A Study on Thermo-flow Characteristics Analysis of Electric Water Pump

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전동 워터펌프의 열유동 특성 해석에 관한 연구

김 성 철^*1)․송 형 근²⁾

자동차부품연구원 그린카파워트레인연구본부¹⁾․명화공업 기술연구소²⁾

A Study on Thermo-flow Characteristics Analysis of Electric Water Pump

Sung Chul Kim^*1)․Hyeong Geun Song²⁾

1)Green Car Powertrain R&D Division, Korea Automotive Technology Institute, 74 Yongjeong-ri, Pungse-myeon, Cheonan-si, Chungnam 330-912, Korea

2)R&D Center, Myunghwa Industry Company, 720-2 Wonsi-dong, Danwon-gu, Ansan-si, Gyeonggi 425-851, Korea (Received 9 December 2011 / Revised 29 December 2011 / Accepted 26 January 2012)

Abstract : An electric water pump for engine cooling system has an advantage which particularly in the cold start, the use of the electric water pump saves fuel and leads to a corresponding reduction in emissions. The canned type electric water pump without mechanical sealing elements was selected to meet the requirements for operational reliability and life. However, the electric water pump for internal combustion engine generates much more heat loss than for hybrid electric vehicle since it is operated by the electric power of high current and low voltage. In this study, the fluid flow and thermal characteristics of the canned type electric water pump as an inverter integrated water pump has been investigated under the effects of heat generation. The analysis conditions such as outdoor air temperature of 125°C, water pump speed of 6000 rpm, coolant temperature of 106°C and coolant flow rate of 120 L/min was used as a standard condition. Therefore, flow fields and temperature distribution inside the water pump were obtained. Also, we checked the feasibility of the canned type for the electric water pump in comparison with the mechanical seal type.

Key words : Canned type(캔드 타입), Electric water pump(전동 워터펌프), Thermal analysis(열해석), CFD(전산 유체역학)

1. 서 론¹⁾

최근 자동차의 개발 방향은 친환경, 고효율 및 고 연비 차량에 관심이 집중되고 있는 실정이다. 이러 한 목표를 달성하기 위하여, 자동차 부품의 전동화 가 이루어지고 있으며, 냉각시스템에서는 핵심 부 품인 워터펌프의 전동화를 위한 연구가 활발히 진 행되고 있다. 전동 워터펌프는 차량의 엔진 및 전기 장치의 적절한 온도유지를 위해 냉각수를 순환시키 는 역할을 담당하는 부품이다. 엔진의 회전과 연동 되어 벨트로 구동되는 기존의 기계식 펌프와는 달 리, 펌프부에 전기모터 및 제어기가 결합되어 독립

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

적이고 능동적인 작동이 가능해지므로, 엔진 냉각 수의 온도를 최적으로 유지할 수 있고, 연비와 효율 을 높일 수 있다.¹⁾

본 연구에서의 캔드타입 전동 워터펌프는 펌프부 와 모터부 사이의 기존 실링 장치를 삭제하고, 모터 부의 고정자와 회전자를 BMC(Bulk Molding Com- pound) 몰딩 내부에 삽입하여 격벽에 의해 방수하는 구조(모터의 로터외곽에 박스를 만들어 모터의 로 터가 유체에 잠기도록 실링하는 방식)로서, 냉각수 누수로 인한 모터의 고장이 없는 장점이 있고, 냉각 수가 모터부까지 흐르는 구조적인 특징을 가진다.

또한 인버터 일체형으로, 특히 내연기관 차량에서 는 저전압, 고전류의 동력으로 구동되므로 모터, 인

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김성철․송형근

버터 및 베어링 부분에서 많은 발생열이 모터부까 지 흐르는 냉각수에 의해 냉각되는 효과를 얻는다.

따라서, 모터의 온도가 성능 및 내구성과 직접적인 관련이 있기 때문에, 워터펌프에 대한 열유동 해석 기술 개발은 워터펌프의 성능 및 내구성 확보를 위 한 열전달 측면에서의 구조적인 설계 및 최적화에 중요한 기초 자료가 될 것이다.

워터펌프의 유동 해석에 관한 연구는 오래 전부 터 진행되어 왔다. Heo²⁾ 등은 자동차용 밀폐형 워터 펌프의 임펠러 쉬라우드와 허브 각도가 다른 세 가 지 모델에 대해서 성능 비교를 위한 수치해석을 수 행하였고, 수력 성능 시험을 통하여 해석 결과를 검 증하였다. Lee³⁾ 등은 상용 해석코드를 이용하여 자 동차용 밀폐형 원심식 워터펌프의 평형공 직경 크 기 변화가 수력 성능 및 축추력 특성에 미치는 영향 을 살펴보았다.

