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Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2656 (2023) Citar este artículo

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Se aplica un regulador de velocidad de imán permanente de alta potencia a una bomba de agua de refrigeración para conservar energía durante la producción de acero en Magang (Group) Holding Co., Ltd. Se muestra la configuración diseñada del regulador de velocidad de imán permanente de alta potencia con una base móvil en este manuscrito, y se ha simulado el remolino magnético bajo las diferentes áreas de engrane entre los ejes impulsor e impulsado. Y la estimación indica que la bomba de agua de enfriamiento controlada por regulador de velocidad magnético puede ahorrar energía eléctrica en un 22%, alrededor de 1,756,400 kW·h por año, en comparación con la bomba tradicional controlada por válvula, y el calor residual generado por esta configuración es inferior a 5 diez -milésimas de la potencia del eje. Mientras tanto, el regulador de velocidad de imán permanente tiene una vibración mucho menor debido a esta forma sin contacto entre los ejes impulsor e impulsado.

En comparación con la caja de engranajes tradicional, el regulador de velocidad de imán permanente, que se basa en el remolino magnético debido al movimiento relativo entre el imán permanente y el conductor, tiene varias ventajas, como mayor eficiencia energética, mayor confiabilidad, instalación más sencilla y menor costo. , y arranque suave del motor1,2. La nueva tecnología de velocidad ajustable de imanes permanentes se utiliza para que el motor controle su velocidad y ahorre energía, lo que beneficia la reducción de emisiones. Por lo tanto, los investigadores en el campo industrial han prestado cada vez más atención.

El desarrollo del regulador de velocidad de imanes permanentes tipo disco nunca se detiene, ya que fue propuesto en la década de 19903,4. En los últimos años, las investigaciones sobre el regulador de velocidad de imanes permanentes se realizaron no solo en los ítems del modelo y simulación para el análisis básico5,6, sino también en la aplicación con mejora de estructura en la industria7,8. El método de línea equivalente virtual se desarrolló para resolver el efecto final en la distribución del campo magnético en la región del entrehierro del regulador de velocidad de imán permanente. A través del cálculo de la densidad de flujo del entrehierro estático, se encontró que la función de compensación del efecto final calculada en base al modelo era altamente consistente con el resultado calculado por el método de elementos finitos9. De acuerdo con el modelo de campo de Foucault transitorio 3D en algunas investigaciones, la sustitución del disco de cobre por un disco de aluminio podría mejorar la estabilidad de control de velocidad del acoplador magnético permanente10. Se propuso un método de modelado 3D rápido y preciso para evaluar el rendimiento electromagnético de máquinas con imanes permanentes de flujo axial en condiciones sin carga. Los resultados calculados de la densidad de campo local, la fuerza electromotriz y el par de arranque para el regulador de velocidad del disco estaban muy de acuerdo con las medidas experimentales11. Una nueva estrategia de control de debilitamiento de flujo con respuesta de corriente transitoria rápida está diseñada para facilitar la aplicación de control de debilitamiento de flujo en vehículos eléctricos, y los resultados experimentales y de simulación mostraron que la estrategia propuesta podría lograr una respuesta de par rápida y también tener la capacidad de reducir la fluctuación del par del estado estable12. Se avanzó la estructura del gobernador de imanes permanentes de 250 kW para mejorar la conducción de calor, garantizando la operación estable y confiable de este equipo13. La matriz Halbach, un tipo de matriz especial de imanes permanentes, se probó en el acoplador de imanes permanentes, y tanto la simulación como la prueba mostraron una mayor eficiencia en el regulador de velocidad axial14,15. Además, la matriz de Halbach también se usó en los separadores para mejorar la eficiencia de separación16. Las investigaciones relativamente sistemáticas sobre el regulador de velocidad de imanes permanentes también se muestran en las referencias17,18,19.

