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Journal of the Korean Society for Precision Engineering - Vol. 38 , No. 7

[ REGULAR ]
Journal of the Korean Society for Precision Engineering - Vol. 38, No. 7, pp.491-500
Abbreviation: J. Korean Soc. Precis. Eng.
ISSN: 1225-9071 (Print) 2287-8769 (Online)
Print publication date 01 Jul 2021
Received 19 Mar 2021 Revised 22 Apr 2021 Accepted 03 May 2021
DOI: https://doi.org/10.7736/JKSPE.021.023

전기자동차 구동 모터에서의 핀-휜 와류발생기를 활용한 냉각 채널 설계
추민기1 ; 이동렬1, #
1대구가톨릭대학교 기계자동차공학부

Novel Design of Cooling Channel Utilizing Pin-Fin Vortex Generators in Electric Vehicle Driving Motor
Min-Gi Chu1 ; Dong-Ryul Lee1, #
1School of Mechanical and Automotive Engineering, Catholic University of Daegu
Correspondence to : #E-mail: dlee@cu.ac.kr, TEL: +82-53-850-2717


Copyright © The Korean Society for Precision Engineering
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

The objective of this study was to numerically accomplish the cooling performance of an electric vehicle driving motor depending on cooling channel design. Cooling performances of novel cooling channels were compared based on the temperature of coils and cooling channels as well as convection heat transfer coefficient in electric vehicle driving motors. Local axial positions of cooling channels at three different cases were marked for numerical comparison of heat transfer coefficients. Owing to forced convection by the boundary and flow conditions, the heat transfer coefficient of Case 3 at the location where pin-fins were attached in the cooling channel was improved 85.02 and 65.77% compared to Cases 1 and 2, respectively. In Case 3 with pin-fins having 50% of cooling channel length, the maximum temperature of the coil was 4.25% lower than that of Case 2 with pin-fins having 30% of the cooling channel length and 6.98% lower than that of Case 1 without pin-fins in the cooling channel. As a result, pin-fins finally diminished the maximum temperature of coils in Cases 2 and 3. Ultimately, Case 3 showed the best cooling performance for improving vehicle driving durability and developing next-generation electric vehicle cooling system technologies.


Keywords: Drive motor, Electric vehicle, Convection heat transfer, Virtual fluid dynamics, Vortex generator
키워드: 구동 모터, 전기자동차, 대류 열전달, 가상 유체 역학, 와류발생기

1. 서론

최근 내연기관 자동차의 많은 사용으로 인한 질소산화물, 메탄, 이산화탄소 등의 배기가스가 과다 배출되어 여러가지 환경 오염 물질들이 증가하고 있는 추세이다. 환경 오염 물질들은 지구온난화를 가속화하고 있고, 이러한 현상을 줄이기 위해 세계 각국에서는 환경에 대한 규제를 강화시키고 있으며 내연기관 자동차의 사용을 줄이기 위한 신재생에너지의 사용을 늘리고 있다. 그로 인해 전 세계적으로 친환경 자동차의 시장 규모가 커지고 있으며 전기자동차 구동 모터의 소형화, 고효율, 고출력화에 대한 연구는 미래의 전기에너지를 효율적으로 사용하기 위한 현대 사회의 필수적인 기술 해결 과제이다. 전기 모터는 높은 출력이 요구될수록 손실되는 에너지가 많아져 코일에서의 발열량이 증가하며, 이는 전기 모터의 성능, 효율을 감소시키는 원인이 되기 때문에 효과적인 냉각시스템 기술이 필요하다.

전기 모터를 장시간 운전하면 코일에서의 온도가 높아지며 코일과 인접해 있는 고정자, 회전자, 자석 등 여러 부품의 내구성 저하가 일어나게 되며 특히, 모터의 자석은 Nd 계열의 희토류 영구 자석으로 많이 쓰이는데 영구 자석은 높은 열을 받으면 자계강도(H)의 증가와 감소에 따른 자속밀도(B)의 상태 변화를 의미하는 B-H Curve에서 Knee Point를 지날 수 있고, Knee Point를 넘게 된다면 자속밀도를 영원히 회복할 수 없는 영구감자현상을 받게 된다.1 즉 영구 자석의 성능을 좌우하는 자속밀도의 감소를 불러 일으킨다. 영구 자석의 성능은 모터의 성능을 판단하는 인자 중 하나이며 모터의 냉각시스템은 모터의 열을 냉각시켜 모터의 내구성, 안정적인 운전성을 향상시키기 위한 중요한 설계 요인 중 하나이다. 모터의 냉각시스템을 개선 설계하여 냉각 성능을 향상시키면 모터에서의 폐열을 감소시킬 수 있고, 친환경 자동차의 사용이 증가할 수 있으며 환경 오염 개선을 기대할 수 있다.

