Výzkum výpočtu hvězdicového těsnění a aplikace synchronních trakčních strojů s permanentními magnety

Pozadí

Synchronní motory s permanentními magnety (PMSM) jsou široce používány v moderním průmyslu a každodenním životě díky jejich výhodám vysoké účinnosti, úspory energie a spolehlivosti, což z nich dělá preferované energetické zařízení v mnoha oblastech. Synchronní trakční stroje s permanentními magnety prostřednictvím pokročilých řídicích technologií zajišťují nejen hladký zdvihový pohyb, ale také dosahují přesného polohování a bezpečnostní ochrany kabiny výtahu. Díky svému vynikajícímu výkonu se staly klíčovými součástmi mnoha výtahových systémů. S neustálým vývojem výtahové techniky se však zvyšují požadavky na výkon synchronních trakčních strojů s permanentními magnety, zejména aplikace technologie „star-sealing“, která se stala ohniskem výzkumu.

Výzkumné problémy a význam

Tradiční vyhodnocení hvězdicového utěsněného momentu u synchronních trakčních strojů s permanentními magnety se opírá o teoretické výpočty a odvození z naměřených dat, které se snaží zohlednit ultra-přechodné procesy hvězdicového utěsnění a nelinearitu elektromagnetických polí, což má za následek nízkou účinnost a přesnost. Okamžitý velký proud při hvězdicovém zaplombování představuje riziko nevratné demagnetizace permanentních magnetů, což je rovněž obtížné vyhodnotit. S vývojem softwaru pro analýzu konečných prvků (FEA) byly tyto problémy vyřešeny. V současné době jsou teoretické výpočty více používány jako vodítko pro návrh a jejich kombinace se softwarovou analýzou umožňuje rychlejší a přesnější analýzu hvězdicového těsnícího momentu. Tento článek používá synchronní trakční stroj s permanentními magnety jako příklad k provedení analýzy konečných prvků jeho provozních podmínek hvězdicového těsnění. Tyto studie nejen pomáhají obohatit teoretický systém synchronních trakčních strojů s permanentními magnety, ale také poskytují silnou podporu pro zlepšení bezpečnosti výtahů a optimalizaci výkonu.

Aplikace analýzy konečných prvků ve výpočtech hvězdicového těsnění

Pro ověření přesnosti výsledků simulace byl vybrán trakční stroj s existujícími zkušebními daty s jmenovitými otáčkami 159 ot./min. Naměřený hvězdicový těsnící moment v ustáleném stavu a proud vinutím při různých rychlostech jsou následující. Točivý moment hvězdicového těsnění dosahuje maxima při 12 otáčkách za minutu.

Obrázek 1: Naměřená data Star-Sealing

Dále byla provedena analýza metodou konečných prvků tohoto trakčního stroje pomocí softwaru Maxwell. Nejprve byl vytvořen geometrický model trakčního stroje a nastaveny odpovídající materiálové vlastnosti a okrajové podmínky. Poté, řešením rovnic elektromagnetického pole, byly získány proudové křivky v časové oblasti, křivky točivého momentu a demagnetizační stavy permanentních magnetů v různých časech. Byla ověřena konzistence mezi výsledky simulace a naměřenými daty.

Vytvoření modelu konečných prvků trakčního stroje je základem elektromagnetické analýzy a nebude zde rozvedeno. Je zdůrazněno, že materiálové nastavení motoru musí odpovídat skutečnému použití; s ohledem na následnou demagnetizační analýzu permanentních magnetů je nutné pro permanentní magnety použít nelineární B-H křivky. Tento článek se zaměřuje na to, jak implementovat simulaci hvězdicového těsnění a demagnetizace trakčního stroje v Maxwellu. Hvězdicové těsnění v softwaru je realizováno prostřednictvím externího obvodu, přičemž konkrétní konfigurace obvodu je znázorněna na obrázku níže. Třífázová statorová vinutí trakčního stroje jsou v obvodu označena jako LPhaseA/B/C. Pro simulaci náhlého zkratového hvězdicového utěsnění třífázových vinutí je paralelní modul (složený ze zdroje proudu a proudově řízeného spínače) zapojen do série s každým obvodem fázového vinutí. Zpočátku je proudově řízený spínač otevřený a třífázový zdroj proudu dodává energii do vinutí. V nastavený čas se sepne proudově řízený spínač, zkratuje zdroj třífázového proudu a zkratuje trojfázová vinutí, čímž přejde do stavu zkratové hvězdice.

