スターシール計算と永久磁石同期巻上機の応用に関する研究

背景

永久磁石同期モーター (PMSM) は、高効率、省エネ、信頼性という利点により、現代の産業や日常生活で広く使用されており、多くの分野で推奨される電力機器となっています。永久磁石同期牽引機は、高度な制御技術により、スムーズな昇降動作を提供するだけでなく、エレベータかごの正確な位置決めと安全保護も実現します。その優れた性能により、多くのエレベーター システムの重要なコンポーネントとなっています。しかし、エレベーター技術の継続的な発展に伴い、永久磁石同期牽引機に対する性能要件が増加しており、特に研究のホットスポットとなっている「スターシール」技術の適用が増加しています。

研究課題と意義

永久磁石同期牽引機におけるスターシールトルクの従来の評価は、理論計算と測定データからの導出に依存しており、スターシールの超過渡プロセスと電磁場の非線形性を考慮するのに苦労しており、結果として効率と精度が低くなります。スターシール時の瞬間大電流は永久磁石の不可逆減磁の危険性があり、これも評価が困難です。有限要素解析 (FEA) ソフトウェアの開発により、これらの問題は解決されました。現在、理論計算は設計の指針として使用されることが多く、理論計算をソフトウェア解析と組み合わせることで、スターシールトルクのより迅速かつ正確な解析が可能になります。本稿では永久磁石同期巻上機を例に挙げてスターシール動作条件の有限要素解析を実施した。これらの研究は、永久磁石同期牽引機の理論体系を充実させるだけでなく、エレベータの安全性能の向上と性能の最適化を強力にサポートします。

スターシーリング計算における有限要素解析の応用

シミュレーション結果の精度を検証するために、既存のテスト データを備えた定格速度 159 rpm の牽引機械が選択されました。さまざまな速度で測定された定常状態のスターシールトルクと巻線電流は次のとおりです。スターシールのトルクは 12 rpm で最大に達します。

図1：スターシールの実測データ

次に、Maxwell ソフトウェアを使用して、この巻上機の有限要素解析を実行しました。まず、巻上機の幾何学的モデルを確立し、対応する材料特性と境界条件を設定しました。次に、電磁場方程式を解くことにより、時間領域の電流曲線、トルク曲線、および異なる時間における永久磁石の減磁状態が得られました。シミュレーション結果と実測データの整合性を検証しました。

牽引機械の有限要素モデルの確立は電磁解析の基本であるため、ここでは詳しく説明しません。モーターの材料設定は実際の使用状況に適合する必要があることが強調されます。その後の永久磁石の減磁解析を考慮すると、永久磁石には非線形 B-H 曲線を使用する必要があります。この論文は、Maxwell で牽引機械のスターシールと消磁シミュレーションを実装する方法に焦点を当てています。ソフトウェア上のスターシールは外部回路により実現されており、具体的な回路構成は下図のとおりです。巻上機の三相固定子巻線は、回路内では LPhaseA/B/C と表示されます。三相巻線の突然の短絡スターシールをシミュレートするために、並列モジュール (電流源と電流制御スイッチで構成される) が各相巻線回路に直列に接続されます。最初は、電流制御スイッチが開いており、三相電流源が巻線に電力を供給します。設定された時間になると、電流制御スイッチが閉じ、三相電流源が短絡され、三相巻線が短絡され、短絡スターシール状態に入ります。

図 2: スターシール回路設計

牽引機械の測定された最大スターシールトルクは、12 rpm の速度に相当します。シミュレーション中、速度は測定された速度と一致するように 10 rpm、12 rpm、および 14 rpm としてパラメータ化されました。シミュレーションの停止時間については、巻線電流が低速でより早く安定することを考慮して、電気サイクルを 2 ～ 3 回のみ設定しました。結果の時間領域曲線から、計算されたスターシールトルクと巻線電流が安定していると判断できます。シミュレーションでは、12 rpm での定常状態のスターシール トルクが 5885.3 Nm で最大となり、測定値より 5.6% 低いことがわかりました。測定された巻線電流は 265.8 A、シミュレーションされた電流は 251.8 A で、シミュレーション値も測定値より 5.6% 低く、設計精度の要件を満たしていました。

図 3: スターシールのピークトルクと巻線電流

牽引機械は安全性が重要な特殊機器であり、永久磁石の減磁はその性能と信頼性に影響を与える重要な要素の 1 つです。規格を超える不可逆減磁は認められません。この論文では、Ansys Maxwell ソフトウェアを使用して、スターシール状態の短絡電流によって誘導される逆磁場下での永久磁石の減磁特性をシミュレーションします。巻線電流の傾向から、スターシールの瞬間に電流のピークは 1000 A を超え、電気サイクル 6 回後に安定します。 Maxwell ソフトウェアの減磁率は、減磁場にさらされた後の永久磁石の残留磁気と元の残留磁気の比を表します。値 1 は消磁がないことを示し、0 は完全な消磁を示します。減磁曲線と等高線図から、永久磁石の減磁率は 1 であり、減磁は観察されず、模擬巻上機が信頼性要件を満たしていることが確認されます。

図 4: 定格速度でのスターシール下の巻線電流の時間領域曲線

図5：永久磁石の減磁率曲線と減磁等高線図

深化と展望

シミュレーションと測定の両方を通じて、巻上機のスターシールトルクと永久磁石の減磁リスクを効果的に制御でき、性能の最適化を強力にサポートし、巻上機の安全な運転と寿命を保証します。この論文は、永久磁石同期牽引機におけるスターシールトルクと減磁の計算を検討するだけでなく、エレベータの安全性の向上と性能の最適化を強力に推進します。私たちは、学際的な協力と交流を通じて、この分野における技術の進歩と革新的な進歩を期待しています。私たちはまた、より多くの研究者や実務家がこの分野に注力し、永久磁石同期牽引機の性能向上とエレベーターの安全な運転の確保に知恵と努力を提供することを呼びかけます。