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고속 파형과 다점 온도의 동시 측정을 통해 밝히는 「모터의 열 설계」 (LR8450, MR6000)

요약

시작하며

 

본문에서는 고속 파형과 다점 온도 데이터의 통합을 통해 모터 및 파워 디바이스의 발열 메커니즘을 규명하는 기법을 소개합니다.

 

모터 발열과 냉각 설계의 상충 관계

모터의 소형화는 권선 저항 증가로 인해 줄 열 손실(I²R 손실)을 발생시켜 발열 밀도를 높입니다. 한편, 고속 회전화로 출력을 유지하는 설계에서는 스위칭 손실과 철손이 증가하여 모터 내부의 열 집중이 진행됩니다. 이러한 모터 발열을 배출하기 위해 냉각 시스템을 과도하게 하면 펌프나 팬의 소비 전력이 증가하여 결과적으로 차량 전체의 전력 성능을 저하시키는 위험이 있습니다.

따라서 설계자는 발열원을 정확히 파악하고 필요한 범위 내에서 냉각을 설계해야 합니다. 이를 위해서는 실기 계측을 통한 열 분포의 정량화와 시뮬레이션과의 일관성 검증이 필수적입니다.


파형과 온도를 동시에 측정하는 의의

 모터나 인버터에서는 전류가 흐르는 순간마다 손실이 발생하며, 이는 열로 축적됩니다. 전압·전류 파형을 관측함으로써 손실의 경향은 추정할 수 있지만, 그 손실이 언제·어디서·어느 정도의 온도 상승으로 나타나는지까지는 파악할 수 없습니다. 반대로, 온도 데이터만으로는 어떤 동작 이벤트(스위칭·통전·부하 변동)에 대응하여 발열했는지를 특정할 수 없습니다. 따라서 파형과 온도를 동일한 시간축으로 기록하는 동시 측정이 필요합니다.


이를 통해 다음과 같은 발열원과 열 확산의 시계열 관계를 정량적으로 규명할 수 있습니다.

ㆍ 권선의 줄 열 손실이 고정자나 케이스에 전달되는 과정

ㆍ 엔드링이나 방열판이 온도 상승에 따라가는 속도


전기적 스트레스가 열로 변환되기까지의 '시간적 지연'을 시각화할 수 있다는 점이 동시 측정의 최대 가치입니다. 이 통찰은 시뮬레이션에서는 방대한 계산이 필요한 과도적인 열 응답을 보완하여 열 설계의 정확도를 획기적으로 높입니다.

 

정리

효과적인 온도 측정을 실현하기 위해서는 다음 포인트를 파악해야 합니다.


ㆍ반도체 소자나 전력 디바이스의 케이스 근방

  스위칭 손실에 의한 발열의 영향을 파악하기 위한 측정 포인트

ㆍ모터 권선, 스테이터 표면, 케이스 표면

  통전 시 쥬얼 손실이 어느 정도 열로 변환되고 있는지 확인

  방열 상태 확인

ㆍ냉각계(히트싱크, 냉각수 입구/출구)

  열 대책 설계가 충분한지 검증


이러한 여러 측정 지점에서 동시 기록을 수행함으로써 어느 부위에서 발열이나 열 정체 현상이 발생하는지 명확히 파악할 수 있습니다.

 

 구성 예

설명

이점

 메모리 하이코더 MR6000

최대 200MS/s 고속 샘플링, 16채널

순간 파형의 정확한 캡쳐에 따른 이상 검출 효율을 향상 

 메모리 하이로거 LR8450

최대 90채널 온도 측정, CAN 통합

다중 로그를 간소화하고 R&D 워크플로우의 데이터 통합을 개선

조합 구성

CAN 링크를 통한 데이터 동기화

분석을 효율화하고 오차를 최소화하여 개발 주기를 가속화

 

측정 데이터를 설계 피드백에 활용한다

파형 데이터와 온도 데이터를 중첩함으로써 다음과 같은 분석이 가능합니다.

ㆍ 스위칭 손실의 발열 기여율을 시각화하여 구동 조건 최적화에 활용

ㆍ 권선 전류의 리플과 온도 상승의 상관관계를 정량화하여 권선 구조 및 제어 로직 개선 지침 확보

ㆍ 냉각 기구의 응답 지연을 분석하여 히트싱크 및 유로 설계 재평가에 반영

이와 같이 동시 측정 데이터는 설계 파라미터 최적화에 직결되는 근거로서 설계 개선에 피드백할 수 있습니다.

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그림 1 측정 포인트 이미지

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그림 2. 파형 기록 이미지


HIOKI의 계측 솔루션

HIOKI의 메모리 하이코더 MR6000과 메모리 하이로거 LR8450을 조합하면 전기와 열의 동시 계측 및 데이터 통합을 손쉽게 실현할 수 있습니다.

ㆍMR6000: 각 채널 절연 입력을 통해 서로 다른 전위 사이의 고속 파형(전압·전류)을 안전하게 기록

ㆍLR8450: 최대 90채널의 온도 데이터를 수집하여 CAN을 통해 MR6000으로 전송 및 데이터 통합

두 기기를 연동함으로써 전기 파형과 온도를 완벽히 동기화된 데이터로 일원화 기록할 수 있습니다. 별도의 장치로 측정한 데이터를 나중에 병합할 필요가 없어 정확하고 재현성 높은 열 분석이 가능합니다.


HIOKI의 계측 솔루션

파형과 온도의 동시 계측은 발열원과 열확산의 시계열을 시각화하고, 전기적 스트레스와 열응답의 관계를 정량화하며, 냉각 설계 및 손실 최적화를 위한 지침을 도출하는 강력한 접근법입니다. HIOKI의 계측 솔루션은 “전기와 열을 동시에 관찰한다”는 엔지니어의 요구에 부응하여 효율과 신뢰성을 동시에 달성하는 모터 열 설계를 지원합니다.


특정  어플리케이션에 관한 데모나 상담은 문의 양식을 통해 당사로 연락 주시기 바랍니다.