영구자석 동기권상기의 별밀봉 계산 및 응용에 관한 연구

배경

영구자석동기모터(PMSM)는 고효율, 에너지 절약, 신뢰성 등의 장점으로 인해 현대 산업과 일상생활에서 널리 사용되고 있으며 다양한 분야에서 선호되는 전력기기입니다. 영구자석 동기 견인기는 고급 제어 기술을 통해 부드러운 리프팅 동작을 제공할 뿐만 아니라 엘리베이터 카의 정확한 위치 지정 및 안전 보호를 달성합니다. 뛰어난 성능으로 인해 많은 엘리베이터 시스템의 핵심 구성 요소가 되었습니다. 그러나 엘리베이터 기술의 지속적인 개발로 인해 영구 자석 동기 견인 기계에 대한 성능 요구 사항이 증가하고 있으며 특히 연구 핫스팟이 된 "스타 씰링" 기술의 적용이 증가하고 있습니다.

연구 이슈 및 의의

영구 자석 동기 견인 기계의 스타 밀봉 토크에 대한 전통적인 평가는 이론적 계산과 측정된 데이터의 도출에 의존합니다. 이는 스타 밀봉의 초과도 프로세스와 전자기장의 비선형성을 설명하는 데 어려움을 겪어 효율성과 정확성이 낮습니다. 스타 밀봉 중 순간적인 대전류는 영구 자석의 비가역적인 자기소거 위험을 초래하며, 이 역시 평가하기 어렵습니다. 유한요소해석(FEA) 소프트웨어의 개발로 이러한 문제가 해결되었습니다. 현재 이론적 계산은 설계를 안내하는 데 더 많이 사용되며 이를 소프트웨어 분석과 결합하면 스타 씰링 토크를 더 빠르고 정확하게 분석할 수 있습니다. 본 논문에서는 영구 자석 동기 견인 기계를 예로 들어 스타 밀봉 작동 조건에 대한 유한 요소 분석을 수행합니다. 이러한 연구는 영구 자석 동기식 견인 기계의 이론적 시스템을 풍부하게 할 뿐만 아니라 엘리베이터 안전 성능을 개선하고 성능을 최적화하기 위한 강력한 지원을 제공합니다.

별 밀봉 계산에 유한 요소 분석 적용

시뮬레이션 결과의 정확성을 검증하기 위해 기존 테스트 데이터를 사용하여 정격 속도 159rpm의 견인 기계를 선택했습니다. 다양한 속도에서 측정된 정상 상태 스타 씰링 토크와 권선 전류는 다음과 같습니다. 스타 씰링 토크는 12rpm에서 최대에 도달합니다.

그림 1: Star-Sealing 측정 데이터

다음으로 Maxwell 소프트웨어를 사용하여 이 견인 기계의 유한 요소 분석을 수행했습니다. 먼저 권상기의 기하학적 모델을 확립하고, 이에 상응하는 재료특성과 경계조건을 설정하였다. 그런 다음 전자기장 방정식을 풀어 시간 영역 전류 곡선, 토크 곡선 및 영구 자석의 감자 상태를 시간에 따라 구했습니다. 시뮬레이션 결과와 측정된 데이터 간의 일관성이 검증되었습니다.

견인 기계의 유한 요소 모델 설정은 전자기 분석의 기본이므로 여기서는 자세히 설명하지 않습니다. 모터의 재료 설정은 실제 사용과 일치해야 한다는 점이 강조됩니다. 영구자석의 후속 감자해석을 고려하면, 영구자석에는 비선형 B-H 곡선을 사용해야 합니다. 이 문서에서는 Maxwell에서 견인 기계의 스타 씰링 및 자기소거 시뮬레이션을 구현하는 방법에 중점을 둡니다. 소프트웨어의 스타 씰링은 외부 회로를 통해 실현되며, 구체적인 회로 구성은 아래 그림과 같습니다. 권상기의 3상 고정자 권선은 회로에서 LPhaseA/B/C로 표시됩니다. 3상 권선의 갑작스러운 단락 스타 씰링을 시뮬레이션하기 위해 병렬 모듈(전류 소스와 전류 제어 스위치로 구성)이 각 위상 권선 회로와 직렬로 연결됩니다. 처음에는 전류 제어 스위치가 열려 있고 3상 전류 소스가 권선에 전원을 공급합니다. 설정된 시간에 전류 제어 스위치가 닫히고 3상 전류원이 단락되고 3상 권선이 단락되어 단락 스타 밀봉 상태로 들어갑니다.

