الهندسةالهندسة الكهربائية

صيانة نظام المحمل المغناطيسي في الآلات الكهربائية

أهمية صيانة نظام المحمل المغناطيسي في الآلات الكهربائية

 

يشار إلى الآلات الكهربائية التي تعمل بسرعات دوران عالية ولها سرعة محيطية تزيد عن 100 م / ث على أنها آلات كهربائية عالية السرعة (HS)، كما أنها تسمح لنا الزيادة في السرعة بإنشاء حزمة أصغر وتوفير اتصال مباشر بالعملية من خلال التخلص من علبة التروس وتحسين كفاءة النظام، بحيث يتم استخدام الآلات من هذا النوع في تطبيقات مثل مغازل القطع ومخازن طاقة دولاب الموازنة وضواغط الغاز وضواغط الهواء والمنافخ والتوربينات الدقيقة.

 

ومع التقدم الأخير في إلكترونيات القدرة وتكنولوجيا التحكم، أصبحت المحامل المغناطيسية النشطة (AMBs) حلاً عملياً لآلات (HS) ترفع (AMBs) الدوار بالقوة الكهرومغناطيسية، مما يلغي التلامس، وبالتالي الاحتكاك وبدون الاحتكاك، كما يتم تقليل تآكل المكونات وتقل الحاجة إلى الصيانة.

 

كما تشمل المزايا الأخرى تقليل الخسائر ومراقبة الصحة وخفض الاهتزاز والضوضاء، وفي الآونة الأخيرة ركزت العديد من الأبحاث على جوانب التحكم في آلات النظام المنسق مع (AMB) وإجراءات التصميم لنوع المحمل المحدد، كما تم تصميم المحمل له تأثير كبير على النظام العام، وذلك لأنه يؤثر بشدة على الديناميكيات الدوارة.

 

لذلك يختلف تصميم آلة (HS) الكهربائية في العديد من الجوانب عن الآلات التقليدية، كما عرضت منهجية تصميم الآلات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم عالي السرعة (HS PMSM) وتحليلاً لقيود الهيكل، كما تم توضيح نهج التصميم لآلة الحث عالية السرعة (HSIM)، ومرة أخرى تم اقتراح نهج تصميم متعدد التخصصات لنظام (HS PMSM) مع لفائف ملف الأسنان الداخلية.

 

كما تعتبر المنهجيات بمثابة دمج (AMBs) في النظام، ومع ذلك؛ فإنها لا تقدم تفاصيل تصميم المحمل، وفي المقابل، يقدم المختصون تصميم (AMB) والتحسين بمعلومات محدودة حول تصميم الماكينة الكهربائية.

 

كما يتم تقديم مراجعة لطرق تحسين الماكينة الكهربائية (التوليف) لآلات المغناطيس الدائم، بحيث تظهر نتائج الدراسة المعيارية آفاق استخدام خوارزمية جينية لمشكلة تحسين الماكينة الكهربائية، بحيث تتضمن أمثلة تنفيذ خوارزمية التطور التفاضلي (DE) تصميم محرك حثي بقدرة (55) كيلو وات للتطبيقات متغيرة السرعة وآلة مغناطيسية دائمة ذات تدفق محوري (6.7) كيلو وات (5.5 كيلو وات و 20 ميجاوات آلات مغناطيسية دائمة مع طوبولوجيا مختلفة.

 

دور تصميم الالة الكهربائية في حصر مبدأ الصيانة

 

تصميم الآلة الكهربائية هو عملية تكرارية، بحيث ترجع التكرارات إلى الطبيعة متعددة التخصصات للنظام كذلك؛ فإنه يجب تلبية المتطلبات الحرارية والميكانيكية والكهرومغناطيسية في وقت واحد، بحيث يتم التحقق من كل مجموعة من المتطلبات من قبل فرد معين أو مجموعة من الخبراء الذين لديهم خبرة محدودة في بقية التخصصات وكل هذا يؤدي إلى زيادة عدد التكرارات وحل دون المستوى الأمثل.

 

كما ان هذا له أهمية خاصة لأجهزة (HS) لأنها تعمل بالقرب من الحدود المادية، وللتغلب على مثل هذه المشكلة، يتم تطبيق إجراء تحسين يأخذ في الاعتبار جميع معارف الخبراء المتاحة وينتج عنه مجموعة من الحلول التي تقع على “جبهة باريتو”، وهذا يعني أنه لا يمكن تحسين هذه الحلول دون التضحية بمعايير أخرى من هذه المجموعة، لذلك يختار فريق الخبراء نقطة التصميم المطلوبة لمزيد من التحقق.

 

أيضاً يعتبر التصميم المخصص أمراً نموذجياً في محركات (HS) لأنه يجلب ميزات إضافية ويزيد من كفاءة التطبيق المحدد، لذلك؛ فإن تحسين نظام النظام المنسق له قيمة عالية لأنه يمكن أن يقلل بشكل كبير من وقت التصميم الأولي ويحسن أداء النظام.

 

كما تصف هذه الورقة خطوات إجراء تصميم موحد لكل من (HSIM) و (AMBs) يتم عرض المعطيات المهمة التي تؤثر على التصميم المتبادل للآلة الكهربائية والمحامل، بحيث يتم تنفيذ خوارزمية جينية لتحسين نظام (AMB-HSIM) بناءً على نتائج التحسين، كذلك يتم إنشاء محرك تحريضي بقوة 350 كيلو وات (15000) دورة / دقيقة مع دوار صلب محوري المشقوق وحلقات نهاية موصلة و (AMBs)، بحيث تظهر نتائج الاختبار توافقاً جيداً مع النتائج المحسوبة في التحسين.

