高性能の設計と運用

May 11, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2656 (2023) この記事を引用

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高出力永久磁石速度調整器は、馬港（グループ）ホールディング株式会社の鉄鋼生産中のエネルギーを節約するために冷却水ポンプに適用されています。モバイルベースを備えた高出力永久磁石速度調整器の設計されたセットアップが示されていますこの原稿では、駆動シャフトと従動シャフトの間の異なる噛み合い領域の下の磁気渦がシミュレートされています。 また、推定によると、磁石速度レギュレータ制御の冷却水ポンプは、従来のバルブ制御ポンプと比較して、電力エネルギーを 22% (年間約 1,756,400 kW·h) 節約でき、この設定によって発生する廃熱は 50 パーセント未満です。 -シャフトパワーの数千分の1。 一方、永久磁石式調速機は、駆動軸と従動軸が非接触であるため、振動が大幅に低くなります。

従来のギアボックスと比較して、永久磁石と導体の間の相対運動による磁気渦に基づいた永久磁石速度調整器は、エネルギー効率が高く、信頼性が高く、設置が簡単で、コストが低いなどのいくつかの利点があります。 、モーター1、2のソフトスタート。 モーターには永久磁石で速度を調整できる新技術が使用されており、速度を制御してエネルギーを節約し、排出ガス削減に貢献します。 したがって、産業分野の研究者からますます注目が集まっています。

ディスク型永久磁石速度調整器は 1990 年代に提案されて以来、開発が止まらない 3,4。 近年、永久磁石式調速機の研究は、基礎解析のためのモデルやシミュレーションの項目 5,6 だけでなく、産業における構造改善を伴う応用分野でも研究が進められている 7,8。 仮想等価線法は、永久磁石速度調整器のエアギャップ領域における磁場分布に対する最終効果を解決するために開発されました。 静的エアギャップ磁束密度の計算により、モデルに基づいて計算された端効果補償関数は、有限要素法による計算結果と非常に一致していることがわかりました9。 いくつかの研究における 3D 過渡渦磁場のモデルによれば、銅ディスクをアルミニウム ディスクに置き換えることで、永久磁石カプラの速度制御の安定性が向上する可能性があります 10。 無負荷条件下で軸方向磁束永久磁石を備えた機械の電磁性能を評価するための、高速で正確な 3D モデリング方法が提案されました。 ディスク速度レギュレータの局所磁場密度、起電力、およびコギング トルクの計算結果は、実験による測定結果と非常によく一致していました11。 高速な過渡電流応答を備えた新しい弱め磁束制御戦略は、電気自動車での弱め磁束制御アプリケーションを容易にするように設計されており、シミュレーションと実験結果は、提案された戦略が高速トルク応答を達成でき、また、トルクを低減する能力があることを示しました。安定状態のトルク変動１２． 250 kW 永久磁石ガバナの構造を改良して熱伝導を改善し、この装置の安定した信頼性の高い動作を保証します13。 特殊な永久磁石アレイの一種であるハルバッハ アレイが永久磁石カプラで試行され、シミュレーションとテストの両方で軸速度調整器の効率が高いことが示されました 14,15。 さらに、分離効率を向上させるために、分離器にもハルバッハ配列が使用されています16。 永久磁石速度調整器に関する比較的体系的な研究も参考文献 17、18、19 に示されています。

この原稿では、鉄鋼生産における冷却水ポンプに使用される 450 kW 永久磁石速度調整器が示されています。 この速度調整器にはN-S極配列構造が採用されており、磁石駆動通風により誘起される導体駆動通風内の磁界と電流密度が有限要素モデリング(FEM)解析に基づいてシミュレーションされています。 モーターの下では、プログラマブル ロジック コントローラー (PLC) によって制御される自動移動ベースが斬新に使用され、噛み合い領域とその結果として生じる磁気渦を調整し、パイプ内の水の流れを維持するためにモーターの出力を変更します。 測定と計算の結果、本研究の磁石速度調整器制御冷却水ポンプは、従来のバルブ制御ポンプと比較して、22%、年間約 1,756,400 kW・h の電力エネルギーを節約できることがわかりました。 したがって、この種の永久磁石式調速機はコンパクトな構造になっています（軸方向のピッチはわずか 25 cm）。 さらに、永久磁石速度調整器を使用すると、明らかに振動が減少することが観察されます。 一方、熱放射の理論に基づいて、セットアップ内の廃熱は非常に低くなります。