En este manuscrito, se muestra un regulador de velocidad de imán permanente de 450 kW utilizado para la bomba de agua de refrigeración en la producción de acero. En este regulador de velocidad se utiliza una estructura de matriz de polos N-S, y el campo magnético y la densidad de corriente en el tiro de conducción del conductor inducido por el tiro impulsado por el imán se simulan en función del análisis de modelado de elementos finitos (FEM). Debajo del motor, se utiliza una base móvil automática controlada por un controlador lógico programable (PLC) para ajustar el área de malla y, en consecuencia, el remolino magnético, cambiando la potencia de salida del motor para mantener el flujo de agua en la tubería. La medición y el cálculo muestran que la bomba de agua de enfriamiento controlada por un regulador de velocidad magnético en esta investigación puede ahorrar energía eléctrica en un 22%, aproximadamente 1,756,400 kW·h por año, en comparación con la bomba tradicional controlada por válvula. Por lo tanto, este tipo de regulador de velocidad de imán permanente tiene una estructura compacta (el paso axial es de solo 25 cm). Además, se observa una reducción evidente de la vibración cuando se utiliza el regulador de velocidad de imanes permanentes. Mientras tanto, el calor residual en la configuración es muy bajo según la teoría de la radiación térmica.

Basado en investigaciones y aplicaciones anteriores20,21, el regulador de velocidad de imán permanente, que se utiliza para ajustar la bomba de agua de enfriamiento de alta potencia durante la producción de acero, se ha avanzado para aumentar la eficiencia de transmisión y la eficiencia de disipación de calor. La estructura del regulador de velocidad de imán permanente avanzado con el sistema de coordenadas se muestra en la Fig. 1.

Estructura del regulador de velocidad de imanes permanentes.

Como se ve en la Fig. 1a, este regulador de velocidad de imanes permanentes incluye motor, eje impulsor y eje accionado predominantemente, y el motor se fija sobre una base móvil con la pista. El eje impulsor está fijado en el motor. Cuando el eje impulsado se inserta en el eje impulsado junto con la pista, el área de engrane entre los ejes impulsor e impulsado aumenta como se ve en la Fig. 1b, mejorando el momento de resistencia rotacional del motor. Para mantener la velocidad de rotación, el motor genera una mayor potencia. La detección, el juicio y el control del eje impulsor fijo del motor se llevan a cabo mediante PLC.

Como se ve en la Fig. 1b, c, 12 piezas de imán permanente, que se utilizan como componente clave del eje impulsor, están dispuestas por la matriz de polos N-S alternos en la base de tipo dodecágono. El cilindro conductor de cobre se fija en la superficie interior del manguito. La base de tipo dodecágono y el manguito están hechos de acero y también se utilizan como yugo de hierro para fortalecer la intensidad magnética en la región entre ellos. El espesor del entrehierro hg se define como la distancia desde el círculo circunscrito de la matriz de imanes permanentes hasta la superficie interior del cilindro conductor. Los tamaños de llave señalados en la figura se muestran en la Tabla 1. La designación de imán utilizada en este dispositivo es N52.

La profundidad de inserción (lt) de la unidad de conducción, que se ajusta mediante una base móvil, puede alcanzar el tamaño largo del imán permanente en el eje Y (lm). El sistema de coordenadas r–θ también se introduce en el plano XOZ del sistema de coordenadas cartesianas, lo que reduce la dificultad del cálculo en la simulación. De acuerdo con la hipótesis de la corriente molecular de Ampere y la ley de Biot-Savart22,23, se ha simulado la intensidad magnética inducida por la matriz de imanes permanentes, como se muestra en la Fig. 2.

Intensidad magnética simulada B en el conductor.

Como se ve en la Fig. 2, se ganó una intensidad magnética relativamente más alta debido al yugo de hierro. La intensidad magnética máxima podría alcanzarse entre 0,25 y 0,3 T en el plano alejado de 9 mm del conjunto de imanes.

