ضرورة تحليل أعطال إزالة المغناطيسية في محركات BLDC
محرك التيار المباشر الخالي من الفرشاة (BLDC) هو “محرك مغناطيسي دائم” (PM) مع (PMs) على الجزء الدوار ولفائف ثلاثية الطور على الجزء الثابت، كما يتم تصنيف محرك (BLDC) على أنه محرك شبه منحرف أو محرك ذو موجة مربعة، ونظراً لأن قوة (emf) الخلفية والمستحثة في لفات الجزء الثابت تكون على شكل شبه منحرف، وذلك على عكس “المحركات المتزامنة” ذات المغناطيس الدائم (PMSMs).
أيضاً في محرك (BLDC)؛ فإنه يتم تزويد المراحل بتيار كهربائي شبه مربع، بينما يتطلب (PMSM) تيارات طور جيبية للإثارة، كما يتم تحديد شكل (emf) الخلفي من خلال شكل مغناطيس الدوار وتوزيع لف الجزء الثابت، بحيث يمكن أن يكون تكوين الدوار عبارة عن دوار داخلي أو نوع دوار خارجي.
لذلك تُستخدم محركات (BLDC) على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الصناعية، ونظراً لانضغاطها وكفاءتها العالية وكثافة عزم الدوران العالية والأداء الديناميكي العالي خلال الظروف البيئية غير المواتية؛ تتعرض المحركات لضغوط فيزيائية وحرارية تؤدي إلى حدوث خطأ كهربائي.
كما تم البدء بتصنيف الأخطاء المتعلقة بمحركات الجسيمات الدقيقة وتم تقديم العديد من الحلول حول الطرق المفضلة لأنواع مختلفة من حالات الأعطال، وعادةً ما تكون الأعطال في محركات (BLDC) عبارة عن أخطاء متعلقة بالجزء الثابت، والتي تنقبض على أخطاء اللف، في حين تقلص الأعطال المتعلقة بالدوار من إزالة المغناطيسية أو تآكل (PMs) بالآلة.
كما تم تقديم مراجعة شاملة لمؤشرات أخطاء إزالة المغناطيسية في المحركات المتعلقة بالجسيمات الدقيقة، بحيث شملت النمذجة التحليلية للأعطال هي الشرط المسبق قبل الشروع في الحساب العالي والدقة باستخدام النهج العددي وخاصةً النمذجة الرياضية التفصيلية لمحرك (BLDC) في (SIMULINK).
وبالمثل؛ فقد استخدم المختصون التقنيات التحليلية المتقدمة لنمذجة الخطأ في محرك (BLDC) مع الأخذ في الاعتبار الافتراضات التي تم تجاهلها سابقاً أثناء نهج النمذجة الرياضية، وفي المقابل، تم استخدام تقنية الدائرة المكافئة المغناطيسية (MEC) للنمذجة، وهي أكثر دقة من النهج التحليلي.
وأخيراً تم إجراء عمل مماثل بواسطة العالم (T.J.E Miller) لنمذجة الخطأ باستخدام مخططات (MMF)، والتي تتطلب مرة أخرى تقنيات تعتمد على (MEC)، بحيث تتطلب الطرق العددية (NMs) وقتاً حسابياً عالياً، ولكنها تعطي نتائج أكثر دقة من الطرق القائمة على (EEC) و (MEC)، وبالتالي فإن هذه الطرق منتشرة في الصناعة في مجال تشخيص الأخطاء.
النموذج التحليلي لمحرك (BLDC)
يوضح هذا الجزء الحالة التحليلية (EEC) لمحرك (BLDC)، وذلك مع إسناد (EMF) الخلفي المثالي، وبعد ذلك؛ فإنه يتم أيضاً تقديم نهج نمذجة خطأ إزالة المغناطيسية، كما يمكن إحالة معادلات النمذجة المستخدمة لتطوير محرك (BLDC) المثالي، ومع ذلك؛ فإن معادلات الجهد ووظيفة تشكيل (EMF).
حيث:
(va ،vb ،vc): هي الفولتية الطورية.
(ia ،ib ،ic): هي تيار الطور.
(PM): هو رابط التدفق لـ (PM) لمراحل كل منها [Ls = L − M]، حيث أن (L) هي عبارة عن محاثة ذاتية بينما (M) هي الحث المتبادل بين ملفان.
حيث:
(θe): هي زاوية كهربائية للجزء المتحرك.
(ωm): هي السرعة الميكانيكية.
[F (e)]: دالة مرجعية لخلف EMF على النحو الوارد في المعادلة التالية:
يظهر محرك (BLDC) ذو الحلقة المغلقة من خلال مخطط كتلة مكافئ كما هو موضح في الشكل التالي (1)، بحيث تم نمذجة كل كتلة بشكل تحليلي، ويتم تغذية محرك (BLDC) من عاكس مصدر جهد ثلاثي الطور [(VSI)1] والذي يحصل على نبضات الإدخال من وحدة التحكم في التباطؤ الحالي (HCC).
