スターシールの計算と永久磁石同期トラクションマシンの適用に関する研究

背景

永久磁石同期モーター（PMSM）は、高効率、省エネ、信頼性の利点により、現代の産業や日常生活で広く使用されており、多くの分野で優先電力機器になっています。高度な制御技術を通じて、恒久的な磁石同期トラクションマシンは、スムーズなリフティングモーションを提供するだけでなく、エレベーター車の正確な位置決めと安全保護を実現します。優れたパフォーマンスにより、多くのエレベーターシステムで重要なコンポーネントになりました。ただし、エレベーターテクノロジーの継続的な開発により、恒久的なマグネット同期トラクションマシンのパフォーマンス要件が増加しています。特に、研究ホットスポットになった「スターシール」テクノロジーの適用が増加しています。

研究の問題と重要性

永久磁石同期トラクションマシンの星シールトルクの従来の評価は、理論的計算と測定データからの導出に依存しています。測定されたデータは、星シールの超変圧プロセスと電磁界の非線形性を説明するのに苦労し、効率と精度が低くなります。スターシール中の瞬間的な大きな電流は、永久磁石の不可逆的な消磁のリスクをもたらします。これも評価するのが困難です。有限要素分析（FEA）ソフトウェアの開発により、これらの問題が対処されています。現在、理論的計算は設計を導くためにより使用されており、それらをソフトウェア分析と組み合わせることで、スターシールトルクのより速く、より正確な分析を可能にします。このペーパーでは、星座動作条件の有限要素分析を実施するための例として、永久磁石同期トラクションマシンを採用しています。これらの研究は、永続的な磁石同期トラクションマシンの理論システムを豊かにするのに役立つだけでなく、エレベーターの安全性能を改善し、パフォーマンスを最適化するための強力なサポートを提供します。

STAR-SEALER計算における有限要素分析の適用

シミュレーション結果の精度を確認するために、既存のテストデータを備えたトラクションマシンが選択され、定格速度は159 rpmでした。測定された定常状態の星シールトルクと異なる速度での巻線電流は、次のとおりです。スターシールトルクは、12 rpmで最大に達します。

図1：スターシールの測定データ

次に、このトラクションマシンの有限要素分析をMaxwellソフトウェアを使用して実行しました。第一に、トラクションマシンの幾何学的モデルが確立され、対応する材料特性と境界条件が設定されました。次に、電磁界方程式を解くことにより、異なる時間に永久磁石の時間領域電流曲線、トルク曲線、および消滅状態が得られました。シミュレーション結果と測定データの一貫性が検証されました。

トラクションマシンの有限要素モデルの確立は、電磁解析の基本であり、ここでは詳しく説明されません。モーターの材料設定は、実際の使用に準拠する必要があることが強調されています。永続的な磁石のその後の消磁解析を考慮すると、非線形B-H曲線を永久磁石に使用する必要があります。このペーパーでは、MaxwellのトラクションマシンのStar-SeallemおよびDemagnetization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。ソフトウェアのスターシールは、外部回路を介して実現され、特定の回路構成が下の図に示されています。トラクションマシンの3相ステーター巻線は、回路内のLphasea/b/cとして示されています。 3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、各位相巻き回路と直列に接続されています。当初、電流制御されたスイッチが開いており、3相電流源は巻線に電力を供給します。設定された時間で、電流制御されたスイッチが閉じ、3相電流源を短絡させ、3フェーズ巻線を短絡させ、短絡STARE-SEALER状態に入ります。

図2：スターシール回路設計

トラクションマシンの測定された最大星シールトルクは、12 rpmの速度に対応します。シミュレーション中、速度は10 rpm、12 rpm、および14 rpmとしてパラメーター化され、測定速度に合わせました。シミュレーションの停止時間については、巻線が低い速度でより速く安定することを考慮すると、2〜3の電気サイクルのみが設定されました。結果の時刻ドメイン曲線から、計算された星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。シミュレーションは、12 rpmでの定常状態の星シールトルクが5885.3 nmで最大であり、測定値より5.6％低いことを示しました。測定された巻線電流は265.8 Aで、シミュレーション電流は251.8 Aで、シミュレーション値も測定値より5.6％低く、設計の精度要件を満たしています。

図3：ピークスターシールトルクと巻線電流

トラクションマシンは安全性の高い特別な機器であり、永久磁石の消磁は、そのパフォーマンスと信頼性に影響を与える重要な要因の1つです。標準を超える不可逆性の不磁気化は許可されていません。このホワイトペーパーでは、ANSYS Maxwellソフトウェアを使用して、Star-Sealle状態の短絡電流によって誘導される逆磁場の下での永久磁石の消磁特性をシミュレートします。巻線の現在の傾向から、現在のピークは星シールの瞬間に1000 Aを超え、6回の電気サイクル後に安定します。 Maxwellソフトウェアの消磁速度は、元の残留磁性に磁化場にさらされた後の永久磁石の残留磁気の比を表しています。値は1を示していないことを示し、0は完全な磁化を示します。消磁曲線と輪郭マップから、永続的な磁石の消磁速度は1であり、磁化は観察されず、シミュレートされたトラクションマシンが信頼性の要件を満たしていることを確認します。

図4：定格速度での星シールの下での巻線電流の時間領域曲線

図5：恒久的な磁石の消磁性速度曲線と消磁等等分地図

深化と見通し

シミュレーションと測定の両方を通じて、トラクションマシンの星シールトルクと永久磁石の消磁のリスクを効果的に制御することができ、パフォーマンスの最適化を強力にサポートし、トラクションマシンの安全な動作と寿命を確保します。このペーパーでは、永久磁石同期トラクションマシンでの星シールトルクと消磁の計算を調査するだけでなく、エレベーターの安全性と性能の最適化の改善を強く促進します。学際的な協力とやり取りを通じて、この分野の技術の進歩と革新的なブレークスルーを前進させることを楽しみにしています。また、より多くの研究者と実践者にこの分野に集中するよう呼びかけ、永続的な磁石同期トラクションマシンのパフォーマンスを向上させ、エレベーターの安全な動作を確保するための知恵と努力に貢献します。