Έρευνα σχετικά με τον υπολογισμό των αστεριών και την εφαρμογή μηχανών σύγχρονης πρόσφυσης μόνιμου μαγνήτη

Φόντο

Οι μόνιμοι μαγνήτες σύγχρονοι κινητήρες (PMSMs) χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη βιομηχανία και την καθημερινή ζωή λόγω των πλεονεκτημάτων τους υψηλής απόδοσης, εξοικονόμησης ενέργειας και αξιοπιστίας, καθιστώντας τους τον προτιμώμενο εξοπλισμό ενέργειας σε πολυάριθμους τομείς. Μόνιμες σύγχρονες μηχανές πρόσφυσης μόνιμου μαγνήτη, μέσω προηγμένων τεχνολογιών ελέγχου, όχι μόνο παρέχουν ομαλή κίνηση ανύψωσης, αλλά και επιτυγχάνουν ακριβή τοποθέτηση και προστασία ασφάλειας του αυτοκινήτου του ανελκυστήρα. Με την εξαιρετική απόδοσή τους, έχουν γίνει βασικά στοιχεία σε πολλά συστήματα ανελκυστήρα. Ωστόσο, με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας του ανελκυστήρα, οι απαιτήσεις απόδοσης για τις μηχανές σύγχρονης πρόσφυσης μόνιμου μαγνήτη αυξάνονται, ειδικά η εφαρμογή της τεχνολογίας "star-sealing", η οποία έχει γίνει ένα ερευνητικό hotspot.

Ερευνητικά ζητήματα και σημασία

Η παραδοσιακή αξιολόγηση της ροπής στρέψης αστεριών σε μηχανές σύγχρονης πρόσφυσης μόνιμου μαγνήτη βασίζεται σε θεωρητικούς υπολογισμούς και παραγωγή από τα μετρημένα δεδομένα, τα οποία αγωνίζονται να ληφθούν υπόψη οι εξαιρετικά διαβαθμιστικές διαδικασίες της σφαίρας και της μη γραμμικότητας των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, με αποτέλεσμα τη χαμηλή απόδοση και την ακρίβεια. Το στιγμιαίο μεγάλο ρεύμα κατά τη διάρκεια της σφαίρας αστεριών δημιουργεί κίνδυνο μη αναστρέψιμου απομαγνητισμού μόνιμων μαγνητών, ο οποίος είναι επίσης δύσκολο να αξιολογηθεί. Με την ανάπτυξη λογισμικού ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (FEA), αυτά τα θέματα έχουν αντιμετωπιστεί. Επί του παρόντος, οι θεωρητικοί υπολογισμοί χρησιμοποιούνται περισσότερο για να καθοδηγήσουν το σχεδιασμό και ο συνδυασμός τους με την ανάλυση λογισμικού επιτρέπει την ταχύτερη και ακριβέστερη ανάλυση της ροπής στρέψης αστεριών. Το παρόν έγγραφο παίρνει μια μηχανή σύγχρονης πρόσφυσης μόνιμου μαγνήτη ως παράδειγμα για τη διεξαγωγή της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων των συνθηκών λειτουργίας των αστεριών. Αυτές οι μελέτες όχι μόνο βοηθούν στον εμπλουτισμό του θεωρητικού συστήματος των μηχανημάτων σύγχρονης πρόσφυσης μόνιμου μαγνήτη, αλλά παρέχουν επίσης ισχυρή υποστήριξη για τη βελτίωση της απόδοσης της ασφάλειας του ανελκυστήρα και τη βελτιστοποίηση της απόδοσης.

Εφαρμογή της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων σε υπολογισμούς αστέρι-σφάλματα

Για να επαληθευτεί η ακρίβεια των αποτελεσμάτων προσομοίωσης, επιλέχθηκε μια μηχανή πρόσφυσης με υπάρχοντα δεδομένα δοκιμών, με ονομαστική ταχύτητα 159 σ.α.λ. Η μέτρηση σταθερής στρέψης αστέρων και ρεύματος εκκαθάρισης σε διαφορετικές ταχύτητες είναι οι εξής. Η ροπή στρέψης αστεριών φτάνει στο μέγιστο στις 12 rpm.

