Έρευνα για τον Υπολογισμό και την Εφαρμογή Μηχανών Σύγχρονης Έλξης Μόνιμου Μαγνήτη

Φόντο

Οι Σύγχρονοι Κινητήρες Μόνιμου Μαγνήτη (PMSM) χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη βιομηχανία και την καθημερινή ζωή λόγω των πλεονεκτημάτων τους στην υψηλή απόδοση, την εξοικονόμηση ενέργειας και την αξιοπιστία, καθιστώντας τους τον προτιμώμενο εξοπλισμό ισχύος σε πολλούς τομείς. Τα μηχανήματα σύγχρονης έλξης μόνιμου μαγνήτη, μέσω προηγμένων τεχνολογιών ελέγχου, όχι μόνο παρέχουν ομαλή κίνηση ανύψωσης αλλά και επιτυγχάνουν ακριβή τοποθέτηση και προστασία ασφαλείας του θαλάμου του ανελκυστήρα. Με την εξαιρετική τους απόδοση, έχουν γίνει βασικά εξαρτήματα σε πολλά συστήματα ανελκυστήρων. Ωστόσο, με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας ανελκυστήρων, οι απαιτήσεις απόδοσης για μηχανές σύγχρονης έλξης μόνιμου μαγνήτη αυξάνονται, ιδιαίτερα η εφαρμογή της τεχνολογίας "αστέρων σφράγισης", η οποία έχει γίνει ερευνητικό hotspot.

Ερευνητικά Θέματα και Σημασία

Η παραδοσιακή αξιολόγηση της ροπής σφράγισης αστεριών σε μηχανές σύγχρονης έλξης μόνιμου μαγνήτη βασίζεται σε θεωρητικούς υπολογισμούς και εξαγωγή από μετρούμενα δεδομένα, τα οποία αγωνίζονται να λάβουν υπόψη τις εξαιρετικά παροδικές διαδικασίες της σφράγισης αστεριών και τη μη γραμμικότητα των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, με αποτέλεσμα χαμηλή απόδοση και ακρίβεια. Το στιγμιαίο μεγάλο ρεύμα κατά τη διάρκεια της σφράγισης με αστέρια ενέχει κίνδυνο μη αναστρέψιμης απομαγνήτισης μόνιμων μαγνητών, ο οποίος είναι επίσης δύσκολο να αξιολογηθεί. Με την ανάπτυξη του λογισμικού ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (FEA), αυτά τα ζητήματα έχουν αντιμετωπιστεί. Επί του παρόντος, οι θεωρητικοί υπολογισμοί χρησιμοποιούνται περισσότερο για την καθοδήγηση του σχεδιασμού και ο συνδυασμός τους με την ανάλυση λογισμικού επιτρέπει ταχύτερη και ακριβέστερη ανάλυση της ροπής σφράγισης αστεριών. Αυτό το έγγραφο λαμβάνει ως παράδειγμα μια μηχανή σύγχρονης έλξης μόνιμου μαγνήτη για τη διεξαγωγή ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων των συνθηκών λειτουργίας της σφράγισης αστεριών. Αυτές οι μελέτες όχι μόνο συμβάλλουν στον εμπλουτισμό του θεωρητικού συστήματος των μηχανών σύγχρονης έλξης μόνιμου μαγνήτη αλλά παρέχουν επίσης ισχυρή υποστήριξη για τη βελτίωση της απόδοσης ασφάλειας του ανελκυστήρα και τη βελτιστοποίηση της απόδοσης.

Εφαρμογή της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων σε υπολογισμούς αστεριών

Για την επαλήθευση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης, επιλέχθηκε μια μηχανή έλξης με υπάρχοντα δεδομένα δοκιμής, με ονομαστική ταχύτητα 159 σ.α.λ. Η μετρούμενη ροπή στεγανοποίησης αστέρα σε σταθερή κατάσταση και το ρεύμα περιέλιξης σε διαφορετικές ταχύτητες είναι τα εξής. Η ροπή σφράγισης αστεριών φτάνει στο μέγιστο στις 12 σ.α.λ.

