Nghiên cứu tính toán bám dính sao và ứng dụng máy kéo đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Lý lịch

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại và đời sống hàng ngày nhờ ưu điểm về hiệu suất cao, tiết kiệm năng lượng và độ tin cậy, khiến chúng trở thành thiết bị điện được ưa chuộng trong nhiều lĩnh vực. Máy kéo đồng bộ nam châm vĩnh cửu, thông qua các công nghệ điều khiển tiên tiến, không chỉ mang lại chuyển động nâng êm ái mà còn đạt được khả năng định vị chính xác và bảo vệ an toàn cho cabin thang máy. Với hiệu suất tuyệt vời, chúng đã trở thành thành phần chính trong nhiều hệ thống thang máy. Tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của công nghệ thang máy, yêu cầu về hiệu suất đối với máy kéo đồng bộ nam châm vĩnh cửu ngày càng tăng, đặc biệt là ứng dụng công nghệ “niêm phong sao” đã trở thành điểm nóng nghiên cứu.

Các vấn đề nghiên cứu và ý nghĩa

Việc đánh giá truyền thống về mô-men xoắn bịt kín sao trong các máy kéo đồng bộ nam châm vĩnh cửu dựa trên các tính toán lý thuyết và rút ra từ dữ liệu đo được, vốn khó giải thích các quá trình siêu chuyển tiếp của quá trình bịt kín sao và tính phi tuyến của trường điện từ, dẫn đến hiệu suất và độ chính xác thấp. Dòng điện lớn tức thời trong quá trình dán sao có nguy cơ khử từ không thể đảo ngược của nam châm vĩnh cửu, điều này cũng khó đánh giá. Với sự phát triển của phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEA), những vấn đề này đã được giải quyết. Hiện nay, các tính toán lý thuyết được sử dụng nhiều hơn để hướng dẫn thiết kế và kết hợp chúng với phân tích phần mềm cho phép phân tích mô-men xoắn bịt kín sao nhanh hơn và chính xác hơn. Bài báo này lấy máy kéo đồng bộ nam châm vĩnh cửu làm ví dụ để tiến hành phân tích phần tử hữu hạn về các điều kiện vận hành làm kín sao của nó. Những nghiên cứu này không chỉ giúp làm phong phú thêm hệ thống lý thuyết về máy kéo đồng bộ nam châm vĩnh cửu mà còn hỗ trợ đắc lực cho việc nâng cao hiệu suất an toàn thang máy và tối ưu hóa hiệu suất.

Ứng dụng phân tích phần tử hữu hạn trong tính toán gắn sao

Để xác minh tính chính xác của kết quả mô phỏng, một máy kéo có dữ liệu thử nghiệm hiện có đã được chọn, với tốc độ định mức là 159 vòng/phút. Mômen xoắn kín sao ở trạng thái ổn định đo được và dòng điện cuộn dây ở các tốc độ khác nhau như sau. Mô-men xoắn bịt kín sao đạt cực đại tại 12 vòng/phút.

Hình 1: Dữ liệu đo được về độ kín của sao

Tiếp theo, phân tích phần tử hữu hạn của máy kéo này được thực hiện bằng phần mềm Maxwell. Đầu tiên, mô hình hình học của máy kéo được thiết lập, đồng thời thiết lập các đặc tính vật liệu tương ứng và điều kiện biên. Sau đó, bằng cách giải các phương trình trường điện từ, người ta thu được đường cong dòng điện trong miền thời gian, đường cong mô men xoắn và trạng thái khử từ của nam châm vĩnh cửu ở các thời điểm khác nhau. Tính nhất quán giữa kết quả mô phỏng và dữ liệu đo được đã được xác minh.

Việc thiết lập mô hình phần tử hữu hạn của máy kéo là nền tảng cho phân tích điện từ và sẽ không được trình bày chi tiết ở đây. Cần nhấn mạnh rằng các cài đặt vật liệu của động cơ phải phù hợp với mục đích sử dụng thực tế; xem xét phân tích khử từ tiếp theo của nam châm vĩnh cửu, đường cong B-H phi tuyến phải được sử dụng cho nam châm vĩnh cửu. Bài báo này tập trung vào cách thực hiện mô phỏng quá trình phong ấn sao và khử từ của máy kéo ở Maxwell. Việc niêm phong sao trong phần mềm được thực hiện thông qua một mạch bên ngoài, với cấu hình mạch cụ thể được hiển thị trong hình bên dưới. Cuộn dây stato ba pha của máy kéo được ký hiệu là LPhaseA/B/C trong mạch. Để mô phỏng hiện tượng bịt kín hình sao ngắn mạch đột ngột của cuộn dây ba pha, một mô-đun song song (bao gồm nguồn dòng và công tắc điều khiển dòng điện) được nối nối tiếp với từng mạch cuộn dây pha. Ban đầu, công tắc điều khiển dòng điện mở và nguồn dòng điện ba pha cung cấp năng lượng cho cuộn dây. Tại một thời điểm nhất định, công tắc điều khiển dòng điện đóng lại, làm đoản mạch nguồn dòng ba pha và làm chập mạch cuộn dây ba pha, chuyển sang trạng thái bịt kín hình sao ngắn mạch.