냉각에는 여러 기술들이 존재하지만 본 연구에서는 핀-휜(Pin-Fin) 와류발생기(Vortex Generator)에 대한 냉각 방법으로 연구를 진행할 것이다. 와류를 활용한 냉각에 대한 기존 연구들은 와류 발생기 크기 변화에 따른 딤플(Dimple) 냉각 유로 내부 유동 및 열전달 성능에 관한 수치적 연구,2 딤플 뒤에 와류발생기를 가지는 냉각 유로의 유동과 열전달 성능에 관한 수치적 연구,3 리튬 이온 배터리의 냉각 유로에서 와류발생기에 의한 열전달 향상에 대한 수치해석,4 반와류 막냉각 홀의 보조 홀 각도와 위치에 따른 막냉각 성능 특성,5 경계층 와류가 복합분사각을 가지는 막냉각 성능에 미치는 영향6 등이 있다. 내부 냉각 유로의 벽면에 핀-휜, 리브(Rib), 딤플 등과 같은 유동간섭물을 설치할 경우 난류의 발생을 촉진시킴과 동시에 열전달면의 면적을 증가시켜 열전달 강화 효과를 얻을 수 있다7고 제시하였다.

이전 연구에서는 핀-휜 형태의 열전달 촉진 장치를 활용한 냉각 연구는 활발히 이루어지지 않았으며 특히, 전기자동차 구동 모터에 열전달 촉진 장치가 직접적으로 적용된 연구는 거의 수행되지 않았다. 지구의 환경 개선에 기여하기 위해 화석연료보다 신재생에너지 자동차 시장을 활성화해야 하며 전기자동차 구동 모터의 효율적인 냉각시스템에 대한 연구가 중요한 요인이라고 판단한다.

본 연구에서는 냉각 채널에서의 핀-휜을 활용해 대류 열전달을 촉진시켜 전기자동차 구동 모터의 코일 및 냉각 채널의 온도 분포를 개선 설계한 Case마다 수치적으로 해석하고 비교한 후 냉각이 얼마나 더 효과적으로 이루어졌는지 정량적으로 확인하여 우수한 냉각 성능을 가진 냉각 채널을 설계하는 것이 이번 연구의 목표이다.


2. 설계 및 수치해석

본 연구에서는 기본 모델로 K사의 전기자동차 모델 N을 정하였고, Fig. 1은 수치적으로 해석할 K사의 전기자동차 모델 N의 실물 사진이다. Figs. 2는 1을 분해하여 실측하고, CAD 프로그램 CATIA V5 R21을 활용하여 설계하고 유동해석을 진행할 때 해석 시간을 고려해 UVW Connector, 하우징의 굴곡진 형상 등을 단순화하여 렌더링한 그림이다. Fig. 2에서 동력 전달 축, 고정자, 회전자, 자석의 형상은 K사의 모델 N을 사용하였지만 냉각 채널의 형상은 기존의 것을 사용하지 않고 자체적으로 개선하여 Case 1의 모델을 설계하였다. Figs. 3은 2를 ANSYS V20.1로 Import하여 모든 Cases의 냉각 채널 형상의 투시도를 도시한 그림이다. Figs. 3(a)부터 (c)는 각각 Cases 1부터 3으로 열전달을 촉진시킬 수 있는 와류발생기 요소인 핀-휜을 출구 부분부터 냉각 채널 총 길이의 0, 30, 50% 영역에 부착시켜 모델링한 냉각 채널의 형상이다. Table 1은 모델링을 진행할 때 모터 구성 부품들의 길이와 개수에 대한 제원이다.


Fig. 1 
Actual picture of electric motor model N


Fig. 2 
Completed CATIA rendering of electric motor geometry


Fig. 3 
Imported geometries of cooling channel at three different cases

Table 1 
Physical dimensions of electric motor model N
Diameter
internal/external (D) [mm]
Height (H)
[mm]
EA
Housing 199.4 / 235.4 260 1
Shaft 32 / 50 175 1
Rotor 50 / 132 175 1
Stator 133.4 / 199.4 175 1
Width (L)
[mm]
Thickness (T)
[mm]
Height (H)
[mm]
EA
Magnet 16 3 175 16
12 5 16
Coil 20 6 175 48

2.1 지배 방정식 및 해석 방법

이 연구는 냉각 채널의 형상에 따른 열전달 성능 및 유체의 유동을 수치적으로 계산하기 위해서 연속 방정식, 운동량 보존 방정식, 일정 상태량을 가지며 비압축성 유동조건의 에너지 방정식을 사용하여 열전달 해석을 진행하였다. 각각의 식을 식(1)부터 식(3)에 나타내었다.

ΔV=0(1) 
Vt+VV=-1ρP+g(2) 
tρh+Vρh=kT+Sh(3) 

위의 지배 방정식들을 기반으로 ANSYS FLUENT V20.1로 정상상태, 비압축성의 유체의 유동을 해석하였다. 냉각 채널의 입구에서 Reynolds 수를 계산했을 때 4,858로 난류 유동인 것을 확인하였다. 이에 따른 난류 유동해석의 방법은 정확성을 향상시키며 벽에서의 유동해석을 집중적으로 하기 위해서 k-omega SST 모델을 사용하였다.

