تحقیق در مورد محاسبه مهر و موم ستاره و کاربرد ماشین های کشش سنکرون مغناطیس دائمی

پس زمینه

موتورهای سنکرون مغناطیس دائمی (PMSM) به دلیل مزایای بازده بالا، صرفه جویی در مصرف انرژی و قابلیت اطمینان، به طور گسترده در صنعت مدرن و زندگی روزمره مورد استفاده قرار می گیرند و آنها را به تجهیزات برق ترجیحی در زمینه های متعدد تبدیل می کند. ماشین‌های کشش سنکرون آهنربای دائمی، از طریق فناوری‌های کنترلی پیشرفته، نه تنها حرکت آسانسور را فراهم می‌کنند، بلکه به موقعیت دقیق و حفاظت ایمنی کابین آسانسور نیز دست می‌یابند. آنها با عملکرد عالی خود به اجزای کلیدی در بسیاری از سیستم های آسانسور تبدیل شده اند. با این حال، با توسعه مداوم فن آوری آسانسور، الزامات عملکرد برای ماشین های کشش سنکرون مغناطیس دائمی در حال افزایش است، به ویژه استفاده از فناوری "Star-sealing" که به یک کانون تحقیقاتی تبدیل شده است.

مسائل و اهمیت تحقیق

ارزیابی سنتی گشتاور ستاره‌بندی در ماشین‌های کشش سنکرون مغناطیسی دائمی بر محاسبات نظری و مشتق از داده‌های اندازه‌گیری شده تکیه می‌کند، که تلاش می‌کنند فرآیندهای بسیار گذرای آب‌بندی ستاره‌ای و غیرخطی بودن میدان‌های الکترومغناطیسی را که منجر به راندمان و دقت پایین می‌شود، توضیح دهند. جریان بزرگ آنی در حین آب بندی ستاره، خطر مغناطیس زدایی غیرقابل برگشت آهنرباهای دائمی را به همراه دارد که ارزیابی آن نیز دشوار است. با توسعه نرم افزار تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA) این مسائل برطرف شده است. در حال حاضر، محاسبات نظری بیشتر برای هدایت طراحی مورد استفاده قرار می‌گیرند و ترکیب آنها با تحلیل نرم‌افزاری، آنالیز سریع‌تر و دقیق‌تر گشتاور ستاره‌ای را ممکن می‌سازد. این مقاله یک ماشین کشش سنکرون مغناطیس دائمی را به عنوان مثال برای انجام تجزیه و تحلیل اجزای محدود شرایط عملیاتی مهر و موم ستاره خود در نظر می گیرد. این مطالعات نه تنها به غنی‌سازی سیستم نظری ماشین‌های کشش سنکرون آهنربای دائم کمک می‌کند، بلکه پشتیبانی قوی برای بهبود عملکرد ایمنی آسانسور و بهینه‌سازی عملکرد فراهم می‌کند.

کاربرد تحلیل المان محدود در محاسبات مهر و موم ستاره

برای تأیید صحت نتایج شبیه‌سازی، یک ماشین کششی با داده‌های آزمایش موجود، با سرعت نامی 159 دور در دقیقه انتخاب شد. گشتاور آب بندی ستاره ای حالت پایدار اندازه گیری شده و جریان سیم پیچ در سرعت های مختلف به شرح زیر است. گشتاور مهر و موم ستاره در 12 دور در دقیقه به حداکثر می رسد.

شکل 1: داده های اندازه گیری شده از مهر و موم ستاره

در ادامه با استفاده از نرم افزار Maxwell آنالیز اجزای محدود این ماشین کششی انجام شد. ابتدا مدل هندسی ماشین کششی ایجاد شد و خواص مواد و شرایط مرزی مربوطه تنظیم شد. سپس با حل معادلات میدان الکترومغناطیسی، منحنی های جریان حوزه زمان، منحنی های گشتاور و حالت های مغناطیس زدایی آهنرباهای دائمی در زمان های مختلف به دست آمد. سازگاری بین نتایج شبیه‌سازی و داده‌های اندازه‌گیری شده تأیید شد.

ایجاد مدل المان محدود ماشین کشش برای تحلیل الکترومغناطیسی اساسی است و در اینجا توضیح داده نخواهد شد. تاکید می شود که تنظیمات مواد موتور باید مطابق با استفاده واقعی باشد. با در نظر گرفتن تجزیه و تحلیل مغناطیس زدایی بعدی آهنرباهای دائمی، منحنی های غیرخطی B-H باید برای آهنرباهای دائمی استفاده شود. این مقاله بر نحوه اجرای شبیه‌سازی ستاره‌بندی و مغناطیس‌زدایی ماشین کشش در ماکسول تمرکز دارد. مهر و موم ستاره در نرم افزار از طریق یک مدار خارجی، با پیکربندی مدار خاص که در شکل زیر نشان داده شده است، محقق می شود. سیم پیچ های استاتور سه فاز ماشین کششی به صورت LPhaseA/B/C در مدار نشان داده می شود. برای شبیه‌سازی ستاره‌بندی اتصال کوتاه ناگهانی سیم‌پیچ‌های سه‌فاز، یک ماژول موازی (متشکل از یک منبع جریان و یک کلید کنترل‌شده با جریان) به‌صورت سری با هر مدار سیم‌پیچ فاز متصل می‌شود. در ابتدا کلید کنترل شده با جریان باز است و منبع جریان سه فاز برق سیم پیچ ها را تامین می کند. در یک زمان تنظیم شده، کلید کنترل شده با جریان بسته می شود، منبع جریان سه فاز را اتصال کوتاه می کند و سیم پیچ های سه فاز را کوتاه می کند، و وارد حالت مهر و موم ستاره اتصال کوتاه می شود.

