Исследования по расчету звездообразного уплотнения и применению синхронных тяговых машин с постоянными магнитами

Фон

Синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) широко используются в современной промышленности и повседневной жизни благодаря своим преимуществам в виде высокой эффективности, энергосбережения и надежности, что делает их предпочтительным силовым оборудованием во многих областях. Синхронные тяговые машины с постоянными магнитами благодаря передовым технологиям управления не только обеспечивают плавное подъемное движение, но также обеспечивают точное позиционирование и безопасную защиту кабины лифта. Благодаря своим превосходным характеристикам они стали ключевыми компонентами многих лифтовых систем. Однако с непрерывным развитием лифтовой техники требования к производительности синхронных тяговых машин с постоянными магнитами растут, особенно в отношении применения технологии «звездного уплотнения», которая стала горячей точкой исследований.

Проблемы и значение исследования

Традиционная оценка крутящего момента уплотнения звезды в синхронных тяговых машинах с постоянными магнитами основана на теоретических расчетах и ​​выводах из измеренных данных, которые с трудом могут объяснить сверхпереходные процессы уплотнения звезды и нелинейность электромагнитных полей, что приводит к низкой эффективности и точности. Мгновенный большой ток при запаивании звезды создает риск необратимого размагничивания постоянных магнитов, который также трудно оценить. С разработкой программного обеспечения для анализа методом конечных элементов (FEA) эти проблемы были решены. В настоящее время при проектировании больше используются теоретические расчеты, а сочетание их с программным анализом позволяет быстрее и точнее анализировать крутящий момент уплотнения звезды. В данной статье в качестве примера используется синхронная тяговая машина с постоянными магнитами для проведения конечно-элементного анализа ее условий эксплуатации с уплотнением звезды. Эти исследования не только помогают обогатить теоретическую систему синхронных тяговых машин с постоянными магнитами, но также обеспечивают надежную поддержку для повышения безопасности лифтов и оптимизации производительности.

Применение анализа методом конечных элементов в расчетах уплотнения звезд

Для проверки точности результатов моделирования была выбрана тяговая машина с имеющимися данными испытаний, с номинальной частотой вращения 159 об/мин. Измеренные установившийся момент запечатывания звезды и ток обмотки на различных скоростях приведены ниже. Крутящий момент уплотнения звезды достигает максимума при 12 об/мин.

Рисунок 1: Измеренные данные звездообразного уплотнения

Затем с использованием программного обеспечения Maxwell был выполнен анализ методом конечных элементов этой тяговой машины. Сначала была создана геометрическая модель тяговой машины, заданы соответствующие свойства материала и граничные условия. Затем путем решения уравнений электромагнитного поля были получены временные кривые тока, кривые крутящего момента и состояния размагничивания постоянных магнитов в разное время. Была проверена согласованность результатов моделирования и измеренных данных.

Создание конечно-элементной модели тяговой машины имеет фундаментальное значение для электромагнитного анализа и здесь не будет подробно рассматриваться. Подчеркивается, что настройки материала двигателя должны соответствовать фактическому использованию; Учитывая последующий анализ размагничивания постоянных магнитов, для постоянных магнитов необходимо использовать нелинейные кривые BH. В этой статье основное внимание уделяется тому, как реализовать моделирование запечатывания звезды и размагничивания тяговой машины в Maxwell. Уплотнение звездой в программном обеспечении реализуется через внешнюю цепь, конкретная конфигурация которой показана на рисунке ниже. Трехфазные обмотки статора тяговой машины обозначены на схеме как LPhaseA/B/C. Для имитации внезапного замыкания звездой короткого замыкания трехфазных обмоток параллельный модуль (состоящий из источника тока и управляемого током переключателя) подключается последовательно с цепью каждой фазной обмотки. Первоначально управляемый током ключ разомкнут, и источник трехфазного тока подает питание на обмотки. В заданное время управляемый током переключатель замыкается, закорачивая источник трехфазного тока и закорачивая трехфазные обмотки, переходя в состояние запаивания звезды короткого замыкания.

Рисунок 2. Конструкция схемы со звездообразным уплотнением

Измеренный максимальный крутящий момент звездочки тяговой машины соответствует частоте вращения 12 об/мин. Во время моделирования скорости были параметризованы как 10 об/мин, 12 об/мин и 14 об/мин, чтобы соответствовать измеренной скорости. Что касается времени остановки моделирования, учитывая, что токи обмотки стабилизируются быстрее на меньших скоростях, было установлено всего 2–3 электрических цикла. По кривым результатов во временной области можно судить, что расчетный момент запечатывания звезды и ток обмотки стабилизировались. Моделирование показало, что установившийся крутящий момент уплотнения звезды при 12 об/мин был наибольшим — 5885,3 Нм, что на 5,6% ниже измеренного значения. Измеренный ток обмотки составил 265,8 А, а смоделированный ток — 251,8 А, при этом значение моделирования также на 5,6% ниже измеренного значения, что соответствует требованиям расчетной точности.

Рисунок 3. Пиковый момент запечатывания звезды и ток обмотки

Тяговые машины являются критически важным для безопасности специальным оборудованием, и размагничивание постоянными магнитами является одним из ключевых факторов, влияющих на их производительность и надежность. Необратимое размагничивание, превышающее нормы, не допускается. В этой статье программное обеспечение Ansys Maxwell используется для моделирования характеристик размагничивания постоянных магнитов в обратных магнитных полях, индуцированных токами короткого замыкания в состоянии звездообразного запаивания. Судя по динамике тока обмотки, пик тока превышает 1000 А в момент запаивания звезды и стабилизируется после 6 электрических циклов. Скорость размагничивания в программном обеспечении Maxwell представляет собой отношение остаточного магнетизма постоянных магнитов после воздействия размагничивающего поля к их первоначальному остаточному магнетизму; значение 1 указывает на отсутствие размагничивания, а 0 указывает на полное размагничивание. По кривым размагничивания и контурным картам степень размагничивания постоянного магнита равна 1, при этом размагничивания не наблюдается, что подтверждает соответствие моделируемой тяговой машины требованиям надежности.

Рис. 4. Кривая тока обмотки во временной области при уплотнении звездой на номинальной скорости.

Рисунок 5: Кривая скорости размагничивания и контурная карта размагничивания постоянных магнитов.

Углубление и перспективы

С помощью моделирования и измерений можно эффективно контролировать крутящий момент уплотнения звезды тяговой машины и риск размагничивания постоянных магнитов, обеспечивая надежную поддержку оптимизации производительности и гарантируя безопасную работу и долговечность тяговой машины. В этой статье не только исследуются расчеты крутящего момента уплотнения звезды и размагничивания в синхронных тяговых машинах с постоянными магнитами, но также активно продвигается повышение безопасности лифта и оптимизация производительности. Мы надеемся на продвижение технологического прогресса и инновационных прорывов в этой области посредством междисциплинарного сотрудничества и обменов. Мы также призываем больше исследователей и практиков сосредоточиться на этой области, внося мудрость и усилия по повышению производительности синхронных тяговых машин с постоянными магнитами и обеспечению безопасной эксплуатации лифтов.