Εικόνα 1: Μετρημένα δεδομένα για τη σφράγιση των αστεριών

Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων αυτής της μηχανής έλξης χρησιμοποιώντας το λογισμικό Maxwell. Πρώτον, δημιουργήθηκε το γεωμετρικό μοντέλο της μηχανής πρόσφυσης και καθορίστηκαν οι αντίστοιχες ιδιότητες υλικού και οι οριακές συνθήκες. Στη συνέχεια, με την επίλυση των εξισώσεων ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, ελήφθησαν οι καμπύλες ρεύματος του χρονικού πεδίου, οι καμπύλες ροπής και οι καταστάσεις απομαγνήτισης μόνιμων μαγνητών σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Η συνέπεια μεταξύ των αποτελεσμάτων προσομοίωσης και των μετρούμενων δεδομένων επαληθεύτηκε.

Η δημιουργία του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων της μηχανής έλξης είναι θεμελιώδες για την ηλεκτρομαγνητική ανάλυση και δεν θα επεξεργαστεί εδώ. Τονίζεται ότι οι υλικές ρυθμίσεις του κινητήρα πρέπει να συμμορφώνονται με την πραγματική χρήση. Λαμβάνοντας υπόψη την επακόλουθη ανάλυση απομαγνητισμού των μόνιμων μαγνητών, οι μη γραμμικές καμπύλες B-H πρέπει να χρησιμοποιούνται για μόνιμους μαγνήτες. Το παρόν έγγραφο επικεντρώνεται στον τρόπο εφαρμογής της προσομοίωσης των αστεριών και της απομαγνητικοποίησης της μηχανής έλξης στο Maxwell. Το Star-Sealing στο λογισμικό πραγματοποιείται μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος, με τη συγκεκριμένη διαμόρφωση κυκλώματος που φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Οι τριφασικές περιελίξεις στάτη της μηχανής έλξης υποδηλώνονται ως Lphasea/B/C στο κύκλωμα. Για να προσομοιωθεί η ξαφνική βραχυκυκλώματα Star-Sealing των τριφασικών περιελίξεων, μια παράλληλη μονάδα (που αποτελείται από πηγή ρεύματος και διακόπτη ελεγχόμενου ρεύματος) συνδέεται σε σειρά με κάθε κύκλωμα περιελίξεως φάσης. Αρχικά, ο διακόπτης που ελέγχεται από το ρεύμα είναι ανοιχτός και η τριφασική πηγή ρεύματος παρέχει ισχύ στις περιελίξεις. Σε μια καθορισμένη ώρα, ο διακόπτης που ελέγχεται ρεύμα κλείνει, βραχυκυκλώντας την τριφασική πηγή ρεύματος και βραχυκύκλωμα των τριφασικών περιελίξεων, εισερχόμενοι στην κατάσταση σφραγίδας αστέρων βραχυκυκλώματος.

Εικόνα 2: Σχεδιασμός κυκλώματος σφραγίδας αστεριών

Η μέγιστη μέγιστη ροπή στρέψης αστεριών της μηχανής έλξης αντιστοιχεί σε ταχύτητα 12 rpm. Κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, οι ταχύτητες παραμετροποιήθηκαν ως 10 σ.α.λ., 12 σ.α.λ. και 14 σ.α.λ. για να ευθυγραμμιστούν με τη μετρούμενη ταχύτητα. Όσον αφορά τον χρόνο διακοπής της προσομοίωσης, θεωρώντας ότι τα ρεύματα περιέλιξης σταθεροποιούνται ταχύτερα σε χαμηλότερες ταχύτητες, ρυθμίστηκαν μόνο 2-3 ηλεκτρικοί κύκλοι. Από τις καμπύλες των αποτελεσμάτων του χρονικού πεδίου, μπορεί να κριθεί ότι το υπολογιζόμενο ροπή στρέψης και εκκαθάρισης στα αστέρια και το ρεύμα περιέλιξης έχουν σταθεροποιηθεί. Η προσομοίωση έδειξε ότι η ροπή σταθερής στρέψης αστεριών 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 Α και το προσομοιωμένο ρεύμα ήταν 251,8 Α, με την τιμή προσομοίωσης επίσης 5,6% χαμηλότερη από τη μετρούμενη τιμή, τις απαιτήσεις ακρίβειας σχεδιασμού.

