Design und Betrieb von High

May 11, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 2656 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ein Hochleistungs-Permanentmagnet-Geschwindigkeitsregler wird an einer Kühlwasserpumpe eingesetzt, um während der Stahlproduktion in Magang (Group) Holding Co., Ltd. Energie zu sparen. Dargestellt ist der entworfene Aufbau eines Hochleistungs-Permanentmagnet-Geschwindigkeitsreglers mit einer mobilen Basis In diesem Manuskript wurde der magnetische Wirbel unter dem unterschiedlichen Eingriffsbereich zwischen Antriebs- und Abtriebswelle simuliert. Und Schätzungen zufolge kann die durch einen Magnetgeschwindigkeitsregler gesteuerte Kühlwasserpumpe im Vergleich zur herkömmlichen ventilgesteuerten Pumpe 22 % elektrische Energie einsparen, etwa 1.756.400 kWh pro Jahr, und die durch diese Anordnung erzeugte Abwärme liegt unter 5 Zehner -Tausendstel der Wellenleistung. Aufgrund der berührungslosen Verbindung zwischen Antriebs- und Abtriebswelle weist der Permanentmagnet-Geschwindigkeitsregler deutlich geringere Vibrationen auf.

Im Vergleich zum herkömmlichen Getriebe bietet der Permanentmagnet-Geschwindigkeitsregler, der auf dem magnetischen Wirbel aufgrund der Relativbewegung zwischen Permanentmagnet und Leiter basiert, mehrere Vorteile wie höhere Energieeffizienz, höhere Zuverlässigkeit, einfachere Installation und geringere Kosten , und Sanftanlauf von Motor1,2. Mithilfe der neuen Technologie zur Drehzahlregelung mit Permanentmagneten kann der Motor seine Drehzahl regeln und Energie sparen, was sich positiv auf die Emissionsreduzierung auswirkt. Daher wird von den Forschern im industriellen Bereich immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt.

Die Entwicklung des Scheiben-Permanentmagnet-Geschwindigkeitsreglers hört nie auf, seit er in den 1990er Jahren vorgeschlagen wurde3,4. In den letzten Jahren wurden Forschungen zum Permanentmagnet-Geschwindigkeitsregler nicht nur in den Bereichen Modell und Simulation für die Grundanalyse5,6, sondern auch in der Anwendung mit Strukturverbesserung in der Industrie7,8 durchgeführt. Die Methode der virtuellen äquivalenten Linie wurde entwickelt, um den Endeffekt auf die Magnetfeldverteilung im Luftspaltbereich des Permanentmagnet-Geschwindigkeitsreglers zu ermitteln. Durch die Berechnung der statischen Luftspaltflussdichte wurde festgestellt, dass die auf der Grundlage des Modells berechnete Endeffektkompensationsfunktion in hohem Maße mit dem mit der Finite-Elemente-Methode berechneten Ergebnis übereinstimmt9. Laut einem Modell für dreidimensionale transiente Wirbelfelder in einigen Untersuchungen könnte der Ersatz der Kupferscheibe durch eine Aluminiumscheibe die geschwindigkeitsbestimmende Stabilität des permanentmagnetischen Kopplers verbessern10. Es wurde eine schnelle und genaue 3D-Modellierungsmethode vorgeschlagen, um die elektromagnetische Leistung von Maschinen mit Axialfluss-Permanentmagneten im Leerlauf zu bewerten. Die berechneten Ergebnisse der lokalen Felddichte, der elektromotorischen Kraft und des Rastmoments für den Scheibengeschwindigkeitsregler stimmten sehr gut mit den experimentellen Messungen überein11. Eine neuartige Strategie zur Flussschwächungssteuerung mit schneller transienter Stromreaktion soll die Anwendung der Flussschwächungssteuerung in Elektrofahrzeugen erleichtern. Die Simulation und die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die vorgeschlagene Strategie eine schnelle Drehmomentreaktion erreichen und auch die Fähigkeit zur Reduzierung aufweist die Drehmomentschwankung des stabilen Zustands12. Die Struktur des 250-kW-Permanentmagnetreglers wurde weiterentwickelt, um die Wärmeleitung zu verbessern und so den stabilen und zuverlässigen Betrieb dieser Anlage zu gewährleisten13. Halbach-Array, eine Art spezielles Permanentmagnet-Array, wurde in der Permanentmagnet-Kupplung getestet, und sowohl die Simulation als auch der Test zeigten eine höhere Effizienz im Axialgeschwindigkeitsregler14,15. Darüber hinaus wurde in den Separatoren auch Halbach-Array verwendet, um die Trenneffizienz zu verbessern16. Relativ systematische Untersuchungen zu Permanentmagnet-Geschwindigkeitsreglern wurden auch in den Referenzen17,18,19 gezeigt.

