모터 냉각에 관한 성능 연구

모터 냉각에 관한 성능 연구

본 연구는 모터 냉각 성능을 실험적으로, 그리고 수치적으로 조사한다. 모터는 원심 팬, 2개의 축 팬, 축, 스테이터, 로터, 637개의 냉각 튜브가 있는 열 교환기로 구성된다.

1800rpm에서 냉각팬의 압력 상승-유량(P-Q) 성능 곡선은 중국 국가표준(CNS) 2726을 준수하는 시험 장치를 사용하여 시험한다. 수치해석 결과, 실험 측정과 비교했을 때 축방향 팬과 원심형 팬의 P-Q 성능 곡선은 각각 약 2%와 6% 이내에서 추정할 수 있다.

단순화된 모델을 사용하여 열교환기와 스테이터를 다공성 매체로 설정함으로써 모터의 흐름장을 계산한다. 로터와 스테이터 근처의 유장 결과를 사용하고, 열 발생 속도를 경계조건으로 하여 스테이터와 로터의 온도분포도 계산한다.

시뮬레이션 결과 축 팬 근처에 있는 스테이터 권선의 계산온도는 측정값보다 약 5% 낮으며, 스테이터 중심에 위치한 스테이터 코어의 계산온도는 측정값보다 약 1% 높다. 이외에도 모터 냉각 성능 향상을 위한 논의가 이루어지고 있다.

모터는 우리 생활에서 널리 사용되고 있지만, 온도는은 모터 생산에서 중요한 고려사항이 된다. 과열은 모터의 수명을 감소시키는 결과를 가져올 것이다. 따라서 비용을 절감하고 최적화된 성능을 얻는 방법은 노력을 기울여야 한다.

CFD(Computational Fluid Dynamics) 코드를 통해 모터의 열 전달을 이해하고 모터의 열 관리를 개선하는 데 유용할 것이다.

모터 성능을 향상시키기 위해, 많은 연구들이 팬의 성능 예측과 최적화에 전념하였다[1-6]. 좋은 팬은 기하학 및 블레이드 번호를 포함하여 모터의 냉각 용량에 영향을 미친다. 게다가, 선풍기에서 발생하는 소음과 진동은 데시벨을 낮추는 방법을 제안할 필요가 있는 핵심이다.

모터 온도와 관련하여 모터 온도를 결정하기 위해 전력 소산 및 모터 열 저항을 고려할 수 있다[7]. 밀폐된 모터 냉각 시스템의 흐름 구조에 따라 달라지는 대류 열전달 때문에 밀폐된 전기 모터의 유체 흐름은 수치적 방법에 의해 연구된다[8]. 모터 성능 연구에서는 CFD 모델링 기법을 사용하여 모터의 열 관리를 조사한다.

[9-13]. 본 연구는 주로 원심 팬(외부 팬), 2개의 축 팬(내부 팬), 샤프트, 스테이터, 로터 및 637개의 냉각 튜브가 장착된 열 교환기로 구성된 2350kW TEAC(Tall Closed Air to Air Cooling) 모터를 조사한다. 이 모델에서 흐름은 외부 흐름과 내부 흐름으로 구분할 수 있다. 그림 1에서, 파란색 화살표는 외부의 차가운 흐름을 나타낸다.

원심 팬이 회전하면서 주변 공기가 공기 장막을 통해 흐른 뒤 637개의 열교환 튜브로 들어가 밖으로 나가는 데서 유래한다. 빨간색 화살표의 순환은 축 팬의 회전으로 인한 내부 열류, 스테이터를 의미한다. 그런 다음 열교환기로 들어가 외부 저온 흐름으로 열교환한다.

Flow fields of the axial fan
Path lines of the axial fan
Calculation results of the pressure and flow fields

본 연구에서는 모터 성능을 Fluent[14]와 상업용 코드인 Flow-3D[15]로 시뮬레이션하고, Gambit을 사용하여 Fluent용 메쉬를 생성한다.

이 모터의 복잡한 지오메트리를 다루기 위해서는 구조화되지 않은 메쉬나 하이브리드 메쉬가 우선 고려되었다. 아쉽게도 멀티 블록 구조 메시 생성 방식을 시도했지만 효과가 없었다. 또한 심하게 치우친 요소를 생성하지 않고 메쉬 확인을 위한 메쉬 테스트도 시뮬레이션 과정에서 중요하다.