2.2 경계 조건

유동해석을 위한 유체 초기 조건은 공기 유동장과 냉각 채널의 두 가지로 모두 질량 유량의 입구 조건을 주었다. 공기 유동장은 0.0001 kg/s, 냉각 채널은 실제 구동 모터 냉각수의 질량 유량으로 통상적으로 많이 쓰이는 6.5 LPM인 0.106 kg/s를 주었다. 온도 조건으로 공기는 상온 기준의 25oC, 냉각 채널은 전기자동차를 장시간 운전할 때 냉각수의 온도를 가정한 65oC를 출구에서의 조건으로 공기 유동장과 냉각 채널 모두 대기압을 기준으로 한 0 Pa의 계기압을 주었다. 냉각 채널 내 유체의 물질은 자동차의 냉각수로 많이 사용하는 Ethylene glycol (EG)로 선정하였고, 하우징의 재질은 Aluminum Alloy 195, 코일은 Cooper, 자석을 Nd (Dy) FeB, 축은 Carbon-Silicon Steel, 회전자와 고정자는 NO30 Steel의 소재를 입력하였다.8 냉각 채널의 표면에는 점착 조건(No Slip Condition)을 주고, 코일에는 일정 열유속의 열경계 조건을 주었다. Tables 23은 유동해석을 위한 경계 조건과 모터의 물성치를 표로 정리한 것이다.

Table 2 
Design boundary conditions
Inlet
(Ethylene glycol)
Mass flow rate [kg/s] 0.15
Temperature [oC] 65
Inlet (Air) Temperature [oC] 25
Outlet (Ethylene glycol) Pressure [Pa] 0
Outlet (Air) Pressure [Pa] 0
Coil Heat generation [W/m3] 1,000,000
Fluid material Air Incompressible
Ethylene glycol

Table 3 
Thermophysical property of material
Density
[kg/m3]
Thermal conductivity
[W/m·oC]
Specific
heat [J/kg·oC]
Ethylene glycol 1,057 0.394 3,410
Viscosity [kg/m·s] 0.00159
Housing 2,790 168 883
Stator and rotor 7,540 31 557
Coil 8,933 401 385
Magnet 7,500 7.5 410
Shaft 7,817 51.9 446

2.3 격자 생성 및 격자 의존도 Test

격자 생성은 ANSYS MESH V20.1로 생성하였고, Body Sizing 조건을 활용해 고정자와 코일, 냉각 채널은 1 mm를 주었고, 냉각 채널의 벽면에서의 경계층 해석을 위해 Inflation 6 Layer의 조건을 주어 조밀하게 격자를 생성했다. 핀-휜 주변에서의 유동 해석을 중점적으로 하기 위해 Face Sizing 조건으로 핀-휜의 벽면에 0.8 mm을 주어 조밀하게 격자를 생성하였다. 하우징과 공기의 Body Sizing은 10 mm를 주었고, 회전자, 자석, 동력 전달축은 5 mm의 조건을 주었다. 고정자는 Hexa, 코일은 Multizone 격자 생성 방법을 사용하였고, 그 외의 부품들은 Tetra 격자를 사용하였다. Figs. 4(a)는 Case 1 모터 어셈블리의 격자 형태의 그림이고, 4(b)부터 4(d)는 모든 Cases의 냉각 채널 격자 형태의 그림이며, 5는 냉각 채널 단면의 격자 형태를 보여주는 그림이다. 위의 격자 생성 조건에 따른 모든 Cases의 모터 어셈블리 격자 수는 Table 4에 표로 정리하였다.


Fig. 4 
Mesh conditions of electric motor assembly at case 1 and cooling channel of three different cases


Fig. 5 
Mesh conditions of cooling channel section in electric motor

Table 4 
Number of elements and nodes of motor assembly at three different cases
Case 1 Case 2 Case 3
Elements 19,411,827 23,664,695 23,881,046
Nodes 9,030,906 7,917,708 8,102,834

격자 생성 및 유동해석은 랩실의 워크 스테이션으로 수행하였고, 정확한 유동해석이 되었는지 신뢰성을 판단하기 위해 KISTI에서 제공하는 Intel Xeon Phi 7250(KNL) 모델 68 코어 16*6 GB, 6Ch per CPU의 성능을 가진 슈퍼컴퓨터를 사용하여 코일 표면 최고 온도의 차이를 비교하였고, 슈퍼컴퓨터와 워크스테이션의 코일 표면 최고 온도의 해석 결과에 대한 차이는 거의 없어 워크 스테이션을 신뢰할만한 유동해석이 가능한 것으로 판단하였다. 슈퍼컴퓨터와 워크 스테이션의 큰 차이는 오직 해석 시간의 차이만 있었다.