Εικόνα 3: Η κορυφαία ροπή στρέψης και ρεύματος εκκαθάρισης

Οι μηχανές πρόσφυσης είναι ειδικός εξοπλισμός κρίσιμης σημασίας και ο μόνιμος μαγνήτης απομαγνητισμός είναι ένας από τους βασικούς παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση και την αξιοπιστία τους. Δεν επιτρέπεται η μη αναστρέψιμη απομαγνητοποίηση που υπερβαίνει τα πρότυπα. Σε αυτή την εργασία, το λογισμικό ANSYS Maxwell χρησιμοποιείται για την προσομοίωση των χαρακτηριστικών απομαγνητισμού των μόνιμων μαγνητών κάτω από αντίστροφα μαγνητικά πεδία που προκαλούνται από ρεύματα βραχυκυκλώματος στην κατάσταση-σφίξιμο των αστεριών. Από την τάση του ρεύματος περιέλιξης, η τρέχουσα κορυφή υπερβαίνει το 1000 Α τη στιγμή της σφαίρας των αστεριών και σταθεροποιείται μετά από 6 ηλεκτρικούς κύκλους. Ο ρυθμός απομαγνήτισης στο λογισμικό Maxwell αντιπροσωπεύει την αναλογία υπολειπόμενου μαγνητισμού μόνιμων μαγνητών μετά την έκθεση σε ένα πεδίο απομαγνητικοποίησης στον αρχικό υπολειμματικό μαγνητισμό τους. Μια τιμή 1 δεν δείχνει απομαγνητισμό και 0 υποδεικνύει πλήρη απομαγνητοποίηση. Από τις καμπύλες απομαγνητικοποίησης και τους χάρτες περιγράμματος, ο ρυθμός απομαγνήτισης μόνιμου μαγνήτη είναι 1, χωρίς να παρατηρείται απομαγνητισμός, επιβεβαιώνοντας ότι η προσομοιωμένη μηχανή πρόσφυσης πληροί τις απαιτήσεις αξιοπιστίας.

Εικόνα 4: Καμπύλη χρονικού πεδίου του ρεύματος περιέλιξης κάτω

Εικόνα 5: Καμπύλη ρυθμού απομαγνητικοποίησης και χάρτη περιγράμματος απομαγνητισμού των μόνιμων μαγνητών

Εμβάθυνση και προοπτική

Μέσω τόσο της προσομοίωσης όσο και της μέτρησης, η ροπή στρογγυλής ροπής της μηχανής έλξης και ο κίνδυνος απομαγνητισμού μόνιμου μαγνήτη μπορεί να ελεγχθεί αποτελεσματικά, παρέχοντας ισχυρή υποστήριξη για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης και την εξασφάλιση ασφαλούς λειτουργίας και μακροζωίας της μηχανής έλξης. Το παρόν έγγραφο δεν διερευνά μόνο τον υπολογισμό της ροπής και της απομαγνητικοποίησης σε μνήμη σε μόνιμους μαγνήτες σύγχρονες μηχανές πρόσφυσης, αλλά προωθεί έντονα τη βελτίωση της βελτιστοποίησης της ασφάλειας και της απόδοσης του ανελκυστήρα. Προσβλέπουμε στην προώθηση της τεχνολογικής προόδου και των καινοτόμων ανακαλύψεων στον τομέα αυτό μέσω της διεπιστημονικής συνεργασίας και των ανταλλαγών. Καλούμε επίσης περισσότερους ερευνητές και επαγγελματίες να επικεντρωθούν σε αυτόν τον τομέα, να συμβάλλουν στη σοφία και τις προσπάθειες για την ενίσχυση της απόδοσης των σύγχρονων μηχανημάτων σύγχρονης πρόσφυσης μόνιμου μαγνήτη και την εξασφάλιση της ασφαλούς λειτουργίας των ανελκυστήρων.