 

كما أن المساهمة الرئيسية في هذا البحث هي طريقة التصميم المقترن وتحسين نظام (HSIM) بدوار صلب و (AMBs)، وذلك على الرغم من أن إجراء التحسين المقترح مخصص لـ (HSIM) بدوار صلب مشقوق محورياً وحلقات نهاية موصلة، كما أنه يمكن تمديده مع تعديلات طفيفة، لأنواع الآلات الكهربائية الأخرى.

 

إجراء التصميم الخاصة بالآلات كهربائية

 

يتبع التصميم الكهرومغناطيسي التحليلي العام للآلة الكهربائية قيد الدراسة، بحيث يبدأ التصميم بقوة وسرعة الدوران المطلوبة للآلة، كما يحتوي (HSIM) على دوار صلب، ولتحسين الأداء الكهرومغناطيسي؛ فإنه يتم عمل الشقوق المحورية في الدوار.

 

لذلك؛ فإن الحل الآخر لتحسين عامل القدرة لآلة الدوار الصلب هو حلقات النهاية الموصلة على جانبي الدوار، بحيث يوضح الشكل التالي (1) هيكل العضو الدوار لـ (HSIM)، كما تتضمن أهم معلمات الإخراج لتصميم الآلة الكهربائية أبعاد ومواد مفصلة للجزء الثابت والدوار والأداء الكهرومغناطيسي للماكينة والخسائر المتوقعة.

 

المحامل المغناطيسية النشطة

 

النقطة الأولية لتصميم المحمل هي مواصفات القوة المطلوبة لرفع النظام بهامش أمان، كما يتم عرض الجوانب والخطوات الرئيسية لتصميم المحمل، وبالنسبة للآلات الكهربائية (HS)، كما يوفر نوع المحمل أحادي القطب مزايا إضافية مثل تقليل الخسائر وتقليل الاقتران بين محاور التحكم، ومع ذلك يصعب تصنيع محامل من هذا النوع وتكلفتها أعلى.

 

وبالنسبة للنظام قيد المناقشة، تم اختيار محمل غير متجانس، كما السرعة الاسمية للدوار هي (250) هرتز وهي ليست عاملاً مقيداً للنوع غير المتجانس، ترتبط المزايا الإضافية لهذا النوع من المحامل بتصنيعه السهل ومنخفض التكلفة، كما يُعرف نوع المحمل المعين بتصميم (E-core)، بحيث يوفر هذا النوع فائدة تقسيم التدفق المغناطيسي في الجزء الدوار بين القطبين ويتجنب نفس النوع الاقتران بين الأقطاب المجاورة للمحاور المختلفة، وبالتالي؛ فإن كومة التصفيح الدوار تكون أرق.

 

 

الدوران الديناميكي الخاص بالآلة الكهربائية

 

يتم الحصول على أبعاد الدوار من الحسابات في إجراءات التصميم المذكورة أعلاه، كما ويتم تجميع الهيكل الكامل مع افتراضات معينة، بحيث يرتبط الافتراض الأول بالمساحة التي تشغلها محامل الأمان، ونظراً لأن محامل الأمان يمكن أن توفر هامشاً كافياً من المتانة مع تغيرات كتلة الدوار؛ فمن الممكن تخصيص طول محوري وقطر دوار محددين مسبقًا لها.

 

الافتراض الثاني هو المساحة المطلوبة لأجهزة الاستشعار، وفي هذا الجهاز يتم استخدام مستشعرات التيار الدوامة، وأبعادها الهندسية صغيرة جداً لكن يجب فصلها عن أي مجال مغناطيسي خارجي لتجنب تشبع قلب المستشعر، لذلك يجب وضعها على مسافة معينة من المحامل المغناطيسية، في هذه الحالة تم اعتبار المسافة التي تبلغ (10) مم من اللفات الطرفية للمحمل كافي، كما تم اختيار قطر الدوار لأجهزة الاستشعار ليكون هو نفس القطر الخارجي لتصفيح المحمل.

 

كما أن الخصائص الهندسية للواجهة التي تربط الدوار بالعملية، مثل المكره وهي معروفة جيداً ولا تتغير لهذا الجهاز المحدد، لذلك إذا كان القطر الخارجي للمحمل صغيراً بدرجة كافية؛ فيمكن تركيب المحامل في الفراغ أسفل الملف النهائي للآلة الكهربائية، وبهذه الطريقة سيتم توفير نسبة كبيرة من المساحة المحورية، كما يُعرف القطر الداخلي للملف النهائي من حساب الآلة الكهربائية، وبالتالي يتم استغلال هذه المعلومات في خطوة تجميع الجزء الدوار لإجراء التحسين.

المصدر
L. Papini, T. Raminosoa, D. Gerada and C. Gerada, "A high-speed permanent-magnet machine for fault-tolerant drivetrains", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 61, no. 6, pp. 3071-3080, Jun. 2014.S. Zheng, Q. Chen and H. Ren, "Active balancing control of AMB-rotor systems using a phase-shift notch filter connected in parallel mode", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 63, no. 6, pp. 3777-3785, Jun. 2016.C. J. G. Ranft, "Mechanical design and manufacturing of a high speed induction machine rotor", 2010.D. Reischl et al., "Coupled mechanical and electromagnetic optimization of high speed rotors", Proc. 14th Int. Symp. Magn. Bearings, pp. 247-250, Aug. 2014.

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى