A multi-phase variable-speed electric motor with increased constant power region

MANKO, ROMAN (avtor), Čorović, Selma (mentor)

Increasingly stringent requirements for energy efficiency and environmental sustainability have driven extensive electrification across a wide range of sectors, including power generation, ground transportation, aviation, and maritime transport. Consequently, the demand for high-performance electric motors and high-power electronic devices for their control has been rapidly increasing. Nowadays, permanent magnet synchronous motors are prevalent in most applications due to their high-power density, high efficiency and compact size. However, the limited availability of rare-earth elements and their price fluctuations have increasingly directed scientific research efforts towards development of novel permanent-magnet-free motor topology concepts and towards innovative improvements of existing electric motor types such as induction motors and electrically excited synchronous motors. This doctoral thesis proposes a novel multi-phase, magnet-free electric motor topology concept based on the implementation of a novel multi-phase winding design. The proposed motor topology concept primarily aimed to improve operational flexibility, enhance efficiency across a wider speed range, and reduce dependence on rare-earth materials, making it a promising solution for next-generation electric drive systems. The scientific research was more specifically focused on the development of a novel multi-phase induction motor and a multi-phase electrically excited synchronous motor with a variable number of pole pairs that efficiently extends the constant power operating region. Within this framework, a new control methodology for the proposed motor designs was also developed. Furthermore, the limitations of existing excitation solutions for electrically excited synchronous motors were analyzed, and the research was directed toward the development of a rotary transformer for wireless power transfer to the excitation winding. The development of the two novel motor concepts (induction motor and electrically excited synchronous motor with a variable number of pole pairs), together with the new rotary transformer design, was based on detailed electromagnetic analyses using finite element method, stator and rotor structure optimization, prototype manufacturing, and validation of the obtained results through experimental investigations.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: multi-phase induction motor with a variable number of pole pairs, multi-phase electrically excited synchronous motor with a variable number of pole pairs, variable-speed electric motor with increased constant power region, rotary transformer, wireless excitation.
• Vrsta gradiva: Doktorsko delo/naloga
• Organizacija: FE - Fakulteta za elektrotehniko
• Leto izida: 2026
• PID: 20.500.12556/RUL-188400
• Datum objave v RUL: 22.09.2026

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Naslov: Večfazni elektromotor s spremenljivo hitrostjo in povečanim območjem konstantne moči

Izvleček

Stroge zahteve po učinkoviti rabi energije in varstvu okolja so privedle do obsežne elektrifikacije v različnih sektorjih, vključno z energetiko, kopenskim prometom, letalstvom, pomorskim prometom idr. Posledično se povečuje potreba po razvoju visoko zmogljivih izmeničnih električnih motorjev ter pripadajoče močnostne elektronike za njihovo vodenje. V sodobnih aplikacijah prevladujejo sinhronski motorji s trajnimi magneti zaradi številnih prednosti kot so visoka gostota moči in izkoristek ter kompakten dizajn. Vendar, zaradi omejene razpoložljivosti redkih zemelj ter nihanja njihovih cen se znanstvena prizadevanja vse bolj usmerjajo v inovativne izboljšave obstoječih strojev ter v razvoj novih konceptov električnih strojev brez trajnih magnetov. To vključuje razvoj naprednih rešitev v smeri minimizacije izgub, povečanja gostote moči in navora ter izboljšanje stroškovne učinkovitosti proizvodnega procesa. Na podlagi pregleda literature lahko povzamemo, da se znanstvena prizadevanja na področju razvoja električnih motorjev z vidika zmanjšanja uporabe elementov redkih zemelj trenutno osredotočajo na razvoj naprednih materialov in implementacije novih tehnologij v že uveljavljene zasnove in koncepte ter v razvoj novih konceptov in topologij izmeničnih električnih motorjev brez vsebnosti trajnih magnetov. V tej doktorski disertaciji smo predlagali novo zasnovo večfaznega elektromotorja s spremenljivo hitrostjo, ki je primeren za uporabo v aplikacijah s širokim in spremenljivim območjem vrtilne hitrosti, kot so na primer pogonski motorji v transportnih aplikacijah. Ožje znanstveno-raziskovalno področje doktorske disertacije je zajemalo razvoj novih konceptov večfaznega asinhronskega motorja in sinhronskega motorja z navitim rotorjem s spremenljivim številom polovih parov. V tem okviru je bila razvita tudi nova metodologija za vodenje predlaganih motorjev. Pomanjkljivosti obstoječih rešitev vzbujanja sinhronskega motorja z navitim rotorjem so bile analizirane in raziskovalno usmerjene v razvoj rotacijskega transformatorja za brezkontaktno napajanje vzbujalnega navitja. Razvoj dveh novih konceptov motorjev (asinhronskega in sinhronskega s spremenljivim številom polovih parov) ter nove zasnove rotacijskega transformatorja je temeljil na podrobnih elektromagnetnih izračunih z metodo končnih elementov, optimizaciji topologije, izdelavi prototipov ter validaciji izračunov z eksperimentalnimi rezultati.

• Ključne besede: večfazni asinhronski motor s spremenljivim številom polovih parov, večfazni sinhronski motor z navitim rotorjem, elektromotor s spremenljivo hitrostjo in povečanim območjem konstantne moči, rotacijski transformator, brezkontaktno vzbujanje.