これまでの研究と応用 20,21 に基づいて、鉄鋼生産中に高出力冷却水ポンプを調整するために使用される永久磁石速度調整器は、伝達効率と放熱効率を向上させるために改良されました。 高性能永久磁石式調速機の構造と座標系を図1に示します。

永久磁石式調速機の構造。

図1aに見られるように、この永久磁石速度調整器は主にモーター、駆動シャフト、および従動シャフトを含み、モーターはトラックを備えた可動ベースに固定されています。 駆動軸はモーターに固定されています。 従動軸をトラックに沿って従動軸に挿入すると、図1bのように駆動軸と従動軸の噛み合い面積が増加し、モータの回転抵抗モーメントが増大します。 回転速度を維持するために、モーターはより高い出力を出力します。 モーターが固定された駆動軸の検出・判断・制御はPLCにより行われます。

図1b、cに見られるように、駆動軸の主要部品である12個の永久磁石が12角形のベース上にN極S極交互配列で配置されています。 銅導体の円筒はスリーブの内面に固定されています。 12角形のベースとスリーブはスチール製で、その間の領域の磁力を強化するヨーク鉄としても使用されています。 エアギャップの厚さ hg は、永久磁石列の外接円から導体円筒内面までの距離として定義されます。 図に示されているキーのサイズを表 1 に示します。このデバイスで使用されている磁石の名称は N52 です。

駆動部の挿入深さ（lt）は可動ベースにより調整され、永久磁石のY軸方向の長さ（lm）まで到達可能です。 直交座標系の XOZ 平面にも r-θ 座標系が導入されており、シミュレーションにおける計算の難易度が軽減されています。 アンペール分子電流仮説とビオ・サバールの法則 22,23 に従って、図 2 に示すように、永久磁石アレイによって誘導される磁気強度がシミュレートされています。

導体の磁力強度 B をシミュレートします。

図2に見られるように、ヨーク鉄により比較的高い磁気強度が得られました。 最大磁気強度は、磁石アレイから 9 mm 離れた面で 0.25 ～ 0.3 T に達することができました。

ファラデーの法則 24,25 を用いたマクスウェル方程式によれば、銅導体の誘導電流密度は次のようになります。

ここで、σは銅の導電率です。 B は誘導磁気強度のベクトルです。 A は磁気ポテンシャルと呼ばれる導入ベクトルです。 v は導体円筒と磁石列の間の相対速度のベクトルであり、次のように計算できます。

ここで、ωは導体シリンダーと磁石アレイの間の相対角周波数です。 s、N、r は、r-θ 座標系のすべり差、入力回転速度、極軸のベクトルです。

式(3)に見られるように、電流密度Jは相対角周波数ωまたは滑り差sに比例して変化します。 永久磁石アレイと導体円筒の間の相対運動（ω = 1 rad/s）によって誘導される磁束のシミュレーション電流密度を図 3 に示し、そのベクトルグラフを図 4c に示します。 100% (図 4)。

導体のシミュレートされた電流密度 J。

磁気渦のベクトル グラフ。

図からわかるように。 図３および図４では、駆動シャフトの異なる挿入比の下で１２の独立した磁気渦がはっきりと観察される。 しかし、磁気渦の表面電流強度はインサート比による噛み合い面積に大きく影響されます。 磁気渦の表面電流強度が大きいほど、従動軸から駆動軸に対する磁気抵抗が大きくなります16,19。 そして後者はモーターの設定回転速度を維持するために出力を増加させます。

図5に示す冷却水ポンプに使用される450 kWの永久磁石速度調整器は、馬港（グループ）ホールディングス株式会社でテストされています。上記のシミュレーション構造と比較して、適用された装置には冷却フィンアレイが追加されています熱の吸収を改善します。

予備テスト時の装備。

モータと負荷（ウォーターポンプ）の基本パラメータを表2に示します。

流体力学によれば、軸動力 P は流量 Q とトルク H の積に比例します。

そして、パラメータと回転速度 n の間には異なる関係があり、次のように与えられます。

したがって、

表 3 は、次のように与えられる節約率 Rs を含む、計算されたパラメーターを示しています。

ここで、Pmax は最大回転速度でのシャフト出力です。

図 6 は、このプロジェクトの従来のバルブと磁石速度調整器によって制御される負荷の動作特性の違いを示しています。 従来のバルブ調整モードでバルブの減少により流量Q1がQ2に減少すると、配管内のネットワーク抵抗が増加するため、運転条件はAからBに移行します。 バルブを絞ることで流量は減少しますが、回転速度は常に維持されます。 したがって、軸動力を低減することができない。