본 연구에서 생성한 격자의 형태가 신뢰성이 있는지 판단하기 위해 격자 의존도 Test를 진행하였다. 격자 의존도 Test 모델은 Case 1의 냉각 채널 내 EG로 격자 수를 다르게 생성하여 EG의 평균 온도(Tm) 차이를 관찰하였다. Table 5는 Case 1의 모터의 총 격자 수와 냉각 채널의 평균 온도와 오차율을 표로 정리하였다. 격자 수가 약 1,941만개부터 냉각 채널의 평균 온도가 77.63oC로 오차율의 편차가 점차 줄어들게 나타났고, 총 해석 시간을 고려하여 1,941만개의 격자 수를 선정하였으며 해석 결과에 대한 문제가 없다고 판단하여 모든 Cases에 동일한 격자 조건을 적용하여 격자를 생성하였다. Fig. 6은 격자 의존도 검사를 그래프로 나타내는 그림이며, Y plus (Y+)값은 냉각 채널을 기준으로 0-5의 값을 유지하였고, 평균 0.3으로 정확한 유동해석이 가능하였다.

Table 5 
Total elements of electric motor assembly case 1 for grid dependency
Total elements Tm [oC] Error [%]
8,168,359 82.23 5.6
11,936,154 80.82 3.9
14,889,752 79.15 1.9
17,156,624 78.42 1
19,411,827 77.63 0
23,568,451 77.29 0.4
27,942,422 77.03 0.6


Fig. 6 
Grid dependency test


3. 결과 및 고찰

본 연구는 CATIA V5 R21과 ANSYS MESH, FLUENT V20.1을 활용하여 모델링과 유동해석을 진행하였다. K사의 모델 N에서 냉각 채널의 형상만 변경하여 Cases 1을 핀-휜 와류 발생기를 부착하지 않은 상태로 설계하고, 2와 3의 형상은 1의 냉각 채널에 핀-휜 와류발생기를 냉각 채널의 출구 부분부터 냉각 채널 총 길이의 30, 50% 영역에 부착하여 자체적으로 개선 설계한 모델이다. 냉각 채널을 제외한 고정자, 회전자, 동력 전달 축, 자석, 하우징의 설계 제원과 경계 조건을 동일하게 사용하여 유동해석 및 열전달 해석을 진행하였다. 모든 모델에서 냉각 채널의 속도 분포, 온도 분포를 해석하고 국소점을 지정하여 대류 열전달계수와 Nusslt 수를 계산하여 냉각 채널의 냉각 성능을 수치적으로 비교하여 열전달 성능이 가장 우수한 모델에 대한 최적 설계를 수행하였다.

3.1 속도 분포

Fig. 7은 모든 모델에서 냉각 채널 내 유체의 속도 분포를 나타내는 그림이다. Fig. 7의 Cases 1은 전체적으로 속도 분포가 일정하지만 2와 3에서는 핀-휜 주변에서는 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있었다. 모든 모델의 최저 속도는 0 m/s로 냉각 채널의 벽면에서 나타났고, Cases 1의 최고 속도는 0.92 m/s이고, 2는 1.24 m/s, 3은 1.20 m/s로, 최고 속도는 핀-휜이 부착된 모델 Cases 2와 3에서 34.78, 30.43% 빠르게 나타났지만 평균 속도는 Cases 1에서 0.52 m/s, 2는 0.53m/s, 3은 0.54 m/s로, 최대 오차율 3.8%로 최고 속도에 반해 큰 차이 없이 나타났다. 핀-휜이 부착된 Cases 2와 3에서 최고 속도가 1에 비해 높게 나와 핀-휜 주변에서의 유체의 유동을 Fig. 8을 통해 확인하였다. Fig. 8은 핀-휜 주변에서 일어나는 속도 벡터를 나타내며, Cases 2와 3의 냉각 채널 내 모든 핀-휜의 주변에서 Fig. 8과 같은 유동을 보인다. 유체가 핀-휜에 부딪혀 유속이 빨라짐과 동시에 핀-휜의 뒤쪽에서 와류가 생김을 알 수 있는 그림이다. 벽면에서 유체의 급격한 속도 구배가 생기고 핀-휜에 의해 유속이 빠르게 나타났다.


Fig. 7 
Velocity vectors of cooling channel in electric motor at three different cases (Ethylene glycol)


Fig. 8 
Velocity vectors at pin-fin in cooling channel

3.2 온도 분포

Figs. 9부터 11은 냉각 채널과 코일, 고정자에 대한 온도 분포를 나타내는 그림이다. 전기자동차 구동 모터에서 코일이 가장 많은 발열이 일어나고, 모터의 내구성과 성능을 결정하기 때문에 코일의 최고 온도와 평균 온도를 가장 먼저 비교하였다. Fig. 10에 의하면 Cases 1의 최고 온도는 140oC, 2는 134oC, 3은 130oC이며, Case 1에서 코일의 최고 온도가 가장 높았다. 평균 온도 역시 Cases 1이 134oC, 2는 131oC, 3은 128oC로 코일의 온도만 비교하였을 때 Cases 3이 1에 비해 약 5% 낮은 온도로 우수한 성능을 볼 수 있었다. 고정자는 코일과 직접적으로 닿아 전도에 의한 열전달이 일어나며 고정자의 최고 온도는 코일의 최고 온도와 거의 동일하게 나타났다. 최저 온도는 Cases 1에서 82.63oC, 2에서 82.15oC, 3에서 80.97oC로 나타났다. 고정자 또한 코일의 온도 분포와 경향이 비슷하며 Case 3의 냉각 성능이 가장 우수하였다.


