A multiphase modeling approach and field oriented control of six-phase ac machines

Multiphase Drive Systems (MPDs) and multiphase machines (MPMs) represent a promising alternative to conventional three-phase systems in applications requiring high power density and high reliability, such as heavy-duty electric vehicles, ship propulsion, military and aerospace systems. Their main advantages include improved power density, reduced phase currents and losses, lower torque ripple, and inherent fault-tolerant capabilities. In this context, the mathematical modeling of multiphase machines plays a key role in the analysis and control of such systems. Particular attention is devoted to the derivation of machine phase models,with particular emphasis on six-phase configurations, and to the formulation of extended Clarke and Park transformation matrices, which enable an effective decoupled representation of the equations in new multidimensional subspaces. Finally, simulation results of a six-phase synchronous machine (SM-PMSM) operating under healthy conditions are presented to evaluate the performance of the proposed system and to compare it with a conventional three-phase machine with the same power rating. Despite these advantages, multiphase drive systems still present increased design and control complexity, especially in terms of power converter topology and control strategies.

I sistemi di azionamento multifase (MPDs) e le macchine multifase (MPMs) rappresentano un’alternativa promettente ai sistemi trifase convenzionali nelle applicazioni che richiedono elevata densità di potenza e alta affidabilità, come veicoli elettrici heavy-duty, propulsione navale, sistemi militari e aerospaziali. I principali vantaggi includono una maggiore densità di potenza, correnti di fase e perdite ridotte, minore ripple di coppia e capacità intrinseche di tolleranza ai guasti. In questo contesto, la modellazione matematica delle macchine multifase svolge un ruolo chiave nell’analisi e nel controllo di tali sistemi. Particolare attenzione è dedicata alla derivazione dei modelli di fase della macchina, con specifico riferimento alle configurazioni a sei fasi, e alla formulazione delle matrici estese di trasformazione di Clarke e Park, che consentono una rappresentazione efficacemente disaccoppiata delle equazioni in nuovi sottospazi multidimensionali. Infine, vengono presentati i risultati di simulazione di una macchina sincrona a sei fasi (SM-PMSM) operante in condizioni sane, al fine di valutarne le prestazioni e confrontarle con quelle di una macchina trifase convenzionale di pari potenza nominale. Nonostante tali vantaggi, i sistemi di azionamento multifase presentano ancora una maggiore complessità progettuale e di controllo, in particolare per quanto riguarda la topologia dei convertitori di potenza e le strategie di controllo.