Nuolatinių magnetų sinchroninių traukos mašinų žvaigždžių sandarinimo skaičiavimo ir taikymo tyrimai

Fonas

Nuolatiniai magnetiniai sinchroniniai varikliai (PMSM) yra plačiai naudojami šiuolaikinėje pramonėje ir kasdieniame gyvenime dėl didelio efektyvumo, energijos taupymo ir patikimumo pranašumų, todėl jie yra pageidaujama galios įranga daugelyje sričių. Nuolatinio magneto sinchroninės traukos mašinos, naudodamos pažangias valdymo technologijas, ne tik užtikrina sklandų kėlimo judesį, bet ir užtikrina tikslią lifto kabinos padėtį ir saugumą. Dėl savo puikaus veikimo jie tapo pagrindiniais daugelio liftų sistemų komponentais. Tačiau nuolat tobulėjant liftų technologijoms, nuolatinio magneto sinchroninių traukos mašinų veikimo reikalavimai didėja, ypač taikant „žvaigždžių sandarinimo“ technologiją, kuri tapo tyrimų tašku.

Tyrimo klausimai ir reikšmė

Tradicinis žvaigždžių sandarinimo sukimo momento įvertinimas nuolatinio magneto sinchroninėse traukos mašinose remiasi teoriniais skaičiavimais ir išmatuotų duomenų išvestiniais, kurie sunkiai atsižvelgia į itin trumpalaikius žvaigždžių sandarinimo procesus ir elektromagnetinių laukų netiesiškumą, dėl kurio sumažėja efektyvumas ir tikslumas. Momentinė didelė srovė užsandarinant žvaigždes kelia negrįžtamo nuolatinių magnetų išmagnetinimo pavojų, kurį taip pat sunku įvertinti. Sukūrus baigtinių elementų analizės (FEA) programinę įrangą, šios problemos buvo išspręstos. Šiuo metu projektuojant labiau naudojami teoriniai skaičiavimai, o jų derinimas su programine analize leidžia greičiau ir tiksliau išanalizuoti žvaigždės sandarinimo sukimo momentą. Šiame darbe kaip pavyzdys pateikiama nuolatinio magneto sinchroninė traukos mašina, kad būtų galima atlikti baigtinių elementų analizę jos sandarinimo žvaigždutėmis veikimo sąlygomis. Šie tyrimai ne tik padeda praturtinti nuolatinio magneto sinchroninių traukos mašinų teorinę sistemą, bet ir suteikia tvirtą paramą liftų saugos veiksmingumui ir našumui optimizuoti.

Baigtinių elementų analizės taikymas žvaigždžių sandarinimo skaičiavimuose

Modeliavimo rezultatų tikslumui patikrinti buvo pasirinkta traukos mašina su esamais bandymų duomenimis, kurios vardinis greitis 159 aps./min. Išmatuotas pastovios būsenos žvaigždės sandarinimo sukimo momentas ir apvijos srovė įvairiais greičiais yra tokie. Žvaigždės sandarinimo sukimo momentas pasiekia didžiausią esant 12 aps./min.

1 pav. Išmatuoti žvaigždžių sandarinimo duomenys

Toliau, naudojant Maxwell programinę įrangą, buvo atlikta šios traukos mašinos baigtinių elementų analizė. Pirmiausia buvo sudarytas geometrinis traukos mašinos modelis, nustatytos atitinkamos medžiagos savybės ir ribinės sąlygos. Tada, sprendžiant elektromagnetinio lauko lygtis, buvo gautos nuolatinių magnetų laiko srities srovės kreivės, sukimo momento kreivės ir išmagnetinimo būsenos skirtingu laiku. Buvo patikrintas modeliavimo rezultatų ir išmatuotų duomenų nuoseklumas.

Traukos mašinos baigtinių elementų modelio sukūrimas yra labai svarbus elektromagnetinei analizei ir čia nebus išsamiai aptariamas. Pabrėžiama, kad variklio medžiagų parametrai turi atitikti faktinį naudojimą; atsižvelgiant į tolesnę nuolatinių magnetų išmagnetinimo analizę, nuolatiniams magnetams turi būti naudojamos netiesinės B-H kreivės. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama Maksvelo traukos mašinos žvaigždžių sandarinimo ir išmagnetinimo modeliavimui. Žvaigždės sandarinimas programinėje įrangoje realizuojamas per išorinę grandinę, o konkrečios grandinės konfigūracija parodyta paveikslėlyje žemiau. Traukos mašinos trifazės statoriaus apvijos grandinėje žymimos LPhaseA/B/C. Norint imituoti staigų trifazių apvijų trumpojo jungimo žvaigždžių sandarinimą, lygiagretus modulis (sudarytas iš srovės šaltinio ir srove valdomo jungiklio) nuosekliai prijungiamas prie kiekvienos fazės apvijos grandinės. Iš pradžių srovės valdomas jungiklis yra atidarytas, o trifazis srovės šaltinis tiekia maitinimą į apvijas. Nustatytu laiku srovės valdomas jungiklis užsidaro, trumpai sujungiamas trifazis srovės šaltinis ir trumpinamas trifazis apvijas, pereina į trumpojo jungimo žvaigždės sandarinimo būseną.