Σχήμα 1: Μετρημένα δεδομένα της σφράγισης αστεριών

Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων αυτής της μηχανής έλξης χρησιμοποιώντας το λογισμικό Maxwell. Αρχικά, καθιερώθηκε το γεωμετρικό μοντέλο της μηχανής έλξης και ορίστηκαν οι αντίστοιχες ιδιότητες του υλικού και οι οριακές συνθήκες. Στη συνέχεια, με την επίλυση εξισώσεων ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, προέκυψαν οι καμπύλες ρεύματος πεδίου χρόνου, οι καμπύλες ροπής και οι καταστάσεις απομαγνήτισης μόνιμων μαγνητών σε διαφορετικούς χρόνους. Επαληθεύτηκε η συνέπεια μεταξύ των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης και των δεδομένων μέτρησης.

Η καθιέρωση του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων της μηχανής έλξης είναι θεμελιώδης για την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση και δεν θα αναλυθεί εδώ. Τονίζεται ότι οι ρυθμίσεις υλικού του κινητήρα πρέπει να συμμορφώνονται με την πραγματική χρήση. Λαμβάνοντας υπόψη την επακόλουθη ανάλυση απομαγνητισμού μόνιμων μαγνητών, πρέπει να χρησιμοποιούνται μη γραμμικές καμπύλες Β-Η για μόνιμους μαγνήτες. Αυτή η εργασία εστιάζει στον τρόπο εφαρμογής της προσομοίωσης στεγανοποίησης και απομαγνήτισης της μηχανής έλξης στο Maxwell. Η σφράγιση αστεριών στο λογισμικό πραγματοποιείται μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος, με τη συγκεκριμένη διαμόρφωση κυκλώματος που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Οι τριφασικές περιελίξεις στάτορα της μηχανής έλξης συμβολίζονται ως LPhaseA/B/C στο κύκλωμα. Για την προσομοίωση της ξαφνικής στεγανοποίησης βραχυκυκλώματος των τριφασικών περιελίξεων, μια παράλληλη μονάδα (που αποτελείται από μια πηγή ρεύματος και έναν διακόπτη ελεγχόμενου ρεύματος) συνδέεται σε σειρά με κάθε κύκλωμα περιέλιξης φάσης. Αρχικά, ο διακόπτης ελεγχόμενου ρεύματος είναι ανοιχτός και η τριφασική πηγή ρεύματος παρέχει ρεύμα στις περιελίξεις. Σε μια καθορισμένη ώρα, ο διακόπτης ελεγχόμενου ρεύματος κλείνει, βραχυκυκλώνοντας την τριφασική πηγή ρεύματος και βραχυκυκλώνοντας τις τριφασικές περιελίξεις, μπαίνοντας στην κατάσταση στεγανοποίησης αστέρα βραχυκυκλώματος.

Εικόνα 2: Σχεδιασμός κυκλώματος στεγανοποίησης αστεριού

Η μετρούμενη μέγιστη ροπή σφράγισης αστεριών της μηχανής έλξης αντιστοιχεί σε ταχύτητα 12 σ.α.λ. Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, οι ταχύτητες παραμετροποιήθηκαν ως 10 rpm, 12 rpm και 14 rpm για να ευθυγραμμιστούν με τη μετρούμενη ταχύτητα. Όσον αφορά το χρόνο διακοπής της προσομοίωσης, λαμβάνοντας υπόψη ότι τα ρεύματα περιέλιξης σταθεροποιούνται πιο γρήγορα σε χαμηλότερες ταχύτητες, ορίστηκαν μόνο 2-3 ηλεκτρικοί κύκλοι. Από τις καμπύλες του πεδίου χρόνου των αποτελεσμάτων, μπορεί να κριθεί ότι η υπολογιζόμενη ροπή σφράγισης αστέρα και το ρεύμα περιέλιξης έχουν σταθεροποιηθεί. Η προσομοίωση έδειξε ότι η ροπή σφράγισης αστεριών σε σταθερή κατάσταση στις 12 rpm ήταν η μεγαλύτερη, στα 5885,3 Nm, η οποία ήταν 5,6% χαμηλότερη από τη μετρούμενη τιμή. Το μετρούμενο ρεύμα περιέλιξης ήταν 265,8 A και το ρεύμα προσομοίωσης ήταν 251,8 A, με την τιμή προσομοίωσης επίσης 5,6% χαμηλότερη από τη μετρούμενη τιμή, ικανοποιώντας τις απαιτήσεις ακρίβειας σχεδιασμού.

