Research on key technologies of U-type dual phase permanent magnet motor based on single rotor asynchronous magnetization

Single-phase permanent magnet (SPPM) synchronous motor has the advantages of simple structure, low cost, self-starting, no commutator and long service life, so it has broad prospects in the home appliance industry. However, in practical, due to the asymmetric air gap structure to realize the motor self-starting, the starting torque is small, and the pulsating magnetic field produced by single-phase winding makes the motor have the problems of uncertain rotation direction and large pulsating torque. These problems restrict the development of U-type SPPM synchronous motor. After investigation and research, this paper presents a U-type two phase permanent magnet (TPPM) synchronous motor based on Halbach type rotor. It consists of two U-type SPPM synchronous motors. The magnetizing direction difference of the two main magnets is 90° and the phase difference of the two-phase excitation current is 90°, which can eliminate the starting dead zone and significantly reduce the torque ripple. A new torsion Halbach type structure is designed, that is, an auxiliary magnet with axial magnetization is added between the two main magnets of the rotor. The auxiliary magnet can make the two main magnets produce electromagnetic coupling, which is helpful to improve the output performance of the motor. The magnetic field calculation, torque analysis, structural parameter optimization and control model of the new motor structure are studied and analyzed. This paper focuses on the following aspects: Firstly, according to the structure and working principle of the motor, the magnetic pole structure is analyzed and modeled, which provides a theoretical basis for the electromagnetic structure optimization analysis of the prototype. Secondly, the three-dimensional model of the motor is established by ANSYS, and the simulation analysis of air gap magnetic field and output torque and the optimization design of rotor structure parameters are carried out. Thirdly, an improved model free predictive current control (MPFCC) is designed, which uses current slope difference to predict current. Then, the hardware circuit and control program of the driver module are designed. Finally, the prototype is manufactured and the electromagnetic output characteristics are tested to verify the theoretical model of the motor.

Il motore sincrono monofase a magneti permanenti (SPPM) presenta i vantaggi di una struttura semplice, basso costo, autoaccensione, nessun commutatore e lunga durata, quindi ha ampie prospettive nel settore degli elettrodomestici. Tuttavia, in pratica, a causa della struttura asimmetrica del traferro per realizzare l'autoavviamento del motore, la coppia di avviamento è piccola e il campo magnetico pulsante prodotto dall'avvolgimento monofase fa sì che il motore abbia problemi di direzione di rotazione incerta e grande pulsazione coppia. Questi problemi limitano lo sviluppo del motore sincrono SPPM di tipo U. Dopo indagini e ricerche, questa tesi presenta un motore sincrono a magneti permanenti bifase (TPPM) di tipo U basato sul rotore di tipo Halbach. È costituito da due motori sincroni SPPM di tipo U. La differenza di direzione di magnetizzazione dei due magneti principali è di 90° e la differenza di fase della corrente di eccitazione bifase è di 90°, il che può eliminare la zona morta di avviamento e ridurre significativamente il ripple di coppia. Viene progettata una nuova struttura di tipo Halbach di torsione, ovvero viene aggiunto un magnete ausiliario con magnetizzazione assiale tra i due magneti principali del rotore. Il magnete ausiliario può far sì che i due magneti principali producano un accoppiamento elettromagnetico, utile per migliorare le prestazioni di uscita del motore. Vengono studiati e analizzati il calcolo del campo magnetico, l'analisi della coppia, l'ottimizzazione dei parametri strutturali e il modello di controllo della nuova struttura del motore. La tesi si concentra sui seguenti aspetti: in primo luogo, in base alla struttura e al principio di funzionamento del motore, il campo magnetico viene analizzata e modellata la struttura del polo, che fornisce una base teorica per l'analisi di ottimizzazione della struttura elettromagnetica del prototipo. In secondo luogo, il modello tridimensionale del motore viene implementato in ANSYS e vengono eseguite simulazioni del campo magnetico del traferro e della coppia di uscita finalizzate alla progettazione e ottimizzazione dei parametri della struttura del rotore. In terzo luogo, è stato progettato un controllo di corrente predittivo senza modello migliorato (MPFCC), che utilizza la differenza di variazione della corrente per prevedere la corrente. Sono quindi stati progettati il circuito hardware e il programma di controllo del modulo driver. Infine, è stato realizzato un prototipo e le caratteristiche di uscita elettromagnetica sono state verificate sperimentalmente per validare il modello teorico del motore.