이와 같이 기존의 연구들은 유동해석을 수행하는 데 그쳤으나, 본 연구에서는 모터 및 인버터의 발열 문제가 중요하므로 캔드타입 전동 워터펌프의 핵심 구성 부품들을 모델링하여 열유동 해석을 수행하였 다. 해석 결과로부터 전동 워터펌프의 수력 성능 및 각 구성 부품별 온도 분포를 파악하고, 해당 모델의 냉각 효과를 분석하였다.

2. 수치 해석 2.1 해석 모델

전동 워터펌프의 열유동 해석에 사용된 지배방정 식은 질량 보존, 운동량 보존, 에너지 보존 방정식이 며, 난류 모델은 Kato-Launder 모델을 수정한 MP (Modified Production) k-ε 모델을 사용하였다. 이것 은 표준 k-ε 난류 모델이 정체점 부근에서의 과다한 예측을 보상하기 위해 수정된 모델이다. 또한 해석 프로그램으로는 상용 SC/Tetra가 사용되었다.⁴⁾

캔드타입 전동 워터펌프는 인버터 일체형이며 크 게 펌프부, 모터부, 인버터부로 나누어진다. 펌프부 는 냉각수를 순환시키는 임펠러와 볼류트 케이싱 및 입･출구 부분으로 구성되며, 모터부는 임펠러에 회전력을 발생시키는 캔드타입의 모터(회전자, 고 정자)가 존재하고, 인버터부는 모터를 구동하기 위 한 전력 반도체 모듈과 제어부로 이루어져 있다. 이

Fig. 1 Geometry of canned type electric water pump

Fig. 2 Grid model of whole configuration

러한 캔드타입 전동 워터펌프의 외부 형상을 Fig. 1 에 나타내었다. 해석 모델의 형상을 실제와 유사하 게 하기 위하여 격자는 사면체 격자를 사용하였고, 벽 근처에서는 프리즘 격자를 삽입하여, 전체 격자 수는 약 2천만 개 이상이다. 그리하여 생성된 격자 의 형상을 Fig. 2에 나타내었다. 해석 격자 모델링은 전체 모델을 열유동 해석영역으로 정하고, 격자수 와 해석 시간을 충분히 확보하여 해석 정확도를 향 상시켰다.

2.2 경계 조건

본 연구에서는 전동 워터펌프 해석을 위하여, 주 위의 공기 및 펌프 내부를 순환하는 냉각수 유체의 흐름은 3차원, 정상, 비압축성, 난류유동으로 가정 하였고, 각 부품의 재질 물성치는 온도에 관계없이 일정한 것으로 설정하였다.

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Table 1 Boundary condition

Interior fluid (water) 120 L/min, 0.9 bar (inlet), 106°C Exterior fluid (air) 125°C, 0 Pa (total pressure)

Rotating speed 6000 rpm

Heat source Stator core 30 W, Coil 20 W, Bearing 5.3 W, Inverter 10 W

본 모델은 내연기관 차량에 적용하는 것을 목표 로 하여 주변 온도는 엔진룸 내부의 온도로 볼 수 있 으므로, 고부하에서 운전되는 엔진의 룸 내부 온도 를 125°C로 가정하였다. 정격 운전되는 워터펌프에 흐르는 냉각수는 120 L/min, 입구압력 0.9 bar, 유체 온도 106°C이며, 이 때 모터 및 임펠러의 회전속도 는 6000 rpm이다. 워터펌프의 발열은 모터 고정자 에서 발생하는 동손실(실험치)과 철손실(해석치), 베어링에서 발생하는 마찰 손실, 그리고 인버터에 서 발생하는 반도체 손실(실험치)로 구분할 수 있다.

여기서, 마찰 손실은 모터의 전체 손실에서 동손실 과 철손실을 뺀 값에 해당된다. 회전하는 부분인 임 펠러, 축과 모터부의 로터에는 MRF(Moving Refer- ence Frame)기법을 적용하여 회전력을 모사하였다.

해석을 위한 경계조건은 Table 1에 나타내었다. 열 원에 의한 각 부품간의 전도 열전달, 임펠러 및 모터 회전에 의하여 발생하는 강제대류 열전달 및 유동, 펌프 외부케이스와 외기의 자연대류 열전달 현상을 정상상태로 가정하여 해석하였다.