그림 2: 스타 밀봉 회로 설계

견인 기계의 측정된 최대 스타 씰링 토크는 12rpm의 속도에 해당합니다. 시뮬레이션 중에 속도는 측정된 속도에 맞춰 10rpm, 12rpm, 14rpm으로 매개변수화되었습니다. 시뮬레이션 정지 시간과 관련하여 권선 전류가 낮은 속도에서 더 빨리 안정화된다는 점을 고려하여 2~3개의 전기 사이클만 설정했습니다. 결과의 시간 영역 곡선에서 계산된 스타 씰링 토크와 권선 전류가 안정화된 것으로 판단할 수 있습니다. 시뮬레이션 결과, 12rpm에서 정상 상태 스타 씰링 토크가 5885.3Nm으로 가장 큰 것으로 나타났으며 이는 측정된 값보다 5.6% 낮았습니다. 측정된 권선 전류는 265.8A이고, 시뮬레이션된 전류는 251.8A였으며, 시뮬레이션 값 역시 측정된 값보다 5.6% 낮아 설계 정확도 요구 사항을 충족했습니다.

그림 3: 피크 스타 밀봉 토크 및 권선 전류

권상기는 안전이 중요한 특수 장비이며, 영구자석 감자는 권상기의 성능과 신뢰성에 영향을 미치는 핵심 요소 중 하나입니다. 표준을 초과하는 비가역적 감자는 허용되지 않습니다. 본 논문에서는 Ansys Maxwell 소프트웨어를 사용하여 별 밀봉 상태에서 단락 전류에 의해 유도된 역자기장에서 영구 자석의 감자 특성을 시뮬레이션했습니다. 권선 전류 추세에 따르면 전류 피크는 스타 밀봉 순간에 1000A를 초과하고 6회 전기 사이클 후에 안정화됩니다. Maxwell 소프트웨어의 감자율은 원래 잔류 자성에 대한 감자 장에 노출된 후 영구 자석의 잔류 자성의 비율을 나타냅니다. 값 1은 감자가 없음을 나타내고 0은 완전한 감자를 나타냅니다. 감자 곡선과 등고선 지도에서 영구 자석 감자율은 1이며 감자가 관찰되지 않아 시뮬레이션된 견인 기계가 신뢰성 요구 사항을 충족함을 확인합니다.

그림 4: 정격 속도에서 스타 실링 하의 권선 전류의 시간 영역 곡선

그림 5: 영구 자석의 감자율 곡선 및 감자 등고선도

심화와 전망

시뮬레이션과 측정을 통해 견인 기계의 스타 씰링 토크와 영구 자석 감자기 위험을 효과적으로 제어할 수 있어 성능 최적화를 위한 강력한 지원을 제공하고 견인 기계의 안전한 작동과 수명을 보장합니다. 본 논문에서는 영구 자석 동기 견인 기계의 별 밀봉 토크 및 감자소거 계산을 탐구할 뿐만 아니라 엘리베이터 안전성 및 성능 최적화 개선을 강력하게 촉진합니다. 우리는 학제 간 협력과 교류를 통해 이 분야의 기술 발전과 혁신적인 돌파구를 발전시키기를 기대합니다. 우리는 또한 더 많은 연구자들과 실무자들이 이 분야에 집중하여 영구자석 동기 견인기의 성능을 향상하고 엘리베이터의 안전한 작동을 보장하기 위한 지혜와 노력에 기여할 것을 요청합니다.