Steady-state Thermal Analysis of 5 kW IPMSM Using Thermal Equivalent Circuit

Steady-state thermal analysis was performed on a thermal equivalent circuit to determine the heat generation during operation of an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM). New machines must be compact and light and produce high torque density under extreme environmental conditions. Thermal analysis of an IPMSM is particularly important because excessive heat generated from the core and magnet reduces the IPMSM's output and has adverse effects on the durability. Therefore, steady-state thermal analysis of an IPMSM was performed for changes in the design variables using a thermal equivalent circuit. The changed variables were the axis length and thickness of the housing. The results of this method were compared with those of the finite element method to verify the accuracy and reliability. § 이 논문은 2014년도 대한기계학회 열공학부문 춘계학술 대회(2014. 4. 23.-26., 제주대) 발표논문임 † Corresponding Author, smoon@hanyang.ac.kr C 2014 The Korean Society of Mechanical Engineers 김태현 · 유영범 · 나종승 · 유경태 · 문윤재 · 이재헌 · 이 주 · 박찬배 · 문승재 952 소형 경량화가 가능하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 IPMSM 의 영구자석은 재료의 희소성으 로 인한 비용문제와 온도에 민감하여 물질의 온도 상승으로 영구감자가 발생할 수 있으며, 결과적으 로 전동기 효율 감소로 이어질 수 있는 단점을 가 지고 있다. 또한 소형 경량화가 될수록 방열면적 이 줄어들어 고정자 권선의 높은 전류밀도로 인해 발생한 열로 인하여 전동기 내부의 온도가 높아진 다. 이로 인한 출력 감소뿐만 아니라 전동기의 수 명에 악영향을 미칠 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 운행 조건 중 발생하는 열 발 생량을 근거로 하여, 정확한 열 해석이 뒷받침 되 어야 한다. 전동기의 열 해석 방법에는 열등가회로법과 유 한요소법이 있다. 먼저 열등가회로법은 전동기의 국부적인 평균 온도와 전반적인 온도 분포 및 열 의 흐름을 쉽게 파악 할 수 있지만, 온도 구배가 큰 시스템의 경우 열등가회로망을 사용해서 구한 평균 온도 값의 오차가 커지는 한계를 가지고 있 다. 반면에 유한요소법은 전동기의 내부의 얇은 공극 부분에서 발생하는 많은 격자수로 인해 열 해석 시 시간과 노력이 많이 필요하다는 단점이 있지만, 정확한 온도 예측이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 설계단계에서 다양한 설계 변수 의 변경에 따른 열 특성 영향을 빠르게 해석할 수 있는 열등가회로법을 이용하여 정상상태의 열해석 기법을 수행하였다. 설계단계에서 변경된 설계변 수는 하우징의 축방향 길이와 두께를 변경하였다. 또한 해석 결과의 정확성과 신뢰성을 확보하기 위 해 유한요소법을 이용하여 얻은 결과와 비교하였 다.