أهمية تشخيص صحة المغناطيس الدائم في الآلات الكهربائية
تعد آلات المغناطيس الدائم (PM) عناصر أساسية لعدد من الأنظمة الصناعية المعاصرة، وذلك بدءاً من التطبيق كخيار مفضل لمحرك الدفع في المركبات الكهربائية الحديثة إلى تمكين مكونات الأنظمة العسكرية والطبية وأتمتة المصانع والفضاء وطاقة الرياح، كما تعد نسبة كبيرة من تطبيقات آلات (PM) في هذه المجالات من الناحية التشغيلية والسلامة.
كما أصبحت القدرة على المراقبة الموثوقة والتشخيص في الوقت المناسب لأعطال آلة الجسيمات مطلباً مهمًا للاستخدام الفعال لهذه الأنظمة، حيث إزالة المغناطيس هو وضع عطل شائع ومفتاح في آلات (PM)، حي تُعد إزالة المغناطيسية الدقيقة أمراً بالغ الأهمية نظراً لأنها تتسبب دائماً في تدهور أداء الآلة ويمكن أن تؤدي إلى فشل كامل في الماكينة وفقدان وظائفها.
كذلك يمكن أن يكون سبب إزالة المغناطيسية هو ارتفاع درجة حرارة التشغيل أو المجال المغناطيسي لإزالة المغناطيسية، وبالإضافة إلى ذلك يمكن أن تؤدي الضغوط الميكانيكية والبيئية إلى ضرر ميكانيكي للجسيمات، مثل مغناطيس متكسر أو متصدع أو متآكل، والذي يمكن أن يغير خاصية مغنطيتها، بحيث تصنف أخطاء إزالة المغناطيسية الجسيمية عموماً على أنها محلية أو موحدة اعتماداً على موقع وتوزيع منطقة إزالة المغناطيسية.
كما أن تطوير تقنيات جديدة لمراقبة الحالة الصحية للجسيمات في الآلات الكهربائية وتشخيص حالة مغنطتها يحظى باهتمام متزايد، بحيث تركز تقنيات المراقبة المبلغ عنها إلى حد كبير على استكشاف الأساليب غير الغازية، وذلك مع كون الأساليب الغازية أقل بحثاً، بحيث تعتمد التقنيات غير الغازية إلى حد كبير على مراقبة الإشارات الكهربائية والكهرومغناطيسية مثل التيار والجهد والقوة الدافعة الخلفية (EMF الخلفي) أو التدفق المغناطيسي.
أيضاً أظهرت هذه التقنيات قيوداً كبيرة في تقديم تشخيص موثوق بسبب التحدي المتمثل في تحديد توقيع خطأ يمكن الاعتماد عليه، وللتغلب على هذا، بحيث تم اقتراح تطبيق أساليب الذكاء الاصطناعي متقدمة، مثل الشبكات العصبية، ومع ذلك يمكن أن يعاني هؤلاء من عدم موثوقية التشخيص ويتطلبون مجموعات بيانات كبيرة للتدريب.
كذلك تم استكشاف تطبيق التقنيات الغازية واستخدام مستشعر الاهتزاز، وذلك من أجل تشخيص أعطال الجسيمات، في حين أن هذه الطرق مهمة يمكن أن يكون لها قيود في القدرة التشخيصية أو تعاني من أخطاء القياس وتحديات التطبيق العملي بسبب تعقيد التثبيت.
وفيما بعد برز استشعار الألياف الضوئية كبديل واعد لرصد حالة الآلة الكهربائية، بحيث تم تطبيقه لرصد الآلة الميكانيكية والحرارية، كما يجذب اهتماماً متزايداً، كما تقدم تقنية الاستشعار (FBG) مع ميزاتها المتقدمة مثل الحجم الصغير والترسيب المناعي الكهرومغناطيسي (EMI) وتعدد الإرسال والاستشعار المادي المتعدد.
وبالنسبة الى تصميم المستشعر المغناطيسي في الموقع، تعتمد الوظيفة الأساسية لجهاز الاستشعار المغناطيسي المقترح في هذه الدراسة على الجمع بين ميزة استشعار الإجهاد المتأصلة في (FBG) وخصائص التضيق المغناطيسي العالية للمادة (Terfenol-D)، بحيث تعرض الأقسام الفرعية التالية تفاصيل تصميم المستشعر والنماذج الأولية وإجراءات المعايرة.
مبادئ (FBG) لاستشعار الإجهاد
مستشعر (FBG) هو عبارة عن هيكل صغير، بحيث يبلغ طوله عادةً بضعة مليمترات، كما ويتم طبعه في قلب من الألياف الضوئية أحادية الوضع، كذلك يتم تصنيع (FBG) من خلال تعريض القسم الأساسي من الألياف حيث يحتاج رأس الاستشعار إلى وضع نمط تداخل من الضوء فوق البنفسجي، مما يؤدي إلى تغيير دوري دائم (مثل حواجز شبكية) في مؤشر انكسار قلب الألياف.