In diesem Manuskript wird ein 450-kW-Permanentmagnet-Drehzahlregler gezeigt, der für eine Kühlwasserpumpe in der Stahlproduktion verwendet wird. In diesem Geschwindigkeitsregler wird eine N-S-Polarray-Struktur verwendet, und das Magnetfeld und die Stromdichte im Leiterantriebszug, die durch den magnetgetriebenen Zug erzeugt werden, werden auf der Grundlage einer Finite-Elemente-Modellierungsanalyse (FEM) simuliert. Unter dem Motor befindet sich eine automatische, mobile Basis, die von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) gesteuert wird und den Eingriffsbereich und damit den magnetischen Wirbel reguliert, wodurch die Ausgangsleistung des Motors geändert wird, um den Wasserfluss im Rohr aufrechtzuerhalten. Messungen und Berechnungen zeigen, dass die durch einen Magnetgeschwindigkeitsregler gesteuerte Kühlwasserpumpe in dieser Studie im Vergleich zur herkömmlichen ventilgesteuerten Pumpe 22 % elektrische Energie, etwa 1.756.400 kWh pro Jahr, einsparen kann. Daher hat diese Art von Permanentmagnet-Geschwindigkeitsregler eine kompakte Struktur (axialer Abstand beträgt nur 25 cm). Darüber hinaus ist bei Verwendung des Permanentmagnet-Geschwindigkeitsreglers eine deutliche Reduzierung der Vibrationen zu beobachten. Mittlerweile ist die Abwärme im Aufbau aufgrund der Theorie der Wärmestrahlung sehr gering.

Basierend auf früherer Forschung und Anwendung20,21 wurde der Permanentmagnet-Geschwindigkeitsregler, der zur Einstellung der Hochleistungs-Kühlwasserpumpe während der Stahlproduktion verwendet wird, weiterentwickelt, um die Übertragungseffizienz und Wärmeableitungseffizienz zu erhöhen. Der Aufbau des fortschrittlichen Permanentmagnet-Geschwindigkeitsreglers mit dem Koordinatensystem ist in Abb. 1 dargestellt.

Aufbau des Permanentmagnet-Geschwindigkeitsreglers.

Wie in Abb. 1a zu sehen ist, besteht dieser Permanentmagnet-Geschwindigkeitsregler hauptsächlich aus Motor, Antriebswelle und Abtriebswelle, und der Motor ist auf einer mobilen Basis mit der Schiene befestigt. Die Antriebswelle ist am Motor befestigt. Wenn die angetriebene Welle zusammen mit der Schiene in die angetriebene Welle eingeführt wird, vergrößert sich die Eingriffsfläche zwischen der antreibenden und der angetriebenen Welle, wie in Abb. 1b zu sehen ist, wodurch das Rotationswiderstandsmoment des Motors erhöht wird. Um die Rotationsgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten, gibt der Motor eine höhere Leistung ab. Die Erkennung, Beurteilung und Steuerung der am Motor befestigten Antriebswelle erfolgt durch eine SPS.

Wie in Abb. 1b, c zu sehen ist, sind 12 Permanentmagnetstücke, die als Schlüsselkomponente der Antriebswelle dienen, durch die abwechselnde NS-Polanordnung auf der Zwölfeckbasis angeordnet. Der Kupferleiterzylinder ist an der Innenfläche der Hülse befestigt. Die zwölfeckige Basis und die Hülse bestehen aus Stahl und werden auch als Jocheisen verwendet, um die magnetische Intensität im Bereich dazwischen zu verstärken. Die Dicke des Luftspalts hg ist definiert als der Abstand vom umschriebenen Kreis der Permanentmagnetanordnung zur Innenfläche des Leiterzylinders. Die in der Abbildung angegebenen Schlüsselgrößen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die in diesem Gerät verwendete Magnetbezeichnung ist N52.

Die Einstecktiefe (lt) der Antriebseinheit, die über die mobile Basis eingestellt wird, kann bis zur Länge des Permanentmagneten in der Y-Achse (lm) reichen. Das r-θ-Koordinatensystem wird auch in die XOZ-Ebene des kartesischen Koordinatensystems eingeführt, wodurch die Schwierigkeit der Berechnung in der Simulation verringert wird. Gemäß der Ampere-Molekülstromhypothese und dem Biot-Savart-Gesetz22,23 wurde die durch die Permanentmagnetanordnung induzierte magnetische Intensität simuliert, wie in Abb. 2 dargestellt.

Simulierte magnetische Intensität B im Leiter.