2 pav. Žvaigždžių sandarinimo grandinės dizainas

Išmatuotas maksimalus traukos mašinos žvaigždės sandarinimo sukimo momentas atitinka 12 aps./min. greitį. Modeliavimo metu greičiai buvo parametruojami kaip 10 aps./min., 12 aps./min. ir 14 aps./min., kad atitiktų išmatuotą greitį. Kalbant apie modeliavimo sustabdymo laiką, atsižvelgiant į tai, kad apvijų srovės greičiau stabilizuojasi esant mažesniam greičiui, buvo nustatyti tik 2–3 elektros ciklai. Iš rezultatų kreivių laiko srityje galima spręsti, kad apskaičiuotas žvaigždės sandarinimo sukimo momentas ir apvijos srovė stabilizavosi. Modeliavimas parodė, kad pastovios būsenos žvaigždės sandarinimo sukimo momentas esant 12 aps./min. buvo didžiausias – 5885,3 Nm, o tai buvo 5,6 % mažesnis nei išmatuota vertė. Išmatuota apvijos srovė buvo 265,8 A, o modeliuojama 251,8 A, modeliavimo vertė taip pat 5,6% mažesnė už išmatuotą vertę, atitinkanti projektinio tikslumo reikalavimus.

3 pav. Didžiausias žvaigždės sandarinimo sukimo momentas ir apvijos srovė

Traukos mašinos yra saugai svarbi speciali įranga, o nuolatinio magneto išmagnetinimas yra vienas iš pagrindinių veiksnių, turinčių įtakos jų veikimui ir patikimumui. Negrįžtamas išmagnetinimas, viršijantis standartus, neleidžiamas. Šiame darbe Ansys Maxwell programinė įranga naudojama nuolatinių magnetų išmagnetinimo charakteristikoms imituoti atvirkštiniuose magnetiniuose laukuose, kuriuos sukelia trumpojo jungimo srovės žvaigždės sandarinimo būsenoje. Atsižvelgiant į apvijos srovės tendenciją, srovės pikas viršija 1000 A žvaigždės sandarinimo momentu ir stabilizuojasi po 6 elektros ciklų. Išmagnetinimo greitis Maxwell programinėje įrangoje parodo nuolatinių magnetų liekamojo magnetizmo po išmagnetinimo lauko ir jų pradinio liekamojo magnetizmo santykį; 1 reikšmė rodo, kad nėra išmagnetinimo, o 0 reiškia visišką išmagnetinimą. Iš išmagnetinimo kreivių ir kontūrų žemėlapių nuolatinio magneto išmagnetinimo koeficientas yra 1, o išmagnetinimo nepastebėta, o tai patvirtina, kad imituojama traukos mašina atitinka patikimumo reikalavimus.

4 pav. Apvijos srovės laiko domeno kreivė esant žvaigždžių sandarinimui esant vardiniam greičiui

5 pav. Nuolatinių magnetų išmagnetinimo greičio kreivė ir išmagnetinimo kontūro žemėlapis

Gilinimasis ir Outlook

Modeliuojant ir matuojant traukos mašinos žvaigždžių sandarinimo sukimo momentą ir nuolatinio magneto išmagnetinimo riziką galima veiksmingai valdyti, taip užtikrinant veiksmingumo optimizavimą ir saugų traukos mašinos veikimą bei ilgaamžiškumą. Šiame darbe ne tik nagrinėjamas žvaigždžių sandarinimo sukimo momento ir išmagnetinimo skaičiavimas nuolatinio magneto sinchroninėse traukos mašinose, bet ir labai skatinamas liftų saugos ir eksploatacinių savybių optimizavimas. Tikimės technologinės pažangos ir naujoviškų proveržių šioje srityje per tarpdisciplininį bendradarbiavimą ir mainus. Taip pat raginame daugiau mokslininkų ir praktikų sutelkti dėmesį į šią sritį, prisidėdami išmintimi ir pastangomis gerinant nuolatinio magneto sinchroninių traukos mašinų veikimą ir užtikrinant saugų liftų darbą.