고속 유도전동기 내부 팬에 따른 냉각 성능 검증

2.1 전동기 내부 통풍 구조

실험에 사용될 전동기의 냉각 방식은 IC611(공냉자유통풍) 방식의 TEAAC(Totally enclosed air-to-air cooled, 전폐 공랭식)이다. 이 방식은 Fig. 1과 같이 완전히 밀폐된 프레임 내부에 장착된 팬이 내부 공기를 강제 순환시키고, 프레임 외부에 장착된 팬은 외부 공기를 상단 열교환기로 전달하여 프레임 내부를 냉각한다.

Fig. 1

Concept of totally enclosed air to air Cooled

Fig. 2는 전동기 내부 팬에 의해 프레임 내부로 흐르는 공기 흐름을 나타낸 것이다. 전동기 회전 시 프레임 상단 열교환기를 통해 냉각된 유동은 내부 팬과 에어가이드를 통해 프레임 내부로 유입(①)된다. 팬을 지난 유동은 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 고정자 권선 엔드부로 향하는 유동(②), 다른 하나는 회전자의 에어 홀(Air hole)로 향하는 유동(③)이다. 회전자 에어홀을 향한 유동은 샤프트가 회전하면서 회전자와 고정자 덕트(④, ⑤)로 흐르고 이후 고정자 권선 엔드부로 향하는 유동과 만나 상부 열교환기로 빠져나간다.

Fig. 2

Internal cooling airflow passages

2.2 전동기 내부 팬 성능 평가

고속 유도전동기는 고정자 권선의 온도를 낮추기 위해 내부에 팬이 장착되며, 전동기 내부 팬 풍량을 증대시킴으로써 전동기 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 전동기 내부 팬 풍량 증대에 따른 냉각 성능을 검증하기 위해 팬 단독 성능 시험을 수행하였다. 연구에 사용된 전동기는 양방통풍 구조로, 전동기 양측에 축류 팬과 에어가이드가 장착되어 있으며, 시험에 사용된 축류 팬 형상은 Table 1와 같다.

Table 1

Comparision between the curved and airfoil type axial fans

Type 1은 기존 전동기에 장착된 풍량 개선 전의 축류 팬이다. 블레이드 단면 형상은 커브(Curved) 형상을 가지며, Tip과 Hub의 코드 길이(Chord length)와 부착각(Stagger anlge)은 동일하다. Type 2는 풍량 개선 후 에어포일(Airfoil) 형상의 축류 팬이다. 블레이드 형상은 NACA Airfoil 단면을 참조하여 설계되었다. 두 모델 모두 팬 외/내경 및 팬과 에어가이드 사이의 간극(Tip clearance)은 동일하게 설계되었다.

팬 성능 평가를 위해 AMCA Standard 210에 규정된 Inlet chamber setup 방식의 멀티 노즐챔버(Multi nozzle chamber)를 사용하였다. Fig. 3과 같이 팬은 자율흡입, 자율송출 상태로 설치되었고, 회전수는 3600 rpm 조건에서 팬 성능을 평가하였다. Fig. 4는 풍동 시험을 통해 측정된 두 축류 팬의 성능 곡선을 보여주며, 전동기 내부 구조에 따른 시스템 저항 곡선은 Ra로 표시하였다. 실험 결과 Type 2 팬이 Type 1 팬 대비 작동 풍량은 약 6% 증가하고, 풍압은 약 15% 더 높은 것으로 확인되었다.

Fig. 3

Wind tunnel test result of axial fan

Fig. 4

Characteristic of axial fan

3.1 전동기 내부 풍량 측정

앞서 풍량 개선된 팬이 전동기 운전 중에도 얼마나 더 많은 풍량을 낼 수 있는지 확인하기 위한 시험을 진행하였다. 시험은 전동기 부하 운전 중 프레임 내부로 유입되는 공기의 유량을 측정하였다. 측정 방법은 Fig. 5와 같이 전동기 내부에 피토관(Pitot tube)과 온도센서를 삽입한 후 차압계를 통해 압력, 온도 데이터를 획득하였다.

Fig. 5

Airflow measurement for motor

고속 유도전동기 내부 풍량 측정을 위해 사용된 피토관은 Fig. 6과 같으며, 프레임 사이즈 및 측정 위치에 맞게 제작하였다. 측정 위치는 전동기 부하(DE) 및 반부하(NDE) 측 입구 단으로 한정하였다. 전동기 내부는 회전하는 유체로 인해 대부분 난류 영역으로 정확한 유량 측정에 한계가 있다. 따라서, 상대적으로 난류가 적고 유체 흐름이 안정적으로 유입되는 프레임 입구 단에서 유속을 측정하였다.

