This thesis examines the modeling and parameter estimation of multiphase electrical machine (MPEM) and fault-tolerant permanent-magnet synchronous machine (PMSM) drives for traction applications. These drive systems typically require a wide constant power-speed range, substantial overload capability, and high efficiencies along with operational reliability.

A class of MPEMs known as variable phase-pole machines (VPPMs) has been identified as possible magnet-free candidates to fulfill these requirements. However, research on their modeling and subsequent parameter estimation is scarce. State-of-the-art models such as the vector-space decomposition (VSD)assume a fixed number of phases and half-wave symmetry of the stator current distribution. Therefore, the first part of this thesis proposes an alternative modeling through the harmonic plane decomposition (HPD). Using the HPD, we showcase reference generations for rotor field-oriented control to accomplish different non-trivial phase-pole configurations and a strategy for switching between them. A constrained loss-minimization also demonstrates that VPPMs can improve the overload capability and reduce losses compared to an identical machine operated with a fixed phase-pole number.

The second part of the thesis identifies the HPD parameters of a VPPM using standard tests performed on a reduced set of harmonic planes using solely a three-phase sinusoidal supply. This part shows that an optimally weighted least-squares estimation of the machine parameters can accurately determine the full suite of rotor resistances and unsaturated magnetizing inductances while segregating rotor and stator leakages. A key to doing so is to include a regularization term.

The third part of the thesis investigates inter-plane cross saturation. This phenomenon occurs between harmonic planes because the excited harmonics of the magnetic field share the same flux paths through the machine’s steel. In response, we propose an advanced Γ-model with saturable rotor bridge and stator inductances taking, respectively, the bridge and air-gap magneticflux densities as inputs. The result is saturation models with a single input implicitly accounting for the phase displacement and different amplitudes ofthe space-harmonic magnetic fields.

The fourth part of the thesis investigates a fault case of PMSMs termed active short-circuit (ASC) in which the machine terminals are deliberately clamped to a DC-rail. The resulting transient may cause irreversible demagnetization of the rotor permanent magnets and impose a sudden and appreciable braking torque on the machine shaft. From the non-linear flux maps of the PMSM, we deduce the set of initial conditions that do not demagnetize the permanent magnets and obey a user-defined torque limit. The model is used to elaborate a direct flux-vector-control based strategy to control the state variables into the safe operating area of initial conditions before applying the ASC. The strategy optimally uses the assigned voltage resources to decrease the stator-flux magnitude to an acceptable level within a predictable time. It is displayed and experimentally demonstrated how the strategy consequently protects the machine from a detrimental transient.

This work shows that appropriate modeling of VPPMs enables efficient use of the available input power and may extend the torque-speed operating region. It is also a prerequisite for accurate control in dynamic operation. While experimental parameter estimation of the HPD model can be made simpler and more robust using regularized estimators, dealing with magnetic cross-saturation poses a challenge when demanding constant and accurate torque output during pole-changing and harmonic injection. Currently, PMSMs remain commonplace in traction applications. Steps to improve their fault tolerance to ASCs are taken in this thesis, relieving a common concern in automotive applications that need to comply with functional safety standards such as ISO 26262.

Denna avhandling undersöker modelleringen och parameterestimeringenav elektriska flerfasiga maskiner (MPM:er) samt feltoleranta drivsystem för permanentmagnetiserade maskiner (PMSM:er) i framdrivningstillämpingar. Dessa drivsystem kräver vanligtvis ett brett hastighetsomfång med konstanteffekt, betydande överbelastningskapacitet och hög verkningsgrad samtidigt som de ska uppvisa hög driftsäkerhet.

