permanent magnet motor based on phase change material, Thermal Science and Engineering Progress, 34, 101406.
10.1016/j.tsep.2022.101406
- 10.
Wang, X., Yan, Y., Li, Y., (2023), Study on high-speed electric motor cooling with oil spray, e-Prime-Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy, 4, 100170.
10.1016/j.prime.2023.100170
- 11.
Park, S., Lee, D., (2021), Smart cooling system design for augmentation of cooling performance of electric vehicle driving motor utilizing cooling channel fin, Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 38(6), 427-439.
10.7736/JKSPE.021.020
- 12.
Bang, S., Lee, D., (2021), A study on the smart design and cooling performance of electric vehicle motor using metal-hybrid materials, Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 38(8), 595-603.
10.7736/JKSPE.021.039
- 13.
Chu, M., Lee, D., (2021), novel design of cooling channel utilizing pin-fin vortex generators in electric vehicle driving motor, Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 38(7), 491-500.
10.7736/JKSPE.021.023
- 14.
Park, S., Bang, S., Chu, M., Song, J., Lee, D., (2021), A study on cooling performance of electric vehicle motor for different cooling channel shapes, Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 38(6), 417-425.
10.7736/JKSPE.021.019
- 15.
Wu, S., Tian, C., Zhang, P., Huang, X., Shan, X., (2019), Design and optimization analysis of composite water cooling system based on high power density motor, Proceedings of the 22nd International Conference on Electrical Machines and Systems, 1-6.
10.1109/ICEMS.2019.8922016
- 16.
Park, J., Han, K., Choi, H. S., Park, I. S. (2023), Cooling and dynamic performance of electric vehicle traction motor adopting direct slot cooling method, International Communications in Heat and Mass Transfer, 147, 106970.
10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.106970
- 17.
Tong, W., Wu, S., Tang, R., (2018), Totally enclosed self-circulation axial ventilation system design and thermal analysis of a 1.65-MW direct-drive PMSM, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 65(12), 9388-9398.
10.1109/TIE.2018.2823698
- 18.
Ou, H., Hu, Y., Tian, W., Mao, Z., Cheng, B., Li, B., (2024), Investigation of self-adjusting cooling system for the autonomous underwater vehicle propulsion motor, Applied Thermal Engineering, 238, 121972.
10.1016/j.applthermaleng.2023.121972
- 19.
Lotfi, A., Marcsa, D., Horváth, Z., (2019), modeling the thermal behavior of permanent magnet synchronous motors, International Journal of Engineering and Management Sciences, 4(1), 466-477.
10.21791/IJEMS.2019.1.58.
- 20.
Kwon, H., Lee, W., Kim, G., Park, H., (2016), Thermal characteristics of 600W brushless DC motor under axial loading condition, Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 33(12), 999-1005.
10.7736/KSPE.2016.33.12.999
Biography
- Jaehun Choi
Post Doctor in the Department of Global Institute for Advanced Nanoscience & Technology (GIANT), Changwon National University. His research interests are optimized design and improve performance in application area of battery, electric motor, aspheric lens, and micromixer.
- Chiwon Park
Manager in Hyosung Heavy Industries, working on special-purpose equipment design. He is particularly interested in translating field requirements into robust, manufacturable designs.
- Heesung Park
Professor in the Department of Mechanical Engineering, Changwon National University. His research interest is thermos fluidic devices for sustainable energy systems.