Fig. 6

Pitot tube for motor

전동기 내부 풍량 측정 결과는 Table 2에 나타내었다. 부하 및 반부하 프레임 입구 부를 세 구간으로 나누었고, 각 구간 당 최소 10회 이상 측정한 값의 평균을 계산하였다. 그 결과 풍량 개선된 팬(Type 2) 장착 시 풍량 개선 전 팬(Type 1) 대비 프레임 입구 부 유입 유량이 약 4.7% 증가된 것을 확인하였다.

Table 2

Airflow measurement data: Type 1 and Type 2 fans for the motor

3.2 전동기 열유동해석

전동기 내부 팬 풍량 증가에 따른 프레임 내부 유동 분포 및 고정자 권선 온도 분포를 확인하고자 열유동해석을 수행하였다.

Table 3와 같이 팬 풍량이 증가함에 따라 프레임 유입되는 절대 유량은 약 13%, 회전자 로터 에어홀 유입 유량은 약 3.4% 증가하였으며, 고정자 권선 평균 온도는 약 2.1K 감소하였다.

Table 3

CFD result: Mass flow rate and temperature rise

Fig. 7과 8은 전동기 내부 팬 유입 유량을 기준으로 각 위치별 냉각 홀로 유입되는 유량의 비 및 유동 벡터를 보여준다. Fig. 7의 풍량 개선 전 팬 장착 시, 전동기 유입 유량 대비 고정자 코일 엔드부로 향하는 유량은 약 46% 수준이며, 로터 엔드링(Rotor end ring)을 지나는 유량은 약 56% 이다. 로터 엔드링을 지나는 유량 중 로터 바(Rotor bar)와 프레스 링(Press ring) 사이로 빠져나가는 유량은 약 12%, 로터 에어홀(Rotor air hole)로 향하는 유량은 약 44%이다.

Fig. 7

Internal airflow vectors and cooling flow rate ratio(Type 1)

Fig. 8

Internal airflow vectors and cooling flow rate ratio(Type 2)

Fig. 8의 풍량 개선된 팬을 장착한 경우, 전동기 유입 유량 대비 로터 에어홀의 유입 유량은 약 4% 감소하였으며, 이에 따라 코일 엔드부로 향하는 유량 비는 약 50%로 증가되었다. 유량 분포 비교 결과 팬에 의해 증가된 풍량 대부분이 로터 에어홀 대비 코일 엔드부로 더 많이 흐르는 것을 알 수 있다. 이는 Fig. 9의 권선 온도 분포 결과와 같이 코일 슬롯부 대비 코일 엔드부에서의 온도 감소가 더 이뤄진 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9

Temperature distribution at the stator coil: Type 1 & Type 2

3.3 전동기 온도상승시험

전동기 내부 팬 풍량 증대에 따른 전동기 냉각 성능 검증을 위해 온도상승시험을 수행하였다. 본 연구에 사용된 전동기 사양은 Fig. 10과 같이 4.5 MW, 6000 V, 60 Hz이다.

Fig. 10

4.5 MW, 6000 V, 60 Hz

고정자 권선의 온도상승값은 각 부분의 측정 온도와 주위 온도와의 차이이며, 주위 온도 18.9℃에서 정격 전압, 정격 전류를 인가하여 시험을 실시하였다. 고정자 권선 온도 측정 방법은 저항법(Resistance temperature detector)과 매입법(Embedded temperature detector)이 있다.

저항법은 권선 도체의 온도와 저항간의 관계식 (1)을 통해 계산하였고, 매입법은 열전대(Thermocouple)를 통해 각 권선 위치 별 최대 온도상승값을 확인하였다.

T₁ : Ambient Temperature
T₂ : Temperature of coolant at the end of test
R₁ : Initial Resistance (cold) at T₁
R₂ : Resistance (hot) at T₂

Fig. 11은 팬 변경에 따른 권선 위치별 최대 온도상승 차이를 보여준다. 팬의 풍량이 증가함에 따라 권선 온도는 전체적으로 감소하였고, 특히 코일 엔드부로 갈수록 온도 저감량이 크게 나타났다. 코일 엔드부의 온도 감소량은 부하 측 대비 반부하 측에서 더 크게 나타났다. 이는 전동기 외부 팬을 통한 냉각 공기가 상부 열교환기로 이동 시 반부하 측에서 부하 측으로의 열전달 경로에 따라 냉각 효과가 반부하 측에서 더 크게 나타났기 때문이다. 전동기 온도상승시험 결과는 Table 4에 나타내었으며, 내부 팬의 풍량이 증가함에 따라 권선 평균 온도상승값은 약 2.6K 감소하였다.

Fig. 11

Reduction of max. temperature rise based on stator coil location: (Type 1–Type 2)

Table 4

Temperature rise measurement data