Σχήμα 3: Ροπή σφράγισης κορυφής αστεριού και ρεύμα περιέλιξης

Οι μηχανές έλξης είναι ειδικός εξοπλισμός κρίσιμος για την ασφάλεια και ο απομαγνητισμός μόνιμου μαγνήτη είναι ένας από τους βασικούς παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση και την αξιοπιστία τους. Δεν επιτρέπεται μη αναστρέψιμος απομαγνητισμός που υπερβαίνει τα πρότυπα. Σε αυτή την εργασία, το λογισμικό Ansys Maxwell χρησιμοποιείται για την προσομοίωση των χαρακτηριστικών απομαγνήτισης μόνιμων μαγνητών κάτω από αντίστροφα μαγνητικά πεδία που προκαλούνται από ρεύματα βραχυκυκλώματος στην κατάσταση σφράγισης αστεριών. Από την τάση του ρεύματος περιέλιξης, η αιχμή του ρεύματος υπερβαίνει τα 1000 A τη στιγμή της στεγανοποίησης με αστέρι και σταθεροποιείται μετά από 6 ηλεκτρικούς κύκλους. Ο ρυθμός απομαγνήτισης στο λογισμικό Maxwell αντιπροσωπεύει την αναλογία του υπολειπόμενου μαγνητισμού των μόνιμων μαγνητών μετά την έκθεση σε ένα απομαγνητιστικό πεδίο προς τον αρχικό υπολειπόμενο μαγνητισμό τους. Η τιμή 1 υποδηλώνει ότι δεν υπάρχει απομαγνήτιση και το 0 υποδηλώνει πλήρη απομαγνητισμό. Από τις καμπύλες απομαγνήτισης και τους χάρτες περιγράμματος, ο ρυθμός απομαγνήτισης μόνιμου μαγνήτη είναι 1, χωρίς να παρατηρείται απομαγνητισμός, επιβεβαιώνοντας ότι η προσομοιωμένη μηχανή έλξης πληροί τις απαιτήσεις αξιοπιστίας.

Σχήμα 4: Καμπύλη πεδίου χρόνου του ρεύματος περιέλιξης κάτω από Star-Sealing σε ονομαστική ταχύτητα

Εικόνα 5: Καμπύλη ρυθμού απομαγνήτισης και χάρτης περιγράμματος απομαγνήτισης μόνιμων μαγνητών

Εμβάθυνση και Outlook

Τόσο μέσω της προσομοίωσης όσο και της μέτρησης, η ροπή σφράγισης αστεριών της μηχανής έλξης και ο κίνδυνος απομαγνήτισης μόνιμου μαγνήτη μπορούν να ελεγχθούν αποτελεσματικά, παρέχοντας ισχυρή υποστήριξη για βελτιστοποίηση απόδοσης και εξασφαλίζοντας ασφαλή λειτουργία και μακροζωία της μηχανής έλξης. Αυτή η εργασία όχι μόνο διερευνά τον υπολογισμό της ροπής σφράγισης αστεριών και της απομαγνήτισης σε μηχανές σύγχρονης έλξης μόνιμου μαγνήτη αλλά προωθεί επίσης έντονα τη βελτίωση της ασφάλειας του ανελκυστήρα και τη βελτιστοποίηση της απόδοσης. Ανυπομονούμε να προωθήσουμε την τεχνολογική πρόοδο και καινοτόμες ανακαλύψεις σε αυτόν τον τομέα μέσω διεπιστημονικής συνεργασίας και ανταλλαγών. Καλούμε επίσης περισσότερους ερευνητές και επαγγελματίες να επικεντρωθούν σε αυτό το πεδίο, συνεισφέροντας σοφία και προσπάθειες για τη βελτίωση της απόδοσης των μηχανών σύγχρονης έλξης μόνιμου μαγνήτη και διασφαλίζοντας την ασφαλή λειτουργία των ανελκυστήρων.