Forskning om stjärntätningsberäkning och tillämpning av synkrona dragmaskiner med permanentmagnet

Bakgrund

Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) används ofta i modern industri och dagligt liv på grund av deras fördelar med hög effektivitet, energibesparing och tillförlitlighet, vilket gör dem till den föredragna kraftutrustningen inom många områden. Permanentmagnet synkrona dragmaskiner, genom avancerad kontrollteknik, ger inte bara mjuka lyftrörelser utan uppnår också exakt positionering och säkerhetsskydd av hisskorgen. Med sin utmärkta prestanda har de blivit nyckelkomponenter i många hisssystem. Men med den kontinuerliga utvecklingen av hissteknik ökar prestandakraven för synkrona dragmaskiner med permanentmagneter, särskilt tillämpningen av "stjärnförseglingsteknik", som har blivit en forskningshotspot.

Forskningsfrågor och betydelse

Traditionell utvärdering av stjärnförseglingsmoment i synkrona dragmaskiner med permanentmagnet bygger på teoretiska beräkningar och härledning från uppmätta data, som kämpar för att redogöra för de ultratransienta processerna för stjärnförsegling och olinjäriteten hos elektromagnetiska fält, vilket resulterar i låg effektivitet och noggrannhet. Den momentana stora strömmen vid stjärnförsegling medför en risk för irreversibel avmagnetisering av permanentmagneter, vilket också är svårt att utvärdera. Med utvecklingen av mjukvara för finita elementanalys (FEA) har dessa problem åtgärdats. För närvarande används teoretiska beräkningar mer för att vägleda design, och att kombinera dem med mjukvaruanalys möjliggör snabbare och mer exakt analys av stjärntätningsmoment. Denna uppsats tar en permanent magnet synkron traktionsmaskin som ett exempel för att utföra finita elementanalys av dess stjärnförseglingsdriftsförhållanden. Dessa studier bidrar inte bara till att berika det teoretiska systemet för synkrona dragmaskiner med permanentmagnet utan ger också ett starkt stöd för att förbättra hisssäkerhetsprestanda och optimera prestanda.

Tillämpning av finita elementanalys i stjärnförseglingsberäkningar

För att verifiera simuleringsresultatens noggrannhet valdes en dragmaskin med befintliga testdata, med en nominell hastighet på 159 rpm. Det uppmätta stabila stjärntätningsmomentet och lindningsströmmen vid olika hastigheter är som följer. Stjärntätningsmomentet når sitt maximum vid 12 rpm.

Figur 1: Uppmätta data för stjärnförsegling

Därefter utfördes finita elementanalys av denna dragmaskin med hjälp av Maxwell-mjukvara. Först fastställdes den geometriska modellen av dragmaskinen, och motsvarande materialegenskaper och randvillkor fastställdes. Sedan, genom att lösa elektromagnetiska fältekvationer, erhölls tidsdomänens strömkurvor, vridmomentkurvor och avmagnetiseringstillstånd för permanentmagneter vid olika tidpunkter. Överensstämmelsen mellan simuleringsresultat och uppmätta data verifierades.

Upprättandet av dragmaskinens finita elementmodell är grundläggande för elektromagnetisk analys och kommer inte att utvecklas här. Det betonas att motorns materialinställningar måste överensstämma med den faktiska användningen; med tanke på efterföljande avmagnetiseringsanalys av permanentmagneter måste ickelinjära B-H-kurvor användas för permanentmagneter. Denna artikel fokuserar på hur man implementerar stjärnförsegling och avmagnetiseringssimulering av dragmaskinen i Maxwell. Stjärntätning i programvaran realiseras genom en extern krets, med den specifika kretskonfigurationen som visas i figuren nedan. De trefasiga statorlindningarna i traktionsmaskinen betecknas som LPhaseA/B/C i kretsen. För att simulera plötslig kortslutningsstjärntätning av trefaslindningarna kopplas en parallellmodul (bestående av en strömkälla och en strömstyrd strömbrytare) i serie med varje faslindningskrets. Inledningsvis är den strömstyrda omkopplaren öppen, och trefasströmkällan levererar ström till lindningarna. Vid en inställd tidpunkt stänger den strömstyrda omkopplaren, kortsluter den trefasiga strömkällan och kortsluter trefaslindningarna och går in i kortslutningsstjärntätningstillståndet.

