Conception et exploitation de haute

Aug 15, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2656 (2023) Citer cet article

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Un régulateur de vitesse à aimant permanent haute puissance est appliqué à une pompe à eau de refroidissement pour économiser l'énergie pendant la production d'acier à Magang (Group) Holding Co., Ltd. La configuration conçue du régulateur de vitesse à aimant permanent haute puissance avec une base mobile est illustrée dans ce manuscrit, et le tourbillon magnétique sous la zone de maillage différente entre les arbres d'entraînement et entraînés a été simulé. Et l'estimation indique que la pompe à eau de refroidissement contrôlée par régulateur de vitesse magnétique peut économiser de l'énergie électrique de 22 %, soit environ 1 756 400 kW·h par an, par rapport à la pompe traditionnelle contrôlée par vanne, et la chaleur perdue générée par cette configuration est inférieure à 5 dix millièmes de la puissance de l'arbre. Pendant ce temps, le régulateur de vitesse à aimant permanent a une vibration beaucoup plus faible en raison de cette voie sans contact entre les arbres menant et entraîné.

Par rapport à la boîte de vitesses traditionnelle, le régulateur de vitesse à aimant permanent, qui est basé sur le tourbillon magnétique dû au mouvement relatif entre l'aimant permanent et le conducteur, présente plusieurs avantages tels qu'une meilleure efficacité énergétique, une plus grande fiabilité, une installation plus facile, un coût réduit et un démarrage progressif du moteur1,2. La nouvelle technologie de vitesse réglable à aimant permanent est utilisée pour que le moteur contrôle sa vitesse et économise son énergie, ce qui est bénéfique pour la réduction des émissions. Par conséquent, de plus en plus d'attention a été accordée par les chercheurs dans le domaine industriel.

Le développement du régulateur de vitesse à aimant permanent de type disque ne s'arrête jamais, depuis qu'il a été proposé dans les années 19903,4. Ces dernières années, des recherches sur le régulateur de vitesse à aimant permanent ont été menées non seulement dans les éléments du modèle et de la simulation pour l'analyse de base5,6, mais également dans l'application avec amélioration de la structure dans l'industrie7,8. La méthode de la ligne équivalente virtuelle a été développée pour résoudre l'effet final sur la distribution du champ magnétique dans la région de l'entrefer du régulateur de vitesse à aimant permanent. Grâce au calcul de la densité de flux de l'entrefer statique, il a été constaté que la fonction de compensation de l'effet final calculée sur la base du modèle était très cohérente avec le résultat calculé par la méthode des éléments finis9. Selon le modèle de champ de Foucault transitoire 3D dans certaines recherches, la substitution du disque de cuivre par un disque d'aluminium pourrait améliorer la vitesse gouvernant la stabilité du coupleur magnétique permanent10. Une méthode de modélisation 3D rapide et précise a été proposée pour évaluer les performances électromagnétiques des machines à aimant permanent à flux axial dans des conditions sans charge. Les résultats calculés de la densité de champ local, de la force électromotrice et du couple d'encoche pour le régulateur de vitesse du disque étaient en très bon accord avec les mesures expérimentales11. Une nouvelle stratégie de contrôle d'affaiblissement de flux avec une réponse de courant transitoire rapide est conçue pour faciliter l'application de contrôle d'affaiblissement de flux sur un véhicule électrique, et la simulation et les résultats expérimentaux ont montré que la stratégie proposée pourrait atteindre la réponse de couple rapide et également avoir la capacité de réduire la fluctuation de couple de l'état stable12. La structure du régulateur à aimant permanent de 250 kW a été avancée pour améliorer la conduction de la chaleur, garantissant le fonctionnement stable et fiable de cet équipement13. Le réseau Halbach, une sorte de réseau d'aimants permanents spécial, a été essayé dans le coupleur à aimants permanents, et la simulation et le test ont montré une efficacité supérieure dans le régulateur de vitesse axial14,15. De plus, le réseau Halbach a également été utilisé dans les séparateurs pour améliorer l'efficacité de la séparation16. Des recherches relativement systématiques sur le régulateur de vitesse à aimant permanent ont également été présentées dans les références17,18,19.