본 연구의 첫 번째 부분은 축 및 원심 팬의 성능을 조사하는 것이다. 두 번째는 스테이터와 로터 부근의 전체 모터의 유량장, 압력장, 온도에 대해 논의한다. 모델의 정확성을 입증하기 위해 팬 성능 및 스테이터 온도의 계산 결과를 실험 데이터와 비교한다.

상세한 내용은 첨부된 논문을 참조하기 바랍니다.

The-Investigation-of-Motor-Cooling-Performance.pdf

Automotive Bibliography

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2022년 5월 23일 Update

33-21   Xiaozhou Hu Ao Wang Pingping Li Jianing Wang, Influence of dynamic attitudes on oil supply for bearings and churning power losses in a splash lubricated spiral bevel gearbox, Tribology International, 159; 106951, 2021. doi.org/10.1016/j.triboint.2021.106951

64-18   Vasilios Fourlakidis, Ilia Belov and Attila Diószegi, Strength prediction for pearlitic lamellar graphite iron: Model validation, Metals, Vol. 8, No. 9, 2018. doi.org/10.3390/met8090684

43-18   R.A. Ibrahim and B. Singh, Assessment of ground vehicle tankers interacting with liquid sloshing dynamics, International Journal of Heavy Vehicle Systems, vol. 25, no. 1, 2018. doi.org/10.1504/IJHVS.2018.089894

34-17   Hidenori Arisawa, Yuji Shinoda, Mitsuaki Tanaka, Tatsuhiko Goi, Hirofumi Akahori and Mamoru Yoshitomi, Classification of Fluid Dynamic Loss in Aeroengine Transmission Gears – Experimental Analysis and CFD Validation, Proceedings of ASME Turbo Expo 2017: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, GT2017, June 26-30, 2017, Charlotte, NC, USA.

26-15   Herbert Obame Mve, Romuald Rullière and Philippe Haberschill, Modeling and Parametric Study of the Heat Transfer Inside a Lithium Bromide Flow Confined by Wire Screen, Journal of Energy and Power Engineering 9 (2015) 417-425, doi: 10.17265/1934-8975/2015.05.001

17-15   Peyman Jafarian, Gear interlocking effect study using CFD, published online April 2015.

23-14  Daiki Saegusa and Shinji Kawai, CFD Analysis of Lubricant Fluid Flow in Automotive Transmission, SAE Technical Paper 2014-01-1772, 2014, doi:10.4271/2014-01-1772, Copyright © 2014 SAE International.

15-14  Hidenori Arisawa, Motohiko Nishimura, Hideyuki Imai and Tatsuhiko Goi, CFD Simulations and Experiments for Reduction of Oil Churning Loss and Windage Loss in Aeroengine Transmission Gears, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, ASME, doi:10.1115/1.4026952, 2014.

87-13 Daiki Saegusa and Shinji Kawai, Technique for Prediction of Automotive Transmission Lubrication Performance, Honda R&D Technical Review, October 2013.

26-13  Hidenori Arisawa, Motohiko Nishimura, Hideyuki Imai, Kenichiro Tanaka, and Tatsuhiko Goi, CFD Simulations and Experiments for Reduction of Oil Churning Loss and Windage Loss on Aeroengine Transmission Gears, No. 2012-JCT-0705, © 2013 The Japan Society of Mechanical Engineers. In Japanese.

53-09  Hidenori Arisawa, Motohiko Nishimura, Hideyuki Imai and Tatsuhiko Goi, CFD Simulation for Reduction of Oil Churning Loss and Windage Loss on Aeroengine Transmission Gears, ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea and Air, Orlando, Florida, USA, June 8-12, 2009.

45-09 Chih-Chung Chang, Sy-Chi Kuo, Chen-Kang Huang, and Sih-Li Chen, The Investigation of Motor Cooling Performance, International Journal of Mechanical, Industrial and Aerospace Engineering, 3:1, 2009.

37-04   U, H., Cleghorn, W. and Mills, J., Design and Analysis of Fuel Tank Baffles to Reduce the Noise Generated From Fuel Sloshing, SAE Technical Paper 2004-01-0403, 2004, doi:10.4271/2004-01-0403.

38-03   Hidenori Arisawa, Katsuya Umemoto, Atsushi Ueshima and Yuichi Kawamoto, CFD Simulation of the Lubricating Oil Flow in Motorcycle Oilpan, 2003 SAE/JSAE Small Engine Technology, Conference & Exhibition, Madison, Wisconsin, USA, September 15-18, 2003.

자동차 분야

Automotive

Nozzle filling simulation. Courtesy Reutter Group

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