Investigation of a Thermal Analysis Method for IPMSM in Railway Vehicles
철도차량용 영구자석 동기전동기의 열해석 기법 연구

Chan-Bae Park, Hyung-Woo Lee, Byung-Song Lee
2013 Journal of the Korean society for railway  
In this paper, research on the thermal analysis method is reported for the characterization of heat generation while operating an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) for railway vehicles. Efficient cooling of the heat generated in the IPMSM is important because the excessive heat generated from the winding, core and permanent magnets increases the difficulty of continuously operating an IPMSM over long time periods. Therefore, in this study, in order to analyze the heat
more » ... e the heat generation characteristics of the IPMSM for advanced research in the application of IPMSMs to cooling devices, the heat transfer coefficients for each component of the IPMSM were derived and the thermal equivalent circuit was configured to perform thermal analyses. Finally, the validation of the suggested thermal analysis method was performed through comparison with the heat experimental data of an IPMSM prototype. 초 록 본 논문에서는 철도차량 추진용 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 운전 중 열 발생 특성 분석을 위한 열해석 기법 연구를 수행하였다. IPMSM의 구동 중에 권 선, 코어, 영구자석에서 발생되는 과도한 열은 IPMSM의 장시간 연속운전을 어렵게 만들기 때문에, IPMSM에서 발생된 열의 효율적인 냉각이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 IPMSM의 냉각장치 적용을 위한 선행 연구로써 IPMSM 의 열 발생 특성 분석을 위하여 IPMSM의 각 구성품에 대한 열전달 계수를 도출하고, 열 등가회로를 구성하여 열해석을 수행하는 열해석 기법 연구를 수행하였다. 또한 IPMSM 실 모델의 열 실험 데이터와의 비교 를 통한 열해석 기법의 유효성 검증을 수행하였다. 박찬배·이형우·이병송 100 한국철도학회논문집 제16권 제2호(2013년 4월) 체가 계산영역이 되기 때문에 전동기의 전반적인 온도분포, 열의 흐름 등을 매우 쉽게 파악할 수 있을 뿐 아니라, 계산 절점의 수나 위치를 자유롭게 선택할 수 있어서 비교적 손 쉬운 전처리과정(Pre-processing)을 필요로 한다. 분포정수법 의 예로는 유한요소법 (FEM)을 들 수 있다. 이 방법은 국 부적으로 상세한 온도를 알고자 할 때 유용한 방법으로 열 응력(Thermal Stress) 계산 등에 많이 사용된다. 다만, 계산 과정의 특수성으로 인하여 복잡한 형상의 3차원 모델을 해 석하고자 할 때 많은 시간과 노력이 요구되는 번거로움이 존 재한다. Fig. 1. Concept of IPMSM thermal analysis 본 논문에서는 하이브리드법을 적용하였으며, 집중정수법 을 기반으로 전동기의 전반적인 온도 분포 및 열의 흐름 등 을 파악하고, 열 등가회로 상의 각 부분에서의 열전달 파라 미터 및 손실과 같은 열원 도출 시에는 분포정수법을 이용 하는 프로세스를 적용하였다. Fig. 1은 본 논문에서 제안하 는 IPMSM의 미소 제어체적을 고려한 3차원 열등가회로망 해석기법의 순서도를 보여주며, IPMSM의 미소 제어체적을 고 려한 3차원 열등가회로망을 구성하여 적용하였으며, IPMSM 의 고정자와 회전자 코어의 철손 데이터로부터 열등가회로 망의 열원을 도출하는 과정에 있어서 철손밀도를 고려하는 개선된 방법을 제시한다. 2.2 IPMSM의 미소 제어체적을 고려한 3차원 열등가 회로망법 일반적인 견인전동기의 경우, 냉각용 팬이 전동기의 외함 내부에 축방향으로 설치가 되며, 전동기 코어에 축방향으로 송풍홀을 통한 냉각 공기의 유로가 형성되기 때문에 축방향 으로의 냉각 효과에 따른 전동기 각 부분에서의 온도 구배 가 크게 발생될 수도 있는데, 이러한 전동기 모델에 2차원 열등가회로망을 적용하기에는 한계가 있었다. 추가적으로 IPMSM에서 대부분의 열이 발생되는 지점이 손실이 크게 발 생되는 코일 및 공극과 접하는 코어 부분임을 감안할 때, 코 일 및 공극과 접하는 코어 부분에서의 세분화된 열 분포 특 성을 도출하는 것이 중요할 것이다. 따라서, 본 논문에서 제 시하는 미소 제어체적을 고려한 3차원 열등가회로망법은 IPMSM의 공극과 접하는 고정자 티스 및 회전자 코어 외각 부분의 제어체적을 세분화하고 각 세분화된 제어체적간의 3 차원 방향으로의 열등가회로망을 구성함으로써, 열해석 결 과에 영향을 줄 수 있는 다양한 열저항들을 3차원 방향으 로 고려하여 좀 더 현실적인 열 특성 결과 및 국부적인 온 도 분포 결과를 도출할 수 있다는 장점을 갖고 있다. Fig. 2 는 IPMSM의 기존의 2차원 열등가회로망과 미소제어체적을 고려한 3차원 열등가회로망의 비교를 보여준다. Fig. 2 Three-dimensional thermal equivalent network of IPMSM considering small control volumes 2.3 열해석의 정식화 Fig. 2의 IPMSM 모델의 각 제어체적에서의 열저항과 열 용량을 실제 주어진 IPMSM의 치수와 재질에 따른 여러 열 상수들로 계산하여 열등가회로망을 구성하고 FEM을 통하 여 구해진 손실분포로부터 전기회로적인 해석을 한다. 이와 같은 열등가회로망법을 이용한 IPMSM의 열적 정상상태 특 성 및 과도상태 특성 분석법을 설명하기 위한 열등가회로망 의 기본 개념을 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3로부터 열등가 회로망의 모든 절점에 대해 식 (1)과 같은 식들을 도출하여 식 (2)의 행렬식이 만들어진다[5].
doi:10.7782/jksr.2013.16.2.099 fatcat:v4v27urmbjcqlcomfyvmf2xfzq