Thermal Design and Analysis Evaluation of ISG Motor for Hybrid Electric Vehicles considering High-speed Driving Condition

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2014 KSAE / 127-08 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149

Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 1, pp.59-64 (2014)

고속 운전조건을 고려한 하이브리드 자동차용 ISG 모터 방열설계 및 해석 평가

김 성 철^*

자동차부품연구원 그린카파워트레인연구본부

Thermal Design and Analysis Evaluation of ISG Motor for Hybrid Electric Vehicles considering High-speed Driving Condition

Sung Chul Kim^*

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

(Received 21 March 2013 / Revised 22 April 2013 / Accepted 23 April 2013)

Abstract : Integrated Starter Generator (ISG) system improves the fuel economy of hybrid electric vehicles by using idle stop and go function, and regenerative braking system. To obtain the high performance and durability of ISG motor under continuously high load condition, the motor needs to properly design the cooling system (cooling fan and cooling structure). In this study, we suggested the enhanced design by modifying the thermal design of the ISG motor and then analyzed the improvement of the cooling performance under high-speed condition and generating mode by CFD simulation. The temperatures at the coil and the magnet of the enhanced model were decreased by about 4°C and 6°C, respectively, compared to those of the conventional model. Therefore, we verified the cooling performance enhance- ment of the novel thermal design in the case of core loss increment due to the higher speed condition.

Key words : ISG motor(아이에스지 모터), High-speed driving condition(고속 운전조건), Thermal design(방열 설 계), Cooling structure(냉각 구조), CFD(Computational Fluid Dynamics, 전산유체역학)

1. 서 론¹⁾

하이브리드 자동차에서의 Integrated Starter Gene- rator(ISG) 시스템은 두 가지 부품, 즉 스타터 및 제너 레이터를 하나로 결합시켜 차량 공간 확보 및 시스 템 경량화가 가능하게 된다. ISG의 중요 역할은 Idle Stop and Go 기능을 사용하여 운전 중 정차구간에서 엔진을 멈추게 함으로써 공회전으로 인한 연료 소 모를 줄여 주어 우수한 연비향상 효과를 나타내며, 제동구간에서는 회생제동 시스템을 이용해 버려지 는 에너지를 회수하여 발전기 역할을 함으로써 차 량의 효율을 높여줄 수 있는 부품이다.

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

고속/고출력인 ISG 모터는 IPM(Interior Permanent Magnet) BLDC 타입이며, 차량의 엔진룸에 설치되 어 모터의 동손, 철손 등에 의한 발열뿐만 아니라 엔 진에서 전달되는 고온의 열에 의해 모터의 성능과 수명에 악영향을 줄 수 있다. 특히 모터의 영구자석 (Permanent magnet)은 고온 환경에 노출되거나 방열 성능이 현저히 부족한 경우, 본래의 특성을 잃어버 리는 고온 불가역감자 특성으로 인하여 성능이 급 격히 떨어져 모터의 효율에 직접적인 영향을 줄 수 있고, 코일 절연체(H, N종 등)는 종류별로 내열한도 가 정해져 있으며 고온으로 인해 권선의 절연이 파 괴되어 소손되는 것을 방지할 필요가 있다. 이러한 모터 코일의 온도는 10°C 높아짐에 따라 코일 절연

김 성 철

체의 수명은 절반으로 감소하게 된다.¹⁾ 따라서 요구 되는 차량용 각종의 모터 개발에 있어 방열 특성을 정확히 파악하고 냉각 성능을 개선시키는 것이 중 요하며, 이를 위한 해석 연구가 광범위하고 다양하 게 진행되고 있다.^2-4)

본 연구에서는 하이브리드 자동차를 대상으로 하 여 5 kW급 42 V용 ISG 모터의 방열 설계 개선을 위 한 내부 구조 및 냉각팬 등을 변경함으로써, 고속 운 전조건에서의 철손 증가에 의한 모터 열특성을 파 악하고 냉각성능 향상 효과를 평가하고자 한다.

2. 방열설계 및 수치해석 2.1 설계 모델

ISG 모터는 Fig. 1에서 알 수 있는 바와 같이, 로 터, 영구자석 및 축 등으로 구성된 회전자와 스테이 터, 코일 등으로 구성된 고정자로 되어있다. 모터부 양쪽으로는 하우징(플랜지, 브라켓)이 설치되어 양 단의 원심형 팬과 베어링 등의 부품들을 보호하고 방열판 역할을 하고 있으며, 두 개의 냉각팬 회전에 의해 발생되는 강제대류로 하여 발열부를 냉각시켜 준다.

