Badania nad obliczaniem uszczelnienia gwiazd i zastosowaniem synchronicznych maszyn trakcyjnych z magnesami trwałymi

Tło

Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMSM) są szeroko stosowane we współczesnym przemyśle i życiu codziennym ze względu na ich zalety, takie jak wysoka wydajność, oszczędność energii i niezawodność, co czyni je preferowanym sprzętem energetycznym w wielu dziedzinach. Synchroniczne maszyny trakcyjne z magnesami trwałymi, dzięki zaawansowanym technologiom sterowania, nie tylko zapewniają płynny ruch podnoszenia, ale także zapewniają precyzyjne pozycjonowanie i ochronę kabiny windy. Dzięki doskonałej wydajności stały się kluczowymi elementami wielu systemów wind. Jednakże wraz z ciągłym rozwojem technologii dźwigów rosną wymagania dotyczące wydajności maszyn trakcyjnych synchronicznych z magnesami trwałymi, zwłaszcza w przypadku zastosowania technologii „uszczelniania gwiazdowego”, która stała się gorącym punktem badawczym.

Zagadnienia badawcze i znaczenie

Tradycyjna ocena momentu uszczelniającego gwiazdę w maszynach trakcyjnych synchronicznych z magnesami trwałymi opiera się na obliczeniach teoretycznych i wyprowadzeniach z danych pomiarowych, które mają trudności z wyjaśnieniem ultraprzejściowych procesów uszczelniania gwiazd i nieliniowości pól elektromagnetycznych, co skutkuje niską wydajnością i dokładnością. Chwilowy duży prąd podczas zgrzewania gwiazd stwarza ryzyko nieodwracalnego rozmagnesowania magnesów trwałych, co również jest trudne do oszacowania. Problemy te rozwiązano wraz z rozwojem oprogramowania do analizy elementów skończonych (FEA). Obecnie obliczenia teoretyczne są częściej wykorzystywane do projektowania, a połączenie ich z analizą oprogramowania umożliwia szybszą i dokładniejszą analizę momentu obrotowego uszczelniającego gwiazdę. W artykule tym jako przykład przyjęto synchroniczną maszynę trakcyjną z magnesami trwałymi w celu przeprowadzenia analizy elementów skończonych jej warunków pracy z uszczelnieniem gwiazdy. Badania te nie tylko pomagają wzbogacić teoretyczny system synchronicznych maszyn trakcyjnych z magnesami trwałymi, ale także zapewniają silne wsparcie w poprawie bezpieczeństwa wind i optymalizacji wydajności.

Zastosowanie analizy elementów skończonych w obliczeniach uszczelnienia gwiazd

Do sprawdzenia poprawności wyników symulacji wybrano maszynę trakcyjną opartą na istniejących danych testowych, o prędkości znamionowej 159 obr/min. Zmierzony moment obrotowy uszczelnienia gwiazdy w stanie ustalonym i prąd uzwojenia przy różnych prędkościach są następujące. Moment uszczelniający gwiazdę osiąga maksimum przy 12 obr./min.

Rysunek 1: Zmierzone dane dotyczące uszczelnienia gwiazdowego

Następnie przeprowadzono analizę elementów skończonych tej maszyny trakcyjnej przy użyciu oprogramowania Maxwell. W pierwszej kolejności ustalono model geometryczny maszyny trakcyjnej oraz wyznaczono odpowiadające mu właściwości materiału i warunki brzegowe. Następnie, rozwiązując równania pola elektromagnetycznego, uzyskano krzywe prądu w dziedzinie czasu, krzywe momentu obrotowego i stany rozmagnesowania magnesów trwałych w różnych momentach czasu. Sprawdzono zgodność wyników symulacji z danymi zmierzonymi.

Utworzenie modelu elementów skończonych maszyny trakcyjnej ma fundamentalne znaczenie dla analizy elektromagnetycznej i nie będzie tutaj szczegółowo omawiane. Podkreśla się, że ustawienia materiałowe silnika muszą być zgodne z rzeczywistym użytkowaniem; biorąc pod uwagę późniejszą analizę rozmagnesowania magnesów trwałych, dla magnesów trwałych należy zastosować nieliniowe krzywe B-H. W artykule omówiono sposób realizacji symulacji zgrzewania gwiazdowego i rozmagnesowania maszyny trakcyjnej w Maxwell. Uszczelnienie gwiazdowe w oprogramowaniu realizowane jest poprzez obwód zewnętrzny, a specyficzna konfiguracja obwodu pokazana jest na poniższym rysunku. Trójfazowe uzwojenia stojana maszyny trakcyjnej są oznaczone w obwodzie jako LPhaseA/B/C. Aby zasymulować nagłe zwarcie w gwiazdę uzwojeń trójfazowych, moduł równoległy (składający się ze źródła prądu i przełącznika sterowanego prądem) jest połączony szeregowo z obwodem uzwojenia każdej fazy. Początkowo przełącznik sterowany prądem jest otwarty, a trójfazowe źródło prądu zasila uzwojenia. O ustalonej godzinie wyłącznik sterowany prądem zamyka się, zwierając trójfazowe źródło prądu i zwierając uzwojenia trójfazowe, przechodząc w stan zwarciowego zgrzewania gwiazdy.

