Дослідження розрахунку та застосування зіркоподібного ущільнення синхронних тягових машин з постійними магнітами

Фон

Синхронні двигуни з постійними магнітами (PMSM) широко використовуються в сучасній промисловості та повсякденному житті завдяки їхнім перевагам у високій ефективності, енергозбереженні та надійності, що робить їх кращим енергетичним обладнанням у багатьох галузях. Синхронні тягові машини з постійним магнітом завдяки вдосконаленим технологіям керування не тільки забезпечують плавний рух підйому, але й забезпечують точне позиціонування та безпечний захист кабіни ліфта. Завдяки своїм чудовим характеристикам вони стали ключовими компонентами багатьох ліфтових систем. Проте з безперервним розвитком ліфтових технологій зростають вимоги до продуктивності синхронних тягових машин з постійними магнітами, особливо застосування технології «зіркоподібного ущільнення», яка стала гарячою точкою досліджень.

Проблеми та значення дослідження

Традиційна оцінка крутного моменту ущільнення зірки в синхронних тягових машинах з постійним магнітом базується на теоретичних розрахунках і отриманні даних вимірювань, які важко пояснити ультраперехідні процеси ущільнення зірки та нелінійність електромагнітних полів, що призводить до низької ефективності та точності. Миттєвий великий струм під час зварювання зіркою створює ризик необоротного розмагнічування постійних магнітів, який також важко оцінити. З розробкою програмного забезпечення аналізу кінцевих елементів (FEA) ці проблеми були вирішені. В даний час теоретичні розрахунки більше використовуються для керівництва проектуванням, а їх поєднання з аналізом програмного забезпечення дозволяє швидше і точніше аналізувати крутний момент ущільнення зірки. У цьому документі береться синхронна тягова машина з постійним магнітом як приклад для проведення кінцево-елементного аналізу її робочих умов із ущільненням зірки. Ці дослідження не тільки допомагають збагатити теоретичну систему синхронних тягових машин з постійними магнітами, але й забезпечують сильну підтримку для покращення безпеки ліфта та оптимізації продуктивності.

Застосування аналізу кінцевих елементів у розрахунках герметизації

Для перевірки точності результатів моделювання була обрана тягова машина з наявними даними випробувань з номінальною частотою обертання 159 об/хв. Виміряні стаціонарні крутний момент ущільнення зірки та струм обмотки при різних швидкостях є такими. Крутний момент зірочки досягає максимуму при 12 об/хв.

Рисунок 1: Виміряні дані Star-Sealing

Далі було виконано кінцево-елементний аналіз цієї тягової машини за допомогою програмного забезпечення Maxwell. Спочатку було створено геометричну модель тягової машини, задано відповідні властивості матеріалу та граничні умови. Потім шляхом вирішення рівнянь електромагнітного поля були отримані криві струму в часовій області, криві крутного моменту та стани розмагнічування постійних магнітів у різні моменти часу. Узгодженість між результатами моделювання та виміряними даними було перевірено.

Встановлення скінченно-елементної моделі тягової машини є основоположним для електромагнітного аналізу і тут не розглядатиметься. Підкреслюється, що параметри матеріалу двигуна повинні відповідати фактичному використанню; враховуючи подальший аналіз розмагнічування постійних магнітів, для постійних магнітів необхідно використовувати нелінійні криві B-H. Ця стаття присвячена тому, як реалізувати ущільнення зірок і моделювання розмагнічування тягової машини в Maxwell. Ущільнення зіркою в програмному забезпеченні реалізовано через зовнішню схему, конкретна конфігурація якої показана на малюнку нижче. Трифазні обмотки статора тягової машини в схемі позначені як LPhaseA/B/C. Для імітації раптового короткого замикання зіркою трифазних обмоток паралельний модуль (що складається з джерела струму та перемикача, керованого струмом) з’єднується послідовно з кожним контуром фазної обмотки. Спочатку вимикач, керований струмом, розімкнутий, а джерело трифазного струму подає живлення на обмотки. У встановлений час перемикач, керований струмом, замикається, замикаючи джерело трифазного струму та замикаючи трифазні обмотки, переходячи в стан короткого замикання зіркою.

Малюнок 2: Схема зіркоподібного ущільнення

Виміряний максимальний момент ущільнення зірочки тягової машини відповідає швидкості 12 об/хв. Під час моделювання швидкості були параметризовані як 10 об/хв, 12 об/хв та 14 об/хв для узгодження з виміряною швидкістю. Щодо часу зупинки моделювання, враховуючи, що струми обмотки стабілізуються швидше на нижчих швидкостях, було встановлено лише 2–3 електричні цикли. З кривих результатів у часовій області можна судити про те, що розрахований крутний момент ущільнення та струм обмотки стабілізувалися. Моделювання показало, що стабільний крутний момент ущільнення зірки при 12 об/хв був найбільшим і становив 5885,3 Нм, що було на 5,6% нижче виміряного значення. Виміряний струм обмотки становив 265,8 А, а змодельований струм становив 251,8 А, причому значення моделювання також було на 5,6% нижче виміряного значення, що відповідає вимогам проектної точності.

Малюнок 3: Піковий крутний момент зіркоущільнення та струм обмотки

Тягові машини є критично важливим для безпеки спеціальним обладнанням, а розмагнічування постійних магнітів є одним із ключових факторів, що впливають на їх продуктивність і надійність. Необоротне розмагнічування понад норми не допускається. У цій статті програмне забезпечення Ansys Maxwell використовується для моделювання характеристик розмагнічування постійних магнітів під дією зворотних магнітних полів, індукованих струмами короткого замикання в стані герметизації. З огляду на тенденцію струму обмотки, пік струму перевищує 1000 А в момент запечатування зірки та стабілізується після 6 електричних циклів. Швидкість розмагнічування в програмному забезпеченні Maxwell представляє відношення залишкового магнетизму постійних магнітів після впливу розмагнічувального поля до їх початкового залишкового магнетизму; значення 1 означає відсутність розмагнічування, а 0 означає повне розмагнічування. З кривих розмагнічування та контурних карт швидкість розмагнічування постійного магніту дорівнює 1, при цьому розмагнічування не спостерігається, що підтверджує, що змодельована тягова машина відповідає вимогам надійності.

Малюнок 4: Крива струму обмотки в часовій області при герметизації зіркою при номінальній швидкості

Рисунок 5: Крива швидкості розмагнічування та контурна карта розмагнічування постійних магнітів

Поглиблення та перспективи

За допомогою моделювання та вимірювання можна ефективно контролювати крутний момент зіркоподібного ущільнення тягової машини та ризик розмагнічування постійного магніту, забезпечуючи надійну підтримку для оптимізації продуктивності та забезпечуючи безпечну роботу та довговічність тягової машини. У цьому документі не тільки досліджується розрахунок крутного моменту зіркоподібного ущільнення та розмагнічування в синхронних тягових машинах з постійним магнітом, але й наполегливо сприяє підвищенню безпеки ліфта та оптимізації продуктивності. Ми з нетерпінням чекаємо просування технологічного прогресу та інноваційних проривів у цій галузі через міждисциплінарну співпрацю та обміни. Ми також закликаємо більше дослідників і практиків зосередитися на цій галузі, сприяючи мудрості та зусиллям для підвищення продуктивності синхронних тягових машин із постійними магнітами та забезпечення безпечної роботи ліфтів.