전기차 모터 손실에 대해 알아보자(3)

오늘은 전기차 모터의 손실 중 기계 손실에 해당하는 베어링 손실에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

 모터의 베어링은 로터와 연결된 회전축을 지지하는데 사용되는 모터의 기계요소입니다. 베어링 마찰은 회전 샤프트와 해당 샤프트를 지지하는 베어링 사이에 존재하는 마찰입니다.  이러한 상호운동에는 다양한 형태의 베어링(일반, 볼, 롤러, 유체)이 존재하며 플레인 베어링(일부 저널 베어링이라고도 함)이 주를 이루는 것을 볼 수 있습니다.

 

 샤프트는 일반적으로 회전하며 베어링에 일종의 하중 (F 하중)을 가합니다. 그런 다음 베어링은 약간의 수직력으로 샤프트를 지지하고 베어링 표면과 샤프트 표면 사이에 마찰력이 존재합니다. 베어링 마찰과 관련한 기본적인 공식은 아래와 같습니다. 마찰에 소요되는 동력은 전단력과 각속도의 곱으로 이뤄져 있음을 확인할 수 있습니다.

 베어링의 마찰손실 측정은 크게 세 가지 방법을 이용하고 있습니다. 

 

‘열량 측정법’은 간접 마찰 손실 측정 방법으로 터보과급기 내부에서 열전달이 없으며, 모든 손실이 오일로 흡수된다는 가정을 따라 오일에 흡수된 단위 시간당 열에너지를 측정하여 베어링 마찰 손실을 산출합니다[1].

 

 ‘기체 엔탈피 측정법’은 터보과급기 내부 단열 상태를 가정하여 터빈과 컴프레서를 통과하는 기체의 온도와 유량 등으로 동력을 산출하고 차이를 마찰 손실로 계산하는 방법입니다 [2].

 

 ‘토크 측정법’은 직접 마찰손실 측정 방법으로 가장 정확하게 베어링 마찰 손실을 분석할 수 있습니다[3]. 

 

문헌[4]에 의하면 베어링의 마찰 손실은 베어링과 연결된 회전축의 속도의 1.6승에 비례한다고 보고하고 있습니다. 위에 도출된 식으로부터 속도가 증가하거나 전단력이 커지면 증가하기 때문에 어느 정도 증가될 것이라고 예상할 수 있었죠.

 

회전속도 변화에 따른 베어링 손실사례(출처: 문헌[4])

 

 

손실이 적은 베어링을 도입하면 모터의 효율은 커지겠지요. 그런데 베어링 또한 마냥 좋은 것만 쓸 순 없는 것이죠. 전기차 가격을 낮춰야 하니까요. 

 

오늘은 여기까지...

 

 

참고 문헌 

[1] Erik Sjoeberg, Friction Characterization Turbocharger Bearings, Master of Science Thesis, KTH Industrial Engineering and Management, Stockholm, Sweden, 2013

[2] P. Podevin, A. Clenci, G. Descombes, “Influence of the lubricating oil pressure and temperature on the performance at low speeds of a centrifugal compressor for an automotive engine”, Thermal Engineering, 31(2 –3), pp. 194–201, 2011.

[3] Deligant M., Podevin P., Descombes G., “Experimental identification of turbocharger mechanical friction losses“,  Energy, vol.39, issue 1, pp 388-394, 2012.

 

[4] In-Eun Chung, Se-Hun Jeon, "Measurement of Journal Bearing Friction Loss of Turbocharger in a Passenger Vehicle",  Korea Academy Industrial Cooperation Society 19(7), 2018.7, 9-15(7 pages)