Výskum výpočtu utesňovania hviezd a aplikácie synchrónnych trakčných strojov s permanentnými magnetmi

Pozadie

Synchrónne motory s permanentnými magnetmi (PMSM) sú široko používané v modernom priemysle a každodennom živote kvôli ich výhodám vysokej účinnosti, úspory energie a spoľahlivosti, čo z nich robí preferované energetické zariadenia v mnohých oblastiach. Synchrónne trakčné stroje s permanentným magnetom prostredníctvom pokročilých riadiacich technológií zabezpečujú nielen plynulý zdvíhací pohyb, ale dosahujú aj presné polohovanie a bezpečnostnú ochranu kabíny výťahu. Vďaka svojmu vynikajúcemu výkonu sa stali kľúčovými komponentmi mnohých výťahových systémov. S neustálym vývojom výťahovej techniky sa však zvyšujú požiadavky na výkon synchrónnych trakčných strojov s permanentným magnetom, najmä aplikácia technológie „hviezdicového utesňovania“, ktorá sa stala stredobodom výskumu.

Problémy a význam výskumu

Tradičné hodnotenie hviezdicového utesňovacieho krútiaceho momentu v synchrónnych trakčných strojoch s permanentným magnetom sa opiera o teoretické výpočty a odvodenie z nameraných údajov, ktoré sa snažia zohľadniť ultraprechodné procesy hviezdicového utesňovania a nelinearitu elektromagnetických polí, čo vedie k nízkej účinnosti a presnosti. Okamžitý veľký prúd pri hviezdicovom utesňovaní predstavuje riziko nevratnej demagnetizácie permanentných magnetov, čo je tiež ťažko hodnotiteľné. S vývojom softvéru na analýzu konečných prvkov (FEA) boli tieto problémy vyriešené. V súčasnosti sa teoretické výpočty viac používajú na usmernenie návrhu a ich kombinácia so softvérovou analýzou umožňuje rýchlejšiu a presnejšiu analýzu krútiaceho momentu utesnenia hviezdy. Tento článok berie ako príklad synchrónny trakčný stroj s permanentnými magnetmi na vykonanie analýzy konečných prvkov jeho prevádzkových podmienok utesňovania hviezd. Tieto štúdie nielen pomáhajú obohatiť teoretický systém synchrónnych trakčných strojov s permanentnými magnetmi, ale poskytujú aj silnú podporu pre zlepšenie bezpečnosti výťahov a optimalizáciu výkonu.

Aplikácia analýzy konečných prvkov vo výpočtoch utesňovania hviezd

Na overenie presnosti výsledkov simulácie bol vybraný ťažný stroj s existujúcimi testovacími údajmi s menovitými otáčkami 159 ot./min. Nameraný krútiaci moment hviezdicového utesnenia v ustálenom stave a prúd vinutia pri rôznych rýchlostiach sú nasledovné. Hviezdicový krútiaci moment dosahuje maximum pri 12 ot./min.

Obrázok 1: Namerané údaje hviezdneho utesnenia

Ďalej bola vykonaná analýza konečných prvkov tohto ťažného stroja pomocou softvéru Maxwell. Najprv bol zostavený geometrický model ťažného stroja a nastavené zodpovedajúce materiálové vlastnosti a okrajové podmienky. Potom sa riešením rovníc elektromagnetického poľa získali krivky prúdu v časovej oblasti, krivky krútiaceho momentu a stavy demagnetizácie permanentných magnetov v rôznych časoch. Overila sa konzistentnosť medzi výsledkami simulácie a nameranými údajmi.

Vytvorenie modelu konečných prvkov ťažného stroja je základom elektromagnetickej analýzy a nebude sa tu ďalej rozvádzať. Zdôrazňuje sa, že materiálové nastavenia motora musia zodpovedať skutočnému použitiu; Vzhľadom na následnú demagnetizačnú analýzu permanentných magnetov je potrebné pre permanentné magnety použiť nelineárne B-H krivky. Tento článok sa zameriava na to, ako implementovať simuláciu utesňovania hviezd a demagnetizácie trakčného stroja v Maxwelli. Hviezdicové utesnenie v softvéri sa realizuje prostredníctvom externého obvodu, pričom špecifická konfigurácia obvodu je znázornená na obrázku nižšie. Trojfázové statorové vinutia ťažného stroja sú v obvode označené ako LPhaseA/B/C. Na simuláciu náhleho skratového hviezdicového utesnenia trojfázových vinutí je paralelný modul (zložený zo zdroja prúdu a prúdovo riadeného spínača) zapojený do série s každým obvodom fázového vinutia. Spočiatku je spínač riadený prúdom otvorený a zdroj trojfázového prúdu dodáva energiu do vinutí. V nastavenom čase sa prúdom riadený spínač zopne, skratuje zdroj trojfázového prúdu a skratuje trojfázové vinutia, čím sa dostane do stavu hviezdicového utesnenia skratu.