Fig. 2(a)와 같이 기본모델은 수직으로 설계된 팬 블레이드 깃으로 되어 있으며, 로터가 무게절감을 위해 길게 형성된 4개의 홀이 제작되어 있으나 모터 양단에 냉각팬 바닥면과 마그넷 서포트가 막힌 구 조로 설치되어 외부공기가 유입될 수 없는 형상구 조이다. 냉각팬의 블레이드 깃 각도가 변경되어 팬 블레이드의 직경 증대에 따른 유량 효과(유량은 직 경의 세제곱에 비레)를 얻기 위하여, Fig. 2(b) 개선 모델에서는 팬 블레이드 깃 각도를 90°에서 70°로 변경하여 팬 반경을 5.47 mm (팬 직경 5%에 해당)만 큼 증가시켰다. 이는 팬의 내구 감소 및 소음, 진동 의 증가에 영향을 주지 않는 범위이며, 원심형 팬 블 레이드 깃 형상이 변경됨에 따라 레이아웃상 엔드 코일과 일부 간섭되는 부분을 고려한 안정성을 확 보하였다. 또한 고속 회전하는 모터부의 회전력을 이용하여 외부 냉각공기가 잘 흡입될 수 있도록 유 로가이드를 추가 생성하였다. Fig. 3의 토출부에서 는 로터의 내부홀을 통과하여 브라켓부로 배출되는 유동이 반대편 냉각팬에 의해 흡입되는 유동과 서

Fig. 1 Main components of ISG motor

(a) Conventional model (b) Enhanced model

(a) Conventional model (b) Enhanced model

로 간섭되지 않으며, 원심형 팬 하부에서 원심방향 으로 원활하게 배출될 수 있도록 형상을 설계 변경 하였다. 이는 로터 내부에서의 유동 간섭 없이 유량 을 확보하여 보다 효과적으로 냉각시킴으로써, 고 속 약계자(계자를 약하게 하여 회전수를 증가시켜, 고속영역에서 안정적으로 운전하기 위한 방법) 운 전구간에서도 방열성능을 안정적으로 확보하는데 유리한 구조이다. IPM 모터는 고속 약계자 영역에 서 회전자의 철손이 크게 증가할 수 있고, 상승한 영 구자석의 온도는 고온감자의 원인이 될 수 있다.⁵⁾ Fig. 4에서 나타난 바와 같이, 플랜지부 냉각팬에 의 해 유입홀로 흡입되는 냉각공기가 로터 내부를 통 과하면서 열교환이 이루어지고, 반경방향으로 형성

고속 운전조건을 고려한 하이브리드 자동차용 ISG 모터 방열설계 및 해석 평가

(a) Suction flow (b) Internal and discharge flow

(a) Radial-cross section (b) Axial-cross section

된 브라켓부의 토출구로 원활하게 빠져나가는 유동 메커니즘을 갖고 있다.

모터의 열유동 해석에 사용된 지배방정식은 질량 보존, 운동량 보존 및 에너지 보존 방정식이고, 난류 모델은 표준 k-ε 모델의 정체점 부근에서의 과다한 예측을 보상하기 위해 Kato-Launder 모델을 수정한 MP(Modified Production) k-ε 모델을 이용하였으며, 상용 프로그램인 SC/Tetra를 사용하였다.⁶⁾

해석에 불필요한 홀, 간극 및 형상 등을 수정하였 고, 이를 바탕으로 생성된 격자는 Fig. 5에 나타내었 다. 모터부의 스테이터와 로터 사이의 공극이 0.5 mm로 좁아 격자가 밀집되고 전체에 영향을 주어 총 격자 수는 약 2,300 만개가 사용되었다. 해석격자는 실제 모터의 형상을 정확하게 나타내기 위해 사면 체 격자가 사용되었고, 유체와 접하는 영역에 프리 즘 격자를 적용하여 모터 표면 주위의 해석 정확도 를 높이고자 하였다.

2.2 경계 조건

ISG 모터 주위의 공기 유체의 흐름은 3차원 정상 상태 비압축성 유동이며, 핵심 구성 부품들에 대한 재질물성 및 발열량은 온도에 따라 일정한 것으로 가정하였다. 외기환경 온도인 25°C를 적용하기 위

Fig. 6 T-N curve under the generating mode of ISG motor (continuously max. power condition of 7000 rpm and high speed condition of 10000 rpm)

Table 1 Boundary conditions

Conditions Values

ISG motor speed (rpm) 7000 10000 Ambient temperature (°C) 25

Ambient pressure (Pa) Atmospheric pressure

Heat source (W)

