Onderzoek naar de berekening van sterafdichtingen en de toepassing van synchrone tractiemachines met permanente magneten

Achtergrond

Synchrone motoren met permanente magneten (PMSM's) worden veel gebruikt in de moderne industrie en het dagelijks leven vanwege hun voordelen op het gebied van hoge efficiëntie, energiebesparing en betrouwbaarheid, waardoor ze op tal van terreinen de voorkeur genieten. Synchrone tractiemachines met permanente magneet zorgen, door middel van geavanceerde besturingstechnologieën, niet alleen voor een soepele hefbeweging, maar zorgen ook voor een nauwkeurige positionering en veiligheidsbescherming van de liftkooi. Dankzij hun uitstekende prestaties zijn ze belangrijke componenten geworden in veel liftsystemen. Met de voortdurende ontwikkeling van lifttechnologie nemen de prestatie-eisen voor synchrone tractiemachines met permanente magneet echter toe, vooral de toepassing van "star-sealing" -technologie, die een onderzoekshotspot is geworden.

Onderzoeksvraagstukken en betekenis

Traditionele evaluatie van het sterafdichtingskoppel in synchrone tractiemachines met permanente magneten is gebaseerd op theoretische berekeningen en afleiding van gemeten gegevens, die moeite hebben om rekening te houden met de ultratransiënte processen van sterafdichting en de niet-lineariteit van elektromagnetische velden, wat resulteert in een lage efficiëntie en nauwkeurigheid. De onmiddellijke grote stroom tijdens het afdichten van sterren vormt een risico op onomkeerbare demagnetisatie van permanente magneten, wat ook moeilijk in te schatten is. Met de ontwikkeling van software voor eindige-elementenanalyse (FEA) zijn deze problemen aangepakt. Momenteel worden theoretische berekeningen meer gebruikt om het ontwerp te begeleiden, en de combinatie ervan met softwareanalyse maakt een snellere en nauwkeurigere analyse van het sterafdichtingskoppel mogelijk. Dit artikel neemt een synchrone tractiemachine met permanente magneet als voorbeeld om eindige-elementenanalyse uit te voeren van de sterafdichtingsbedrijfsomstandigheden. Deze onderzoeken helpen niet alleen het theoretische systeem van synchrone tractiemachines met permanente magneet te verrijken, maar bieden ook krachtige ondersteuning voor het verbeteren van de veiligheidsprestaties van liften en het optimaliseren van de prestaties.

Toepassing van eindige-elementenanalyse in sterafdichtingsberekeningen

Om de nauwkeurigheid van de simulatieresultaten te verifiëren, werd een tractiemachine met bestaande testgegevens geselecteerd, met een nominaal toerental van 159 tpm. Het gemeten stabiele sterafdichtingskoppel en de wikkelstroom bij verschillende snelheden zijn als volgt. Het sterafdichtingskoppel bereikt zijn maximum bij 12 tpm.

Figuur 1: Gemeten gegevens van Star-Sealing

Vervolgens werd een eindige-elementenanalyse van deze tractiemachine uitgevoerd met behulp van Maxwell-software. Eerst werd het geometrische model van de tractiemachine opgesteld en werden de bijbehorende materiaaleigenschappen en randvoorwaarden vastgelegd. Vervolgens werden door het oplossen van elektromagnetische veldvergelijkingen de stroomcurven in het tijddomein, de koppelcurven en de demagnetisatietoestanden van permanente magneten op verschillende tijdstippen verkregen. De consistentie tussen simulatieresultaten en gemeten gegevens werd geverifieerd.

Het opstellen van het eindige elementenmodel van de tractiemachine is van fundamenteel belang voor de elektromagnetische analyse en zal hier niet verder worden uitgewerkt. Er wordt benadrukt dat de materiaalinstellingen van de motor moeten overeenkomen met het daadwerkelijke gebruik; Gezien de daaropvolgende demagnetisatieanalyse van permanente magneten, moeten niet-lineaire BH-curven worden gebruikt voor permanente magneten. Dit artikel richt zich op de implementatie van sterafdichtings- en demagnetisatiesimulatie van de tractiemachine in Maxwell. Star-sealing in de software wordt gerealiseerd via een extern circuit, waarbij de specifieke circuitconfiguratie wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding. De driefasige statorwikkelingen van de tractiemachine worden in het circuit aangeduid als LPhaseA/B/C. Om plotselinge kortsluiting van de driefasige wikkelingen te simuleren, wordt een parallelle module (bestaande uit een stroombron en een stroomgestuurde schakelaar) in serie geschakeld met elk fasewikkelcircuit. Aanvankelijk is de stroomgestuurde schakelaar open en levert de driefasige stroombron stroom aan de wikkelingen. Op een ingesteld tijdstip sluit de stroomgestuurde schakelaar, waardoor de driefasige stroombron wordt kortgesloten en de driefasige wikkelingen worden kortgesloten, waardoor de sterafdichtingsstatus met kortsluiting wordt bereikt.

