본 소개 논문의 내용은 [전기 자동차 애플리케이션에 사용되는 유도 전동기 분석 및 유한 요소법을 이용한 알루미늄 로터 바와 구리 로터 바의 비교] 논문을 [Publisher]에서 발행한 내용을 기반으로 합니다.
1. 개요:
- 제목: Analysis of Induction Motor Used In Electric Vehicle Applications and Comparison of Copper Rotor Bars with Aluminium Rotor Bars Using Finite Element Method
- 저자: Doğukan Ayhan
- 발행 연도: 2023
- 발행 학술지/학회: (명시되지 않음)
- 키워드: Induction Motor, Aluminium Rotor Bars for Induction Motor, Copper Rotor Bars for Induction Motor, Analysis, Optimization, Finite Element Method, Electric Vehicle, ANSYS Motor-CAD
2. 초록:
본 논문에서는 Tesla Model S의 유도 전동기 분석을 먼저 수행하고, Tesla Model S의 유도 전동기에 대한 로터 바 분석 및 비교를 위해 두 가지 재료를 사용했습니다. 이러한 로터 바 재료 유형은 알루미늄과 구리입니다. Tesla Model S의 유도 전동기 로터 바에 대한 두 가지 다른 재료의 장단점을 비교했습니다. 마지막으로 분석 및 비교를 통해 평가 및 추론을 수행했습니다.
3. 서론:
본 논문은 Tesla Model S의 유도 전동기를 열적 및 전자기적으로 분석하고, 유한 요소법을 사용하여 알루미늄 로터 바와 구리 로터 바를 비교하는 것을 목표로 합니다. Tesla Model S 유도 전동기에 대한 모든 가용 데이터를 사용합니다.
오늘날 전기 자동차에 적합한 모터를 선택하는 것은 전기 자동차 기술에서 매우 중요하며 모터의 모든 부품을 고려해야 합니다. 로터 바의 재료 선택은 스쿼럴 케이지 유도 전동기의 효율, 온도 및 무게에 직접적인 영향을 미치기 때문에 스쿼럴 케이지 유도 전동기의 설계 과정에서 중요한 부분입니다. Tesla Model S의 스쿼럴 케이지 유도 전동기를 분석하고 두 가지 다른 재료로 만들어진 로터 바가 있는 두 개의 로터를 검사하고 비교합니다. 이러한 비교된 로터 유형의 장단점은 기사에 명시되어 있습니다. 첫 번째 모델은 구리 로터 바 유형이고 두 번째 모델은 스쿼럴 케이지 유도 전동기용 알루미늄 로터 바 유형입니다. 알루미늄과 구리를 비교할 때 구리는 알루미늄보다 39% 더 전도성이 높습니다. 반면에 알루미늄은 구리보다 70% 더 가볍습니다. 따라서 모터 무게가 중요하고 비용이 상당한 응용 분야에서 로터 바 재료 선택 시 알루미늄 재료를 선호할 수 있습니다. 어닐링된 구리의 밀도는 8.933g/cm³이고 1083°C에서 용융되며, 주조 알루미늄의 밀도는 2.95 g/cm³이고 660.3 °C에서 용융됩니다. 이러한 데이터는 ANSYS Motor-CAD에서 사용할 수 있습니다. 어닐링된 구리와 주조 알루미늄의 전기 저항은 20°C에서 1.724x10-8 Ωm 및 3.3x10-8 Ωm이며, 이러한 재료의 저항은 재료의 기준 저항으로 알려져 있으며, 기준 저항은 모든 온도에서 재료의 저항을 계산하는 데 중요한 매개변수입니다. "알파"(a) 상수는 재료의 저항 온도 계수로 알려져 있으며 온도 변화의 정도당 저항 변화 계수를 상징하며, 어닐링된 구리와 주조 알루미늄의 열 저항 계수는 3.93x10-3 및 3.75x10-3입니다. 재료의 저항은 방정식 (1)에 의해 모든 온도에서 계산할 수 있습니다.
R = Rref [1 + a(T – Tref)] (1)여기서 R은 온도 "T"에서의 재료 저항, Rref는 20°C에서의 재료 전기 저항, a는 1/°C 단위의 온도 저항 계수, T는 °C 단위의 온도입니다.
4. 연구 요약:
연구 주제 배경:
전기 자동차(EV) 기술에서 모터 선택의 중요성이 증가하고 있으며, 특히 로터 바 재료 선택이 모터의 효율, 온도 및 무게에 미치는 영향이 큽니다.
기존 연구 현황:
기존 연구에서는 다양한 로터 바 재료의 장단점을 비교하고, 특정 애플리케이션에 적합한 재료 선택에 대한 고려 사항을 제시했습니다.
연구 목적:
본 연구는 Tesla Model S의 유도 전동기를 분석하고, 로터 바 재료로 알루미늄과 구리를 사용하여 성능을 비교하는 것을 목표로 합니다.
핵심 연구:
유한 요소법(Finite Element Method)을 사용하여 Tesla Model S 유도 전동기의 열적 및 전자기적 특성을 분석하고, 알루미늄 로터 바와 구리 로터 바의 성능을 비교합니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
Tesla Model S 유도 전동기를 모델링하고, 로터 바 재료를 알루미늄과 구리로 변경하여 시뮬레이션을 수행합니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
ANSYS Motor-CAD 소프트웨어를 사용하여 유한 요소 해석을 수행하고, 효율, 토크, 손실 등의 성능 지표를 비교 분석합니다.
