Forschung zur Star-Sealing-Berechnung und Anwendung von Permanentmagnet-Synchron-Traktionsmaschinen

Hintergrund

Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSMs) werden aufgrund ihrer hohen Effizienz, Energieeinsparung und Zuverlässigkeit häufig in der modernen Industrie und im täglichen Leben eingesetzt und sind daher in zahlreichen Bereichen die bevorzugten Antriebsgeräte. Permanentmagnet-Synchron-Traktionsmaschinen sorgen durch fortschrittliche Steuerungstechnologien nicht nur für eine reibungslose Hubbewegung, sondern sorgen auch für eine präzise Positionierung und einen sicheren Schutz der Aufzugskabine. Aufgrund ihrer hervorragenden Leistung sind sie zu Schlüsselkomponenten in vielen Aufzugssystemen geworden. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Aufzugstechnik steigen jedoch die Leistungsanforderungen an Permanentmagnet-Synchron-Traktionsmaschinen, insbesondere die Anwendung der „Sterndichtungs“-Technologie, die zu einem Forschungsschwerpunkt geworden ist.

Forschungsfragen und Bedeutung

Die herkömmliche Bewertung des Sterndichtungsdrehmoments in synchronen Traktionsmaschinen mit Permanentmagneten basiert auf theoretischen Berechnungen und Ableitungen aus Messdaten, die Schwierigkeiten haben, die extrem transienten Prozesse der Sterndichtung und die Nichtlinearität elektromagnetischer Felder zu berücksichtigen, was zu einer geringen Effizienz und Genauigkeit führt. Der momentan große Strom während der Sternversiegelung birgt die Gefahr einer irreversiblen Entmagnetisierung von Permanentmagneten, die ebenfalls schwer einzuschätzen ist. Mit der Entwicklung von Software zur Finite-Elemente-Analyse (FEA) wurden diese Probleme angegangen. Heutzutage werden theoretische Berechnungen eher als Leitfaden für das Design verwendet, und ihre Kombination mit Softwareanalysen ermöglicht eine schnellere und genauere Analyse des Star-Dichtungsdrehmoments. In diesem Artikel wird eine Permanentmagnet-Synchron-Traktionsmaschine als Beispiel verwendet, um eine Finite-Elemente-Analyse ihrer Sterndichtungs-Betriebsbedingungen durchzuführen. Diese Studien tragen nicht nur dazu bei, das theoretische System permanenterregter Synchrontraktionsmaschinen zu bereichern, sondern liefern auch starke Unterstützung für die Verbesserung der Sicherheitsleistung von Aufzügen und die Optimierung der Leistung.

Anwendung der Finite-Elemente-Analyse in Sternversiegelungsberechnungen

Um die Genauigkeit der Simulationsergebnisse zu überprüfen, wurde eine Traktionsmaschine mit vorhandenen Testdaten und einer Nenndrehzahl von 159 U/min ausgewählt. Das gemessene stationäre Sterndichtungsdrehmoment und der Wicklungsstrom bei verschiedenen Drehzahlen sind wie folgt. Das Sterndichtmoment erreicht sein Maximum bei 12 U/min.

Abbildung 1: Messdaten von Star-Sealing

Als nächstes wurde eine Finite-Elemente-Analyse dieser Traktionsmaschine mit der Maxwell-Software durchgeführt. Zunächst wurde das geometrische Modell der Traktionsmaschine erstellt und entsprechende Materialeigenschaften und Randbedingungen festgelegt. Anschließend wurden durch Lösen elektromagnetischer Feldgleichungen die Zeitbereichsstromkurven, Drehmomentkurven und Entmagnetisierungszustände von Permanentmagneten zu verschiedenen Zeiten ermittelt. Die Konsistenz zwischen Simulationsergebnissen und Messdaten wurde überprüft.

Die Erstellung des Finite-Elemente-Modells der Traktionsmaschine ist für die elektromagnetische Analyse von grundlegender Bedeutung und wird hier nicht näher erläutert. Es wird betont, dass die Materialeinstellungen des Motors der tatsächlichen Nutzung entsprechen müssen; In Anbetracht der anschließenden Entmagnetisierungsanalyse von Permanentmagneten müssen für Permanentmagnete nichtlineare B-H-Kurven verwendet werden. Dieser Artikel konzentriert sich auf die Implementierung einer Sternversiegelungs- und Entmagnetisierungssimulation der Traktionsmaschine in Maxwell. Die Sternversiegelung in der Software wird durch einen externen Schaltkreis realisiert, wobei die spezifische Schaltkreiskonfiguration in der folgenden Abbildung dargestellt ist. Die dreiphasigen Statorwicklungen der Traktionsmaschine werden in der Schaltung mit LPhaseA/B/C bezeichnet. Um eine plötzliche Kurzschluss-Sternschaltung der dreiphasigen Wicklungen zu simulieren, wird mit jedem Phasenwicklungskreis ein Parallelmodul (bestehend aus einer Stromquelle und einem stromgesteuerten Schalter) in Reihe geschaltet. Zunächst ist der stromgesteuerte Schalter geöffnet und die dreiphasige Stromquelle versorgt die Wicklungen mit Strom. Zu einem festgelegten Zeitpunkt schließt der stromgesteuerte Schalter, schließt die dreiphasige Stromquelle kurz und schließt die dreiphasigen Wicklungen kurz, wodurch der Kurzschluss-Sternversiegelungszustand erreicht wird.