Fig. 9 
Temperature contours of cooling channel in electric motor at three different cases


Fig. 10 
Temperature contours of coils in electric motor at three different cases


Fig. 11 
Temperature contours of stator in electric motor at three different cases

Figs. 12(a)부터 12(c)는 각각 Cases 1부터 3의 냉각 채널의 내부 벽면에서의 열전달계수를 나타내는 그림이다. Cases 1의 최소 열전달계수는 11,602.4W/m2·oC, 2는 10,304.5W/m2·oC, 3은 8,459.7W/m2·oC로 나타났으며, 3에서 열전달계수가 가장 낮게 나타난 것을 확인하였다. Cases 1의 최고 열전달계수는 16,258.5W/m2·oC, 2는 33,431.5W/m2·oC, 3은 38,035.5W/m2·oC로 3의 열전달 계수가 가장 높은 값을 나타냈다. 최고 열전달계수는 Cases 2와 3 모두 핀-휜의 벽면과 그 주변에서 발생하였고, 그 외의 벽면은 1에 비해 상대적으로 낮게 나타났다. Cases 3은 평균적으로 1과 2 보다 각각 66.8, 6.3% 높은 열전달계수를 보여주어 3의 열전달 성능이 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 이러한 경향의 자세한 분석을 위해 냉각 채널에 내부 벽면에서의 임의의 국소점에 대한 표면 온도를 통해 모든 Cases의 대류 열전달계수(h)를 계산하였다. 국소점에 대한 위치를 간단히 표시하기 위해 무차원 파라미터에 대한 개념을 활용하였다. Fig. 9에서 Z축 방향으로 냉각 채널의 벽면 위에 임의의 위치에 선을 표시한 후 그 선을 일정한 간격으로 11등분하여 국소점(Z+)을 지정하였다. 식(4)를 활용하여 11개의 국소점(Z+)에 대해 무차원화하였다. Z0는 기준선 내에서 냉각 채널 입구와 가장 가까운 지점의 국소점을 의미하고, Zlocal은 임의의 국소점의 위치를 의미한다.

Z+=ZlocalZ0(4) 

Fig. 12 
Wall heat transfer coefficient contours of cooling channel in electric motor at three different cases

Fig. 13은 냉각 채널의 형상에서 무차원 파라미터로 변환시킨 국소점(Z+)을 정의하기 위한 기준선을 표시한 그림이며, 각 Cases 마다 계산한 대류 열전달계수(h)를 정량적으로 비교하였다. Case 1의 냉각 채널의 표면 온도(TS)가 점차 높아지고, 이에 따른 대류 열전달계수(h)는 점차 감소하게 된다. 하지만 Case 2는 Z+ = 0.8의 위치일 때 급격하게 냉각 채널의 표면 온도(TS)가 93.62에서 86.29oC로 강하하였으며 대류 열전달계수(h)는 65.77% 증가한 것을 확인할 수 있었다. Case 2에서 Z+= 0.8의 위치는 핀-휜이 부착되어 있는 위치이고, 핀-휜이 직접적으로 냉각 채널에서 대류 열전달계수(h)를 증가시킨다는 것을 알 수 있었다. Case 3 역시 마찬가지로 Z+= 0.6의 위치일 때 냉각 채널의 표면 온도(TS)가 88.79에서 82.42oC로 강하하였으며 대류 열전달계수(h)는 85.02% 급등한 것을 확인할 수 있었다. 대류 열전달에 따른 냉각 채널의 냉각 성능을 정량적으로 분석하기 위해 Nusselt 수를 계산하고 그래프를 통해 비교하였다. Nusselt 수는 순수 전도 열전달에 대한 대류 열전달에 대한 비를 의미하는 무차원수이다.


Fig. 13 
Temperature contours with local position (Z+) of cooling channel in electric motor at three different cases

Fig. 14는 냉각 채널의 국소적인 위치(Z+)에서 계산된 Reynolds 수(Rez)에 따라 핀-휜이 어느 정도의 대류 냉각 성능을 높이는지 Nusselt 수를 비교하는 그래프이다. Case 1은 핀-휜이 부착되어 있지 않기 때문에 Z+= 0인 지점부터 Z+= 1인 지점까지 지속적으로 Nusselt 수가 감소하는 경향을 보였다. 하지만 Cases 2와 3은 핀-휜에 의해 다른 그래프가 나타났다. Case 2에서 Z+= 0.8인 지점부터 급격하게 Nusselt 수가 상승하였으며, 핀-휜이 부착되어 있는 부분으로써 핀-휜에 의해 대류 열전달이 매우 활발해지는 것을 알 수 있었다. Case 3의 경우도 마찬가지로 Case 3의 Z+= 0.6인 지점에서 급격하게 Nusselt 수가 상승하였다.