En klass av MPM:er kända som variabla fas-pol-maskiner (VPPM:er) har identifierats som magnetfria kandidater för att uppfylla dessa krav. Dock är forskningen kring deras modellering och efterföljande parameterestimering knapphändig. Vanliga modeller såsom vektorrumsdekompositionen (VSD) antar ett fixerat antal faser och halvvågssymmetri hos statorströmfördelningen. Därför föreslår första delen av denna avhandling en alternativ modellering medelst övertonsplandekomposition (HPD). Genom att använda HPD:n åstadkoms olika icke-triviala fas-pol-konfigurationer med lämpliga val av strömreferenser för rotorfältorienterad strömreglering. Vi ger också exempel på en strategi för att växla mellan dem. Genom en förlustminimering med bivillkor visas det också att VPPM:er fördelaktigt kan tillämpas för att förbättra överbelastningsförmågan och minska förlusterna jämfört med en identisk maskinsom tillämpar ett fixerat fas-pol-tal. Avhandlingens andra del identifierar HPD-parametrarna hos en VPPM genom standardtester utförda på en reducerad uppsättning övertonsplan med enbart en trefas sinusoidal spänningskälla. Denna del visar att en optimaltviktad minsta-kvadrat-estimering av maskinparametrarna noggrant kan bestämma hela omfånget av rotorresistanser och omättade magnetiseringsinduktanser samtidigt som den separerar rotor- och statorläckage. En nyckel till detta är att inkludera en regulariseringsterm.

Avhandlingens tredje del fortsätter med att studera korsmättnad mellan övertonsplan. Fenomenet uppstår eftersom de exciterade rumsövertonerna av det magnetiska fältet delar samma magnetiska flödesbanor genom maskinens stål. Som lösning föreslår vi en avancerad Γ-modell med mättnadsbara rotorbryggor och statorinduktanser som använder bryggornas och luftgapets magnetiska flödestätheter som indata för respektive mättnadsfunktion. Resultatet är mättnadsmodeller med en enda inmatningsvariabel som implicit tar hänsyn till fasförskjutningen och de olika amplituderna av de magnetiska rumsövertonsfälten.

Avhandlingens fjärde del undersöker ett felfall hos PMSM:er, benämndaktiv kortslutning, där maskinterminalerna aktivt ansluts till antingen positiv eller negativ DC-bus. Den resulterande transienten kan orsaka irreversibel demagnetisering av permanentmagneterna installerade i rotorn och åsamkar ett plötsligt och avesvärt bromsmoment på maskinaxeln. Från de icke-linjära flödeskartorna av en PMSM härleder vi intitalvilkoren som undgår att demagnetisera permanentmagneterna och respekterar en användardefinierad vridmomentbegränsning. Modellen används för att utarbeta en strategi baserad på direkt flödesvektorreglering för att styra tillståndsvariablerna till det säkra operationsområdet innan den aktiva kortslutningen tillämpas. Strategin använder de tilldelade spänningsresurserna optimalt för att minska statorflödet till en acceptabel nivå inom en förutsägbar tid. Experiment demonstrerar hur strategin följaktligen skyddar maskinen från en skadlig transient.

Denna avhandling visar att en lämplig VPPM-modell möjliggör effektivanvändning av tillgänglig effekt och kan utvidga arbetsområdet för kontinuerlig drift. Modellen är också en förutsättning för verkningsfull styrning avstatorströmmen. Ehuru experimentell parameterestimering av HPD-modellen kan förenklas och göras mer robust genom att använda regulariserade estimatorer, utgör hanteringen av magnetisk korsmättnad en utmaning när konstantoch noggrant vridmoment krävs under polbyten och övertonsinjektion. För närvarande är PMSM:er vanliga inom traktionstillämpningar. Åtgärder för att förbättra motståndskraften mot fel till följd av aktiva kortslutningar hos dessa maskiner föreslås i denna avhandling, vilket bemöter ett problem inom fordonsapplikationer som behöver efterleva funktionella säkerhetsstandarder såsom ISO 26262.

