بناء وتأهيل أساليب التصنيع الحديثة للآلات الكهربائية

يعتبر نهج التصنيع الإضافي طريقة جديدة لتكنولوجيا التصنيع ويتطور بشكل ديناميكي في السنوات الأخيرة، كما إنها تتقدم وتحقق باعتبارها التكنولوجيا التمكينية الرئيسية في مجموعة واسعة من التطبيقات، وهي من العلوم الطبية إلى صناعات الفضاء والسيارات.

الهدف من بناء وتأهيل أساليب التصنيع الحديثة للآلات الكهربائية

تم تطوير إجراء التصميم الأساسي للآلة الكهربائية على مدى عقود، بحيث وصلت تقنيات التصنيع التقليدية للآلات الكهربائية بالفعل إلى المستوى المطلوب، كما ويبدو أن هناك احتمالاً أقل للقيام بالبحث والتطوير لهذه التقنيات، ونتيجة لذلك؛ فإن أساليب التصميم الجديدة وتقنيات التصنيع مطلوبة لتوفير تأثيرات بارزة وعميقة على عملية تقييم الآلات الكهربائية.

وبعبارة أخرى؛ فإن الحاجة إلى تقنيات حديثة متطورة تسمح لمصنعي الآلات الكهربائية بتصميم الآلة الكهربائية الجديدة بأي أشكال معقدة وهياكل ومواد متطورة من خلال تطبيق الأساليب الحاسوبية الحديثة الكهرومغناطيسية والحرارية والمادية.

كما يتزايد الطلب على تقنيات الطاقة النظيفة لتطبيقات مختلفة، على سبيل المثال طاقة الرياح والمركبة الكهربائية ومجموعة نقل الحركة الكهربائية، بحيث تتركز مقاييس الطلب بشكل أساسي على كثافة الطاقة العالية والكفاءة العالية والآلات الكهربائية خفيفة الوزن.

التطور الحقيقي في عملية إعادة بناء الآلات الكهربائية

هناك طريقة التصنيع الإضافي (AM)، وهي تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد للكلمات الأقل علمية، كذلك هي تقنية جديدة تستحوذ على الاهتمام، وكخيار بديل لتحقيق الطموحات المذكورة أعلاه؛ فإن (AM) لديها مجموعة واسعة من التطبيقات وتولد أشكالاً ثلاثية الأبعاد معقدة دون أي قيود، إلى جانب ذلك؛ فإن المجموعة الواسعة من المواد المستخدمة في طريقة (AM).

كما أن هذه الأجزاء تتكون من السبائك المعدنية والبلاستيك والسيراميك وحتى الحبر الحيوي والمواد الحيوية، بحيث تزيد من جاذبيتها وقد وضعت هذه التكنولوجيا بين رواد نهج التصنيع المستقبلي، كما تثبت آخر التقارير الإحصائية أيضاً أن سوق (AM)، بما في ذلك جميع القطاعات في عام (2018)م، أيضاً قد شهد ذلك نمواً وصل لنسبة (18 ٪) ووصل إلى مستوى مرتفع.

نهج التصنيع المضاف لهياكل الآلات الكهربائية

يشير (AM) إلى تصنيع طبقة مكونة ثلاثية الأبعاد بطبقة مادة باستخدام “تقنية الطباعة الحديثة”، بحيث تتكون هذه الطريقة من العديد من المزايا مثل النماذج الأولية السريعة وبناء الأشكال الهندسية المعقدة أو الأشكال الهندسية الموجودة في المناطق التي يصعب الوصول إليها ومكونات البناء بما في ذلك المواد المختلطة وطباعة المكونات المختلفة في وقت واحد وزيادة الأداء وحتى تحسين الخصائص.

ومع ذلك ونظراً لمعدل التصنيع المنخفض والتكلفة العالية؛ فإنه يتم تنفيذ (AM) لبناء مكونات صغيرة الحجم وصغيرة الحجم، ونتيجة لذلك؛ فإن هناك حاجة إلى مزيد من التقدم في هذه التكنولوجيا للوصول إلى المستوى المطلوب، وفي الوقت الحالي هناك عدة أنواع مختلفة من الطابعات وطريقة الطباعة لـ (AM)، بحيث يمكن تقسيم طابعات (AM) إلى ثلاث فئات رئيسية بناءً على كيفية تكوين المادة في الكائن.

• تصنيع الخيوط المنصهرة (FFF) أو نمذجة الترسيب المنصهر (FDM) حسب الشكل (1-a).

• الطباعة الحجرية المجسمة (SLA) (الشكل 1-b).

• التلبيد أو الذوبان الانتقائي بالليزر (الشكل 1-c).

على غرار ذلك تعد أول طريقتين لـ (AM) وهما (FFF / FDM ، SLA) أكثر ملاءمة لطباعة البوليمرات والسيراميك والمواد المركبة مما يجعلها مثالية لطباعة مكونات العزل في آلة كهربائية، كما تستخدم طباعة (SLS / SLM) الليزر لتسخين المواد الخام، مما يسمح بتحقيق درجة الحرارة أعلى بشكل ملحوظ.

