1. 구동 모터 열 관리 필요성
현대 우리의 삶을 지탱해주는 자동차의 핵심 부품들을 떠올린다면 무엇이 있겠는가? 많은 사람들이 엔진이라고 대답한다. 그러나 미래 자동차 시장에서도 엔진이 중요한 역할을 할 것이라고 장담할 수 있는 사람은 없을 것이다. 사실 미래 자동차의 심장 역할을 할 부품이 무엇인지는 많은 사람들이 이미 경험한 바 있다.
어린 시절 장난감 자동차, 미니카를 가지고 놀던 때를 떠올려보다. 장난감 자동차는 엔진이 아닌 미니카를 움직이기 적당한 모터가 사용된다. 전기자동차도 그와 큰 틀에서 다르지 않다. 거대해진 미니카를 움직이도록 용량이 큰 거대해진 모터와 배터리가 사용될 뿐이다.
모터는 이미 장난감 자동차부터 선박용까지 다양한 사양으로 만들어져 왔다. 최근 환경오염 규제로 인해 내연기관 자동차 대신 친환경 자동차가 주목 받으면서, 이제 모터 시장은 전기자동차로 눈길을 돌렸다. 전기자동차의 모터 개발에 주목해야 하는 시기인 것이다.
전기자동차의 경우, 배터리의 전기를 가장 많이 사용하는 부품이 구동 모터이기 때문에, 모터의 고출력 및 고효율화는 전기자동차 성능 향상의 지름길이므로 많은 완성차 업체들이 구동 모터 개발에 경주하고 있다. 구동 모터는 전기자동차의 부품 중 발열이 심한 냉각에 초점이 맞춰진 열 관리 시스템이 필수적이다. 구동 모터를 적절히 냉각해주지 못하면, 이는 모터의 출력의 감소 및 효율 감소로 이어져 신뢰성에 문제가 발생하게 된다.
현재 상용화된 전기자동차의 구동 모터는 구조적인 측면에서 크게 유도 모터와 희토류 기반의 영구 자석 동기 모터 2가지가 사용되며, 최근 상용 전기자동차에서 영구 자석 동기 모터가 주로 사용되고 있다.
고온 환경은 모든 전자기기 부품의 피로도를 증가시켜 수명에 직접적인 영향을 주게 된다. 구동 모터의 부품에서는 전기가 흐르는 권선 절연재와 영구 자석이 온도에 가장 민감하다.
권선 절연재의 최소 권장 수명은 2만 시간으로 절연 등급에 따라 최소 권장 수명을 만족하는 허용 온도가 조금씩 다르며, 고온으로 인해 권선 절연재가 타버리면 단락으로 인해 구동 모터가 제 기능을 발휘하지 못하게 된다.
또한, 영구 자석의 경우 온도가 높아질수록 감자 현상이 커지게 되는데 감자 현상은 영구 자석의 자력이 약해지는 현상이며, 한번 약해진 자력은 자연 복구되지 않는다. 자력이 약해짐에 따라 구동 모터의 토크가 낮아지게 되고, 출력 및 효율 감소에 영향을 끼친다.
구동 모터를 냉각하는 방식으로는 크게 3가지가 있으며, 공냉식, 수냉식 및 유냉식이 있다.
공냉식의 경우, 방열판 또는 팬(fan)을 통해 냉각하는 방식이며, 방열판을 크게 할수록 냉각 성능이 높아지지만 전기자동차용 구동 모터는 크기의 제한과 큰 발열로 인해 최근 고사양 모델의 전기차에는 적합하지 않다.
수냉식의 경우, 모터 하우징 또는 회전자의 축 등에 수로를 설계하여 냉각수를 통해 구동 모터의 열을 간접적으로 냉각하는 방식이며, 모터 전반부를 냉각하므로 모터 내부 온도의 균일도가 높고 준수한 냉각 성능을 가지고 있어 많은 차량의 냉각 방식으로 채택되어 사용되고 있다.
유냉식의 경우, 구동 모터 발열원에 절연 유체를 분사 또는 비산시켜 직접적으로 냉각하는 방식이며, 주로 절연 유체를 흘려 냉각하는 흘림 유냉식을 채택하여 최근 전기자동차용 냉각방식으로 사용되고 있다.
따라서, 본 칼럼에서는 가장 많이 사용되는 영구 자석 동기 모터를 기준으로 구동 모터 냉각 시스템과 구동 모터의 발열 메커니즘을 포함한 구동 모터 열 해석에 대하여 소개한다.
Fig1. 구동 모터 최적 작동 온도 범위
2. 구동 모터 발열 메커니즘
구동 모터는 기본적으로 전류를 통한 동손실, 철손실, 기계손실에 의해 열이 발생한다. 일반적으로 동손실이 가장 큰 발열 원인이고 두번째로 큰 발열원은 철손실이다.
동손실은 줄 발열이며, 모터뿐만 아니라 전기 기계에서 주 발열원으로 가장 주목해야 한다. 구동 모터에서는 전류가 흐르는 권선에서 발생하며, 온도가 높을수록 전기 저항이 증가하게 된다.
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