Dans ce manuscrit, un régulateur de vitesse à aimant permanent de 450 kW utilisé pour le refroidissement de la pompe à eau dans la production d'acier est présenté. La structure de réseau de pôles N – S est utilisée dans ce régulateur de vitesse, et le champ magnétique et la densité de courant dans le tirage d'entraînement du conducteur induit par le tirage entraîné par l'aimant sont simulés sur la base d'une analyse de modélisation par éléments finis (FEM). Sous le moteur, une base mobile automatique commandée par automate programmable (PLC) sert de nouveauté pour régler la zone d'engrènement et par conséquent les tourbillons magnétiques, en modifiant la puissance de sortie du moteur pour maintenir le débit d'eau dans le tuyau. Les mesures et les calculs montrent que la pompe à eau de refroidissement contrôlée par régulateur de vitesse magnétique dans cette recherche peut économiser de l'énergie électrique de 22 %, soit environ 1 756 400 kW·h par an, par rapport à la pompe traditionnelle contrôlée par vanne. Par conséquent, ce type de régulateur de vitesse à aimant permanent est dans une structure compacte (le pas axial n'est que de 25 cm). De plus, une réduction évidente des vibrations est observée lorsque le régulateur de vitesse à aimant permanent est utilisé. Pendant ce temps, la chaleur perdue dans l'installation est très faible sur la base de la théorie du rayonnement thermique.

Basé sur d'anciennes recherches et applications20,21, le régulateur de vitesse à aimant permanent, qui est utilisé pour ajuster la pompe à eau de refroidissement haute puissance pendant la production d'acier, est avancé pour augmenter l'efficacité de transmission et l'efficacité de dissipation thermique. La structure du régulateur de vitesse à aimant permanent avancé avec le système de coordonnées est illustrée à la Fig. 1.

Structure du régulateur de vitesse à aimant permanent.

Comme le montre la figure 1a, ce régulateur de vitesse à aimant permanent comprend principalement un moteur, un arbre d'entraînement et un arbre entraîné, et le moteur est fixé sur une base mobile avec le rail. L'arbre moteur est fixé sur le moteur. Lorsque l'arbre entraîné est inséré dans l'arbre entraîné avec la piste, la zone d'engrènement entre les arbres menant et entraîné augmente comme le montre la Fig. 1b, améliorant le moment de résistance à la rotation du moteur. Afin de conserver la vitesse de rotation, le moteur délivre une puissance plus élevée. La détection, le jugement et le contrôle de l'arbre d'entraînement fixé au moteur sont effectués par PLC.

Comme on le voit sur les Fig. 1b, c, 12 pièces d'aimant permanent, qui sont utilisées comme composant clé de l'arbre d'entraînement, sont disposées par le réseau de pôles N – S alternés sur la base de type dodécagone. Le cylindre conducteur en cuivre est fixé sur la surface intérieure du manchon. La base de type dodécagone et le manchon sont en acier et sont également utilisés comme fer de culasse pour renforcer l'intensité magnétique dans la région qui les sépare. L'épaisseur de l'entrefer hg est définie comme la distance entre le cercle circonscrit du réseau d'aimants permanents et la surface intérieure du cylindre conducteur. Les tailles de clé indiquées dans la figure sont indiquées dans le tableau 1. La désignation de l'aimant utilisée dans cet appareil est N52.

La profondeur d'insertion (lt) de l'unité d'entraînement, qui est ajustée par la base mobile, peut atteindre la longueur de l'aimant permanent dans l'axe Y (lm). Le système de coordonnées r – θ est également introduit dans le plan XOZ du système de coordonnées cartésien, réduisant la difficulté du calcul en simulation. Selon l'hypothèse du courant moléculaire d'Ampère et la loi de Biot-Savart22,23, l'intensité magnétique induite par le réseau d'aimants permanents a été simulée, comme le montre la Fig. 2.

Intensité magnétique B simulée dans le conducteur.

Comme on le voit sur la figure 2, une intensité magnétique relativement plus élevée a été gagnée en raison du fer de culasse. L'intensité magnétique maximale pourrait être atteinte à 0,25–0,3 T dans le plan à 9 mm du réseau d'aimants.

