Recherche sur le calcul du scellage en étoile et l'application des machines de traction synchrone à aimant permanent

Arrière-plan

Les moteurs synchrones à aimant permanent (PMSM) sont largement utilisés dans l'industrie moderne et dans la vie quotidienne en raison de leurs avantages de rendement élevé, d'économie d'énergie et de fiabilité, ce qui en fait l'équipement électrique préféré dans de nombreux domaines. Les machines de traction synchrone à aimant permanent, grâce à des technologies de contrôle avancées, fournissent non seulement un mouvement de levage fluide, mais assurent également un positionnement précis et une protection de sécurité de la cabine d'ascenseur. Grâce à leurs excellentes performances, ils sont devenus des composants clés de nombreux systèmes d’ascenseurs. Cependant, avec le développement continu de la technologie des ascenseurs, les exigences de performance des machines de traction synchrone à aimants permanents augmentent, en particulier l'application de la technologie « d'étanchéité en étoile », qui est devenue un point chaud de la recherche.

Enjeux et importance de la recherche

L'évaluation traditionnelle du couple de scellement en étoile dans les machines de traction synchrone à aimants permanents repose sur des calculs théoriques et des dérivations à partir de données mesurées, qui peinent à prendre en compte les processus ultra-transitoires de scellement en étoile et la non-linéarité des champs électromagnétiques, ce qui entraîne une faible efficacité et précision. Le courant important instantané lors du scellement des étoiles présente un risque de démagnétisation irréversible des aimants permanents, qui est également difficile à évaluer. Avec le développement du logiciel d’analyse par éléments finis (FEA), ces problèmes ont été résolus. Actuellement, les calculs théoriques sont davantage utilisés pour guider la conception, et leur combinaison avec une analyse logicielle permet une analyse plus rapide et plus précise du couple de scellement en étoile. Cet article prend comme exemple une machine de traction synchrone à aimant permanent pour effectuer une analyse par éléments finis de ses conditions de fonctionnement de scellement en étoile. Ces études contribuent non seulement à enrichir le système théorique des machines de traction synchrone à aimants permanents, mais fournissent également un soutien solide pour améliorer les performances de sécurité des ascenseurs et optimiser les performances.

Application de l'analyse par éléments finis dans les calculs de scellement d'étoiles

Pour vérifier l'exactitude des résultats de simulation, une machine de traction avec des données de test existantes a été sélectionnée, avec une vitesse nominale de 159 tr/min. Le couple de scellement en étoile en régime permanent et le courant d'enroulement mesurés à différentes vitesses sont les suivants. Le couple de serrage en étoile atteint son maximum à 12 tr/min.

Figure 1 : Données mesurées du Star-Sealing

Ensuite, une analyse par éléments finis de cette machine de traction a été réalisée à l'aide du logiciel Maxwell. Tout d’abord, le modèle géométrique de la machine de traction a été établi et les propriétés matérielles et conditions aux limites correspondantes ont été définies. Ensuite, en résolvant les équations du champ électromagnétique, les courbes de courant dans le domaine temporel, les courbes de couple et les états de démagnétisation des aimants permanents à différents moments ont été obtenus. La cohérence entre les résultats de simulation et les données mesurées a été vérifiée.

L’établissement du modèle éléments finis de la machine de traction est fondamental pour l’analyse électromagnétique et ne sera pas développé ici. Il est souligné que les réglages matériels du moteur doivent être conformes à l'utilisation réelle ; compte tenu de l'analyse ultérieure de la démagnétisation des aimants permanents, des courbes BH non linéaires doivent être utilisées pour les aimants permanents. Cet article se concentre sur la manière de mettre en œuvre une simulation de scellement en étoile et de démagnétisation de la machine de traction à Maxwell. Le scellement en étoile dans le logiciel est réalisé via un circuit externe, avec la configuration de circuit spécifique illustrée dans la figure ci-dessous. Les enroulements triphasés du stator de la machine de traction sont désignés par LPhaseA/B/C dans le circuit. Pour simuler un court-circuit soudain en étoile des enroulements triphasés, un module parallèle (composé d'une source de courant et d'un interrupteur commandé en courant) est connecté en série avec chaque circuit d'enroulement de phase. Initialement, l'interrupteur contrôlé par le courant est ouvert et la source de courant triphasé alimente les enroulements. À un moment donné, l'interrupteur commandé par courant se ferme, court-circuitant la source de courant triphasé et court-circuitant les enroulements triphasés, entrant ainsi dans l'état d'étanchéité en étoile de court-circuit.