연구 주제 및 범위:
본 연구는 Tesla Model S 유도 전동기의 로터 바 재료에 따른 성능 변화를 분석하는 데 초점을 맞추고 있습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
- 구리 로터 바를 사용한 스쿼럴 케이지 유도 전동기가 알루미늄 로터 바를 사용한 스쿼럴 케이지 유도 전동기보다 성능이 더 좋습니다.
- 알루미늄 로터 바를 사용하면 모터의 무게를 줄일 수 있지만, 구리 로터 바보다 손실이 더 큽니다.
- 비용 측면에서 알루미늄이 구리보다 저렴합니다.
그림 목록:
- Fig.2.Winding pattern of stator
- Fig.3.IM 2D radial view
- Fig.4.IM 2D axial view
- Fig.5.FE model Efficiency map of first model
- Fig.6.FE model mechanical power map of first model
- Fig.7. 2D FE model with flux density levels and field lines of first model
- Fig.8.Mechanical power map of the maximum normal operation region of first model
- Fig.9.Back EMF waveforms of first model
- Fig.10.Inductances of first model
- Fig.11.Total losses and rotor cage losses maps of first model
- Fig.12. The price change plot of copper and aluminum elements [6]
- Fig.13.Efficiency map of second model
- Fig.14.Mechanical power map of the maximum normal operation region of second model
- Fig.15.The total losses and rotor cage losses maps of second model
- Fig.16.The lumped circuit nodal temperatures
- Fig.17.The 2-D steady state thermal analysis of first model for rotor
- Fig.18.The 2-D steady state thermal analysis of second model for rotor
7. 결론:
모든 상황에 가장 적합한 로터 재료를 선택하는 것은 불가능합니다. 분석 결과 구리 로터 바가 있는 스쿼럴 케이지 유도 전동기가 예상대로 알루미늄 로터 바가 있는 스쿼럴 케이지 유도 전동기보다 성능이 더 좋습니다. 오늘날 구리 비용이 중요합니다. 따라서 스쿼럴 케이지 유도 전동기 알루미늄 바의 케이지 내부에 있는 구리 전도체 바 대신 다음과 같은 장점 때문에 다양한 응용 분야에서 선호할 수 있습니다.
구리 로터 바가 있는 스쿼럴 케이지 유도 전동기의 무게는 알루미늄 로터 바가 있는 스쿼럴 케이지 유도 전동기보다 무게가 훨씬 더 무겁고 비용이 더 많이 듭니다. 그러나 첫 번째(Fig.5) 및 두 번째 모델(Fig.13)의 효율성 맵에서 알 수 있듯이 총 손실이 적기 때문에 구리 바가 있는 스쿼럴 케이지 유도 전동기가 알루미늄 바가 있는 스쿼럴 케이지 유도 전동기보다 훨씬 효율적입니다.
결과적으로 전체적인 중요한 장점으로 인해 구리 로터 바는 효율성 및 열 측면에서 전기 자동차 애플리케이션용 유도 전동기 구현에 가장 적합한 선택입니다.
8. 참고 문헌:
- [1] Staton, D.A.; Goss, J. Open source electric motor models for commercial EV & Hybrid traction motors. Presented at Coil Winding, Insulation & Electrical Manufacturing Exhibition (CWIEME), Berlin, Germany, 20-22 June 2017.
- [2] M. Popescu, J. Goss, D. A. Staton, D. Hawkins, Y. C. Chong and A. Boglietti, "Electrical Vehicles-Practical Solutions for Power Traction Motor Systems," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 54, no. 3, pp. 2751-2762, May-June 2018.
- [3] H. Koke, "Comparative study of stranded and bar windings in an induction motor for automotive propulsion applications.", M.A.Sc thesis, McMaster University, Hamilton, Ontario, Canada, Aug. 2017.
- [4] Motor Design Limited, "Tesla Model S 60 benchmarking overview_V2," Ricardo eStore, 2013. [Online]. Available: https://estore.ricardo.com/en/tesla-model-s-60-benchmarking-overview---c-23-c-70-p-244. [Accessed: 03-Sep-2022].
- [5] J. Goss, M. Popescu, D. Staton, D. Hawkins and A. Boglietti, "Electrical vehicles practical solutions for power traction drive systems," 2017 IEEE Workshop on Electrical Machines Design, Control and Diagnosis (WEMDCD), 2017, pp. 80-88, doi: 10.1109/WEMDCD.2017.7947728.
- [6] E. Brocklehurst, "Scrap metals and auto recycling commodity performance August 2021," Advanced Remarketing Services, 21-Feb-2022. [Online]. Available: https://ec2-34-193-100-78.compute-1.amazonaws.com/low-value-vehicle-outlook-july-2021-2/. [Accessed: 11-Nov-2022].
9. 저작권:
- This material is a paper by "Doğukan Ayhan". Based on "Analysis of Induction Motor Used In Electric Vehicle Applications and Comparison of Copper Rotor Bars with Aluminium Rotor Bars Using Finite Element Method".
- Source of the paper: [DOI: 10.5281/zenodo.8117591]
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