Obrázek 2: Konstrukce hvězdicového těsnícího obvodu

Naměřený maximální hvězdicový kroutící moment tažného stroje odpovídá otáčkám 12 ot./min. Během simulace byly rychlosti parametrizovány jako 10 ot./min., 12 ot./min. a 14 ot./min., aby byly v souladu s naměřenou rychlostí. Pokud jde o čas zastavení simulace, vzhledem k tomu, že proudy vinutí se stabilizují rychleji při nižších rychlostech, byly nastaveny pouze 2–3 elektrické cykly. Z křivek výsledků v časové oblasti lze soudit, že vypočtený hvězdicový těsnící moment a proud vinutí se stabilizovaly. Simulace ukázala, že točivý moment hvězdicového těsnění v ustáleném stavu při 12 otáčkách za minutu byl největší, a to 5885,3 Nm, což bylo o 5,6 % nižší než naměřená hodnota. Naměřený proud vinutím byl 265,8 A a simulovaný proud byl 251,8 A, přičemž hodnota simulace byla také o 5,6 % nižší než naměřená hodnota, což splnilo požadavky na přesnost návrhu.

Obrázek 3: Špičkový hvězdicový těsnící moment a vinutý proud

Trakční stroje jsou speciální zařízení kritické z hlediska bezpečnosti a demagnetizace permanentními magnety je jedním z klíčových faktorů ovlivňujících jejich výkon a spolehlivost. Nevratná demagnetizace přesahující normy není povolena. V tomto článku je software Ansys Maxwell použit k simulaci demagnetizačních charakteristik permanentních magnetů pod reverzními magnetickými poli indukovanými zkratovými proudy ve stavu utěsnění hvězdy. Z trendu proudu vinutí proudová špička přesahuje 1000 A v okamžiku hvězdicového těsnění a stabilizuje se po 6 elektrických cyklech. Míra demagnetizace v softwaru Maxwell představuje poměr zbytkového magnetismu permanentních magnetů po vystavení demagnetizačnímu poli k jejich původnímu zbytkovému magnetismu; hodnota 1 znamená žádnou demagnetizaci a 0 znamená úplnou demagnetizaci. Z demagnetizačních křivek a vrstevnicových map je míra demagnetizace permanentním magnetem 1, bez pozorování demagnetizace, což potvrzuje, že simulovaný trakční stroj splňuje požadavky na spolehlivost.

Obrázek 4: Křivka proudu vinutí v časové oblasti pod hvězdicovým těsněním při jmenovité rychlosti

Obrázek 5: Křivka rychlosti demagnetizace a obrysová mapa demagnetizace permanentních magnetů

Prohlubování a výhled

Prostřednictvím simulace i měření lze účinně řídit hvězdicový kroutící moment trakčního stroje a riziko demagnetizace permanentního magnetu, což poskytuje silnou podporu pro optimalizaci výkonu a zajišťuje bezpečný provoz a dlouhou životnost trakčního stroje. Tento dokument nejen zkoumá výpočet hvězdicového těsnícího momentu a demagnetizace u synchronních trakčních strojů s permanentními magnety, ale také silně podporuje zlepšení bezpečnosti výtahu a optimalizaci výkonu. Těšíme se na postupující technologický pokrok a inovativní objevy v této oblasti prostřednictvím mezioborové spolupráce a výměn. Vyzýváme také další výzkumníky a odborníky, aby se zaměřili na tuto oblast a přispěli moudrostí a úsilím ke zvýšení výkonu synchronních trakčních strojů s permanentními magnety a zajištění bezpečného provozu výtahů.