Ricerca sul calcolo della tenuta stellare e sull'applicazione delle macchine a trazione sincrona a magneti permanenti

Sfondo

I motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) sono ampiamente utilizzati nell'industria moderna e nella vita quotidiana grazie ai vantaggi di alta efficienza, risparmio energetico e affidabilità, che li rendono le apparecchiature di potenza preferite in numerosi campi. Le macchine a trazione sincrona a magneti permanenti, attraverso tecnologie di controllo avanzate, non solo forniscono un movimento di sollevamento regolare, ma raggiungono anche un posizionamento preciso e una protezione di sicurezza della cabina dell'ascensore. Grazie alle loro eccellenti prestazioni, sono diventati componenti chiave in molti sistemi di ascensori. Tuttavia, con il continuo sviluppo della tecnologia degli ascensori, i requisiti prestazionali per le macchine a trazione sincrona a magneti permanenti stanno aumentando, in particolare l'applicazione della tecnologia "tenuta a stella", che è diventata un punto caldo della ricerca.

Problemi di ricerca e significato

La valutazione tradizionale della coppia di tenuta stellare nelle macchine a trazione sincrona a magneti permanenti si basa su calcoli teorici e derivazione da dati misurati, che faticano a tenere conto dei processi ultra-transitori di tenuta stellare e della non linearità dei campi elettromagnetici, con conseguente bassa efficienza e precisione. La grande corrente istantanea durante la sigillatura stellare comporta un rischio di smagnetizzazione irreversibile dei magneti permanenti, anch'esso difficile da valutare. Con lo sviluppo del software di analisi degli elementi finiti (FEA), questi problemi sono stati risolti. Attualmente, i calcoli teorici sono maggiormente utilizzati per guidare la progettazione e la loro combinazione con l’analisi del software consente un’analisi più rapida e accurata della coppia di tenuta della stella. Questo documento prende come esempio una macchina da trazione sincrona a magnete permanente per condurre l'analisi degli elementi finiti delle sue condizioni operative di tenuta stellare. Questi studi non solo contribuiscono ad arricchire il sistema teorico delle macchine a trazione sincrona a magneti permanenti, ma forniscono anche un forte supporto per migliorare le prestazioni di sicurezza degli ascensori e ottimizzarle.

Applicazione dell'analisi degli elementi finiti nei calcoli di tenuta stellare

Per verificare l'accuratezza dei risultati della simulazione, è stata selezionata una macchina di trazione con dati di prova esistenti, con una velocità nominale di 159 giri al minuto. La coppia di tenuta a stella misurata a stato stazionario e la corrente di avvolgimento a diverse velocità sono le seguenti. La coppia di tenuta stellare raggiunge il suo massimo a 12 giri/min.

Figura 1: dati misurati della sigillatura a stella

Successivamente, l'analisi degli elementi finiti di questa macchina di trazione è stata eseguita utilizzando il software Maxwell. Per prima cosa è stato stabilito il modello geometrico della macchina di trazione e sono state stabilite le proprietà dei materiali e le condizioni al contorno corrispondenti. Quindi, risolvendo le equazioni del campo elettromagnetico, sono state ottenute le curve di corrente nel dominio del tempo, le curve di coppia e gli stati di smagnetizzazione dei magneti permanenti in tempi diversi. È stata verificata la coerenza tra i risultati della simulazione e i dati misurati.

La definizione del modello agli elementi finiti della macchina di trazione è fondamentale per l'analisi elettromagnetica e non verrà elaborata in questa sede. Si sottolinea che le impostazioni del materiale del motore devono essere conformi all'utilizzo effettivo; considerando la successiva analisi di smagnetizzazione dei magneti permanenti, per i magneti permanenti è necessario utilizzare curve B-H non lineari. Questo articolo si concentra su come implementare la simulazione della sigillatura stellare e della smagnetizzazione della macchina di trazione a Maxwell. La sigillatura a stella nel software viene realizzata tramite un circuito esterno, con la configurazione circuitale specifica mostrata nella figura seguente. Gli avvolgimenti dello statore trifase della macchina di trazione sono indicati come LFase A/B/C nel circuito. Per simulare la sigillatura stellare di cortocircuito improvviso degli avvolgimenti trifase, un modulo parallelo (composto da un generatore di corrente e da un interruttore controllato in corrente) è collegato in serie a ciascun circuito di avvolgimento di fase. Inizialmente, l'interruttore controllato dalla corrente è aperto e la sorgente di corrente trifase fornisce alimentazione agli avvolgimenti. Ad un tempo prestabilito, l'interruttore controllato dalla corrente si chiude, cortocircuitando la sorgente di corrente trifase e cortocircuitando gli avvolgimenti trifase, entrando nello stato di tenuta a stella di cortocircuito.

