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[오토저널] 국내 차량용 구동 모터의 방열 및 냉각 기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-02-03 15:18:43

본문

차량용 구동 모터 냉각 기술 개요
일반적으로 차량용 전기구동시스템은 구동 모터, 인버터 및 컨버터 등으로 구성된다. 파워트레인이 점점 전기화가 됨에 따라 전기구동시스템의 수요도 점점 증가될 것으로 예상된다. 최근 들어 차량용 전기구동시스템이 소형화, 고출력화, 고효율화가 지속적으로 요구되고 있기 때문에 전기구동시스템을 열적인 측면에서 보다 안정적으로 운용하기 위해서는 열관리시스템 기술이 필요하다.

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전기구동시스템의 열관리시스템은 수동적인 냉각 개념을 벗어나 전기구동시스템의 열손실이 최소화 될 수 있도록 핵심 부품들의 효율을 높이고 열 저항이 최소가 될 수 있도록 설계하는 것에서부터 시작된다. 또한 열손실이 발생할 경우 이를 내부적으로 활용하거나 외부로 방출될 수 있도록 하는 냉각시스템과 관련 제어 기술을 모두 포함한다. 따라서 대부분 HEV 및 PHEV의 파워트레인을 살펴보면 엔진/변속기, 구동 모터 및 배터리 냉각(윤활 포함)시스템, 그리고 냉난방 시스템이 유기적으로 통합 관리된다. 모터는 전기에너지를 기계적 에너지로 변환하는 기기로, 에너지를 전환하는 과정에서 열에너지를 발생시킨다. 이러한 열에너지는 전기적 또는 기계적 성능을 저하시키는 주요 요인이다. 특히 차량용 구동 모터는 다양한 운전 및 환경조건에서 안정된 성능을 발휘할 수 있도록 개발되어야 되며, 열손실이 발생할 경우 적절한 방열 및 냉각 시스템을 이용하여 열적으로 관리해야 된다. 본 고에서는 차량용 전기구동시스템의 열관리기술 중 구동 모터의 방열 및 냉각 기술을 간략히 소개하고자 한다.

차량용 구동 모터 냉각 기술 동향
모터 운전 시 발생하는 열, 즉 구동 모터의 효율이 90~95%일 경우 나머지 손실은 열로 발생된다. 구동 모터의 냉각 기술은 발생된 열을 적절히 냉각하여 구동 모터가 안정적으로 운용될 수 있도록 하는 기술이다. 특히 모터 내부에서 발생한 열이 모터 절연등급 허용 온도를 초과하거나 영구자석에서 감자(Demagnetization)가 발생되지 않도록 설계해야 한다. 또한 차량 관점에서도 이를 모니터링 및 제어하는 기술이 필요하다.

모터의 방열 및 냉각 방법은 모터의 용량, 용도, 환경, 비용 등을 고려해서 적절히 적용한다. 그러나 차량용 구동 모터는 차량 특성을 고려해서 구동 방법 및 장착 위치 등에 따라 모터의 방열 및 냉각 방법을 적절히 선택해야 된다. 차량용 구동 모터의 냉각 방식은 크게 공랭식, 수냉식, 유냉식, 혼합 방식으로 구분된다. 최근 구동 모터의 소형화가 요구되고 출력 밀도가 높아짐에 따라 수냉식을 사용하거나 수냉식과 유냉식을 혼합하여 사용하는 추세에 있다. 특히 인휠 모터와 Personal Mobility와 같은 소형 전기구동시스템의 경우 외부에 별도의 방열기 없이 독립적인 냉각을 할 수 있는 방열 및 냉각 기술을 선호한다.

최근 개발되고 있는 대표적인 구동 모터의 방열 및 냉각 기술을 <표 1>과 <표 2>에 정리하였다. 공랭식 구동 모터는 모터 구조체의 열전도에 의해 모터 하우징으로 열이 전도되고, 방열 핀을 통해 외부로 열전달이 되는 간단한 구조다. 이러한 시스템은 외부 냉각 공기 확보를 위한 레이아웃 검토가 필요하다. 반면, 차량의 주행 환경에 영향을 비교적 덜 받는 수냉식 또는 유냉식 냉각 및 방열 기술이 보다 효과적일 수 있다. 유냉식의 경우 감속기 윤활과 냉각이 동시에 가능하고 로터 내부 마그넷의 열점(Hot Spot)을 방지할 수 있는 장점이 있다.

