전기차 모터 냉각에 대해 알아보자(2)

전기차 모터 냉각은 왜 하는 걸까요?

 

 모터 설계에 있어서 효율적인 모터냉각의 필요성을 아래 그림에 도시하였습니다. 표시된 내용과 같이 발열에 대한 효율적인 냉각을 수행할 수 있다면 효과적인 모터 설계의 선 순환을 이루어 낼 수 있습니다.

 

 

 냉각의 필요성을 보다 상세히 설명하면 다음의 네 가지로 요약 할 수 있습니다.

 

 첫째, 모터 냉각을 잘하면 전류밀도(current density)를 증대 할 수 있습니다. 모터 내부의 부품 중 절연지(insulation paper)는 코일(coil)과 스테이터(stator)의 전기적 특성을 차단하는 역할을 수행하는데, 모터 코일에 인가되는 전류의 크기는 전기 절연특성을 갖는 절연지의 열저항(thermal resistance)으로 인해 제한된 전류만 모터에 인가 할 수 있습니다. 그러나 절연지의 열저항 문제를 해결하여 냉각성능이 뒷받침 된다면 냉각성능이 향상된 범위에 해당하는 전류 용량을 초과하여 부여할 수 있고 이로 인해 동일 크기 대비 모터의 출력 향상이 가능하게 됩니다.

 

 둘째, 모터 냉각을 잘하면 모터의 재료비 또는 가공비를 줄일 수 있습니다. 모터 내부 부품에는 고가의 중-희토류(rate-earth material) 성분의 영구자석(permanent magnet)과 각종 코팅(vanish) 물질, 절연지(insulation paper) 등이 포함 되어 있는데 이들 부품의 가격 등급이 온도에 견디는 특성에 의해 결정되는 경향이 있습니다. 따라서 냉각성능을 충분히 확보할 수 있다면 상대적으로 저가(low cost)의 재료를 구성하여 모터를 설계하여 제작할 수 있으며 이는 고스란히 차량 설계 비용저감으로 이어져 시장에 저렴한 전기차를 공급할 수 있는 단초를 제공하게 됩니다.

 

 셋째, 모터 냉각을 잘하면 모터의 신뢰성(reliability) 및 수명(life time)을 향상시킬 수 있습니다. 모터 내부의 베어링(bearing), 각종 코팅물질(coating material) 등의 부품들은 시간이 지남에 따라 고온환경 노출로 인해 부품수명이 취약한 특성을 지니고 있습니다. 신뢰성 및 수명과 관련된 대표적인 부품 중 하나가 베어링이며 오랜 시간을 운행해야 하는 자동차를 고려해 볼 때 냉각성능은 베어링의 수명을 좌우하게 됩니다. 따라서 냉각성능이 확보된다면 베어링 수명을 연장할 수 있으며, 경우에 따라 베어링의 설계 등급을 조정하여 비용저감 설계를 구현할 수 있습니다.

 

넷째, 모터 냉각을 잘하면 모터의 효율(efficiency)을 증대 시킬 수 있습니다. 모터의 발열은 기본적으로 코일의 온도를 증가시키는데, 코일의 온도는 입력 전류에 의한 발열 손실로 전환되게 됩니다. 발열손실로 인해 절연지는 코일의 온도에 따라 견딜 수 있는 한계 온도가 정해져 있고 앞서 언급한 바와 같이 한계온도를 넘게 되면 고온에서 수명이 급격하게 감소하는 특성을 갖고 있습니다. 모터의 냉각효과는 모터 발열 손실을 줄일 수 있고 효율도 증대시킬 수 있으며 이로 인해 배터리(battery) 운영에 유리함을 제공할 수 있습니다. 따라서 적은 용량의 배터리로 주행거리 연장을 구현할 수 있게 되는 겁니다.

 

 

그래서 모터 냉각을 잘하면 전기차를 가볍게, 싸게, 고장없이, 멀리 가게 할 수 있는 겁니다. 결론적으로 모터를 잘 식히면 전기차를 사는 고객들을 웃게 만들게 되는 거라 봅니다.

 

다음 3편에서는 조금 더 들어가 보겠습니다. 어렵지 않게... ^^ 

 

 

참고 문헌 :

Numerical study on the heat transfer in an electric motor with oil water cooling to achieve an enhanced cooling performance, 학위논문(박사) -- 韓國航空大學校 大學院 航空宇宙 및 機械工學科 2019