Figura 2: progettazione del circuito con tenuta a stella

La coppia di tenuta stellare massima misurata della macchina di trazione corrisponde ad una velocità di 12 giri/min. Durante la simulazione, le velocità sono state parametrizzate come 10 giri al minuto, 12 giri al minuto e 14 giri al minuto per allinearle alla velocità misurata. Per quanto riguarda il tempo di arresto della simulazione, considerando che le correnti degli avvolgimenti si stabilizzano più velocemente a velocità inferiori, sono stati impostati solo 2–3 cicli elettrici. Dalle curve dei risultati nel dominio del tempo si può giudicare che la coppia di tenuta stellare calcolata e la corrente di avvolgimento si sono stabilizzate. La simulazione ha mostrato che la coppia di tenuta stellare a regime stazionario a 12 giri/min era la più grande, pari a 5885,3 Nm, ovvero inferiore del 5,6% rispetto al valore misurato. La corrente dell'avvolgimento misurata è stata di 265,8 A e la corrente simulata è stata di 251,8 A, con un valore di simulazione inferiore del 5,6% rispetto al valore misurato, soddisfacendo i requisiti di precisione di progettazione.

Figura 3: Coppia di tenuta a stella di picco e corrente di avvolgimento

Le macchine di trazione sono apparecchiature speciali critiche per la sicurezza e la smagnetizzazione dei magneti permanenti è uno dei fattori chiave che ne influenzano le prestazioni e l'affidabilità. Non è consentita la smagnetizzazione irreversibile superiore agli standard. In questo articolo, il software Ansys Maxwell viene utilizzato per simulare le caratteristiche di smagnetizzazione dei magneti permanenti sotto campi magnetici inversi indotti da correnti di cortocircuito nello stato di tenuta stellare. Dall'andamento della corrente dell'avvolgimento, il picco di corrente supera i 1000 A al momento della sigillatura stellare e si stabilizza dopo 6 cicli elettrici. Il tasso di smagnetizzazione nel software Maxwell rappresenta il rapporto tra il magnetismo residuo dei magneti permanenti dopo l'esposizione a un campo smagnetizzante e il loro magnetismo residuo originale; un valore pari a 1 indica nessuna smagnetizzazione e 0 indica una smagnetizzazione completa. Dalle curve di smagnetizzazione e dalle mappe dei contorni, il tasso di smagnetizzazione del magnete permanente è 1, senza alcuna smagnetizzazione osservata, a conferma che la macchina di trazione simulata soddisfa i requisiti di affidabilità.

Figura 4: Curva nel dominio del tempo della corrente di avvolgimento sotto tenuta a stella alla velocità nominale

Figura 5: Curva della velocità di smagnetizzazione e mappa del contorno di smagnetizzazione dei magneti permanenti

Approfondimento e prospettive

Attraverso la simulazione e la misurazione, la coppia di tenuta a stella della macchina di trazione e il rischio di smagnetizzazione del magnete permanente possono essere controllati in modo efficace, fornendo un forte supporto per l'ottimizzazione delle prestazioni e garantendo un funzionamento sicuro e la longevità della macchina di trazione. Questo documento non solo esplora il calcolo della coppia di tenuta stellare e della smagnetizzazione nelle macchine a trazione sincrona a magneti permanenti, ma promuove anche fortemente il miglioramento della sicurezza degli ascensori e l'ottimizzazione delle prestazioni. Siamo ansiosi di far avanzare il progresso tecnologico e le scoperte innovative in questo campo attraverso la cooperazione e gli scambi interdisciplinari. Chiediamo inoltre a più ricercatori e professionisti di concentrarsi su questo campo, apportando saggezza e sforzi per migliorare le prestazioni delle macchine a trazione sincrona a magneti permanenti e garantire il funzionamento sicuro degli ascensori.