Fig. 14 
Nusselt number vs. Reynolds number according to local position(Z+) in cooling channel at three different cases

이를 정량적으로 비교하면 Cases 2에서 Z+= 0.8인 국소점의 Nusselt 수가 1에 비해 95.6% 상승하였다. Cases 3에서 Z+= 0.6인 국소점의 Nusselt 수는 1에 비해 160% 상승하였다. Cases 2의 Z+ = 0.8, 3의 Z+= 0.6인 지점은 핀-휜이 부착되어 있는 지점으로써 핀-휜이 대류 열전달에 의해 냉각을 급속히 촉진시킨다는 사실을 알 수 있었다.

코일은 모터 내에서 발열이 가장 많은 기계 요소이기에 열변형에 의한 주변 부품의 파손 혹은 내구성 저하와 같은 문제를 야기할 수 있어 코일의 온도 분포를 관찰하였다. Fig. 15는 코일의 온도 변화를 관찰하기 위해 48개의 코일 중 온도 편차가 가장 큰 코일의 선정해 Z축 방향과 평행한 코일 표면 중앙에 기준선을 표시한 그림이다. 이 또한 식(4)와 같은 방법으로 Z+를 정의했다.


Fig. 15 
Temperature contour with local position (Z+) of coil surface in electric motor at three different cases

Fig. 16은 코일 표면에서 Z+에 따른 온도 편차를 그래프로 나타내었다. 온도 편차는 Z+= 0 위치에서의 코일 표면 온도와 임의의 국소점(Z+)의 표면 온도 차이(ΔT)로 계산하였다. 최대 온도 편차(ΔTmax)를 수치적으로 비교하기 위해 ΔTmax를 코일 표면의 최고 온도와 최저 온도의 차로 계산하였다. Cases 1에서의 최대온도 편차(ΔTmax)는 8.1oC로 가장 크고, 2와 3에서는 2.4, 1.9oC로 나타났다. Cases 3에서의 최대 온도 편차(ΔTmax)는 1에서의 최대 온도 편차(ΔTmax)에 비해 76.5% 낮은 온도 편차를 보이고, 2의 최대 온도 편차(ΔTmax)에 비해 20.8% 낮은 온도 편차를 나타냈다. Cases 2와 3은 1에 비해 최대 온도 편차가 크지 않은 것으로 보아 핀-휜의 부착으로 인한 냉각이 잘 이루어져 있음을 알 수 있었다. 코일의 온도 편차가 크면 열변형이 발생하는 양이 달라지기 때문에 Case 1에서 모터 성능 저하가 발생할 우려가 있음을 확인할 수 있었다. 이에 반해 Cases 2와 3은 온도 편차가 적어 열변형에 대한 우려가 줄어듦을 확인하였다.


Fig. 16 
Temperature deviation vs. local position (Z+) on coil surface in motor three different cases

3.3 FSI 열변형 해석

자체 개선 설계한 모터에서 정확히 어느 정도의 정량적인 열변형이 일어났는지 경향을 확인하기 위해 앞서 ANSYS FLUENT V20.1에서 유동해석 결과를 ANSYS MECHANICAL V20.1에 연동시켜 FSI 열변형 해석(유체-구조 연성 해석)을 진행하였다. Figs. 17은 회전자에서 FSI 열변형 해석 결과를 나타내는 그림이며, 17(a)17(d)는 고정자와 코일, 회전자 모두의 실제 열변형의 일어난 상태와 열변형을 340배 확대한 형상을 나타내는 그림이다. Figs. 17(b)17(c)는 회전자에서 실제 열변형이 일어난 상태를 후면, 옆면에서 바라보았을 때이며, 17(e)17(f)는 회전자에서 열변형을 340배 확대하였을 때 후면, 옆면을 보여주는 그림이다. 회전자 내에서 최대 열변형량은 124oC에서 0.317mm, 최소 열변형량은 118oC에서 0.048mm로 나타났다. 이러한 해석 결과로 보아, 회전자와 고정자 사이의 균일하지 않은 공극이 발생하며, 회전자 내 영구 자석의 손상으로 인한 모터의 기능 상실이 발생할 우려가 있다. 특히, 고정자와 회전자의 균일하지 않은 공극은 모터의 릴럭턴스 토크와 마그네틱 토크의 편차인 토크 리플이 발생하여 소음 및 진동이 심해지는 경향이 있다. 이와 같이 열변형에 의한 모터의 파괴는 안전사고에 있어 중요한 문제이다.


Fig. 17 
Thermal deformation contour of rotor and stator, coil in electric motor at case 3

3.4 냉각수 종류에 따른 수치 해석

추가적으로 냉각수의 종류가 냉각에 어떠한 영향을 끼치는지 연구하였다. 냉각수 종류는 Propylene glycol (PG)로 유동해석을 진행하다. 해석 모델은 Case 3으로 진행하였으며 물성치 또한 기존의 냉각수인 EG을 PG로 바꿔 냉각 성능을 비교하였다. PG의 물성치로써, 밀도는 1,035 kg/m3, 비열은 3,599 J/kg·oC, 열전도율은 0.4053 W/m·oC, 점성계수는 0.0023 Pa·s로 계산하였다. Table 6은 EG를 PG로 변환하여 유동해석을 진행하였을 때 식(4)와 같은 방법으로 냉각 채널의 내부 벽면에서 임의의 국소점(Z+)을 정의하고, 임의의 국소점(Z+)에 따른 EG, PG의 냉각 채널 내부의 벽면 온도(TS)와 온도 편차(ΔTs)를 나타냈다.