De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell con la ley de Faraday24,25, la densidad de corriente inducida en el conductor de cobre es como

donde σ es la conductividad del cobre; B es el vector de intensidad magnética inducida; A es un vector introducido llamado potencial magnético; v es el vector de velocidad relativa entre el cilindro conductor y la matriz de imanes, y se puede calcular mediante

donde ω es la frecuencia angular relativa entre el cilindro conductor y el conjunto de imanes; s, N y r son la diferencia de deslizamiento, la velocidad de rotación de entrada y el vector del eje polar en el sistema de coordenadas r–θ.

Como se ve en la fórmula (3), la densidad de corriente J cambiará en variación proporcional con la frecuencia angular relativa ω o la diferencia de deslizamiento s. La densidad de corriente simulada del remolino magnético inducido por el movimiento relativo entre la matriz de imanes permanentes y el cilindro conductor (ω = 1 rad/s) se muestra en la Fig. 3, y su gráfico vectorial se muestra en la Fig. 4c Relación de inserción de 100% (fig. 4).

Densidad de corriente simulada J en el conductor.

Gráfico vectorial de remolino magnético.

Como se ve en las Figs. 3 y 4, los 12 remolinos magnéticos independientes se pueden observar claramente bajo diferentes relaciones de inserción del eje impulsor. Sin embargo, la intensidad de la corriente superficial del remolino magnético está seriamente influenciada por el área de malla debido a la relación de inserción. Una mayor intensidad de corriente superficial del remolino magnético significa una mayor resistencia magnética del eje impulsado contra el eje impulsor16,19. Y luego este último aumentará la potencia para mantener la velocidad de rotación establecida del motor.

El regulador de velocidad de imán permanente de 450 kW utilizado para la bomba de agua enfriada, como se muestra en la Fig. 5, se prueba en Magang (Group) Holding Co., Ltd. En comparación con la estructura simulada anterior, se agrega una matriz de aletas de enfriamiento en el equipo aplicado. para mejorar la abstracción de calor.

Equipo en la prueba preliminar.

Los parámetros básicos del motor y la carga (bomba de agua) se muestran en la Tabla 2.

Según la mecánica de fluidos, la potencia del eje P es proporcional al producto del caudal Q y el par H, es decir

Y existen diferentes relaciones entre los parámetros y la velocidad de rotación n, que se dan como

Por lo tanto,

La Tabla 3 muestra los parámetros calculados, incluida la tasa de ahorro Rs que se da como

donde Pmax es la potencia del eje bajo la velocidad de rotación máxima.

La figura 6 puede mostrar la diferencia entre las propiedades de funcionamiento de las cargas controladas por la válvula tradicional y el regulador magnético de velocidad en este proyecto. Cuando el flujo Q1 disminuye a Q2 debido a la reducción de la válvula en el modo tradicional ajustado por válvula, la condición de funcionamiento cambiará a B desde A debido a que aumenta la resistencia de la red en la tubería. El flujo se reduce al reducir la válvula, sin embargo, la velocidad de rotación siempre se mantiene. Por lo tanto, la potencia del eje no se puede reducir.

Diferentes propiedades de funcionamiento.

Por otro lado, la velocidad de rotación del motor se reducirá al disminuir la profundidad de inserción de la unidad de accionamiento en el regulador de velocidad del imán. Cuando la velocidad de rotación del motor se reduce a n2 desde n1 y el flujo se ajusta a Q2, la tubería también mantiene una presión HB más baja. Por lo tanto, la potencia del eje se reduce y la potencia de ahorro ΔP es proporcional a Q2(H2 − HB) como se ve en la Fig. 6. Según los datos estadísticos, el regulador de velocidad del imán puede ahorrar energía entre un 10 % y un 25 %. Según el caudal nominal (2020 m3·h−1), la elevación nominal (59 m) y el par mínimo (0,45 MPa) de dos motores para el agua de refrigeración en Magang (Group) Holding Co., Ltd., el par nominal es 0,58 MPa. Y la tasa de ahorro es (1 − 0,45 ÷ 0,58) × 100 % ≈ 22,4 %. Entonces los dos motores pueden ahorrar energía Ps = 2 × 1,732 × 6000 V × 51,78 A × 0,86 × 8472 h ÷ 1000 × 22,4 % ≈ 1 756 400 kW·h, y la tarifa es de aproximadamente 833 000 yuanes chinos (alrededor de 120 829 dólares) por año.