Coil 575.3 575.3

Stator core 96.2 129.5

Rotor core - 196.0

Bearing 46.4 79.3

해 직육면체의 외기 영역을 생성하여 각 면에 외기 온도를 경계조건으로 설정하였고, 상부면을 통하여 외기의 자연대류가 가능하도록 하였다. Fig. 6과 같 이 모터의 회전속도는 발전구동 시 연속 최대 정격 출력 지점인 7000 rpm(엔진 회전수 2800 rpm, 풀리 비 2.5:1)으로 설정하였다. 또한 고속 운전조건에서 의 경우는 엔진 회전수 4000 rpm에 해당하는 모터 회전수 10000 rpm으로 정하였다. 이와 같이 적용된 ISG 모터의 경계 조건은 발열량을 포함하여 Table 1 에 정리하였다. 모터 발열량은 모터 설계 및 전자기 해석 프로그램인 모터프로(MotorPro, 설계 이론 및 축적된 경험, 통계, 실험을 조합한 설계방법에 유한 요소법을 결합한 소프트웨어)⁷⁾를 통해 산정된 값을 사용하였으며, 고속 조건에서는 회전 속도의 증가 에 의한 영향을 반영하여 동손(Coil), 철손(Stator core and rotor core) 및 기계손(Bearing, 회전자에서 마찰 저항으로 인한 기계 에너지의 손실) 발열량이

Sung Chul Kim

다시 계산되었다. 동손의 경우는 회전수의 변화와 관계없이, 정격 조건에서 150 A의 전류가 일정하게 인가되도록 제어하였다.

모터부는 회전을 모사하기 위해 MRF(Multiple Reference Frame) 기법과 Moving wall 조건을 함께 사용하였다. 냉각팬은 MRF 기법을 사용하여 회전 체 주변의 유동영역을 회전부/비회전부로 분리하여 가상의 회전 체적을 만들어줌으로써 회전효과를 나 타내었고, 단순한 형상의 원통형인 로터와 축 등은 Moving wall 조건을 통해 회전을 나타내었다. 그 이 외의 고정자 부분과 외벽은 Stationary wall 조건을 적용하여 해석을 진행하였다. 반복 계산 시 종속 변 수들의 수렴정도는 상대 오차의 최대값이 연속방정 식, 운동량방정식, 난류방정식 및 에너지방정식의 경우 10^-6이하일 때 수렴된 것으로 판단하였다.

3. 해석 결과 및 토의 3.1 기본 모델에서의 열특성 평가

냉각팬 기본모델의 열유동 해석을 통해, 예측된 주요 부품별 평균 체적 온도를 정리하여 Table 2에 나타내었다. 고온부인 코일과 스테이터 코어는 모 터 회전수 7000 rpm 및 상온 25°C 기준에서 각각 87.3°C와 86.1°C의 온도를 나타내었으며, Fig. 7에서 알 수 있는 바와 같이 모터 축방향 단면 온도분포에 서 코일과 스테이터의 온도가 상대적으로 높은 것 을 알 수 있다. 또한 국소적인 열집중 현상이 심하지 않고, 내부 온도구배가 나타나기 때문에 전반적으 로 열이동이 원활한 것으로 판단된다.

Table 2 Temperature values of each part under continuously max. power condition

No. Part name Vol. temp. (°C)

@7000rpm, 25°C

1 Flange 70.2

2 Stator core 86.1

3 Coil 87.3

4 Front bearing 64.2

5 Rear bearing 65.0

6 Rotor core 63.3

7 Shaft 61.9

8 Magnet 63.6

9 Bracket 71.5

Fig. 7 Temperature contours under continuously max. power condition (°C)

Fig. 8 Internal flow of cooling fan under continuously max.

power condition (m/s)

Fig. 8에서의 냉각팬 내부 축방향 단면의 속도벡 터 결과를 통하여서는 흡입된 공기가 팬의 바닥에 부딪히고 블레이드를 따라 출구 홀을 통해 배출되 는 것을 확인하였다. 이 때 와류 및 유동 재순환 현 상이 미미하게 나타났으며, 입구에서 흡입된 유동 은 저압이 형성되는 팬 중심방향으로 흐르고, 하우 징 내부에 노출된 엔드코일 주위로 유동이 공급되 어 주된 냉각이 이루어지는 것을 알 수 있다.

3.2 개선 모델에서의 성능 비교

모터의 냉각성능 개선여부를 비교 확인하기 위 해, 고속 약계자 영역인 모터 회전수 10000 rpm 조건 에서의 전체손실 대비 25%를 회전자 철손으로 가정 하여 열유동 해석을 진행하였다.^8-10) 이 때의 주요 부 품별 발열량 조건은 Table 1에 나타나 있다.