Table 6 
Local temperature temperature deviation of cooling channel surface at case 3 according to coolant substance
EG PG EG vs. PG
Z+ TS [oC] TS [oC] ΔTs [oC]
0 84.45 89.75 5.3
0.1 85.15 91.35 6.2
0.2 86.65 92.55 5.9
0.3 87.35 92.95 5.6
0.4 88.15 94.25 6.1
0.5 88.75 95.55 6.8
0.6 82.35 89.95 7.6
0.7 84.25 91.45 7.2
0.8 85.95 92.65 6.7
0.9 88.05 94.25 6.2
1 88.65 94.45 5.8

온도 차이는 전반적으로 약 5-7oC로 EG보다 PG의 냉각 채널 내부 벽면 온도가 더 높게 나타났으며 가장 큰 온도 편차(ΔTs)는 7.6oC가 나타났다. 최대 온도 편차(ΔTS(max))가 발생하는 국소점(Z+= 0.6)을 기준으로 EG는 PG에 비해 2.09% 낮은 온도를 보였으며, 최소 온도 편차(ΔTS(max))가 발생하는 국소점(Z+= 0)을 기준으로 EG가 PG에 비해 1.46% 낮은 온도를 가지는 것을 확인하였다. 계산된 결과에 따른 결론은 EG이 PG보다 냉각 채널의 벽면 온도를 강하시키며 냉각 성능이 더욱 뛰어났고, 자동차 냉각수의 종류로써 PG에 비해 더욱 적합한 물질이라고 판단할 수 있었다.


4. 결론

본 연구는 전기자동차 구동 모터의 냉각 성능을 향상시키기 위한 목적으로 수행되었다. K사의 모델 N의 구동 모터를 직접 분해 및 실측하여 역설계를 진행한 후 회전자, 고정자, 코일, 자석 등 냉각 채널을 제외한 모든 부품은 단순화하여 동일한 제원으로 설계하고, 냉각 채널은 3가지의 모델(Cases 1부터 3)로 핀-휜을 냉각 채널의 출구 부분부터 냉각 채널 총 길이의 0, 30, 50% 영역에 각각 부착하여 개선 설계한 후, 동일한 경계 조건을 바탕으로 유동해석을 진행하였다. 진행된 유동해석을 바탕으로 나온 속도 및 온도 분포 데이터를 기반으로 냉각 성능이 우수한 모델을 분석하여 사례 연구를 수행하였다. 냉각 채널의 국소점에서 나타난 온도 분포를 통해 무차원 파라미터를 활용한 무차원 기준 길이에 따른 11개의 국소점(Z+)에서 계산된 대류 열전달계수(h)를 비교하였으며, 코일에서의 온도 분포를 국소점(Z+)에 따라 온도 차이를 계산하였고 국소점(Z+)에 따른 Reynolds 수와 Nusselt 수를 계산하여 열전달 성능을 비교하였다. 이러한 연구에 대한 결론을 다음과 같이 정리하였다.

(1) 냉각 채널에서의 속도 분포를 해석해 보았을 때, Cases 1에서 EG의 최고 속도는 0.92 m/s이고, 2에서는 1.24 m/s, 3에서는 1.20 m/s로, 핀-휜이 부착되어 있는 Cases 2와 3이 높은 유속을 보였다. 이는 핀-휜에 의해서 유속이 빨라지는 효과가 나타난다는 결과를 보여주었다.

(2) 전기자동차 구동 모터의 성능을 향상시키기 위해서는 우수한 냉각시스템을 갖춘 냉각 채널을 통해 발열이 가장 많은 코일의 온도를 최소로 하여야 하며, 본 연구를 통해 코일의 표면 온도 분포를 분석한 결과, 최고 온도는 Cases 1에서 140oC로 가장 높게 나타났고, 2의 최고 온도는 냉각 채널의 출구 부분과 가장 가까운 코일 표면의 국소점(Z+= 1)에서 134.4oC로 나타났다. Case 1의 최고 온도에 비해 4% 낮게 나타났다. Case 3의 최고 온도 또한 냉각 채널의 출구 부분과 가장 가까운 국소점(Z+= 1)에서 130.5oC로 나타났다. Cases 1의 최고 온도에 비해 6.78% 낮게 나타나 3에서 가장 우수한 냉각 성능을 보였다.