Figuur 2: Ontwerp van sterafdichtingscircuits

Het gemeten maximale sterafdichtingskoppel van de tractiemachine komt overeen met een toerental van 12 tpm. Tijdens de simulatie werden de snelheden geparametriseerd als 10 rpm, 12 rpm en 14 rpm om in lijn te komen met de gemeten snelheid. Wat betreft de stoptijd van de simulatie, aangezien wikkelstromen sneller stabiliseren bij lagere snelheden, werden slechts 2 à 3 elektrische cycli ingesteld. Uit de tijdsdomeincurven van de resultaten kan worden geconcludeerd dat het berekende sterafdichtingskoppel en de wikkelstroom zijn gestabiliseerd. Uit de simulatie bleek dat het steady-state sterafdichtingskoppel bij 12 tpm het grootst was, namelijk 5885,3 Nm, wat 5,6% lager was dan de gemeten waarde. De gemeten wikkelstroom was 265,8 A en de gesimuleerde stroom was 251,8 A, waarbij de simulatiewaarde ook 5,6% lager was dan de gemeten waarde, wat voldoet aan de ontwerpnauwkeurigheidseisen.

Figuur 3: Piek-sterafdichtingskoppel en wikkelstroom

Tractiemachines zijn veiligheidskritische speciale apparatuur, en demagnetisatie van permanente magneten is een van de belangrijkste factoren die hun prestaties en betrouwbaarheid beïnvloeden. Onomkeerbare demagnetisatie die de normen overschrijdt, is niet toegestaan. In dit artikel wordt Ansys Maxwell-software gebruikt om de demagnetisatie-eigenschappen van permanente magneten te simuleren onder omgekeerde magnetische velden die worden geïnduceerd door kortsluitstromen in de sterafdichtingstoestand. Vanuit de wikkelstroomtrend overschrijdt de stroompiek 1000 A op het moment van sterafdichting en stabiliseert zich na 6 elektrische cycli. De demagnetisatiesnelheid in Maxwell-software vertegenwoordigt de verhouding tussen het restmagnetisme van permanente magneten na blootstelling aan een demagnetiserend veld en hun oorspronkelijke restmagnetisme; een waarde van 1 duidt op geen demagnetisatie, en 0 duidt op volledige demagnetisatie. Uit de demagnetisatiecurven en contourkaarten blijkt dat de demagnetisatiesnelheid van de permanente magneet 1 is, waarbij geen demagnetisatie wordt waargenomen, wat bevestigt dat de gesimuleerde tractiemachine voldoet aan de betrouwbaarheidseisen.

Figuur 4: Tijddomeincurve van wikkelstroom onder sterafdichting bij nominale snelheid

Figuur 5: Demagnetisatiesnelheidscurve en demagnetisatiecontourkaart van permanente magneten

Verdieping en vooruitzicht

Door zowel simulatie als meting kunnen het sterafdichtingskoppel van de tractiemachine en het risico op demagnetisatie van de permanente magneet effectief worden beheerst, wat een sterke ondersteuning biedt voor prestatie-optimalisatie en een veilige werking en een lange levensduur van de tractiemachine garandeert. Dit artikel onderzoekt niet alleen de berekening van het sterafdichtingskoppel en demagnetisatie in synchrone tractiemachines met permanente magneten, maar promoot ook sterk de verbetering van de liftveiligheid en prestatie-optimalisatie. We kijken uit naar het bevorderen van de technologische vooruitgang en innovatieve doorbraken op dit gebied door middel van interdisciplinaire samenwerking en uitwisselingen. We roepen ook meer onderzoekers en praktijkmensen op om zich op dit gebied te concentreren en wijsheid en inspanningen bij te dragen aan het verbeteren van de prestaties van synchrone tractiemachines met permanente magneet en het garanderen van de veilige werking van liften.