永磁同步曳引机封星计算及应用研究

背景

永磁同步电机（PMSM）作为现代工业和日常生活中广泛应用的一种电机类型，具有高效、节能、可靠等优点，是众多领域的首选动力设备。永磁同步曳引机通过先进的控制技术，不仅能够提供平稳的升降运动，还能实现轿厢的精确定位和安全保护，凭借其优异的性能成为众多电梯系统中的关键部件。然而，随着电梯技术的不断发展，对永磁同步曳引机的性能要求也越来越高，特别是在封星技术方面的应用，更是成为了研究的热点。

研究问题及意义

传统永磁同步曳引机封星转矩评估，依靠理论计算和实测数据推导，难以考虑曳引机封星的超瞬态过程和电磁场非线性，效率低且准确度不高。封星时的瞬时大电流有造成永磁体不可逆退磁的风险，也很难评估。随着有限元分析软件的发展，以上问题得以解决。目前，理论计算更多是用于指导设计，结合软件分析，可以更快速更准确地分析封星转矩。本文将以一台永磁同步曳引机为例，对其封星工况进行有限元分析。这些研究不仅有助于丰富永磁同步曳引机的理论体系，还将为电梯的安全性能提升和性能优化提供有力支持。

有限元分析在封星计算中的应用

为了验证仿真结果的准确性，选取一款已有测试数据的曳引机，其额定转速为159rpm，在不同转速下的实测稳态封星转矩及绕组电流如下。在12rpm时，封星转矩达到最大。

图1：封星实测数据

接下来，我们在Maxwell软件中针对这款曳引机进行有限元分析。首先，建立曳引机的几何模型，并设置相应的材料属性和边界条件。然后，通过求解电磁场方程，得到曳引机时域下的电流曲线、转矩曲线、以及永磁体不同时间下的退磁状态。验证仿真结果与实测数据的一致性。

曳引机的有限元模型建立，属于电磁分析的基础，在此不再赘述。其中强调，电机的材料设置一定要符合实际使用，考虑后续会对永磁体做退磁分析，永磁体需要使用非线性的BH曲线。本文主要论述如何在Maxwell中实现曳引机的封星以及退磁模拟。软件中封星的实现采用外电路方式，具体电路设置如下图。该曳引机的三相定子绕组在电路中为LPhaseA/B/C，为了模拟三相绕组的突然短路封星，在每一相绕组回路串联一个并联模块，该模块由一个电流源和流控开关组成。开始时，流控开关打开，三相电流源为绕组供电，在设定时间，流控开关闭合，三相电流源被短路，三相绕组短接，此时为短路封星状态。

图2：封星电路设计

曳引机实测最大封星转矩对应的转速为12rpm，在仿真的时候对标实测的转速，参数化设置转速为10rpm、12rpm、14rpm。关于仿真停止时间，考虑速度较低时，绕组电流会更快达到稳定，只设置2-3个电周期即可。从结果时域曲线可以判断，计算封星转矩值已经稳定，绕组电流也已经稳定。仿真得到12rpm时的稳态封星转矩最大，为5885.3Nm，仿真值较实测值低5.6%，实测绕组电流为265.8A，仿真值为251.8A，仿真值较实测值低5.6%，精度满足设计要求。

图3：封星转矩峰值及绕组电流

曳引机是关乎安全的特种设备，永磁体退磁是影响其性能和可靠性的关键因素之一，超出标准的不可逆退磁是不允许存在的。在本文中，我们将通过Ansys Maxwell软件，来模拟封星状态下，永磁体在短路电流形成反向磁场下的退磁特性。从绕组电流趋势线可以看出，绕组电流在封星瞬间，电流峰值超过1000A，经过6个电周期趋于稳定。Maxwell软件的退磁率表征的是，永磁体经历退磁磁场后的剩磁与原始剩磁的比例，数值1表示永磁体无退磁，数值0表示永磁体完全退磁。从退磁曲线和退磁云图可以看出，永磁体退磁率为1，无退磁现象发生，证明模拟的曳引机可靠性是满足要求的。

图4：额定转速封星的绕组电流时域曲线

图5：永磁体退磁率曲线及退磁云图

深化与展望

通过仿真和实测两种手段，可以有效管控曳引机的封星转矩和永磁体退磁风险，既为曳引机的性能优化提供了有力支持，又为曳引机的安全运行和寿命提供保障。本文不仅是对永磁同步曳引机封星转矩和退磁计算的一次探索，更是对电梯安全性能提升和性能优化的一次有力推动。我们期待通过跨学科的合作与交流，共同推动这一领域的技术进步和创新突破。同时，我们也呼吁更多的研究者和从业者关注这一领域，共同为提升永磁同步曳引机的性能、保障电梯的安全运行贡献智慧和力量。