(3) 코일 표면의 최대 온도 편차(ΔTmax)는 Cases 1이 8.1oC로 가장 크게 나왔으며, 2와 3은 각각 2.4, 1.9oC로 1에 비해 큰 온도 편차는 나타나지 않았다. 이러한 결과로 Case 1은 열변형이 구간별로 각기 다른 변형량이 일어날 것이며, 이에 따른 전기자동차 구동 모터의 뒤틀림, 모터의 성능 저하가 우려된다. 하지만 Cases 2와 3은 온도 편차가 비교적 일정하며, 1에 비해 열변형 및 성능 저하의 우려가 적음을 판단할 수 있었다.

(4) Cases 2의 경우 대류 열전달계수(h)는 핀-휜이 부착되는 지점(Z+= 0.8)에서 1의 Z+= 0.8 지점에 비해 65% 향상되었다. Cases 3의 경우 대류 열전달계수(h)가 핀-휜이 부착되는 지점(Z+= 0.6)에서 1에 비해 85% 향상하였으며, 핀-휜과 유체 유동 진행 방향의 반대 위치에서 와류가 발생함과 동시에 열전달이 활발해지면서 대류 열전달계수(h)가 급격히 상승하였다.

(5) 코일 표면의 최고 온도가 가장 낮게 나온 Case 3의 열변형 문제에 관한 수치를 정량적으로 확인하기 위해 FSI 유체-구조 연성 해석을 진행하였을 때, 회전자에서의 최대 열변형량은 0.317mm, 최소 열변형량은 0.048mm로 나타났다. 이는 고정자와 회전자 사이의 공극의 변화를 야기시킬 수 있고, 모터에서 공극의 변화는 토크 리플과 관련된 소음, 진동의 문제와 직결되므로 이를 해결하기 위해서는 차세대 전기자동차 구동 모터의 냉각 기술을 더욱 연구를 할 필요성이 있다고 판단하였다.

(6) 냉각수 종류를 EG와 PG로 선정해 두 가지 유동해석 결과를 비교하였다. 냉각수가 각각 EG와 PG의 경우일때, 냉각 채널 벽면의 온도 분포를 확인하였다. EG는 PG에 비해 1.49-2.09% 낮은 냉각 채널 벽면의 온도를 보였으며, 자동차 냉각수의 물질은 EG이 더욱 적합하다고 판단하였다.

(7) 최종적인 연구의 결과는 핀-휜 와류발생기를 출구 부분부터 냉각 채널 총 길이의 50% 영역에 부착한 Case 3의 냉각 성능이 가장 우수하였고, 추후에는 냉각 채널에서의 냉각시스템만 생각하는 것이 아닌 고정자, 회전자, 에나멜과 같은 다른 부품에서의 첨단 소재를 적용하는 방법, 코일에서의 냉각수 직접 분사 등과 같은 다양한 방법을 통해 차세대 전기자동차 구동 모터의 냉각 성능을 향상시킬 수 있을 것이다.


REFERENCES
1. Yoo, Y. B., Kim, T. H., Park, C. B., and Moon, S. J., “The Thermal Characteristics of 210 kW IPMSM during the Water Cooling Jacket based on Finite Element Method,” Proc. of the KSME Annual Conference, pp. 117-118, 2014.
2. Choi, Y. C., Yang, J. S., Jeong, M., Park, Y. G., and Ha, M. Y., “Numerical Study on the Size Effect of Vortex Generator on Flow and Heat Transfer in Dimpled Cooling Channel,” Proc. of the KSME Annual Conference, pp. 748-752, 2018.
3. Yang, J. S., Jeong, M., Park, Y. G., and Ha, M, Y., “Numerical Study on Flow and Heat Transfer in a Cooling Channel with Vortex Generator behind Dimple,” Proc. of the KSME Annual Conference, pp. 193-198, 2017.
4. Park, H. J. and Lee, S. R., “Numerical Analysis on the Heat Transfer Improvement of Cooling Passage in Lithium-Ion Battery by Using Vortex Generator,” Journal of the Korean Society of Mechanical Technology, Vol. 22, No. 3, pp. 450-456, 2020.
5. Moon, Y., “Effect of the Angle and the Location of Auxiliary Holes on the Performance of the Anti-Vortex Film Cooling Hole,” M.Sc. Thesis, Korea Aerospace University. 2015.
6. Chung, H. K., Na, Y. S., and Lee, J. S., “The Effect of Embedded Vortices on Film Cooling with Compound Angle Orientation,” ICHMT Digital Library Online, 2000.
7. Moon, M., Husain, A., and Kim, K. Y., “Shape Optimization of a Rotating Cooling Channel with Pin-Fins,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B, Vol. 34, No. 7, pp. 703-714, 2010.
8. Kumar, A., “Electric Motor Internal Heat Convection Modelling and Analysis,” M.Sc, Thesis, Chalmers University of Technology, 2018.

Min-Gi Chu

B.S. candidate in the School of Mechanical and Automotive Engineering, Catholic University of Daegu. His research interest is electric vehicle and future alternative energy.

E-mail: alsrl3901@cu.ac.kr

Dong-Ryul Lee

Professor in the School of Mechanical and Automotive Engineering, Catholic University of Daegu. His research interest is heat transfer, fluid engineering, and electric vehicle.

E-mail: dlee@cu.ac.kr