Abbildung 2: Design der Star-Sealing-Schaltung

Das gemessene maximale Sterndichtmoment der Traktionsmaschine entspricht einer Drehzahl von 12 U/min. Während der Simulation wurden die Geschwindigkeiten auf 10 U/min, 12 U/min und 14 U/min parametrisiert, um sie an die gemessene Geschwindigkeit anzupassen. Hinsichtlich der Simulationsstoppzeit wurden nur 2–3 elektrische Zyklen eingestellt, da sich Wicklungsströme bei niedrigeren Drehzahlen schneller stabilisieren. Aus den Zeitbereichskurven der Ergebnisse lässt sich schließen, dass sich das berechnete Sterndichtungsdrehmoment und der Wicklungsstrom stabilisiert haben. Die Simulation zeigte, dass das stationäre Sterndichtungsdrehmoment bei 12 U/min mit 5885,3 Nm am größten war und damit 5,6 % unter dem gemessenen Wert lag. Der gemessene Wicklungsstrom betrug 265,8 A und der simulierte Strom betrug 251,8 A, wobei der Simulationswert ebenfalls 5,6 % niedriger als der gemessene Wert war, was den Anforderungen an die Designgenauigkeit entsprach.

Abbildung 3: Spitzendrehmoment und Wicklungsstrom der Sterndichtung

Traktionsmaschinen sind sicherheitskritische Spezialgeräte, und die Entmagnetisierung von Permanentmagneten ist einer der Schlüsselfaktoren für ihre Leistung und Zuverlässigkeit. Eine über die Norm hinausgehende irreversible Entmagnetisierung ist nicht zulässig. In diesem Artikel wird die Ansys Maxwell-Software verwendet, um die Entmagnetisierungseigenschaften von Permanentmagneten unter umgekehrten Magnetfeldern zu simulieren, die durch Kurzschlussströme im Sternversiegelungszustand induziert werden. Aus dem Trend des Wicklungsstroms geht hervor, dass die Stromspitze zum Zeitpunkt der Sternversiegelung 1000 A übersteigt und sich nach 6 elektrischen Zyklen stabilisiert. Die Entmagnetisierungsrate in der Maxwell-Software stellt das Verhältnis des Restmagnetismus von Permanentmagneten nach Einwirkung eines Entmagnetisierungsfelds zu ihrem ursprünglichen Restmagnetismus dar; Ein Wert von 1 bedeutet keine Entmagnetisierung und 0 bedeutet vollständige Entmagnetisierung. Aus den Entmagnetisierungskurven und Konturkarten geht hervor, dass die Entmagnetisierungsrate des Permanentmagneten 1 beträgt, ohne dass eine Entmagnetisierung beobachtet wurde, was bestätigt, dass die simulierte Traktionsmaschine die Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllt.

Abbildung 4: Zeitbereichskurve des Wicklungsstroms unter Star-Sealing bei Nenngeschwindigkeit

Abbildung 5: Entmagnetisierungsgeschwindigkeitskurve und Entmagnetisierungskonturkarte von Permanentmagneten

Vertiefung und Ausblick

Durch Simulation und Messung können das Star-Dichtungsdrehmoment der Traktionsmaschine und das Risiko einer Entmagnetisierung des Permanentmagneten wirksam kontrolliert werden, was eine starke Unterstützung bei der Leistungsoptimierung darstellt und einen sicheren Betrieb und eine lange Lebensdauer der Traktionsmaschine gewährleistet. In diesem Artikel wird nicht nur die Berechnung des Sterndichtungsdrehmoments und der Entmagnetisierung in Permanentmagnet-Synchrontraktionsmaschinen untersucht, sondern auch die Verbesserung der Aufzugssicherheit und Leistungsoptimierung wird stark gefördert. Wir freuen uns darauf, den technologischen Fortschritt und innovative Durchbrüche auf diesem Gebiet durch interdisziplinäre Zusammenarbeit und Austausch voranzutreiben. Wir fordern außerdem mehr Forscher und Praktiker auf, sich auf dieses Gebiet zu konzentrieren und ihre Erkenntnisse und Anstrengungen beizutragen, um die Leistung von Permanentmagnet-Synchrontraktionsmaschinen zu verbessern und den sicheren Betrieb von Aufzügen zu gewährleisten.