كما أن هذا يجعلها مناسبة لطباعة معادن مختلفة في آلة كهربائية، وذلك على إنها مناسبة لطباعة المقاطع الموصلة (الجزء الثابت ، الدوار ، والملفات)، كما أن سعر الطابعة ثلاثية الأبعاد آخذ في الارتفاع من طريقة (FFF / FDM) إلى (SLS / SLM)، ووفقاً لذلك تختلف تكلفة طابعة (FFF) بناءً على الأداء بين (100 ، 2000)، ولكن بالنسبة لـ (SLM)؛ فإنه يختلف مقياس الحرارة للطابعة من (5000) إلى (600) كلفن.

من وجهة نظر الدقة؛ فإنها تتمتع (SLM) بأعلى دقة وسرعة تصنيع من بين طرق AM) الثلاث، بحيث يوضح الجدول التالي (1) جميع المحتويات المذكورة أعلاه والاختلافات بين طرق (AM) الثلاثة.

تصميم الإدارة الحرارية المتقدمة للآلات الكهربائية

تعتبر الإدارة الحرارية للآلة الكهربائية أمراً حيوياً لضمان موثوقية وطول عمر الآلة الكهربائية، وهذا يعني أن هناك حاجة دائماً إلى قدرة تبريد أفضل وأكثر كفاءة، بحيث تستخرج الحرارة من آلة كهربائية بثلاث ظواهر، وهي التوصيل والحمل والإشعاع، كما يختار المصممون نظام تبريد مناسباً لتعزيز تأثير ظاهرة الحمل الحراري في الغالب لتحقيق استخلاص أفضل للحرارة وتقليل درجة حرارة المعلمات الرئيسية للآلة.

كذلك هناك طريقتان رئيسيتان للإدارة الحرارية والعديد من الطرق الفرعية المستخدمة في الآلات الكهربائية، بحيث يتضح من الشكل التالي (2) بأنه يوفر التبريد السلبي حلاً موثوقاً للغاية وغير مكلف نسبياً، بينما يوفر التبريد النشط قدرة تبريد أفضل بشكل ملحوظ.

كما أن هناك تنوع الخيارات يجعل من الصعب على المصممين اختيار الحل الأفضل، ونظراً للتقدم في أدوات الحساب وقدرات التصنيع؛ فقد أصبحت الحلول الحالية أكثر كفاءة، كما يخلق التصنيع الإضافي فرصة لتحسين قدرة تبريد الآلات الكهربائية بعدة طرق، مثل تقليل الوزن وتحسين شكل وهندسة نظام التبريد وتقليل العيوب والقيود التقليدية لأنظمة التبريد أثناء التصنيع التقليدي.

كما تنصب عمليات التصنيع بشكل رئيس على عدد من أجزاء الآلات الكهربائية وتحديداً:

• المشتت الحراري للتصنيع الإضافي: يُعد الغلاف ذو الزعانف والمشتت الحراري المبرد بالهواء طريقتين أساسيتين للإدارة الحرارية لمختلف الأجهزة الكهربائية والإلكترونية لإخلاء الحرارة من هذه الأجهزة إلى الهواء.

• المبادلات الحرارية لـ (AM): تتطلب المحركات الكهربائية المستخدمة في تطبيقات الجر، مثل المركبات الكهربائية والمركبات الكهربائية الهجينة، وكذلك كثافة عزم دوران عالية.

• تصنيع أنابيب الحرارة المضافة: حيث أن أنبوب الحرارة (HP) هو أبسط مخطط تبريد متغير الطور الكهربائي.

وأخيراً يبدو نهج (AM) حلاً واعداً للتغلب على مشاكل التصنيع التقليدية وقيود الإدارة الحرارية للآلات الكهربائية، ومع ذلك هناك حاجة إلى مزيد من أعمال التطوير والبحث في جوانب مختلفة مثل المواد وتطوير النظام باستخدام (AM) بشكل كامل والمزيد من تقنيات الإدارة الحرارية الجديدة (التبريد بالرش)، كما تقدم الدراسات البحثية خطوات مختلفة للنمو والنضج لمختلف مناهج الإدارة الحرارية.

كما أن هناك مستويات متعددة من النمو والنضج لأنظمة الإدارة الحرارية لـ (AM) للآلات الكهربائية، حيث يتم وضع طرق الإدارة الحرارية (AM) ذات النضج الجيد نسبياً بالقرب من المركز، ووفقاً لذلك؛ فإنه يتم تقسيم طرق الإدارة الحرارية إلى ثلاثة أنظمة بناءً على نموها ونضجها، بحيث يظهر التطور والنضج الأكثر أهمية في طرق المشتتات الحرارية والقنوات شبه المفتوحة.

كذلك يمكن أيضاً استخدام هذه الأساليب الأجهزة الإلكترونية للطاقة، مما يفتح الباب أمام مناهج جديدة ومبتكرة تسمى الآلات والمحركات الكهربائية المتكاملة (IMD) أو الآلات والمحركات المعيارية المتكاملة (IMMD)، حيث أن الهدف الرئيسي من هذه الأساليب الجديدة هو زيادة كثافة الطاقة واستخراج الحرارة.