Wie in Abb. 2 zu sehen ist, wurde aufgrund des Jocheisens eine relativ höhere magnetische Intensität erzielt. Die maximale magnetische Intensität konnte bei 0,25–0,3 T in der Ebene erreicht werden, die 9 mm von der Magnetanordnung entfernt ist.

Gemäß den Maxwell-Gleichungen mit dem Faradayschen Gesetz24,25 beträgt die induzierte Stromdichte im Kupferleiter wie folgt

wobei σ die Leitfähigkeit von Kupfer ist; B ist der Vektor der induzierten magnetischen Intensität; A ist ein eingeführter Vektor namens magnetisches Potential; v ist der Vektor der Relativgeschwindigkeit zwischen Leiterzylinder und Magnetanordnung und kann berechnet werden durch

wobei ω die relative Winkelfrequenz zwischen Leiterzylinder und Magnetanordnung ist; s, N und r sind die Schlupfdifferenz, die Eingangsrotationsgeschwindigkeit und der Vektor der Polarachse im r-θ-Koordinatensystem.

Wie in Formel (3) zu sehen ist, ändert sich die Stromdichte J proportional zur relativen Kreisfrequenz ω oder der Schlupfdifferenz s. Die simulierte Stromdichte des magnetischen Wirbels, der durch die relative Bewegung zwischen der Permanentmagnetanordnung und dem Leiterzylinder (ω = 1 rad/s) induziert wird, ist in Abb. 3 dargestellt, und ihr Vektordiagramm ist in Abb. 4c dargestellt. Einsatzverhältnis von 100 % (Abb. 4).

Simulierte Stromdichte J im Leiter.

Vektordiagramm des magnetischen Wirbels.

Wie in den Abb. zu sehen ist. In den Abbildungen 3 und 4 sind die 12 unabhängigen magnetischen Wirbel bei unterschiedlichen Einsatzverhältnissen der Antriebswelle deutlich zu erkennen. Die Oberflächenstromstärke des magnetischen Wirbels wird jedoch aufgrund des Einsatzverhältnisses stark von der Eingriffsfläche beeinflusst. Eine höhere Oberflächenstromstärke des magnetischen Wirbels bedeutet einen größeren magnetischen Widerstand von der angetriebenen Welle gegenüber der Antriebswelle16,19. Letzterer erhöht dann die Leistung, um die eingestellte Drehzahl des Motors beizubehalten.

Der 450-kW-Permanentmagnet-Geschwindigkeitsregler, der für die Kühlwasserpumpe verwendet wird, wie in Abb. 5 dargestellt, wird bei Magang (Group) Holding Co., Ltd. getestet. Im Vergleich zur oben simulierten Struktur ist der verwendeten Ausrüstung eine Kühlrippenanordnung hinzugefügt um die Wärmeableitung zu verbessern.

Ausrüstung im Vortest.

Die Grundparameter von Motor und Last (Wasserpumpe) sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Nach der Strömungslehre ist die Wellenleistung P proportional zum Produkt aus Durchflussmenge Q und Drehmoment H, nämlich

Und es gibt unterschiedliche Beziehungen zwischen den Parametern und der Rotationsgeschwindigkeit n, die angegeben werden als

Daher,

Tabelle 3 zeigt die berechneten Parameter, einschließlich der angegebenen Sparquote Rs

wobei Pmax die Wellenleistung bei maximaler Rotationsgeschwindigkeit ist.

Abbildung 6 zeigt den Unterschied zwischen den Laufeigenschaften der Lasten, die in diesem Projekt durch das herkömmliche Ventil und den Magnetgeschwindigkeitsregler gesteuert werden. Wenn der Durchfluss Q1 aufgrund des reduzierten Ventils im herkömmlichen ventilgesteuerten Modus auf Q2 abnimmt, verschiebt sich der Betriebszustand von A nach B, da der Netzwerkwiderstand im Rohr zunimmt. Der Durchfluss wird durch Reduzieren des Ventils verringert, die Rotationsgeschwindigkeit bleibt jedoch immer erhalten. Daher kann die Wellenleistung nicht reduziert werden.

Unterschiedliche Laufeigenschaften.

Andererseits wird die Drehzahl des Motors reduziert, indem die Einstecktiefe der Antriebseinheit in den Magnetgeschwindigkeitsregler verringert wird. Wenn die Drehzahl des Motors von n1 auf n2 sinkt und der Durchfluss auf Q2 eingestellt wird, behält das Rohr auch einen niedrigeren Druck HB bei. Dadurch wird die Wellenleistung reduziert und die Einsparleistung ΔP ist proportional zu Q2(H2 − HB), wie in Abb. 6 dargestellt. Den statistischen Daten zufolge kann der Magnetgeschwindigkeitsregler 10–25 % Energie einsparen. Entsprechend dem Nenndurchfluss (2020 m3·h−1), dem Nennhub (59 m) und dem minimalen Drehmoment (0,45 MPa) von zwei Motoren für das Kühlwasser in Magang (Group) Holding Co., Ltd. beträgt das Nenndrehmoment 0,58 MPa. Und die Sparquote beträgt (1 − 0,45 ÷ 0,58) × 100 % ≈ 22,4 %. Dann können die beiden Motoren Strom sparen: Ps = 2 × 1,732 × 6000 V × 51,78 A × 0,86 × 8472 h ÷ 1000 × 22,4 % ≈ 1.756.400 kWh, und die Gebühr beträgt etwa 833.000 chinesische Yuan (etwa 120.829 Dollar) pro Jahr.

