테일로터 구동용 모터의 CFD를 활용한 열유동해석 연구 = Thermal-Fluid Analysis of Tail Rotor Driving Motor Using CFD

국문 초록 (Abstract)

모빌리티 추진 시스템의 전동화 및 친환경 트렌드에 따라 다양한 모빌리티에 전기추진시스템을 적용한 전동화 기술 개발이 진행 중이다. UAM뿐만 아니라 헬리콥터의 테일로터 또한 전동화를 위해 개발 중이 고 해당 전기추진시스템은 구동 안전성을 위해 Quad 타입이 일반적이다. 이러한 전기추진 시스템은 기존 의 기계식과 비교하여 소음, 연료소비효율 측면에서 이점을 가진다. 하지만 이러한 시스템에 사용되는 모터 는 소형화와 경량화가 요구되어 열관리에 매우 취약하다는 단점이 있다. 냉각 성능향상을 도모하며 기존의 요구 추력을 보장하기 위해서는 기존 모터 및 Housing의 재설계를 통해 모터 핵심부품에 대한 냉각 성능향 상이 필수적이다. 이를 만족하기 위해서는 테일 로터 흡기 유동을 모터 내부로 적절히 유도하여 냉각 성능 을 향상하여 핵심 부품의 내구성과 성능 유지를 보장하고, 추력 성능은 유지할 수 있는 최적 설계가 요구된 다. 이에 본 연구는 설계안 도출 소요 시간과 비용을 최소화하기 위해 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 활용하여 공랭식 전기추진시스템 설계 변경에 따른 모터 열유동해석을 수행하였다. 본 연구에 서는 프로펠러를 통해 유입되는 냉각 공기를 모터 중앙부로 유도하는 가이드 형상을 중앙 Shaft에 설계하 여 Magnet, Stator core, Winding 등의 온도 변화를 분석하였고, Housing 형상의 설계 변경으로 냉각 공기 가 모터 내부로 유입될 수 있도록 형상을 변경함으로써 내부 냉각 공기의 유동량을 증가시키는 설계를 수 행하였다. 이 과정에서 냉각 통로의 면적과 각도에 따라 Magnet, Stator core, Winding 등의 온도 변화를 분석하였다. 해석 결과, Housing 측벽에 냉각 공기가 유입될 수 있는 각도를 설정하는 설계 변경은 크게 유 효하지 않은 인자로 확인 되었고, 냉각 통로의 크기를 확장하는 방법과 더불어 모터 중앙의 Shaft에서 추가 적인 냉각 공기를 유도할 경우, 유의미한 냉각 성능 향상을 가져올 수 있음을 확인하였다. 이를 바탕으로 Housing 측벽과 모터 중앙의 Shaft에서의 설계 변경을 통합하여 최적 설계안을 제안하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In accordance with the electrification and eco-friendly trend of mobility propulsion systems, the development of electrification technology applying electric propulsion systems to various mobility is in progress. Not only UAM but also helicopter tail rotors are being developed for electrification, and the electric propulsion system is generally of a Quad type for driving safety. Compared to the existing mechanical type, these electric propulsion systems have advantages in terms of noise and fuel consumption efficiency. However, the motors used in these systems require miniaturization and weight reduction, so they are very vulnerable to thermal management. In order to improve cooling performance and ensure existing required thrust, it is essential to improve the cooling performance of the core motor parts through redesigning of the existing motor and housing. To satisfy this, an optimal design is required to improve the cooling performance by properly inducing the intake flow of the tail rotor into the motor to improve the cooling performance to ensure the durability and performance of the core parts and to maintain the thrust performance. Therefore, in this study, in order to minimize the time and cost of deriving the design, a motor heat flow analysis according to the design change of the air-cooled electric propulsion system was performed using CFD (Computational Fluid Dynamics). In this study, a guide shape that guides the cooling air introduced through a propeller to the center of the motor was designed on the central shaft to analyze temperature changes such as magnet, stator core, and winding, and the design was performed to increase the flow amount of internal cooling air by changing the shape of the housing so that the cooling air could enter the motor. In this process, temperature changes such as magnet, stator core, and winding were analyzed according to the area and angle of the air hole. As a result of the analysis, the design change that sets the angle at which the cooling air can enter the housing sidewall was identified as a largely ineffective factor, and it was found that the design of introducing additional cooling air from the shaft at the center of the motor along with the method of increasing the size of the air hole can bring about a significant improvement in cooling performance. Based on this, an optimal design plan was proposed by integrating the design change at the shaft of the housing side wall and the center of the motor.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구의 개요 및 목적 2
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 2.1 테일로터 시스템 4
• 2.2 전동화 테일로터 시스템 5
• 2.3 모터 냉각 방식 6
• 2.3.1 공랭식 모터 6
• 2.3.2 유냉식 모터 7
• 2.3.3 수냉식 모터 7
• Ⅲ. CFD (Computational Fluid Dynamics Model) 8
• 3.1 전산 유체 역학(CFD) 8
• 3.2 CFD 프로그램의 개요 및 구성 9
• 3.3 지배방정식 10
• 3.3.1 난류 모델 10
• 3.3.2 Heat Transfer 12
• 3.4 열유동해석 조건 15
• 3.4.1 Geometry Model 15
• 3.4.2 Physics Settings 16
• 3.4.3 Boundary Condition 17
• Ⅳ. 결과 및 고찰 19
• 4.1 기본 모터 열유동 특성 19
• 4.2 측벽 냉각 통로 확장 모델 22
• 4.2.1 Case 1 23
• 4.2.2 Case 2 25
• 4.2.3 Case 3 27
• 4.2.4 Case별 온도 비교 29
• 4.3 측벽 각도 변경 모델 30
• 4.3.1 Case 1_1 31
• 4.3.2 Case 1_2 33
• 4.3.3 Case 1_3 35
• 4.3.4 Case 1_4 37
• 4.3.5 Case 1_5 39
• 4.3.6 Case별 온도 비교 41
• 4.4 Shaft 형상 변경 모델 43
• 4.4.1 Original_Shaft 44
• 4.4.2 Case 2_Shaft 47
• 4.4.3 Case 3_Shaft 50
• 4.4.4 Shaft 설계 변경 Case 별 온도 비교 53
• 4.5 최적 설계안 54
• 4.5.1 해석 결과 기반의 최적 설계안 제시 54
• Ⅴ. 결 론 56
• Reference 57
• Abstract 60