El contraste de vibraciones antes y después de usar el regulador de velocidad también se muestra en la Tabla 4.

De acuerdo con la medición, la vibración del motor tiene una reducción notable después de usar el regulador de velocidad magnético, porque no hay un contacto sólido entre el eje impulsor (conductor) y el eje impulsado (conjunto de imanes), lo que elimina el efecto de amplificación de vibración de la conexión rígida. Mientras tanto, existe una tolerancia relativamente mayor contra la coaxialidad entre los ejes impulsor e impulsado también debido a su estado sin contacto. Por otro lado, en la bomba tradicional controlada por válvula es necesaria una alineación de ejes muy precisa cuyo error sea inferior a 0,05 mm.

Además, la temperatura de la aleta de refrigeración era de 43,4 ℃, medida en la Fig. 7, cuando el dispositivo funciona. La emitancia de calor residual generada por este regulador de velocidad magnético se puede estimar en 134 W/m2, si se supone que la aleta de refrigeración es un cuerpo gris con una emisividad de 0,85. El área de la aleta de refrigeración es de aproximadamente 1,3 m2 y el calor residual generado por este regulador magnético de velocidad se puede estimar en 185,9 W, que es inferior a 5 diezmilésimas de la potencia del eje de 450 kW.

Prueba de temperatura de la aleta de refrigeración.

El regulador de velocidad de imán permanente diseñado y aplicado para una bomba de agua de refrigeración puede ahorrar una gran cantidad de energía eléctrica durante el proceso de producción de acero ajustando activamente la potencia del motor. Se utiliza una matriz de polos N-S alternos como eje impulsor y un conductor como eje impulsor en el regulador de velocidad de imán permanente. Se utiliza una base móvil controlada por PLC para ajustar el área de malla y, en consecuencia, el remolino magnético, cambiando la potencia de salida del motor. Según el cálculo, el regulador de velocidad magnético puede ahorrar un 22% de energía eléctrica en la bomba de agua de refrigeración, unos 1.756.400 kW·h por año, en comparación con la bomba tradicional controlada por válvula. Además, se generan menos vibraciones y mucho menos calor residual en el regulador de velocidad de imán permanente.

Los conjuntos de datos analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Este documento cuenta con el apoyo del Proyecto de fondo especial de innovación colaborativa industrial de la Universidad Politécnica de Anhui y el distrito de Jiujiang (2022cyxtb8), el Fondo de puesta en marcha para las introducciones de AHPU (2022YQQ001) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (12205004).

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Politécnica de Anhui, Wuhu, China

Yimin Lu, Chunlai Yang, Long Shao y ManMan Xu

Wuhu Magnetic Wheel Transmission Technology Ltd., Wuhu, China

Xiangdong Wang, Hui Zhu y Aike Wang

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YL y CY realizaron los análisis de datos y escribieron el texto principal del manuscrito. XW contribuido a la concepción del estudio. HZ y AW ofrecieron la principal tecnología de prueba in situ y prepararon las Figs. 1, 5 y 6. LS y MX llevaron a cabo la simulación y prepararon las Figs. 2, 3 y 4. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a ManMan Xu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Lu, Y., Wang, X., Yang, C. et al. Diseño y operación de regulador de velocidad de imán permanente de alta potencia utilizado en la industria. Informe científico 13, 2656 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29187-7

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Recibido: 12 noviembre 2022

Aceptado: 31 de enero de 2023

Publicado: 14 febrero 2023

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

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