3. 해석 결과 및 분석

워터펌프의 주요한 성능 인자로서 회전속도, 토 출량, 총수두, 소비동력, 효율 등이 있다. 펌프가 흡 입구와 토출구 사이에서 단위 중량의 물에 전달하 는 수력학적 에너지를 총수두라고 하며, 펌프의 성 능을 나타내는 대표적인 항목이다.⁵⁾ 본 연구에서는 워터펌프가 전동식이므로, 모터의 열적인 내구성을 파악하기 위해 온도 평가가 이루어졌다. 또한, 실험 값과의 비교를 통하여 해석 결과의 타당성을 검증 하였다.

3.1 캔드타입 전동 워터펌프 해석

캔드타입 전동 워터펌프의 정격 운전점에서 열유 동 해석을 수행하여 얻은 수력 성능 결과로서, 총수

Table 3 Temperature values of each part

Item Temperature (°C)

Case & cover

(driver, body, impeller) 108.6

Front bearing 106.6

Rear bearing 114.3

Rotor core 110.3

Stator core 114

Coil 117.8

Bobbin 114.9

BMC-rotor 110.7

BMC-stator 114.8

Inverter 114.7

Table 4 Heat flux of each area

Item Heat flux (W/m²)

Outer air vs. case (-) 74

Coolant vs. case 719

Coolant vs. BMC-stator 1587

Coolant vs. shaft 2438

Coolant vs. BMC-rotor (-) 166 Coolant vs. front bearing 1993

Coolant vs. rear bearing 4518

Coolant vs. inverter 3677

두는 9.2 m, 효율은 68.3%로 계산되었다. Table 2는 워터펌프를 구성하고 있는 각 부품들의 체적 평균 온도이다. 주요 발열원인 코일(동손), 스테이터 코 어(철손) 및 베어링(마찰손)이 포함되어 있는 모터 고정부와 인버터부(반도체손)의 온도 상승 정도를 확인할 수 있으며, 코일에서의 온도가 117.8°C로 가 장 높은 것으로 나타났다. Table 3에서는 워터펌프 구성 부품별 표면에서의 열유속을 나타내었다. 열 유속은 유체(좌측항)가 상대 물체(우측항)로부터 열 을 얻은 경우(+)이고, 열을 잃은 경우에는 (-)값으로 표현되었다. 이 값을 통하여 열흐름 정도와 경로를 파악할 수 있다.

해석 결과의 세밀한 분석을 위하여 원주방향과 축방향으로 단면을 Fig. 3에 나타낸 바와 같이, A ~ C로 각각 나누어서 살펴보았다. A단면에서의 압력 분포와 속도벡터를 Fig. 4에 나타내었다. 워터펌프 의 수력성능을 결정짓는 중요한 형상 설계인자에는 임펠러, 볼류트 및 Cut-off 부위의 형상을 들 수 있다.

A 단면에서의 압력분포를 구하여 임펠러 내부 유동

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Sung Chul Kim․Hyeong Geun Song

(a) Radial cross-section (b) Axial cross-section Fig. 3 A, B, C cross-sections of the canned type electric

water pump

(a) Static pressure contours (kPa)

(b) Relative velocity vectors (m/s)

Fig. 4 Static pressure contours and relative velocity vectors at A section

의 저압이 국소적으로 형성되지 않으며, 입구로 유 입된 냉각수의 압력에너지가 임펠러 및 볼류트를 통과하면서 상승되는 것을 알 수 있다. 또한 전체적 으로 와류가 형성되는 영역은 존재하지 않았으며, 임펠러 블레이드를 따라서 유체의 상대속도가 잘 발달됨을 확인하였다. 이러한 결과들을 통하여, 본 연구에 사용된 캔드타입 전동 워터펌프의 임펠러 설계가 잘 이루어진 것으로 파악된다.