Selon les équations de Maxwell avec la loi de Faraday24,25, la densité de courant induit dans le conducteur en cuivre est égale à

où σ est la conductivité du cuivre ; B est le vecteur d'intensité magnétique induite ; A est un vecteur introduit nommé potentiel magnétique ; v est le vecteur de la vitesse relative entre le cylindre conducteur et le réseau d'aimants, et il peut être calculé par

où ω est la fréquence angulaire relative entre le cylindre conducteur et le réseau d'aimants ; s, N et r sont la différence de glissement, la vitesse de rotation d'entrée et le vecteur de l'axe polaire dans le système de coordonnées r – θ.

Comme on le voit dans la formule (3), la densité de courant J sera modifiée en variation proportionnelle avec la fréquence angulaire relative ω ou la différence de glissement s. La densité de courant simulée du tourbillon magnétique induite par le mouvement relatif entre le réseau d'aimants permanents et le cylindre conducteur (ω = 1 rad/s) est illustrée à la Fig. 3, et leur graphique vectoriel est illustré à la Fig. 4c Rapport d'insertion de 100 % (Fig. 4).

Densité de courant simulée J dans le conducteur.

Graphique vectoriel du tourbillon magnétique.

Comme on le voit sur les Fig. 3 et 4, les 12 tourbillons magnétiques indépendants peuvent être observés clairement sous différents rapports d'insertion de l'arbre d'entraînement. Cependant, l'intensité du courant de surface des tourbillons magnétiques est sérieusement influencée par la zone de maillage en raison du rapport d'insertion. Une intensité de courant de surface plus élevée de Foucault magnétique signifie la plus grande résistance magnétique de l'arbre entraîné contre l'arbre d'entraînement16,19. Et ensuite ce dernier va augmenter la puissance pour garder la vitesse de rotation réglée du moteur.

Le régulateur de vitesse à aimant permanent de 450 kW utilisé pour la pompe à eau refroidie, comme illustré à la Fig. 5, est testé à Magang (Group) Holding Co., Ltd. Par rapport à la structure simulée ci-dessus, un réseau d'ailettes de refroidissement est ajouté dans l'équipement appliqué pour améliorer l'abstraction de chaleur.

Équipement dans le test préliminaire.

Les paramètres de base du moteur et de la charge (pompe à eau) sont indiqués dans le tableau 2.

Selon la mécanique des fluides, la puissance à l'arbre P est proportionnelle au produit du débit Q et du couple H, à savoir

Et il existe différentes relations entre les paramètres et la vitesse de rotation n, qui sont données par

Donc,

Le tableau 3 montre les paramètres calculés, y compris le taux d'épargne Rs qui est donné comme

où le Pmax est la puissance de l'arbre sous la vitesse de rotation maximale.

La figure 6 peut montrer la différence entre les propriétés de fonctionnement des charges contrôlées par la vanne traditionnelle et le régulateur de vitesse de l'aimant dans ce projet. Lorsque le débit Q1 diminue à Q2 en raison d'une vanne réduite dans le mode traditionnel à vanne ajustée, la condition de fonctionnement passera de A à B puisque la résistance du réseau dans le tuyau augmente. Le débit est diminué en réduisant la vanne, cependant, la vitesse de rotation est toujours conservée. Par conséquent, la puissance de l'arbre ne peut pas être réduite.

Différentes propriétés de fonctionnement.

D'autre part, la vitesse de rotation du moteur sera réduite en diminuant la profondeur d'insertion de l'unité d'entraînement dans le régulateur de vitesse à aimant. Lorsque la vitesse de rotation du moteur diminue à n2 à partir de n1 et que le débit est ajusté à Q2, le tuyau maintient également une pression inférieure HB. Ainsi, la puissance de l'arbre est réduite et la puissance d'économie ΔP est proportionnelle à Q2(H2 - HB) comme le montre la Fig. 6. Selon les données statistiques, le régulateur de vitesse de l'aimant peut économiser de l'énergie de 10 % à 25 %. Selon le débit nominal (2020 m3·h−1), la portance nominale (59 m) et le couple minimal (0,45 MPa) de deux moteurs pour l'eau de refroidissement de Magang (Group) Holding Co., Ltd., le couple nominal est de 0,58 MPa. Et le taux d'épargne est (1 − 0,45 ÷ 0,58) × 100 % ≈ 22,4 %. Ensuite, les deux moteurs peuvent économiser de l'énergie Ps = 2 × 1,732 × 6000 V × 51,78 A × 0,86 × 8472 h ÷ 1000 × 22,4 % ≈ 1 756 400 kW·h, et les frais d'environ 833 000 yuans chinois (environ 120 829 dollars) par an.