ومن حيث المبدأ؛ فإنه يعمل مستشعر (FBG) كمرشح ضوئي يعكس طول موجة ضوئية ضيقة النطاق عندما تضيء الألياف التي تحملها بمصدر ضوء واسع النطاق، بحيث يُعرف الطول الموجي للضوء المنعكس (FBG) باسم الطول الموجي (Bragg ، λB)، كما ويتم تعريفه على أنه:
حيث أن:
(Λ): هي فترة المحزوز.
(neff): هو معامل الانكسار الفعال.
كما تتغير هذه المعلمات مع التباين في درجة الحرارة والضغط المفروض على هيكل (FBG)، وبالتالي تغيير الطول الموجي ضيق النطاق المنعكس، وذلك بافتراض ثبات درجة الحرارة، كما يمكن التعبير عن الاختلاف في (B) بسبب اختلاف الإجهاد على النحو التالي:
كذلك تنشأ استجابة مستشعر (FBG) للإجهاد بسبب التغيير في فترة الشبكة (بسبب الاستطالة المادية للمستشعر) والتغير في مؤشر الانعكاس بسبب التأثيرات المرنة للصور، حيث أن القيمة النظرية النموذجية لحساسية الإجهاد لمستشعر (FBG) القياسي مطبوع بـ (B) عند (1500) نانومتر هي (1.2 م / μ) إجهاد.
ومع ذلك؛ فإنه يمكن أن تختلف هذه القيمة اعتماداً على عبوة مستشعر (FBG) وطرق التثبيت، وفي تصميم المستشعر المغناطيسي الذي تم الإبلاغ عنه في هذا العمل، يتم استخدام قدرة استشعار الإجهاد (FBG) لمراقبة التشوه الهندسي في لوحة من مادة (Terfenol-D) شديدة التقبُّل المغناطيسي عند تعريضها لحقل (PM) دوار.
ميزات (Terfenol-D Magnetostrictive)
يعتبر الانقباض المغناطيسي هو تأثير يتسبب في تغيير شكل المادة المغناطيسية عند تعرضها لمجال مغناطيسي، ومن حيث المبدأ تسبب المجالات المغناطيسية الخارجية سلالات داخلية متأصلة في المواد التي تقبض المغناطيسية والتي تؤدي إلى تغيير أبعادها إلى حد كبير على طول اتجاه المجال المغناطيسي.
كما تُصنف تأثيرات التقبُّض المغناطيسي عموماً جول (امتداد طولي فقط) والحجم (التمدد الحجمي) و (Wiedemann) (التواء بسبب المجال المغناطيسي الحلزوني) والشكل (تأثير مغناطيسي)، كذلك تم استخدام تأثير الحجم الانضغاطي المغناطيسي، وهو التغيير الحجمي في وجود مجال مغناطيسي في تصميم المستشعر المذكور في هذه الدراسة.
نبذة عن تصميم جهاز استشعار التقبض المغناطيسي FBG
تطبيق الاستشعار المستهدف في هذه الدراسة هو المراقبة في الموقع لحالة الصحة العامة في الآلات الكهربائية أثناء الخدمة، وتحقيقاً لهذه الغاية، يستخدم تصميم المستشعر المغنطيسي المبلغ عنه قدرة استشعار الإجهاد (FBG) المرتبطة بلوحة (Terfenol-D) ذات الأبعاد المناسبة لمراقبة تشوهها الهندسي عند تعريضها لحقل (PM) دوار داخل فجوة هواء الماكينة.
ولضمان الأداء الأمثل للمستشعر أثناء تقديم قدرة مراقبة طفيفة التوغل وقابلة للتعديل بالكامل، تم تصميم المستشعر ليتم دمجه داخل هيكل إسفين ذو فتحة ثابتة معدلة، وهذا يسمح بالتعرض الفعال للوحة (Terfenol-D) للحقل الشعاعي (PM) الدوار، وذلك مع الحد الأدنى تتداخل مع مسارات التدفق الرئيسية في أسنان الجزء الثابت ولا تتطلب أي اضطراب مادي للدائرة أو الهيكل المغناطيسي للآلة.
علاوة على ذلك، لتبسيط تطبيق المستشعر والسماح بتصميم أكثر عملية مع الاحتفاظ بوظيفة الاستشعار؛ فإنه يتم استخدام لوحة (Terfenol-D) الموجهة محورياً طولياً على طول هيكل إسفين الفتحة ومع محور تباينها المتعامد مع مجال (PM) الملحوظ، حيث أن هذا يضمن أن المستشعر المغناطيسي يقع في أقرب مكان ممكن من مغناطيس الدوار.
كما يسمح أيضاً بتثبيت المستشعر في موضع ثابت ثابت وبالتالي يكون قادراً على مراقبة المجال الناتج عن جميع (PMs) الدوارة المارة، وأخيراً لا يفرض ذلك أي إجراء باضع على العناصر الرئيسية للدائرة المغناطيسية أو الكهربائية للماكينة أثناء تركيب المستشعر، كما ويتيح إجراءات التثبيت والتعديل التحديثي بشكل مباشر نسبياً.