Figure 2 : Conception du circuit d'étanchéité en étoile

Le couple maximal d'étanchéité en étoile mesuré de la machine de traction correspond à une vitesse de 12 tr/min. Pendant la simulation, les vitesses ont été paramétrées sur 10 tr/min, 12 tr/min et 14 tr/min pour s'aligner sur la vitesse mesurée. Concernant le temps d'arrêt de la simulation, étant donné que les courants d'enroulement se stabilisent plus rapidement à des vitesses inférieures, seuls 2 à 3 cycles électriques ont été définis. À partir des courbes de résultats dans le domaine temporel, on peut juger que le couple de scellement en étoile et le courant d'enroulement calculés se sont stabilisés. La simulation a montré que le couple de scellement en étoile en régime permanent à 12 tr/min était le plus élevé, à 5 885,3 Nm, soit 5,6 % de moins que la valeur mesurée. Le courant d'enroulement mesuré était de 265,8 A et le courant simulé de 251,8 A, la valeur de simulation étant également inférieure de 5,6 % à la valeur mesurée, répondant ainsi aux exigences de précision de conception.

Figure 3 : Couple de pointe de scellement en étoile et courant d'enroulement

Les machines de traction sont des équipements spéciaux critiques pour la sécurité, et la démagnétisation par aimant permanent est l'un des facteurs clés affectant leurs performances et leur fiabilité. Une démagnétisation irréversible dépassant les normes n'est pas autorisée. Dans cet article, le logiciel Ansys Maxwell est utilisé pour simuler les caractéristiques de démagnétisation des aimants permanents sous des champs magnétiques inverses induits par des courants de court-circuit dans l'état de scellement en étoile. D'après la tendance du courant d'enroulement, le pic de courant dépasse 1 000 A au moment du scellement en étoile et se stabilise après 6 cycles électriques. Le taux de démagnétisation dans le logiciel Maxwell représente le rapport du magnétisme résiduel des aimants permanents après exposition à un champ démagnétisant à leur magnétisme résiduel d'origine ; une valeur de 1 indique aucune démagnétisation et 0 indique une démagnétisation complète. D'après les courbes de démagnétisation et les cartes de contour, le taux de démagnétisation de l'aimant permanent est de 1, sans aucune démagnétisation observée, confirmant que la machine de traction simulée répond aux exigences de fiabilité.

Figure 4 : Courbe dans le domaine temporel du courant d'enroulement sous scellage en étoile à la vitesse nominale

Figure 5 : Courbe du taux de démagnétisation et carte des contours de démagnétisation des aimants permanents

Approfondissement et perspectives

Grâce à la simulation et à la mesure, le couple d'étanchéité en étoile de la machine de traction et le risque de démagnétisation des aimants permanents peuvent être contrôlés efficacement, offrant ainsi un soutien solide à l'optimisation des performances et garantissant un fonctionnement sûr et la longévité de la machine de traction. Cet article explore non seulement le calcul du couple de scellement en étoile et de la démagnétisation dans les machines de traction synchrone à aimants permanents, mais promeut également fortement l'amélioration de la sécurité des ascenseurs et l'optimisation des performances. Nous sommes impatients de faire progresser les progrès technologiques et les percées innovantes dans ce domaine grâce à la coopération et aux échanges interdisciplinaires. Nous appelons également davantage de chercheurs et de praticiens à se concentrer sur ce domaine, en apportant leur sagesse et leurs efforts pour améliorer les performances des machines de traction synchrone à aimants permanents et garantir le fonctionnement sûr des ascenseurs.