With falling semiconductor prices, multiphase electrical machines are gaining more attention from academic and industrial research. So-called variable-pole machines are multiphase induction machines with squirrel cage rotors with the ability to be excited with a different number of magnetic pole pairs. Using this kind of machines can reduce the total cost of ownership of an electrical drive, mainly through reduction of the cost of running and the cost of NOT running. The omission or reduction of the mechanical gear has the potential to increase the overall system efficiency. Moreover, the additional degrees of freedom allow for true fault tolerance.

This work first introduces the harmonic plane decomposition theory for a unified machine model independent of the excitation of the variable-pole machine. This allows continuous modeling in any condition without model discontinuity. Based on the harmonic plane decomposition, this work presents vector control schemes. Subsequently, it presents pole transition strategies generating the control references for minimum torque dip pole transitions. Moreover, flux weakening during the pole transition maintains the voltage within the drive’s limits.

Next, this work presents the harmonic-plane-decomposition fault detection, a fast, non-invasive, and computational lean fault detection for variable pole machines. By leveraging the additional degrees of freedom due to the increased amount of independent currents, the fault detection shifts partially from information over time to information over space. It continues by demonstrating a pole transition under faulty conditions by adapting a minimum stator copper losses current injection post fault control such that it can carry out a pole transition. In this way, true fault tolerance is achieved.

Lastly, this work also shows a sensorless operation of a multiphase electrical machine capable of operation at low and zero speeds. This is achieved by separating the torque generation and the sensorless observer in different harmonic planes as well as introducing feedback for all estimated state variables.

This work shows technical solutions to take advantage of all independent currents in a variable-pole machines. Applying these techniques in a drive system poses electrical drives with such machines as a viable option for industrial and traction applications.

Med sjunkande priser på halvledare får flerfasiga elektriska maskiner mer uppmärksamhet inom akademisk och industriell forskning. Så kallade variabelpoliga maskiner är flerfasiga induktionsmaskiner med burrotorer som kan exciteras med olika antal av magnetiska polpar. Användning av denna typ av maskiner kan minska den totala ägandekostnaden för en elektrisk drivenhet, främst genom minskning av kostnaden för att köra och kostnaden för att INTE köra. Utelämnandet eller minskningen av den mekaniska växeln har potential att öka den totala systemeffektiviteten. Dessutom möjliggör de ytterligare frihetsgrader en sann feltolerans.

Detta arbete introducerar först teorin om harmonisk planedekomposition för en enhetlig maskinmodell oberoende av variabel-polmaskinens excitation. Detta möjliggör en kontinuerlig modellering under alla förhållanden utan modelldiskontinuitet. Baserat på harmonisk planedekomposition presenterar detta arbete vektorstyrningsmetoder. Därefter presenteras strategier för polövergång som genererar styrreferenser för minimala momentdipolövergångar. Dessutom bibehåller fältsförsvagning under polövergången spänningen inom driftens gränser.

Därefter presenterar detta arbete feldetektering med harmonisk plan dekomposition feldetektering, en snabb, icke-invasiv och beräkningsmässigt enkel feldetektering för variabelpoliga maskiner. Genom att utnyttja de ytterligare frihetsgraderna på grund av den ökade antalet oberoende strömmar, skiftar feldetekteringen delvis från information över tid till information över rum. Arbetet fortsätter med att demonstrera en polövergång under felaktiga förhållanden genom att anpassa en ströminjektion för minimala kopparförluster i statorn, så att den kan utföra en polövergång. På så sätt uppnås sann feltolerans.

Slutligen visar detta arbete också en sensorlös drift av en flerfasig elektrisk maskin som kan arbeta vid låga hastigheter och nollhastigheter. Detta uppnås genom att separera momentgenereringen och den sensorlösa observatören i olika harmoniska plan samt genom att införa återkoppling för alla uppskattade tillståndsvariabler.

Detta arbete presenterar tekniska lösningar för att dra nytta av alla oberoende strömmar i variabel-polmaskiner. Att tillämpa dessa tekniker i ett drivsystem gör elektriska drivsystem med sådana maskiner till ett livskraftigt alternativ för industriella och dragapplikationer.