전기자동차용 120kW급 IPMSM의 로터/하우징 형상 변경에 기인한 내부 유동 특성 변화에 따른 냉각 성능 개선 방안에 대한 해석적 연구 = An Analytic Study on the Increase of Cooling Performance by Changing of Internal Flow Characteristic due to the Change of Rotor/Housing Shape of 120kW IPMSM for Electric Vehicle

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the trend of the industry is changing from internal combustion engines to electric vehicles due to stricter regulations on fuel efficiency of automobiles. Accordingly, there has been substantial research on various methods for improving the performance and efficiency of the traction motors for electric vehicles. The performance, efficiency, and durability of traction motors are closely related to the temperature of their parts. In addition, during the operation of electric vehicles, the heat dissipation performance of the electric traction motors is considered an important factor because the output power is limited when the temperature of the motor components reaches its limit. Therefore, this study aimed to develop a design that increases the
cooling performance of the water-cooled traction motor for an electric vehicle.
This study entailed electromagnetic field numerical analysis and thermal fluid computational analysis for the base model of the 120kW watercooled Interior Permanent Magnet Synchronous Motor(IPMSM) and for rotor/housing shape change models. The electromagnetic field numerical analysis was performed using the JMAG to derive the motor performance and its loss at a specified operating point. Thermal fluid analysis was performed with FLUENT, a commercial code, to confirm the thermal characteristics of the traction motor based on the derived loss value.
The research model was applied as follows. First, the base model was built in the shape of a classical rotor and housing. Second, in the rotor changed model, the holes of the end plate were aligned with the rotor holes,
and a twist angle was applied to the rotor holes for each sub-assembly stage. Finally, the rotor/housing changed model included a rotor changed model and applied an air path. It was positioned on the housing side to circulate the flow generated by the rotational effect of the twisted hole applied in the rotor change model. A new heat transfer route between air and cooling water was applied by positioning the circulation flow path near the cooling channel. To determine the difference in cooling performance by rotational speed and output power, four operating points were selected: the continuous rated power(60kW at 4,000rpm), maximum rated power(120 kW at 2,300rpm) points and max rotating speed(8,000rpm) 2points(60kW, 120kW). To validate the reliability of the analysis, the test and analysis results were compared at the maximum and continuous rated output operating points of the base model. As a result of the study, the rotor changed model compared to the base model confirmed a temperature reduction of 4°C in the rotor and 5°C in the permanent magnet at the continuous rated power point, and a temperature reduction of 19°C in the rotor and permanent magnet was confirmed for the rotor/housing changed model. By applying the design method proposed in this study, the cooling performance of the water-cooled IPMSM for electric vehicles can be expected to increase.

국문 초록 (Abstract)

최근 자동차 연비 규제 강화로 내연기관에서 전기자동차로 산업의 트렌드가 변화하고 있다. 이에 전기자동차용 구동 모터의 성능, 효율 향 상에 대한 다양한 방법의 연구가 진행되고 있다. 일반적으로 구동 모터의 성능, 효율과 내구성은 부품의 온도와 밀접한 연관이 있다고 알려져있다. 또한 전기자동차 운행 시에 모터 구성품의 한계 온도에 도달하면 출력을 제한하고 있기 때문에 구동 모터의 방열 성능은 중요한 인자로 인식되고 있다. 이에 따라 전기자동차용 수냉식 구동 모터의 냉각 성능 증대를 위한 설계 방안을 연구하였다.
연구 방법은 120kW급 수냉식 IPMSM의 기준 사양(Base model)과 로터, 하우징 형상 변경 모델에 대해 전자계 수치 해석과 열유동 전산 해석을 진행하였다. 전자계 수치 해석은 선정된 운전점에서의 모터 성능과 손실을 도출하기 위해 상용 프로그램인 JMAG으로 수행하였다. 도출된 손실값을 바탕으로 구동 모터 열적 특성을 확인하기 위해 상용 코드인 Fluent로 열유동 해석을 수행하였다.
연구 모델은 다음과 같이 적용하였다. 첫째로 기준 모델을 고전적 인 로터와 하우징 형상으로 제작하였다. 둘째로 로터 변경 모델에서 End Plate의 홀을 로터 홀과 일치하도록 추가하고, 로터 홀을 Sub-assembly 단 별로 Twisted각을 적용하였다. 마지막으로 로터/하우징 변경 모델은 로터 변경 모델을 포함하며 공기 순환 공간(Air path)을 적용하였다. 이는 로터 변경 모델에서 적용한 Twisted홀의 회전 효과로 발생되는 유동을 순환시키기 위해 하우징 측에 위치시켰다. 냉각 수로 근처에 순환 유동의 경로를 위치시켜 공기와 냉각수 간 신규 열전달 경로를 적용하였다. 회전 속도 와 출력 별로 냉각 성능의 차이를 확인하기 위해 운전점은 연속 정격 출력(60kW, @4,000rpm)과 최대 정격 출력(120kW, @2,300rpm) 및 최고속
(8,000rpm)에서 두 지점(60kW, 120kW)으로 선정하였다. 해석의 정합성을 확인하기 위해 기준 모델에서 최대 정격 출력 운전점과 연속 정격 출력 운전점에서 시험 결과와 해석 결과를 비교하였다.
수행한 연구 결과로서 기준 모델 대비 로터 변경 모델은 연속 정격 출력 운전점에서 로터에서 약 4°C, 영구 자석에서 약 5°C의 온도 저감을 확인하였으며, 로터/하우징 변경 사양의 경우 로터와 영구 자석에서 약 19°C의 온도 저감을 확인하였다. 본 연구에서 제안하는 설계 방안을 적용하여 전기자동차용 수냉식 IPMSM의 냉각 성능의 증대를 기대할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 구동 모터 냉각 방식 및 최근 동향 1
• 1.3 문제 인식 2
• 1.4 연구 목표 2
• II. 연구 방법론 : 전자계/열유동 해석 4
• 2.1 배경 이론 4
• 2.1.1 전자계 해석 특성 방정식 4
• 2.1.2 열유동 해석 특성 방정식 7
• 2.2 관련 연구 12
• 2.3 선행 연구 기반 연구 방법 검증 13
• 2.3.1 풍력 손실 실험식-해석 검증 결과 13
• 2.3.2 회전 원형 채널 열전달 실험식-해석 검증 결과 15
• 2.3.3 테일러 반응기 공극 내 유동 해석 검증 결과 18
• III. 구동 모터 전자계 해석 21
• 3.1 연구 모델 제원 21
• 3.2 구동 모터 성능-손실 해석 결과 23
• IV. 구동 모터 열유동 해석 27
• 4.1 해석 모델링 27
• 4.1.1 전산유체역학 연구 모델 28
• 4.1.2 해석 가정 및 운전 조건 31
• 4.2 열유동 해석 결과 32
• 4.2.1 기준 모델 해석 결과 및 모델 검증 32
• 4.2.2 로터 변경 모델 해석 37
• 4.2.3 로터/하우징 변경 모델 해석 43
• V. 결론 51
• 5.1 결과 및 의의 51
• 5.2 한계 및 향후 연구 53
• 참고 문헌 55
• Abstract 58