(a) B' plane

(b) B plane

(c) B" plane Fig. 5 Temperature contours at B section (°C)

Fig. 5는 원주 방향으로 모터부 B단면에서의 온도 분포를 나타내었다. 코일, 스테이터 코어와 베어링 의 발열로 인하여 고정자 부분에서 전반적으로 온 도가 높은 경향을 알 수 있다. 또한 단면 B'에서 B"로

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A Study on Thermo-flow Characteristics Analysis of Electric Water Pump

Fig. 6 Temperature contours at C section (°C)

갈수록 전체적으로 온도 상승이 나타남을 볼 수 있 는데, 이는 B" 단면부가 인버터와 근접하여 열이 직 접적으로 전달되기 때문이다. 코일(117.8°C)에서 가 장 높은 온도를 보이고 있으며, 발열원인 코일 및 스 테이터 코어와 접촉하는 스테이터 BMC(114.8°C)도 온도 상승이 이루어지게 된다. 특히 모터의 수명을 좌우하는 요소 중의 하나인 절연체 보빈(114.9°C)은 고정자 영역 내부에 위치하여, 발열원(코일, 스테이 터 코어)과 맞닿아 있는 구조이므로 열에 취약할 수 있다. 반면, 회전자인 로터부는 냉각수의 영향으로 인하여 고정자와 비교하여 상대적으로 낮은 온도 분포를 나타냄을 알 수 있다. Fig. 6은 C단면(축방향) 에서의 워터펌프 전체 영역에 대한 온도 분포를 나 타내었다. 케이스 외부 영역에서 자연대류 현상을 보여주고 있으며, 발열원(동손, 철손, 반도체손 및 마찰손)을 갖는 모든 부분을 포함하여 전동 워터펌 프 내부 전 영역에서 외기온도(125°C) 이내로 온도 가 분포됨을 알 수 있다.

3.2 미케니컬씰 타입과의 비교 평가

미케니컬씰 타입과 캔드타입 전동 워터펌프에 대 하여 정격 운전조건에서 해석한 수력 성능 결과를 서로 비교하였다. 펌프의 입･출구 차압으로 계산되 는 총수두는 캔드타입과 미케니컬씰 타입에서 모두 동일하게 9.2 m를 나타내었고, 반면 펌프 효율은 캔 드타입이 미케니컬 씰 타입에 비하여 오히려 1.7%

감소한 결과를 얻었다. 축 토크 및 축 추력은 압력항 과 응력항을 합하여 계산되었는데, 축 토크가 캔드 타입인 경우 0.01 N･m 증가하였고, 이러한 원인으 로는 미케니컬씰 타입의 경우 모터 내부가 공기로 채워져 있지만, 캔드타입인 경우에는 모터 내부로 냉각수가 흐르는 구조이기 때문인 것으로 생각된 다. 하지만, 내구 성능에 영향을 줄 수 있는 임펠러 의 축추력은 캔드타입이 0.6 N 감소하였으며, 이는 모터부로 흐르는 냉각수에 의해 임펠러에 걸리는 힘(압력)이 줄어든 것으로 판단된다. 또한 모터부 및 인버터부의 온도 감소로 인하여, 캔드타입의 경 우 모터 및 인버터의 성능/내구성 향상이 예상된다.

주요 구성 부품별 온도는 Table 4에 나타낸 바와 같이, 냉각수가 모터부로 흐르는 캔드타입이 그렇 지 않은 미케니컬씰 타입과 비교하여 전반적으로 낮게 나온 것을 알 수 있다. 모터부에서는 대략 10°C 이상의 온도 감소 효과를 얻었으며, 또한 인버터부 에서 최대 온도 감소폭인 18.7°C를 나타내었다. 이 러한 결과를 통해서, 가혹한 운전 조건에서의 캔드 타입 전동 워터펌프는 모터 및 인버터 성능 측면에 서 미케니컬 타입보다 훨씬 유리함을 알 수 있다.

Fig. 7에서는 두 모델의 온도 분포를 비교하여 보 여주고 있는데, 특히 미케니컬씰 타입은 모터 및 인 버터의 발열이 원활히 냉각되지 못한 이유로 높은 온도 분포 양상을 나타내지만, 캔드타입의 경우 냉 각수가 모터부로 흐르는 구조를 갖고 있어 이러한 부위에서의 확실한 냉각 효과를 얻을 수 있었다.

