Design of Dual Stator PMSM with Separately Controlled Dual 3 Phase Winding for eVTOL Propulsion

Abstract

전기추진 수직이착륙 (eVTOL) 시스템의 추진용 모터는 높은 수준의 출력 밀도와 효율, NVH, fault-tolerance 성능이 요구된다. 높은 출력 밀도를 장점으로 갖는 외전형 SPMSM이 eVTOL 추진용 모터로써 주로 사용되어 왔지만, fault-tolerance 특성 및 토크 고조파 저감을 위한 설계 기법을 적용할 경우, 출력이 저하되는 한계가 있다. 이에 따라 본 논문은 eVTOL 추진용 모터로써 요구되는 다양한 특성을 동시에 만족하기 위한 방안으로써, 개별적으로 제어되는 두 개의 3상 권선을 dual stator 구조의 내측과 외측 고정자에 각각 분리 배치한 Dual 3 Phase Dual Stator PMSM을 제안하였다. 제안된 모터의 전자기적 특성을 종합적으로 분석하고, 기대 효과를 구현하기 위한 설계 및 제어 기법에 대해 연구하였다. 자기적, 전기적, 열적으로 높은 분리도에 의해 내재적인 fault-tolerance 성능이 우수함을 확인하였고, 개별 전류벡터제어에 기인하는 다자유도 특성의 설계 복잡성을 해소함과 동시에 장점으로 극대화함으로써 최대 출력의 저하 없이, 효율 및 토크 리플 특성을 향상시킬 수 있는 설계 기법 및 전류벡터제어 방안을 구축하였다. 본 논문의 contribution은 아래와 같이 정리된다. 1) 출력 밀도를 극대화하기 위한 방안으로써, 3개의 기자력원 간의 최적의 균형을 결정하는 초기 설계 기법 구축 2) 개별 전류벡터제어의 특성을 활용한 설계 및 제어 기법 A. 효율 향상을 위한 내/외측 전기자 전류비 결정 방법 B. 최대 토크를 유지하면서 토크 고조파를 저감하는 Phase shift 기법 먼저, 제안하는 모터의 자기 회로를 분석하여 두 전기자 간의 상호작용을 반영한 d-, q-축 등가 모델을 구축하였다. 이에 기반하여, 전기적 파라미터를 계산하는 과정에서 발생하는 문제점을 해결하기 위해 쇄교자속 성분 분리를 위한 근사적인 방법을 구축하였다. 이어서, 다자유도 특성으로 대표되는 dual 3 phase dual stator PMSM의 전자기적 특징을 파악함으로써 출력 밀도 최대화, 효율 향상 및 토크 고조파 저감을 위한 방안을 모색하였다. 출력 밀도를 최대화함과 동시에 다자유도로 인한 설계 복잡성을 해소하는 초기 설계 기법을 구축하였다. 출력 밀도를 최대화하는 방안으로써, 3개의 기자력원 간의 비율을 최적화하기 위해, 이와 밀접한 영향을 갖는 4개의 기자력 관련 형상 치수를 설계 변수로 선정하였다. 설계 변수들의 다양한 조합에 의해 결정되는 모터 형상 각각의 최대 출력을 빠르게 파악하기 위해 프로펠러 부하의 특성과 SPMSM의 구동 특성을 활용한 프로세스를 구축하였다. 또한, 각각의 모터 형상에 대해 최대 출력을 극대화하는 전기자 턴 수 결정 및 내/외측 전류 분배 방안을 수립하였다. 다양한 모터 형상에 대한 초기 설계 결과를 바탕으로, 출력 밀도 및 내/외측 출력비의 관점에서 장점을 갖는 후보군을 결정하였다. 다음으로, 내/외측 전기자 전류의 독립적인 제어가 가능한 독특한 특징으로부터 하기의 두 기법을 도출하고, 선별된 후보군에 대한 적용 효과를 비교 분석하였다. 먼저, 효율을 최대화하기 위해 두 전기자 전류의 크기를 개별적으로 제어하는 기법을 제안하였다. 두 전기자에 의해 발생하는 토크는 두 전류의 합에 의해 결정됨을 밝히고, 이 때 두 전류 크기의 비율은 토크와의 상관성은 매우 낮은 반면, 모터의 손실은 크게 변화하는 추세를 분석하였다. 그 결과, 효율을 극대화하도록 내/외측 전류의 비율을 결정하는 기준을 수립하였다. 다음으로, NVH 특성 향상의 일환으로 토크의 고조파를 저감하기 위한 Phase shift 기법을 수립하였다. 두 고정자 간의 상대 위치를 조정하여 토크의 고조파 성분을 저감하고, 이로 인해 어긋난 두 전기자 기자력 간의 위상차는 개별적인 전류 위상 제어를 통해 각각 보정함으로써 최대 토크를 확보할 수 있는 방법이다. 주요 운항 조건인 이착륙, 순항 시의 부하 조건에 대해 토크 리플 저감을 검토하였고 두 조건에서 효과를 나타내는 설계 및 제어 조건을 확인하였다. 제안한 기법을 통해 최대 토크의 감소 없이 특정 고조파를 제거할 수 있음을 밝혔다. 수행된 연구 내용을 입증하기 위해 설계된 모터를 제작하여 시험 검증을 진행하였다. 무부하 역기전력, 입력 전류에 따른 토크와 더불어 다양한 운전 조건에서의 효율을 측정하고 해석 결과와 비교함으로써 본 논문에서 사용된 해석 기법의 정확성을 검증하였다. 더 나아가, 내측과 외측의 전기자 전류를 상이하게 인가했을 때 효율이 변화하는 추이가 해석을 통한 예측과 일치함을 확인했고, phase shift 기법을 통해 토크의 특정 고조파 대역이 감소하는 현상을 확인하였다. 이를 통해 본 연구에서 제안된 모든 기법들의 유효성이 실험적으로 입증되었다. |As the electric motor for electric-powered vertical take-off and landing (eVTOL) propulsion, high level of the power density, efficiency, noise, vibration and harshness (NVH), and fault-tolerance characteristics are required. The outer rotor surface-mounted permanent magnet synchronous motor has been used for its advantage of high power density, however, there is limit that the power is degraded by design methods to enhance the fault-tolerance capability and to reduce torque harmonics. For improvement of overcoming the trade-off relation between the eVTOL requirements, the dual 3 phase dual stator PMSM was introduced. This topology has two separately controlled 3 phase windings, which are separately placed in the outer and inner stators. Due to its strong phase isolation in magnetic, electric and thermal perspective, it inherently exhibits superior fault-tolerance capability. The dual 3 phase dual stator permanent magnet synchronous motor (PMSM) was comprehensively investigated to achieve the desired characteristics. Consequently, the complexity of the high degree of freedom (DOF) resulting from separated current vector control was solved and simultaneously the advantage of high DOF was utilized to establish the design and control methods for improving the power density, efficiency, and reducing torque harmonics. The contribution of this thesis is organized as below. 