Circulating harmonic current mitigation design of dual three-phase DR-PMSM for UAM propulsion

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 UAM(Urban Air Mobility) 추진용 모터의 설계 및 해석에 관한 연구 를 수행하였다. 항공 모빌리티에 필수적인 높은 출력 밀도를 달성하기 위해 다양한 토폴로지를 검토한 결과, 레이디얼 자속(Radial Flux)형 이중 회전자(Dual-Rotor) 구조를 기본 모델로 선정하였다. 또한, UAM의 핵심 요구사항인 시스템 신뢰성을 확보하기 위해 권선 및 인버터의 이중화를 통해 고장 허용(Fault Tolerance) 성능이 우수한 이중 3상 권선 시스템을 채택하였다.
분할권 집중권(FSCW) 구조는 출력 밀도 향상에 유리하지만, 태생적으로 큰 기 자력(MMF) 고조파를 발생시켜 토크 리플과 회전자 손실을 유발한다는 단점이 있 다. 특히 이중 3상 시스템은 권선 세트 간에 누설 경로가 형성될 경우, 상호 결합 (Mutual Coupling) 효과로 인해 전자기적 성능이 저하될 위험이 크다. 이를 해결하 기 위해 본 연구에서는 정밀한 수학적 모델링을 수립하였다. 먼저 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스 성분을 분석적으로 분리하고, 벡터 공간 분해(VSD) 이론을 적용하 여 각 고조파 부분공간(Harmonic Subspace)의 인덕턴스를 디커플링하였다. 이러한 프레임워크를 통해 인버터 동특성을 고려하기 전 단계에서 상호 간섭에 의한 성능 저하를 이론적으로 규명하였다.
실제 PWM 제어 환경에서는 극전압 인가 시 고조파 부분공간의 인덕턴스가 충 분하지 않을 경우, 고주파 전압 성분에 의해 큰 순환 전류(Circulating Currents)가 유기된다. 본 연구에서는 위치에 따른 인덕턴스 변동과 권선 간 누설 자속 효과를 정밀하게 반영하기 위해 JMAG 회로 연동 해석(Co-simulation)을 수행하였다. 해석 결과, 고정자 슬롯 오프닝 형상에 의해 결정되는 공간 고조파와 순환 효과에 의한 시간 고조파 사이에 명확한 트레이드오프(Trade-off) 관계가 존재함을 확인하였다. 이를 통해 누설 자속 경로를 최소화함과 동시에 공극 퍼미언스 변동을 억제하여 자 석 손실을 최소화하는 최적의 고효율 운전점을 도출하였다.
결론적으로 본 논문은 이상 전류 해석 기반의 수학적 모델을 통해 고출력 밀도 이중 3상 모터의 PWM 제어 시 발생하는 순환 고조파 전류의 발생 메커니즘을 정 의하였다. 이를 바탕으로 공간 고조파와 순환 전류 간의 상충 관계를 고려한 종합 적인 설계 방법론을 제시하였으며, UAM 추진 시스템의 고조파 전류를 효과적으로 저감할 수 있는 구체적인 기하학적 형상 및 권선 설계 기준을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The escalating demand for reliable and high-power-density propulsion systems in Urban Air Mobility (UAM) applications has led to increased interest in the Dual Three-Phase (DTP) Dual Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor (DR-PMSM). This topology is primarily selected for its inherent fault-tolerance and redundancy. However, DTP systems, particularly when employing Fractional-Slot Concentrated Windings (FSCW) and driven by Voltage Source Inverters (VSIs) via Pulse Width Modulation (PWM) control, face a critical challenge: the generation of significant high-frequency circulating harmonic currents. These currents are a direct consequence of the mutual magnetic coupling between the two winding sets and lead to increased vibration, loss, and performance degradation.
This thesis establishes a comprehensive methodology to formally analyze and mitigate these circulating harmonic currents. First, a rigorous mathematical model of the DTP-PMSM is developed, utilizing Vector Space Decomposition (VSD) theory to decouple the system into fundamental ab and harmonic xy subspaces. The Frozen Permeability Method (FPM) is then introduced and validated as a necessary tool to accurately extract the self and mutual inductance components under non-linear magnetic conditions.
The analysis confirms that the mutual leakage inductance actively reduces the inductance barrier in the harmonic subspace, facilitating large circulating currents. A crucial design finding is the existence of a trade-off relationship between the spatial harmonic components and the temporal harmonic components.
Based on this, a novel design optimization methodology is presented and validated via co-simulation. The proposed method targets the minimization of the mutual leakage flux by optimizing stator parameters, such as the slot shoe tip geometry. The results demonstrate that the optimal design minimizes the mutual leakage inductance, successfully suppressing the circulating harmonic currents during PWM operation while maintaining high efficiency and acceptable loss limits for UAM propulsion.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Research Background 1
• 1.1.1 High Power Density and Reliable Motor for UAM Propulsion 2
• 1.2 Research Objective and Structure 5
• Chapter 2. Dual Three-Phase Machine and Winding Configurations 6
• 2.1 Dual Three-Phase Machine 6
• 2.2 Dual Three-Phase Winding 8
• 2.3 Harmonics by Winding 11
• 2.3.1 Basic Harmonics Cancellation 11
• 2.3.2 Parasitic Harmonics Cancellation 14
• Chapter 3. Mathematical Model of Dual Three-Phase Machines 16
• 3.1 Dual Three-Phase System Characteristics with VSIs 16
• 3.2 Mathematical Model of Dual Three-Phase Machine 18
• 3.2.1 Dual Three-Phase Machine d-q transformation 18
• 3.2.2 Inductance Modeling of Dual Three-Phase Machine 21
• 3.2.3 Dual Three-Phase Machine Voltage equation 22
• 3.3 Vector Space Decomposition (VSD) 24
• 3.3.1 VSD theory 24
• 3.3.2 Theoritical VSD Inductance Calculation 26
• 3.4 Inductance Calculation Method by FEM 29
• Chapter 4. Harmonic Loss Mitigation Design of UAM Propulsion Motors Considering PWM Control 34
• 4.1 Motor-Inverter Co-simulation Performance Analysis 34
• 4.1.1 Co-simulation analysis circuit 34
• 4.1.2 Design Specification 37
• 4.1.3 Control Parameter 38
• 4.2 Circulating Harmonic Currents Mitigation Design 39
• 4.2.1 Design Variable 39
• 4.2.2 Motor Design Process 41
• 4.3 Simulation Result 43
• 4.3.1 Case Study Results Analysis about Ldz, Lqz 43
• 4.3.2 Trade off about space harmonics and time harmonics 45
• 4.3.3 Results Comparison by Ideal Current and VSI-Fed 47
• Chapter 5. Conclusion 51
• References 53
• Korean Abstract 57