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차량용 구동 모터 냉각 기술 사례
구동 모터의 방열 및 냉각 설계는 근본적으로 발열 자체가 최소화되도록 구동 모터를 포함한 시스템을 설계하는 것이며 발열량을 정확히 예측하고 적절한 방열 및 냉각시스템을 채용하는 것이 중요하다. <그림 2>에 자동차용 수냉식 구동 모터의 냉각설계 프로세스 예를 도식화하였다. 요구 조건을 만족할 수 있는 구동 모터를 설계하고 전자계 해석을 통해서 성능과 냉각 컨셉을 결정한다. 냉각 컨셉이 완료되면 열유동 해석을 통해서 냉각 성능을 확인하게 되며 그렇지 않을 경우 설계 변경을 하게 된다. 이와 같은 반복 과정을 통해 요구 사양을 만족할 경우 시제품을 제작하고 실험을 통해 최종 검증을 하게 된다.

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●구동 모터 설계 및 손실 예측 기술
모터 자체의 발열을 최소화하기 위해 철심 두께, 소재 변경을 통한 동손을 최소화하고 영구자석 배열 및 배치 등에 대한 설계변경을 통해 철손을 최소화하도록 해야 된다. 최근 들어 전자기장 해석 소프트웨어를 이용하여 전자기 특성 해석을 통해서 모터 내부의 손실 분포를 확인하고 적절한 설계 변경을 통해 개선을 위한 노력을 많이 하고 있다. 와류 손실(Eddy Current Loss)의 대부분은 영구자석에서 Current Path 길이에 비례하여 발생하기 때문에 영구자석의 형상 및 배열/배치를 변경하여 이를 해결하고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 구동 모터에서의 정확한 손실 예측은 방열 및 냉각에 필요한 적절한 시스템을 설계하는데 있어 무엇보다도 중요한 사항이며, 구동 모터의 냉각 기술의 정확도를 결정하는 부분 중 하나이다. 또는 구동 모터의 운전 조건, 즉 정격 또는 최대 출력, 저회전수 또는 고회전수에 따라 손실 값의 크기와 위치가 다르기 때문에 방열 및 냉각 해석에 있어서 중요한 기준이된다.

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●구동 모터 방열 및 냉각 기술
구동 모터에 대한 열유동 해석은 주로 3-D 전산유체역학(CFD) 소프트웨어를 사용하는 것이 일반적이다. 이러한 방법은 컴퓨터 및 수치해석 기법의 비약적인 발전에 힘입어 보다 신뢰성 있는 정보를 설계자들에게 제공하고 있다. 특히 공랭식 및 수냉식을 사용하는 구동 모터의 방열 및 냉각 설계에 적극적으로 활용되고 있다. 방열 성능이 우수한 핀을 가진 모터 하우징 설계, 워터 자켓 유로 설계, 열전도성이 우수한 방열 소재, 열저항을 최소화 할 수 있는 접합구조 등은 이와 같은 방열 및 냉각 설계에 있어 주요 설계 인자다. 또한 전자계-열유동연계 해석을 통해 구동 모터 내부의 온도 분포를 고려한 전자계 해석과 마그넷의 감자 특성을 분석 개선하는 방법도 최근 많이 적용되고 있다. 그러나 구동 모터의 최대 출력 조건에서의 시간에 따른 과도 해석과 유냉식의 경우 수치해석만으로 접근하기에는 아직까지 어려움이 많이 있다. 해석 시간을 줄이기 위한 가정과 단순화가 필요하며 실험을 통한 보완이 필요한 부분이다. 최근에는 1-D 소프트웨어와 3-D 소프트웨어를 연계하여 구동 모터의 방열 및 냉각 운전 전략을 수립하고, 열전달 성능이 보다 우수한 새로운 냉각 매질에 대한 연구도 진행되고 있다.

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본 고에서는 국내 자동차 전기 구동 모터의 냉각 기술 동향에 대해 간략히 살펴보았다. 차량용 구동 모터의 방열 및 냉각 기술에서 가장 중요한 점은 손실 자체를 최소화해서 방열 및 냉각 설계를 단순하게 하거나 가능하다면 없애는 것이다. 그러나 방열 및 냉각이 필요하다면 구동 모터의 손실을 정확히 예측하여 최소한의 노력으로 효과적인 방열 및 냉각을 할 수있도록 하는 것이 좋다. 그 결과에 따라 동일한 구동 모터 일지라도 성능과 내구성이 우수한 구동 모터를 만들 수 있다. 이를 위해서는 새로운 해석기법 개발, 열저항을 줄일 수 있는 소재 및 형상, 그리고 냉각 성능 향상을 위한 냉각시스템 제어기술 등에 대한 지속적인 연구개발이 이루어져야 할 것이다.

 

글 / 이기수 (자동차부품연구원)

출처 / 오토저널 15년 8월호 (http://www.ksae.org)   

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