1) Establishment of initial design process to maximize power density maximization by optimizing the balance of MMF sources 2) Design and control techniques based on separated current vector control A. Current ratio determination criteria for efficiency improvement B. Phase shift technique for torque ripple reduction without torque loss Above all, the d-, q-axis equivalent model considering the interaction between two armatures was constructed. Based on the equivalent model, an approximation method for separating the flux linkage components was developed to solve the problem in calculation of the circuit parameters. Subsequently, improvement methods for the power density, efficiency and torque ripple were deduced in consideration of the high DOF. The initial design process to maximize the power density as well as to reduce to design complexity was developed. To optimize the balance of three magneto-motive force (MMF) sources, four MMF-related dimensions were selected as design variables. The features of the propeller load and the surface-mounted PMSM (SPMSM) were employed to devise the way to rapidly find the maximum power of each motor shape decided by the four variables. In addition, the number of turns optimization and outer and inner current distribution method was developed to achieve highest maximum power for the motor shape. From the performance investigation over various shapes, some advantageous cases were selected in terms of the power density and the ratio of the outer and inner maximum current. Then, the two techniques below, derived from the unique feature that the outer and inner windings can be separately controlled, were presented and their effect on the candidates were studied. First, the current ratio control technique for the efficiency improvement was proposed. After discovering that the total torque is determined by the sum of the two armature currents regardless of the current ratio, the trend of the losses according to the current ratio was studied. Consequently, the current ratio decision criteria for loss minimization was established. Second, the phase shift technique was developed to reduce the torque harmonics as a manner of improving NVH quality. To reduce the torque harmonics, the relative position of the two stator was adjusted. Then, the according misalignment of each armature MMF was corrected by the separated control of each current phase, so that it was able to secure the maximum torque. The torque ripple reduction effect was analyzed under two major operating conditions, take-off and cruise, and it was found that this technique can be effective on both conditions to reduce harmonics without torque loss. To demonstrate the research contents in this thesis, the designed motor was fabricated and the experimental verification was conducted. By comparing the test and simulation results of the no-load back electro-motive force, the torque according to the current, and the efficiencies under various operating conditions, the accuracy of the prediction method used in this thesis was validated. Moreover, it was confirmed that the measured and predicted trends of the efficiency according to the current ratio was matched well each other, and the certain harmonic band of torque was reduced on the test as desired by the phase shift technique. Consequently, the effectiveness of all techniques proposed in this thesis were verified.