تصميم نماذج أجهزة الاستشعار الخاصة بالآلات الكهربائية

أهمية تصميم نماذج أجهزة الاستشعار الخاصة بالآلات الكهربائية

تقترح هذه الدراسة تصميم وتطبيق “مستشعر مغناطيسي” لمراقبة صحة مغناطيس الدوار في الآلات الكهربائية ذات المغناطيس الدائم (PM) من خلال المراقبة في الموقع لكثافة التدفق المغناطيسي للفجوة الهوائية، كما يستخدم الجهاز الذي تم الإبلاغ عنه مفهوم اندماج استشعار الإجهاد (FBG) مع مادة تقبض مغناطيسي لتقديم مستشعر إسفين متكامل بفتحة الجزء الثابت للماكينة والذي يسمح بالتركيب المباشر والتعديل التحديثي دون أي إجراء غازي للعناصر الأساسية للماكينة.

كذلك تم تفصيل نظرية الاستشعار والتصميم والنماذج الأولية والمعايرة وتركيب مخطط الاستشعار المغناطيسي المقترح في الدراسة، بحيث تم تثبيت المستشعر في آلة متزامنة (PM) مثبتة على سطح عاكس (SPMSM) وأداؤها للمراقبة في الموقع لظروف مغنطة (PM) الدوار التي تم التحقق منها في مجموعة من اختبارات ظروف (PM) الصحية وغير الممغنطة.

كما توضح البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها قدرة الجهاز المبلغ عنها لتمكين التعرف على مستوى مغناطيسية (PMs) الدوار وبالتالي مراقبة صحتهم، وأخيراً تم اقتراح مؤشر خطأ والتحقق من صحته تجريبياً والذي يسمح بتطبيق قياسات المستشعر المغناطيسي في الموقع من أجل التقدير الكمي النسبي لشدة خطأ إزالة المغناطيسية الجسيمية.

تصميم ونماذج جهاز استشعار التقبض المغناطيسي FBG

يكون تطبيق “الاستشعار المستهدف” في هذه الدراسة هو المعاينة 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 الآلة نفسها.

ولضمان التشغيل والعمل الأمثل للحساس 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، ولتبسيط تطبيق المستشعر (الحساس) والسماح بتصميم أكثر عملية مع الاحتفاظ بوظيفة الاستشعار، كما أنه يتم استخدام لوحة (Terfenol-D) الموجهة محورياً وطولياً 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 الذي تنتجه جميع (PMs) الدوارة المارة، وأخيراً لا يفرض ذلك أي إجراء باضع على العناصر الرئيسية للدائرة المغناطيسية أو الكهربائية للماكينة أثناء تركيب المستشعر، ويتيح إجراءات التثبيت والتعديل التحديثي بشكل مباشر نسبياً.

وبناءً على المبادئ المذكورة أعلاه، تصمم هذه الدراسة مستشعراً مغناطيسياً ليتم تطبيقه في محرك اختبار (SPMSM) التجاري، وهو مفصل في القسم التالي، بحيث يوضح الشكل التالي (1) بنية المستشعر المطور، كما تم استخدام قطعة (Terfenol-D) (TdVib LLC، الولايات المتحدة الأمريكية) ذات هندسة المنشور المستطيل بأبعاد (10) مم (طول) × (1.62) مم (عرض) × (1) مم (ارتفاع).

وكما هي موضحة في الشكل التالي (1-A)، بحيث تم تحديد أبعاد لوحة (Terfenol-D)، وذلك لتمكين التثبيت في هندسة فتح فتحة الجزء الثابت لجهاز (SPMSM) الذي تم فحصه، كما تم ذلك عن طريق ربط اللوحة بفتحة إسفين مصممة خصيصاً ومُعدلة تحديثاً لمحرك الاختبار.

معايرة وتصميم المستشعر الخاص بالألة

لضمان أن استجابة المستشعر المغناطيسي المطوَّر تمثل كثافة التدفق المغناطيسي المقاسة على مقياس موثوق؛ فقد تمت معايرة المستشعر على نظام معمل مبني لغرض معين موضح في الشكل التالي (2)، كما يشتمل النظام على قلب مغناطيسي على شكل (C) يحتوي على مغناطيسات كهربائية مع إثارة يمكن التحكم فيها.