Rysunek 2: Projekt obwodu z uszczelnieniem gwiazdowym

Zmierzony maksymalny moment uszczelniający gwiazdę maszyny trakcyjnej odpowiada prędkości obrotowej 12 obr./min. Podczas symulacji prędkości sparametryzowano jako 10 obr./min, 12 obr./min i 14 obr./min, aby dopasować je do zmierzonej prędkości. Jeśli chodzi o czas zatrzymania symulacji, biorąc pod uwagę, że prądy uzwojenia stabilizują się szybciej przy niższych prędkościach, ustalono jedynie 2–3 cykle elektryczne. Na podstawie krzywych wyników w dziedzinie czasu można ocenić, że obliczony moment uszczelniający gwiazdę i prąd uzwojenia ustabilizowały się. Symulacja wykazała, że ​​moment obrotowy uszczelnienia gwiazdy w stanie ustalonym przy 12 obr./min był największy i wyniósł 5885,3 Nm, czyli był o 5,6% niższy od wartości zmierzonej. Zmierzony prąd uzwojenia wyniósł 265,8 A, a prąd symulowany 251,8 A, przy wartości symulacji również o 5,6% niższej od wartości zmierzonej, co spełnia wymagania dokładności projektowej.

Rysunek 3: Szczytowy moment uszczelniający gwiazdę i prąd uzwojenia

Maszyny trakcyjne to sprzęt specjalny o krytycznym znaczeniu dla bezpieczeństwa, a rozmagnesowanie za pomocą magnesów trwałych jest jednym z kluczowych czynników wpływających na ich wydajność i niezawodność. Nieodwracalne rozmagnesowanie przekraczające normy jest niedopuszczalne. W artykule wykorzystano oprogramowanie Ansys Maxwell do symulacji charakterystyki rozmagnesowania magnesów trwałych w warunkach odwrotnego pola magnetycznego indukowanego przez prądy zwarciowe w stanie zapieczętowania gwiazdy. Z trendu prądu uzwojenia wynika, że ​​szczyt prądu przekracza 1000 A w momencie zgrzewania w gwiazdę i stabilizuje się po 6 cyklach elektrycznych. Szybkość rozmagnesowania w oprogramowaniu Maxwell reprezentuje stosunek magnetyzmu szczątkowego magnesów trwałych po wystawieniu na działanie pola rozmagnesowującego do ich pierwotnego magnetyzmu szczątkowego; wartość 1 oznacza brak rozmagnesowania, a 0 oznacza całkowite rozmagnesowanie. Z krzywych rozmagnesowania i map konturowych wynika, że ​​stopień rozmagnesowania magnesu trwałego wynosi 1, przy czym nie zaobserwowano rozmagnesowania, co potwierdza, że ​​symulowana maszyna trakcyjna spełnia wymagania niezawodnościowe.

Rysunek 4: Krzywa w dziedzinie czasu prądu uzwojenia przy uszczelnieniu gwiazdowym przy prędkości znamionowej

Rysunek 5: Krzywa szybkości rozmagnesowania i mapa konturów rozmagnesowania magnesów trwałych

Pogłębianie i perspektywy

Zarówno poprzez symulację, jak i pomiary można skutecznie kontrolować moment uszczelniający gwiazdę maszyny trakcyjnej oraz ryzyko rozmagnesowania magnesu trwałego, zapewniając silne wsparcie w optymalizacji wydajności oraz zapewniając bezpieczną pracę i trwałość maszyny trakcyjnej. W artykule tym nie tylko zbadano obliczenia momentu obrotowego zgrzewania gwiazdy i rozmagnesowania w maszynach trakcyjnych synchronicznych z magnesami trwałymi, ale także zdecydowanie promowano poprawę bezpieczeństwa wind i optymalizację wydajności. Z niecierpliwością czekamy na postęp technologiczny i innowacyjne przełomy w tej dziedzinie poprzez interdyscyplinarną współpracę i wymianę. Wzywamy również większą liczbę badaczy i praktyków do skupienia się na tej dziedzinie, wnoszenia wiedzy i wysiłków na rzecz poprawy wydajności maszyn trakcyjnych synchronicznych z magnesami trwałymi i zapewnienia bezpiecznej eksploatacji wind.