وفي هذا التحليل؛ فإنه يتم حساب (EMF) العكسي الذي تم إنشاؤه بواسطة (PMs) على أنه (EMF) العكسي الوحيد لمحرك (BLDC)، كما تم تطوير (EMF) العكسي نظراً لتيارات لف الجزء الثابت ثلاثية الطور وتأثير الفتحات حالياً في المحاكاة التحليلية.
أيضاً تم تصميم المجالات الكهرومغناطيسية الخلفية للـ (PM) كوظيفة تشكيل شبه منحرف مثالية كاملة (بدون أي تأثيرات شق) والتي يتم تقديمها بالمعادلة الأخيرة، بحيث ثم يتم تحليل أداء الآلة كما تمت مناقشته، وبالنسبة للآلة المصنفة بقوة (600) واط، والتي تحتوي على (Vdc) على أنها (24) فولت؛ فإن قيمة (EMF) العكسية التي تمثل سرعة (50 راد / ثانية) هي (1.8) فولت، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (2) وهي القيمة المرغوبة.
كما تم العثور على تيار الطور (8.4) أمبير والذي يتطابق تقريباً مع التيار المرجعي بما في ذلك تأثير الحث كما هو موضح في الشكل التالي (3)، كما تم دمج وضع التوصيل 120 درجة لتشغيل العاكس لمحرك محرك (BLDC)، وفي أي لحظة؛ فإنه يتم إجراء مفتاحين فقط مع إيقاف تشغيل طور واحد تماماً كما هو موضح في الشكل التالي (4).
لذلك يتم إعطاء مخرجات العاكس كجهد إدخال ثلاثي الطور إلى محرك (BLDC)، والذي يقوم بتشغيل الجهاز بالسرعة المطلوبة، وفي هذه الحالة (50 راديان / ثانية) كما هو مبين في الشكل التالي (5)، بحيث يولد عزماً لكل منهما قدره (0.6 Nm)، وذلك من أجل تشغيل قدرة ثابتة، بحيث يُعطى (HCC) نطاق تسامح قدره (± 0.01).
نمذجة خطأ إزالة المغناطيسية
نظراً لأن (EMF) العكسي، والذي تم إنشاؤه بواسطة (PMs) فقد تم الأخذ في الاعتبار بأنه يمكن بالتالي تقديم التعريف الرياضي من خلال العلاقة التالية:
حيث (ea) هو (back-EMF) للمرحلة (A) أو الجهد الكهربائي المستحث في ملف الجزء الثابت، كما أن ارتباط تدفق الجزء الثابت في لف المرحلة (A ،θr) هو الإزاحة الزاوية أو موضع الجزء المتحرك و (m) هي السرعة الميكانيكية على التوالي.
ووفقاً للعلاقة السابقة؛ فإن أي تغييرات على مغناطيس الدوار (PMs) تنعكس على (EMF) الخلفي مما يجعل هذا العامل مؤشراً مثالياً لتحليل الأخطاء المتعلقة بالدوار، وذلك فيما يتعلق بالعلاقة المباشرة للتغير في الكمية المغناطيسية للجسيمات الدقيقة إلى تلك الخاصة بكثافة التدفق المغناطيسي (BM) وكذلك في المجال الكهرومغناطيسي الخلفي (EB) الذي ينتجه نحو (PM) في محرك (BLDC).
وأخيراً تم إجراء التحليل الشامل لأعطال إزالة المغناطيسية في محركات (BLDC) في هذا الطرح، كما تم اقتراح تقنية هجينة قائمة على النهج التحليلي العددي لنمذجة تأثيرات خطأ إزالة مغناطيسية محرك (BLDC)، وذلك باستخدام تقنية النمذجة الهجينة المقترحة، بحيث يتم إجراء التحقيق في أداء الماكينة في ظل كل من الظروف الصحية والخاطئة.
كما تعتبر خصائص الأداء، مثل (EMF) الخلفي للمحرك وتيارات الطور وعزم الدوران الكهرومغناطيسي والسرعة الميكانيكية وكثافة التدفق المغناطيسي التي تم الحصول عليها ذات أهمية كبيرة؛ لأنها توضح وتتنبأ بسلوك الآلة عندما تخضع بالفعل من خلال ظروف خطأ إزالة المغناطيسية.
وعلاوة على ذلك؛ فإن التحقق من صحة النتائج باستخدام تحليل العناصر المحدودة يثبت أهمية تقنية النموذج الهجين، وذلك لأن خصوصية امتلاك وقت حسابي أقل من تحليل (FE) ودقة أكثر من التقنية القائمة على (EEC)، بحيث تجعل النهج التحليلي العددي الهجين أكثر تميزاً وبروزاً في نطاق البحث لنمذجة الأعطال لمحركات (PM) بلا فُرش.
