ETD

• control strategies
• electric machines
• low torque ripple
• multi-phase machines
• switched reluctance motors

The Switched Reluctance Machine (SRM) is widely recognized for its robust, magnet-free construction and cost-effectiveness, making it a compelling alternative to Permanent Magnet (PM) and Induction Machine (IM) in a variety of applications. However, its widespread adoption is often restricted by inherent high torque ripple and acoustic noise, particularly in conventional 3-phase topologies. This thesis addresses such limitations by investigating the mathematical modeling and control of an unsaturated 5-phase SRM drive. The 5-phase architecture is deliberately selected for its superior capability to provide continuous torque production and smoother commutation compared to standard designs.
A comprehensive mathematical framework is established to derive current profiling strategies specifically designed for ripple minimization. Initially, a Half-Sinusoidal Supply (HSS) strategy is developed to theoretically ensure constant instantaneous torque.
To overcome the voltage constraints inherent to this method at higher speeds, a new Extended-Speed-Range (ESR) strategy is proposed. This approach utilizes a state-machine controller to maximize DC bus voltage utilization. Furthermore, a Balanced Torque Sharing (BTS) strategy is introduced to address unbalanced thermal and mechanical loading at low speeds by enforcing equal torque sharing between phases.
The electromagnetic characteristics of the machine, including static inductance profiles, are obtained and validated using Finite Element Analysis (FEA) in the JMAG software environment. The proposed control strategies are then implemented and analyzed through detailed dynamic simulations in the PLECS software environment.
Simulation results demonstrate that the proposed strategies can achieve significantly low torque ripple in comparison to classical 3-phase SRMs, while permitting an extended operational speed range. The ESR strategy is shown to more than double the base speed achievable by the HSS strategy while retaining very good ripple performance. The BTS strategy is proven effective in balancing phase loads without compromising dynamic performance. Overall, the outcome of the research activity developed proves that SRMs featuring the selected 5-phase topology can indeed provide very good performance when properly controlled, for example, according to the proposed strategies.

La Macchina a Riluttanza Commutata (SRM) è una valida alternativa alle macchine a magneti permanenti e a induzione, grazie alla sua struttura robusta ed economica. Tuttavia, l'elevata ondulazione di coppia (torque ripple) e il rumore acustico ne limitano spesso la diffusione, specialmente nelle configurazioni convenzionali trifase. Questa tesi supera tali limiti proponendo la modellazione matematica e il controllo di un azionamento SRM a 5 fasi in regime non saturo, scelto per la sua capacità di generare una coppia continua e una commutazione più fluida rispetto ai design standard.
Il lavoro sviluppa un framework matematico per definire strategie di profilazione di corrente mirate a minimizzare il ripple. Inizialmente, viene definita una strategia ad alimentazione semi-sinusoidale (HSS) per garantire una coppia istantanea teoricamente costante. Per superare i limiti di tensione alle alte velocità, è stata ideata una strategia di estensione del range di velocità (ESR) che massimizza l'uso della tensione del bus DC tramite un controllore a stati. Inoltre, si introduce una strategia di ripartizione bilanciata (BTS) per equilibrare i carichi termici e meccanici tra le fasi a basse velocità.
Le caratteristiche elettromagnetiche sono validate tramite Analisi agli Elementi Finiti (FEA) in JMAG, e le strategie testate tramite simulazioni dinamiche in PLECS. I risultati dimostrano che le SRM a 5 fasi, gestite con le strategie proposte, ottengono un torque ripple nettamente inferiore rispetto alle classiche macchine trifase, garantendo un range di velocità operativo significativamente esteso e un bilanciamento ottimale dei carichi.