Le contraste des vibrations avant et après l'utilisation du régulateur de vitesse est également indiqué dans le tableau 4.

Selon la mesure, les vibrations du moteur ont une réduction remarquable après l'utilisation du régulateur de vitesse magnétique, car il n'y a pas de contact solide entre l'arbre d'entraînement (conducteur) et l'arbre entraîné (réseau d'aimants), ce qui supprime l'effet d'amplification des vibrations de la connexion rigide. Pendant ce temps, il existe une tolérance relativement plus élevée vis-à-vis de la coaxialité entre les arbres menant et mené également en raison de leur état sans contact. D'autre part, un alignement d'axe très précis dont l'erreur est inférieure à 0,05 mm est nécessaire dans la pompe traditionnelle à soupape.

De plus, la température de l'ailette de refroidissement était de 43,4 ℃, telle que mesurée sur la Fig. 7, lorsque l'appareil fonctionne. L'émittance de chaleur résiduelle générée par ce régulateur de vitesse magnétique peut être estimée à 134 W/m2, si l'ailette de refroidissement est supposée être un corps gris avec une émissivité de 0,85. La surface de l'ailette de refroidissement est d'environ 1,3 m2 et la chaleur perdue générée par ce régulateur de vitesse magnétique peut être estimée à 185,9 W, ce qui est inférieur à 5 dix millièmes de la puissance de l'arbre de 450 kW.

Test de température de l'ailette de refroidissement.

Le régulateur de vitesse à aimant permanent conçu et appliqué pour une pompe à eau de refroidissement peut économiser une grande quantité d'énergie électrique pendant le processus de production d'acier en ajustant activement la puissance du moteur. Un réseau de pôles N – S alternés est utilisé comme arbre entraîné et un conducteur utilisé comme arbre d'entraînement dans le régulateur de vitesse à aimant permanent. Une base mobile contrôlée par PLC est utilisée pour régler la zone d'engrènement et par conséquent les tourbillons magnétiques, en modifiant la puissance de sortie du moteur. Selon le calcul, le régulateur de vitesse à aimant peut économiser de l'énergie électrique de 22 % dans la pompe à eau de refroidissement, soit environ 1 756 400 kW·h par an, par rapport à la pompe traditionnelle contrôlée par soupape. De plus, des vibrations plus faibles et une chaleur résiduelle beaucoup plus faible sont générées dans le régulateur de vitesse à aimant permanent.

Les ensembles de données analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Cet article est soutenu par le projet de fonds spécial pour l'innovation collaborative industrielle de l'Université polytechnique d'Anhui et du district de Jiujiang (2022cyxtb8), le fonds de démarrage pour les introductions d'AHPU (2022YQQ001) et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (12205004).

École de génie mécanique, Université polytechnique d'Anhui, Wuhu, Chine

Yimin Lu, Chunlai Yang, Long Shao et ManMan Xu

Wuhu Magnetic Wheel Transmission Technology Ltd., Wuhu, Chine

Xiangdong Wang, Hui Zhu et Aike Wang

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YL et CY ont effectué les analyses de données et rédigé le texte principal du manuscrit. XW a contribué à la conception de l'étude. HZ et AW ont proposé la principale technologie de test sur site et ont préparé les Fig. 1, 5 et 6. LS et MX ont réalisé la simulation et préparé les Fig. 2, 3 et 4. Tous les auteurs ont revu le manuscrit.

Correspondance avec ManMan Xu.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Lu, Y., Wang, X., Yang, C. et al. Conception et fonctionnement d'un régulateur de vitesse à aimant permanent de forte puissance utilisé dans l'industrie. Sci Rep 13, 2656 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29187-7

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Reçu : 12 novembre 2022

Accepté : 31 janvier 2023

Publié: 14 février 2023

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

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