مما يسمح تعيين شروط كثافة التدفق المغناطيسي التي سيتم إنشاؤها في فجوة الهواء، بحيث تحتوي الحفارة أيضاً على مسبار تجاري لكثافة تدفق (Lake Shore Cryotronics MNT-4E04-VG)، وهو مثبت في فجوة الهواء، بحيث يتيح ذلك معايرة استجابة المستشعر المغنطيسي المختبرة (أي تغيير الطول الموجي عند مستوى كثافة تدفق معروف) مقابل مرجع موثوق.

وأثناء اختبارات المعايرة، تم وضع مستشعر التقبض المغناطيسي (FBG) والمسبار التجاري على مسافة قريبة جداً داخل فجوة الهواء الأساسية للاختبار، ثم تم تنشيط كل من الاختبار والمستشعر المرجعي وتم تنشيط النواة المغناطيسية لتوفير المجال المغناطيسي للفجوة الهوائية، بحيث يتم تشغيل مستشعر (FBG) بواسطة وحدة محقق (SmartFibres SmartScan04)، بينما يتم تشغيل مقياس التدفق باستخدام وحدة (Lake Shore Cryotronics 460 3-CH Gaussmeter).

كما تم تنشيط المغناطيسات الكهربائية (C-core) في سلسلة من مستويات التيار المستمر في خطوات (2.5 A) للحث على عدد من النقاط المميزة في نطاق تباين كثافة التدفق المغناطيسي الممثل لتلك التي تمت مواجهتها في فجوة هوائية (PMSM) تجارية (أي <1T).

إعداد النظام التجريبي الخاص بالمستشعرات

تم تركيب المستشعر المغناطيسي المقترح في اختبار (SPMSM)، والذي يتيح محاكاة تجريبية لمجموعة من ظروف (PM) الصحية والدوارة غير الممغنطة، كما تصف الأقسام الفرعية التالية إجراء تركيب المستشعر والظروف المغناطيسية للدوار الدوار التي تم فحصها تجريبياً والتصميم العام لجهاز الاختبار والميزات التشغيلية.

الجريان الاستشعار جزءا لا يتجزأ من (SPMSM): المحرك الذي تم فحصه عبارة عن تصميم ثلاثي الأطوار، (6) أقطاب، (1.1) كيلو واط، (415) فولت، (90) هرتز، كذلك سطح [PM (SPM)]، بحيث تم تصنيعه بواسطة محركات (Lafert)، كما يحتوي الجزء الثابت على تكوين متعرج متحد المركز مع (6) ملفات لكل مرحلة متصلة في سلسلة.

أيضاً الجزء الدوار عبارة عن تصميم (SPM) غير منحرف، حيث أنه يحتوي على شكل قوس (N-35) من النيوديميوم (PMs)، وذلك مع درجة (147) لدرجة (∝e)، ولغرض هذه الدراسة؛ فإنه تم  إعادة تصنيع كل قوس قطب (PM) ليتم تقسيمه محيطياً إلى ستة أقسام فردية، كما يظهر المقطع العرضي لاختبار (SPMSM) في الشكل التالي (3).

كما تصميم مستشعر مغناطيسي مدمج بفتحة إسفين مفصل، كما تم تركيب (C) في إحدى فتحات الجزء الثابت لمحرك الاختبار، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (4)، بحيث يتم الاحتفاظ بالسطح العلوي للوحة (Terfenol-D)، حيث يتم ربط رأس الاستشعار (FBG) مستوياً في هذه العملية مع التجويف الداخلي للجزء الثابت لضمان فعاليته تعرض جهاز الاستشعار لمجالات (PMs) الدوارة المارة.

ظروف الدوار التي تم فحصها بعد إزالة المغناطيسية: تم اختبار الأداء أثناء الخدمة لجهاز الاستشعار المغناطيسي في الموقع في تجارب على محرك الاختبار الذي يعمل بدوار سليم ومع دوارات مصممة لغرض معين مع أخطاء موحدة في إزالة المغناطيسية، بحيث تتجلى أخطاء إزالة المغناطيسية المنتظمة كتعديل متطابق لكثافة تدفق مقاطع الجسيمات الدقيقة، (Br) تحت كل قطب.

وبالإضافة إلى الدوار السليم، تم بناء دوَّارَي اختبار معيبين لتمكين محاكاة مستويين مختلفين من ظروف نزع المغناطيسية المنتظمة، كما كانت هذه ذات هندسة متطابقة مع الجزء المتحرك السليم، ولكن تم تعديل حالة مغنطة أقسام (PM) الخاصة بهم عن طريق التطبيق المناسب لمقاطع القوس الفردية باتباع المنهجية المقدمة.