Hình 2: Thiết kế mạch hàn kín hình sao

Momen bám sao cực đại đo được của máy kéo tương ứng với tốc độ 12 vòng/phút. Trong quá trình mô phỏng, tốc độ được tham số hóa là 10 vòng/phút, 12 vòng/phút và 14 vòng/phút để phù hợp với tốc độ đo được. Về thời gian dừng mô phỏng, vì dòng điện cuộn dây ổn định nhanh hơn ở tốc độ thấp hơn nên chỉ thiết lập 2–3 chu kỳ điện. Từ các đường cong kết quả trong miền thời gian, có thể đánh giá rằng mômen bịt kín sao được tính toán và dòng điện cuộn dây đã ổn định. Mô phỏng cho thấy mô-men xoắn kín sao ở trạng thái ổn định tại 12 vòng/phút là lớn nhất, ở mức 5885,3 Nm, thấp hơn 5,6% so với giá trị đo được. Dòng điện cuộn dây đo được là 265,8 A và dòng điện mô phỏng là 251,8 A, giá trị mô phỏng cũng thấp hơn giá trị đo được 5,6%, đáp ứng yêu cầu về độ chính xác thiết kế.

Hình 3: Mô men xoắn và dòng điện cuộn dây cực đại

Máy kéo là thiết bị đặc biệt có yêu cầu an toàn cao và việc khử từ nam châm vĩnh cửu là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của chúng. Không được phép khử từ không thể đảo ngược vượt quá tiêu chuẩn. Trong bài báo này, phần mềm ANSYS Maxwell được sử dụng để mô phỏng đặc tính khử từ của nam châm vĩnh cửu dưới tác dụng của từ trường ngược gây ra bởi dòng điện ngắn mạch ở trạng thái bịt kín sao. Từ xu hướng dòng điện cuộn dây, dòng điện đạt cực đại vượt quá 1000 A tại thời điểm đóng dấu sao và ổn định sau 6 chu kỳ điện. Tốc độ khử từ trong phần mềm Maxwell biểu thị tỷ lệ từ tính dư của nam châm vĩnh cửu sau khi tiếp xúc với trường khử từ với từ tính dư ban đầu của chúng; giá trị 1 biểu thị không khử từ và 0 biểu thị quá trình khử từ hoàn toàn. Từ các đường cong khử từ và bản đồ đường viền, tốc độ khử từ nam châm vĩnh cửu là 1, không quan sát thấy khử từ, xác nhận rằng máy kéo mô phỏng đáp ứng các yêu cầu về độ tin cậy.

Hình 4: Đường cong miền thời gian của dòng điện cuộn dây khi bịt kín sao ở tốc độ định mức

Hình 5: Đường cong tốc độ khử từ và bản đồ đường viền khử từ của nam châm vĩnh cửu

Đào sâu và triển vọng

Thông qua cả mô phỏng và đo lường, mô-men xoắn bịt kín sao của máy kéo và nguy cơ khử từ nam châm vĩnh cửu có thể được kiểm soát một cách hiệu quả, hỗ trợ mạnh mẽ cho việc tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo vận hành an toàn và tuổi thọ của máy kéo. Bài báo này không chỉ tìm hiểu việc tính toán mômen làm kín sao và khả năng khử từ trong máy kéo đồng bộ nam châm vĩnh cửu mà còn thúc đẩy mạnh mẽ việc cải thiện độ an toàn và tối ưu hóa hiệu suất của thang máy. Chúng tôi mong muốn thúc đẩy tiến bộ công nghệ và những đột phá đổi mới trong lĩnh vực này thông qua hợp tác và trao đổi liên ngành. Chúng tôi cũng kêu gọi nhiều nhà nghiên cứu và học viên tập trung vào lĩnh vực này, đóng góp trí tuệ và nỗ lực nâng cao hiệu suất của máy kéo đồng bộ nam châm vĩnh cửu và đảm bảo thang máy vận hành an toàn.