Thermal Design and Analysis Evaluation of ISG Motor for Hybrid Electric Vehicles considering High-speed Driving Condition

Table 3 Temperature values of each part under high-speed condition

No. Part name

Vol. temp. (°C) @10000rpm, 25°C Conventional

model

Enhanced model

1 Flange 72.0 69.9

2 Stator core 89.1 84.9

3 Coil 89.2 85.3

4 Front bearing 69.2 67.6

5 Rear bearing 72.2 70.4

6 Rotor core 83.0 77.4

7 Shaft 74.1 70.4

8 Magnet 83.2 77.6

9 Bracket 74.0 71.8

(a) Conventional model

(b) Enhanced model

Fig. 9 Temperature contours under high-speed condition (°C)

고속 운전조건에 따라 모터 회전자에 철손을 적 용함으로써 기본모델과 개선모델에 대한 주요 부품 의 온도예측 결과를 Table 3에 나타내었다. 개선모 델의 로터 코어와 영구자석 온도는 기본모델의 경 우 대비 로터부 냉각효과로 인하여 약 5.6°C 정도 비

Fig. 10 Velocity vectors under high-speed condition for the enhanced model (m/s)

Table 4 Variation of internal flow rates for the enhanced model

Part name Inlet flow rate (m³/s)

Outlet flow rate (m³/s)

Flange 0.0290 0.0233

Bracket 0.0245 0.0299

Holes @rotor core 0.0067 (23.1% generation)

슷하게 감소하였다. 또한 팬 블레이드 깃 각도 변경 에 의한 팬 직경이 증대된 이유로, 기본모델에 비해 냉각팬 유량이 증가하여 최대온도인 코일의 경우도 약 3.9°C 감소 효과를 나타내었다. 이러한 모터 내부 의 전반적인 온도 분포 및 열전달 경로의 비교는 Fig. 9(a),(b)를 통해 알 수 있다.

Fig. 10은 개선모델에 대한 고속 운전조건에서의 냉각팬 흡입/토출부 및 마그넷 서포트의 설계 변경 에 따른 로터부 내부유동의 영향을 나타내고 있으 며, 로터 내부 홀에서의 평균유속이 약 29 m/s 정도 로 크게 발달되는 것을 알 수 있다. 또한 Table 4에 나타낸 바와 같이, 플랜지부에서 유입된 외부 냉각 공기 중 약 23%가 로터 코어의 내부 홀을 지나 브라 켓부 출구로 배출되었다. 따라서 공랭식 모터의 경 우, 이와 같은 방열 설계기술을 적용함으로써 고속 운전조건에서의 철손 증가로 인한 모터 회전자의 냉각을 위한 방법으로 유효함을 확인하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 하이브리드 자동차용 ISG 모터의 고속 운전조건에서의 철손 증가로 인한 내부(영구

김 성 철

자석 및 로터코어) 온도 상승을 줄이기 위해, 모터의 내부 구조 및 냉각팬 등 방열 설계안을 적용하였고, 열유동 해석을 통하여 열전달 특성과 유동 현상을 분석함으로써 냉각성능 향상 효과를 평가하였다.

이로부터 얻어진 주요 결론은 다음과 같다.

1) 냉각팬의 블레이드 및 흡입/토출부의 구조 변경 과 더불어 내부 냉각공기 유로를 개선함으로써, 고속 약계자 운전구간에서도 모터의 냉각성능 을 안정적으로 확보할 수 있는 새로운 방열 설계 를 고안하였다.

2) 모터의 고속 운전조건에서, 개선모델의 회전자 에 해당되는 로터 코어와 영구자석 온도는 기본 모델에 비해 약 5.6°C 정도 유사하게 감소하였 다. 또한 냉각팬 직경 증대로 인한 공기 유량이 증가하여 기본모델 대비 고정부 코일의 경우도 약 3.9°C 감소 효과를 나타내었다.

3) 모터 회전수 10000 rpm에서, 로터에 구성된 냉각 유로에서의 공기 평균유속이 약 29 m/s 정도로 크게 발달되었다. 냉각팬에 의해 유입된 외부 냉 각공기 중 약 23%가 로터 내부를 통과하면서 열 전달이 이루어졌고, 따라서 고속 운전조건에서 의 모터 철손 증가에 의한 회전자의 발열을 효과 적으로 냉각하였다.

향후 해석과 동일한 조건에서의 실험을 수행하여 해석 결과에 대한 타당성을 검증할 계획이다.

후 기

본 연구는 지식경제부가 지원하는 산업융합원천 기술개발사업의 일환으로 수행되었다. 도움을 주신 코모텍 외 관계자 여러분께 감사하는 바이다.

References

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