شکل 2: طراحی مدار ستاره ای

حداکثر گشتاور مهر و موم ستاره اندازه گیری شده دستگاه کشش مربوط به سرعت 12 دور در دقیقه است. در طول شبیه سازی، سرعت ها به صورت 10 دور در دقیقه، 12 دور در دقیقه و 14 دور در دقیقه پارامترگذاری شدند تا با سرعت اندازه گیری شده همسو شوند. با توجه به زمان توقف شبیه‌سازی، با توجه به اینکه جریان‌های سیم‌پیچ در سرعت‌های پایین‌تر تثبیت می‌شوند، تنها ۲ تا ۳ چرخه الکتریکی تنظیم شد. از روی منحنی‌های حوزه زمان نتایج، می‌توان قضاوت کرد که گشتاور و جریان سیم‌پیچ محاسبه شده ثابت شده‌اند. شبیه سازی نشان داد که گشتاور آب بندی ستاره ای حالت پایدار در 12 دور در دقیقه، با 5885.3 نیوتن متر، که 5.6 درصد کمتر از مقدار اندازه گیری شده بود، بزرگترین بود. جریان سیم پیچ اندازه گیری شده 265.8 آمپر و جریان شبیه سازی شده 251.8 آمپر بود که مقدار شبیه سازی نیز 5.6 درصد کمتر از مقدار اندازه گیری شده است که الزامات دقت طراحی را برآورده می کند.

شکل 3: گشتاور و جریان سیم پیچ ستاره مهر و موم اوج

ماشین های کششی تجهیزات ویژه ای هستند که از نظر ایمنی بسیار مهم هستند و مغناطیس زدایی با آهنربای دائمی یکی از عوامل کلیدی موثر بر عملکرد و قابلیت اطمینان آنها است. مغناطیس زدایی برگشت ناپذیر بیش از حد استاندارد مجاز نیست. در این مقاله از نرم افزار Ansys Maxwell برای شبیه سازی ویژگی های مغناطیس زدایی آهنرباهای دائمی تحت میدان های مغناطیسی معکوس ناشی از جریان های اتصال کوتاه در حالت مهر و موم ستاره استفاده شده است. از روند جریان سیم پیچ، پیک جریان در لحظه آب بندی ستاره ای از 1000 A فراتر می رود و پس از 6 سیکل الکتریکی تثبیت می شود. نرخ مغناطیس زدایی در نرم افزار Maxwell نشان دهنده نسبت مغناطیس باقیمانده آهنرباهای دائمی پس از قرار گرفتن در معرض میدان مغناطیس زدایی به مغناطیس باقیمانده اصلی آنها است. مقدار 1 نشان دهنده عدم مغناطیس زدایی و 0 نشان دهنده مغناطیس زدایی کامل است. از منحنی های مغناطیس زدایی و نقشه های کانتور، نرخ مغناطیس زدایی مغناطیسی دائمی 1 است، بدون اینکه مغناطیس زدایی مشاهده شود، که تأیید می کند که دستگاه کشش شبیه سازی شده الزامات قابلیت اطمینان را برآورده می کند.

شکل 4: منحنی زمان-حوزه جریان سیم پیچ تحت ستاره آب بندی با سرعت نامی

شکل 5: منحنی نرخ مغناطیس زدایی و نقشه خطی مغناطیس زدایی مغناطیس های دائمی

تعمیق و چشم انداز

از طریق شبیه سازی و اندازه گیری، گشتاور مهر و موم ستاره ماشین کشش و خطر مغناطیس زدایی آهنربای دائمی را می توان به طور موثر کنترل کرد و پشتیبانی قوی برای بهینه سازی عملکرد و اطمینان از عملکرد ایمن و طول عمر ماشین کشش فراهم کرد. این مقاله نه تنها محاسبه گشتاور مهر و موم ستاره و مغناطیس زدایی را در ماشین های کشش سنکرون مغناطیس دائمی بررسی می کند، بلکه به شدت بهبود ایمنی آسانسور و بهینه سازی عملکرد را ارتقا می دهد. ما مشتاقانه منتظر پیشرفت فناوری و پیشرفت های نوآورانه در این زمینه از طریق همکاری ها و مبادلات بین رشته ای هستیم. ما همچنین از محققان و پزشکان بیشتری می‌خواهیم که روی این زمینه تمرکز کنند و با خرد و تلاش برای بهبود عملکرد ماشین‌های کشش سنکرون مغناطیس دائمی و تضمین عملکرد ایمن آسانسورها مشارکت کنند.