Table 5 Temperature values of each part

Item Temperature (°C)

Canned Mechanical Case & cover

(driver, body, impeller) 108.6 113.3

Front bearing 106.6 111

Rear bearing 114.3 133

Rotor core 110.3 124.3

Stator core 114 125.9

Coil 117.8 130.2

Bobbin 114.9 127.5

BMC-rotor 110.7 125.4

BMC-stator 114.8 128.4

Inverter 114.7 133.4

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김성철․송형근

(a) Mechanical seal type

(b) Canned type

Fig. 7 Comparison of temperature contours at C section (°C)

3.3 해석 검증

본 해석 결과에 대한 타당성을 검증하고, Correla- tion을 하기 위하여 동일한 조건에서의 온도 실험값 과 비교하였다. 운전 조건은 워터펌프 단품 상태에 서의 외기 온도가 20°C이고 정격 운전되는 워터펌 프에 흐르는 냉각수는 120 L/min, 입구압력 0.3 bar, 유체온도 85°C이며, 이 때 모터 및 임펠러의 회전속 도가 6000 rpm이다. 온도 측정은 최대 온도가 예상 되는 코일 엔드 표면에 90° 등간격으로 부착하였다.

그리하여 모터의 온도가 10분 동안에 온도측정 변 화가 ± 0.5°C이하를 정상상태로 간주하여 포화된 후의 코일 온도는 103.5°C까지 상승하였다. Fig. 8에 서 알 수 있는 바와 같이, 동일 조건에서의 해석 결 과는 코일 온도가 99.2°C로 약 4.3°C의 오차를 나타 내었으며, 이는 해석 정확도가 만족할 만한 수준인 것으로 판단된다.

Fig. 8 Temperature contours at experimental condition (°C)

4. 결 론

본 연구에서는 캔드타입 전동 워터펌프의 성능 및 내구성 확보를 위한 열전달 측면에서, 기본 모델 에 대한 3D 열유동 해석을 수행하였다. 또한 캔드타 입 전동 워터펌프의 냉각 효과를 확인하기 위하여, 모터부로 냉각수가 흐르는 구조인 캔드타입과 흐르 지 않는 미케니컬씰 타입의 워터펌프 성능 및 온도 분포에 대하여 비교 평가를 수행하였다. 이를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.

1) 전동 워터펌프의 주변 온도를 125°C로 설정하고, 정격 운전점인 냉각수 120 L/min, 0.9 bar, 106°C 및 모터, 임펠러 6000 rpm 조건에서 열유동 해석 을 수행하여, 이러한 펌프의 수력 성능은 총수두 9.2 m, 효율 68.3%인 것으로 예측되었다.

2) 압력분포 및 속도벡터를 가시화한 결과들을 바 탕으로 임펠러 및 볼류트 케이싱 설계가 잘 이루 어졌음을 확인하였다.

3) 열유동 해석을 통하여 캔드타입 전동 워터펌프 의 온도분포 자료를 획득하였다. 특히 모터의 고 정자 부분의 코일에서 117.8°C로 가장 높은 온도 를 나타내었으며, 발열원을 갖는 부품들을 포함 한 펌프 전 영역에서 외기온도 125°C 이내로 분 포함을 알 수 있었다.

4) 펌프 총수두는 캔드타입과 미케니컬씰 타입 모 두 동일하게 9.2 m를 나타내었고, 펌프 효율은 캔 드타입이 미케니컬 씰 타입에 비하여 오히려 1.7% 감소한 결과를 얻었다. 하지만, 캔드타입인

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경우 내구 성능에 영향을 줄 수 있는 임펠러의 축 추력이 0.6 N 감소하였고, 모터부 및 인버터부의 온도 감소로 인하여 가혹한 운전 조건에서 모터 및 인버터 성능/내구성이 미케니컬 타입보다 유 리함을 알 수 있었다.

후 기

본 연구는 지식경제부가 지원하는 부품소재기술 개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 관 계자 여러분께 감사하는 바이다.

References

1) E. G. Ribeiro, A. P. A. Filho and J. L. C. Meira,

“Electric Water Pump for Engine Cooling,”

SAE 2007-01-2785, 2007.

2) H. S. Heo, G. S. Lee and S. J. Bae, “Effect of Shape of Discharge Port on Hydraulic Per- formance of Automotive Closed Type Water Pump,” Transactions of KSAE, Vol.14, No.1, pp.39-47, 2006.

3) G. S. Lee, H. S. Heo, H. C. Kim, B. C. Na and C. B. Oh, “Evaluations of the Hydraulic Flow Force on the Automotive Closed Type Water Pump with Balance Hole by Means of a Computational Fluid Dynamic Analysis,” Spring Conference Proceedings, KSAE, pp.1120-1126, 2007.

4) SC/Tetra Ver.7 User's Guide Solver Reference.

2007.

5) K. Imaichi, Y. Murakami, H. Tsurusaki and K.

R. Jo, A Basic of Pump Design, Dae Young Sa, Seoul, 2002.