Obrázok 2: Konštrukcia hviezdicového tesniaceho obvodu

Nameraný maximálny hviezdicový krútiaci moment ťažného stroja zodpovedá otáčkam 12 ot./min. Počas simulácie boli rýchlosti parametrizované ako 10 ot./min., 12 ot./min. a 14 ot./min., aby boli v súlade s nameranou rýchlosťou. Pokiaľ ide o čas zastavenia simulácie, vzhľadom na to, že prúdy vinutia sa stabilizujú rýchlejšie pri nižších rýchlostiach, boli nastavené iba 2–3 elektrické cykly. Z kriviek výsledkov v časovej oblasti možno usúdiť, že vypočítaný hviezdicový tesniaci moment a prúd vinutia sa stabilizovali. Simulácia ukázala, že krútiaci moment hviezdicového tesnenia v ustálenom stave pri 12 otáčkach za minútu bol najväčší, a to 5885,3 Nm, čo bolo o 5,6 % menej ako nameraná hodnota. Nameraný prúd vinutím bol 265,8 A a simulovaný prúd bol 251,8 A, pričom hodnota simulácie bola tiež o 5,6 % nižšia ako nameraná hodnota, čo spĺňalo požiadavky na presnosť návrhu.

Obrázok 3: Špičkový krútiaci moment hviezdy a prúd vinutia

Trakčné stroje sú špeciálne zariadenia kritické z hľadiska bezpečnosti a demagnetizácia permanentnými magnetmi je jedným z kľúčových faktorov ovplyvňujúcich ich výkon a spoľahlivosť. Ireverzibilná demagnetizácia presahujúca normy nie je povolená. V tomto článku je softvér Ansys Maxwell použitý na simuláciu demagnetizačných charakteristík permanentných magnetov pod reverznými magnetickými poľami indukovanými skratovými prúdmi v stave utesnenia hviezdy. Z trendu prúdu vinutia prúdový vrchol presahuje 1000 A v momente utesnenia hviezdy a stabilizuje sa po 6 elektrických cykloch. Miera demagnetizácie v softvéri Maxwell predstavuje pomer zvyškového magnetizmu permanentných magnetov po vystavení demagnetizačnému poľu k ich pôvodnému zvyškovému magnetizmu; hodnota 1 znamená žiadnu demagnetizáciu a 0 znamená úplnú demagnetizáciu. Z demagnetizačných kriviek a obrysových máp je miera demagnetizácie permanentným magnetom 1, pričom nebola pozorovaná žiadna demagnetizácia, čo potvrdzuje, že simulovaný trakčný stroj spĺňa požiadavky na spoľahlivosť.

Obrázok 4: Časová doménová krivka prúdu vinutia pod hviezdicovým utesnením pri menovitej rýchlosti

Obrázok 5: Krivka rýchlosti demagnetizácie a obrysová mapa demagnetizácie permanentných magnetov

Prehĺbenie a výhľad

Prostredníctvom simulácie aj merania možno účinne kontrolovať krútiaci moment ťažného stroja na utesnenie hviezd a riziko demagnetizácie permanentných magnetov, čo poskytuje silnú podporu pre optimalizáciu výkonu a zaisťuje bezpečnú prevádzku a dlhú životnosť ťažného stroja. Tento dokument skúma nielen výpočet krútiaceho momentu na utesnenie hviezdy a demagnetizáciu v synchrónnych trakčných strojoch s permanentným magnetom, ale tiež výrazne podporuje zlepšenie bezpečnosti výťahu a optimalizáciu výkonu. Tešíme sa na pokrok v technologickom pokroku a inovatívne objavy v tejto oblasti prostredníctvom interdisciplinárnej spolupráce a výmeny. Vyzývame tiež viac výskumníkov a odborníkov, aby sa zamerali na túto oblasť a prispeli múdrosťou a úsilím k zvýšeniu výkonu synchrónnych trakčných strojov s permanentnými magnetmi a zabezpečili bezpečnú prevádzku výťahov.