Conference: 2025 한국자기학회 동계학술대회
Authors: 김규빈, 김재현, 배예나, 임명섭
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도심항공모빌리티(Urban Air Mobility, UAM) 추진계는 기체 경량화와 이륙·상승 구간의 높은 추력 확보를 위해 토크 밀도가 매우 높아야 하며, 비행 중 인버터 또는 상 결함(fault)이 발생하더라도 추진력을 유지할 수 있는 구동 지속성이 요구된다. 이러한 요구를 만족하기 위해 본 연구에서는 외전형 표면부착형 영구자석 동기전동기(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)에 이중 3상(dual three-phase) 구조를 적용하였으며, 권선 세트 간 전기적 위상차 β 로 구분되는 대칭(symmetric, β=0° 또는 60°) 토폴로지와 비대칭(asymmetric, β=30°) 토폴로지의 특성을 비교 분석하였다. 특히, 비대칭 토폴로지는 세트간 30°의 전기적 위상차로 인해 6(2n+1)차 토크 고조파가 상쇄되어 토크 리플이 감소하며, 분포 계수 증가에 따른 기본파 권선계수의 상승으로 동일 토크를 달성하기 위한 상전류 요구치가 낮아져 전류 밀도와 동손이 감소한다. Fig. 1은 이중 3상 외전형 SPMSM 에 대한 대칭(β=0°) 및 비대칭(β=30°) 권선 배치 방식과 이에 따른 토크 리플을 고조파 차수별로 비교한 결과를 보여주며, 정현파 기준에서 비대칭 토폴로지가 토크 리플 측면에서 대칭 토폴로지보다 우수한 특성을 보임을 확인할 수 있다.이중 3상 구조는 두 권선 세트가 동일한 철심과 자속 경로를 공유하므로, 세트 간 상호 인덕턴스 성분에 의해 크로스 커플링(Cross-Coupling)이 발생한다. 이러한 결합은 기본파뿐 아니라 5차, 7차 등 저차 고조파의 진폭과 위상을 변화시켜 자속과 토크 리플에 영향을 준다. 따라서 정현파 전류를 가정한 기존의 토크 예측은 실제 구동 시의 토크 특성을 충분히 반영하지 못하며, 인버터 구동 조건에서의 고조파 상호작용을 함께 고려할 필요가 있다. 실제 항공용 추진 모터는 대부분 인버터 기반으로 구동되며, 특히 UAM 추진 모터는 높은 토크밀도를 확보하기 위해 다극 설계를 채택하므로 전기 기본주파(fe)가 상승한다. 이에 따라 스위칭 주파수(fsw)와 전기 기본주파수(fe)의 비로 정의되는 주파수 변조지수(mf=fsw/fe)가 낮아지게 된다. 이 경우 인버터 스위칭에 의해 발생하는 mf, 2mf 대역의 사이드밴드(Sideband) 전류 고조파가 저주파 영역으로 이동하면서 토크 리플 형성에 비교적 지배적인 요인으로 전이된다. 따라서 이 경우 사이드밴드 성분은 단순한 고주파 노이즈로 간주될 수 없으며, 실제 구동 시 토크 리플 예측을 위해 해당 고조파 대역의 스펙트럼 분석이 요구된다.이와 더불어, 본 연구에서는 토크 밀도 향상을 위해 회전자에 Halbach 배열 영구자석을 적용하였다. Halbach 배열은 공극 방향으로 자속을 집중시켜 동일 체적 대비 공극 자속 밀도를 향상시키고, back-yoke 제거가 가능하게 함으로써 모터의 경량화를 달성할 수 있다. 그러나 back-yoke 의 제거는 자속 경로 분포와 권선 파라미터에 변화를 유발하며, 이는 세트 간 결합 특성과 인버터 구동 시 고조파 전류의 특성에도 영향을 미친다. 따라서 back-yoke 의 제거가 권선 파라미터에 미치는 영향과 이에 따른 PWM 전류 고조파 스펙트럼을 분석하였다.Fig. 2는 PWM 인버터 구동 시 Halbach 이중 3상 동기전동기에서 대칭 및 비대칭 권선 배치에 따른 전류와 토크 스펙트럼을 분석하기 위한 모델 구성과 절차를 개략적으로 도시한다. 이를 바탕으로 본 연구는 Halbach 배열이 적용된 SPMSM 에서, PWM 전류 구동 시 세트 간 크로스커플링에 기인한 저차 고조파 성분과 인버터 스위칭으로 생성되는 mf, 2mf 사이드밴드 고조파 성분을 동시에 고려하는 통합 해석을 수행하여, 대칭 및 비대칭 토폴로지의 토크 특성을 비교 분석하였다.