Der Vibrationskontrast vor und nach der Verwendung des Geschwindigkeitsreglers ist ebenfalls in Tabelle 4 dargestellt.

Laut der Messung werden die Motorvibrationen nach Verwendung des magnetischen Geschwindigkeitsreglers deutlich reduziert, da kein fester Kontakt zwischen der Antriebswelle (Leiter) und der Abtriebswelle (Magnetanordnung) besteht, wodurch der Vibrationsverstärkungseffekt einer starren Verbindung entfällt. Mittlerweile gibt es eine relativ höhere Toleranz gegenüber der Koaxialität zwischen der antreibenden und der angetriebenen Welle, auch aufgrund ihres kontaktfreien Zustands. Andererseits ist bei der herkömmlichen ventilgesteuerten Pumpe eine äußerst genaue Achsenausrichtung erforderlich, deren Fehler unter 0,05 mm liegt.

Darüber hinaus betrug die Temperatur der Kühlrippe 43,4 °C, wie in Abb. 7 gemessen, wenn das Gerät in Betrieb ist. Die von diesem magnetischen Geschwindigkeitsregler erzeugte Abwärme kann auf 134 W/m2 geschätzt werden, wenn die Kühlrippe als grauer Körper mit einem Emissionsgrad von 0,85 angenommen wird. Die Kühlrippenfläche beträgt etwa 1,3 m2, und die von diesem magnetischen Drehzahlregler erzeugte Abwärme kann auf 185,9 W geschätzt werden, was weniger als 5 Zehntausendstel der Wellenleistung von 450 kW beträgt.

Temperaturtest der Kühlrippe.

Der entworfene und eingesetzte Permanentmagnet-Drehzahlregler für eine Kühlwasserpumpe kann durch aktive Anpassung der Motorleistung während des Stahlproduktionsprozesses viel elektrische Energie einsparen. Im Permanentmagnet-Geschwindigkeitsregler wird eine abwechselnde NS-Polanordnung als angetriebene Welle und ein Leiter als Antriebswelle verwendet. Eine mobile Basis, die von einer SPS gesteuert wird, wird verwendet, um den Eingriffsbereich und damit den magnetischen Wirbel anzupassen und so die Ausgangsleistung des Motors zu ändern. Der Berechnung zufolge kann der Magnetgeschwindigkeitsregler im Vergleich zur herkömmlichen ventilgesteuerten Pumpe 22 % elektrische Energie in der Kühlwasserpumpe einsparen, etwa 1.756.400 kWh pro Jahr. Darüber hinaus entstehen beim Permanentmagnet-Drehzahlregler weniger Vibrationen und deutlich weniger Abwärme.

Die während der aktuellen Studie analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Dieses Papier wird vom Industrial Collaborative Innovation Special Fund Project der Anhui Polytechnic University & Jiujiang District (2022cyxtb8), dem Start-up Fund for the Introductions of AHPU (2022YQQ001) und der National Natural Science Foundation of China (12205004) unterstützt.

Fakultät für Maschinenbau, Anhui Polytechnic University, Wuhu, China

Yimin Lu, Chunlai Yang, Long Shao und ManMan Xu

Wuhu Magnetic Wheel Transmission Technology Ltd., Wuhu, China

Xiangdong Wang, Hui Zhu & Aike Wang

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YL und CY führten die Datenanalysen durch und verfassten den Haupttext des Manuskripts. XW war an der Konzeption der Studie beteiligt. HZ und AW stellten die Haupttesttechnologie vor Ort zur Verfügung und erstellten Abbildungen. 1, 5 und 6. LS und MX führten die Simulation durch und erstellten die Abbildungen. 2, 3 und 4. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit ManMan Xu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lu, Y., Wang, X., Yang, C. et al. Design und Betrieb eines Hochleistungs-Permanentmagnet-Geschwindigkeitsreglers für den Einsatz in der Industrie. Sci Rep 13, 2656 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29187-7

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Eingegangen: 12. November 2022

Angenommen: 31. Januar 2023

Veröffentlicht: 14. Februar 2023

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

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