さまざまな走行特性。

一方、マグネット速度調整器の駆動部の挿入深さが浅くなると、モータの回転速度が低下します。 モーターの回転速度がn1からn2に減少し、流量がQ2に調整されると、配管もより低い圧力HBを維持します。 これにより軸動力が減少し、図6に示すように節約動力ΔPはQ2(H2−HB)に比例します。統計データによると、マグネット式速度調整器は10%〜25%の節電が可能です。 馬港（集団）控股有限公司の冷却水用モーター2台の定格流量（2020m3・h−1）、定格揚程（59m）、最小トルク（0.45MPa）によると、定格トルクは0.58MPa。 また、貯蓄率は、(1 − 0.45 ÷ 0.58) × 100% ≒ 22.4% となります。 この場合、2 つのモーターは電力 Ps = 2 × 1.732 × 6000 V × 51.78A × 0.86 × 8472 h ÷ 1000 × 22.4% ≈ 1,756,400 kW・h を節約でき、料金は年間約 833,000 中国元 (約 120,829 ドル) となります。

速度調整器の使用前後の振動のコントラストも表 4 に示します。

測定結果によると、磁気式調速機の使用後は、駆動軸（導体）と従動軸（磁石列）間の強固な接触がなくなり、剛結合による振動増幅効果がなくなるため、モータの振動が大幅に減少しました。 一方、駆動軸と従動軸も非接触であるため、同軸度に対する公差は比較的高い。 一方、従来のバルブ制御ポンプでは、誤差が 0.05 mm 未満の非常に正確な軸調整が必要です。

また、装置運転時の冷却フィン温度は図7に示すように43.4℃でした。 この磁気速度調整器によって発生する廃熱放射量は、冷却フィンを放射率 0.85 の灰色の本体と仮定すると、134 W/m2 と推定できます。 冷却フィンの面積は約 1.3 平方メートルで、この磁気式速度調整器によって発生する廃熱は 185.9 W と見積もることができ、これは軸出力 450 kW の 5 万分の 1 以下です。

冷却フィンの温度試験。

冷却水ポンプ用に設計され適用された永久磁石速度調整器は、モーター出力をアクティブに調整することにより、鉄鋼生産プロセス中に大幅な電力エネルギーを節約できます。 永久磁石速度調整器では、N極とS極の交互配列が被駆動軸として使用され、導体が駆動軸として使用されます。 PLC によって制御される可動ベースを使用して、噛み合い領域とその結果としての磁気渦を調整し、モーターの出力を変更します。 計算によると、磁石速度調整器は、従来のバルブ制御ポンプと比較して、冷却水ポンプの電力エネルギーを 22%、年間約 1,756,400 kW・h 節約できます。 さらに、永久磁石速度調整器で発生する振動と廃熱が大幅に減少します。

現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この論文は、安徽理工大学および九江区の産業連携イノベーション特別基金プロジェクト (2022cyxtb8)、AHPU 導入のためのスタートアップ基金 (2022YQQ001)、および中国国立自然科学財団 (12205004) の支援を受けています。

中国蕪湖市の安徽理工大学機械工学部

イーミン・ルー、チュンライ・ヤン、ロン・シャオ、マンマン・シュー

蕪湖磁気車輪伝送技術有限公司、蕪湖市、中国

Xiangdong Wang、Hui Zhu、Aike Wang

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YL と CY はデータ分析を実行し、主要な原稿テキストを作成しました。 XW は研究の構想に貢献しました。 HZ と AW は主要なオンサイト試験技術を提供し、図を作成しました。 LS と MX はシミュレーションを実行し、図 1、5、6 を作成しました。 2、3、4。著者全員が原稿をレビューしました。

ManMan Xu への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Lu, Y.、Wang, X.、Yang, C. 他産業で使用される高出力永久磁石速度調整器の設計と操作。 Sci Rep 13、2656 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29187-7

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受信日: 2022 年 11 月 12 日

受理日: 2023 年 1 月 31 日

公開日: 2023 年 2 月 14 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29187-7

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