Figur 2: Design av stjärntätande krets

Det uppmätta maximala stjärntätningsmomentet för dragmaskinen motsvarar ett varvtal på 12 rpm. Under simuleringen parametriserades hastigheterna som 10 rpm, 12 rpm och 14 rpm för att anpassas till den uppmätta hastigheten. När det gäller simuleringens stopptid, med tanke på att lindningsströmmar stabiliseras snabbare vid lägre hastigheter, sattes endast 2–3 elektriska cykler in. Från tidsdomänkurvorna för resultat kan det bedömas att det beräknade stjärntätningsmomentet och lindningsströmmen har stabiliserats. Simuleringen visade att steady-state stjärntätningsmomentet vid 12 rpm var störst, vid 5885,3 Nm, vilket var 5,6 % lägre än det uppmätta värdet. Den uppmätta lindningsströmmen var 265,8 A och den simulerade strömmen var 251,8 A, med simuleringsvärdet också 5,6 % lägre än det uppmätta värdet, vilket uppfyller kraven på designnoggrannhet.

Figur 3: Maximalt stjärntätningsmoment och lindningsström

Dragmaskiner är säkerhetskritisk specialutrustning, och permanent magnetavmagnetisering är en av nyckelfaktorerna som påverkar deras prestanda och tillförlitlighet. Irreversibel avmagnetisering som överskrider standarder är inte tillåten. I denna artikel används Ansys Maxwell-programvaran för att simulera avmagnetiseringsegenskaperna hos permanentmagneter under omvända magnetfält inducerade av kortslutningsströmmar i stjärnförseglingstillståndet. Från lindningsströmtrenden överstiger strömtoppen 1000 A vid stjärnförslutningsögonblicket och stabiliseras efter 6 elektriska cykler. Avmagnetiseringshastigheten i Maxwells mjukvara representerar förhållandet mellan kvarvarande magnetism hos permanentmagneter efter exponering för ett avmagnetiseringsfält och deras ursprungliga restmagnetism; ett värde på 1 indikerar ingen avmagnetisering och 0 indikerar fullständig avmagnetisering. Från avmagnetiseringskurvorna och konturkartorna är den permanentmagnetiska avmagnetiseringshastigheten 1, utan någon avmagnetisering observerad, vilket bekräftar att den simulerade dragmaskinen uppfyller tillförlitlighetskraven.

Figur 4: Tidsdomänkurva för lindningsström under stjärnförsegling vid nominell hastighet

Figur 5: Avmagnetiseringshastighetskurva och avmagnetiseringskonturkarta över permanenta magneter

Fördjupning och Outlook

Genom både simulering och mätning kan dragmaskinens stjärntätande vridmoment och risken för permanentmagnetisk avmagnetisering effektivt kontrolleras, vilket ger ett starkt stöd för prestandaoptimering och säkerställer säker drift och livslängd för dragmaskinen. Denna artikel utforskar inte bara beräkningen av stjärntätningsmoment och avmagnetisering i synkrona dragmaskiner med permanentmagnet utan främjar också starkt förbättringen av hisssäkerhet och prestandaoptimering. Vi ser fram emot att främja tekniska framsteg och innovativa genombrott inom detta område genom tvärvetenskapligt samarbete och utbyten. Vi uppmanar också fler forskare och praktiker att fokusera på detta område och bidra med visdom och ansträngningar för att förbättra prestandan hos synkrona dragmaskiner med permanentmagnet och säkerställa säker drift av hissar.