كشف الضرر القائم على التدفق المغناطيسي في المحركات

تحديد الأضرار الناتجة على التدفق المغناطيسي في المحركات

في الآونة الأخيرة، ازدادت الحصة السوقية لمحركات المغناطيس الدائم في التطبيقات المتطورة، وذلك بشكل كبير بسبب كثافتها عالية الطاقة وكفاءتها العالية، كما يثير هذا النشر السريع والواسع مخاوف متعددة بشأن الموثوقية، لا سيما فيما يتعلق بأنظمة المهام والسلامة الحرجة، لذلك تعد المراقبة المستمرة لهذه الأنظمة ضرورية لمنع عمليات الإغلاق غير المتوقعة والفشل الكارثي الذي قد يؤدي إلى حوادث مميتة أو خسارة كبيرة في التشغيل.

ومن بين العيوب المختلفة في المحركات الكهربائية، تعتبر أعطال المحمل هي الأكثر شيوعاً من الناحية الإحصائية عند حوالي (41٪)، بحيث يعود سبب فشل المحمل إلى أسباب مختلفة مثل بيئة التشغيل ومشاكل التزييت وأخطاء التركيب وتيارات المحامل والتسخين المفرط بسبب فقدان الدوار وما إلى ذلك. حيث تم الإبلاغ عن غالبية حالات فشل المحمل ذات الصلة لمحركات الحث بسبب تاريخها الطويل.

كما يقوم المختصون في بالتحقيق في محرك مؤازر (PM) مع محمل تالف من الحقل لاكتشاف العطل الذي يُظهر أن أعطال المحمل يمكن أن تحدث في محركات (PM)، ونظراً لأن محركات (PM) تعنبر أصغر نسبياً من آلات الحث؛ فهناك بيانات محدودة للغاية لتأكيد أن حالات فشل المحمل قد تكون الأكثر شيوعاً.

أيضاً يمكن أن تحدث معظم المشكلات المذكورة سابقاً في كل من الجسيمات الدقيقة والمحركات التحريضية باستثناء التسخين المفرط بسبب فقد الدوار، ومع الزيادة في نشر أجهزة فجوة النطاق العريض؛ فإنه من المتوقع أن تزداد المشكلات الحالية ذات الصلة و التردد الكهربائي العالي.

لذلك لم يتم دراسة فشل المحمل في محركات المغناطيس الدائم على نطاق واسع كما هو الحال في المحركات الحثية، وعلى الرغم من أن معظم تقنيات اكتشاف الأخطاء المستخدمة في المحركات التحريضية يمكن أن تكون متكررة، إلا أن محركات (PM) لا تزال بحاجة إلى الدراسة لتطوير طرق اكتشاف موثوقة.

آلية كشف الخطأ المرتبط بالتدفق المغناطيسي داخل المحركات

كشف خطأ المحمل من خلال الاهتزاز وتحليل توقيع تيار المحرك (MCSA) تعتبر من أكثر الطرق التي تمت دراستها على نطاق واسع، وعلى الرغم من أن مقياس التسارع هو أحد أفضل المرشحين للأعطال الميكانيكية، إلا أنه مكلف ويتأثر بالبيئة.

كما تم اقتراح تقنية (MCSA) من أجل في اكتشاف خطأ الاتجاه الذي يتطلب تقنيات معالجة إشارة معقدة بسبب ضعف “نسبة الإشارة للضوضاء” (SNR)، كذلك اقترح المختصون تحليل التفلطح الخاص والمغلف الذي يستخدم نموذج الانحدار التلقائي لتبييض التيار والمرشحات المتعددة للحصول على المغلف لاكتشاف الخطأ.

أيضاً يقترح العمل تقنية إلغاء الضوضاء لتحسين موثوقية التوقيع في التيار الكهربائي، بحيث تزيد تقنيات معالجة الإشارات الشاملة هذه من تعقيد خوارزمية اكتشاف الأعطال نظراً لانخفاض توقيعات خطأ تحمل الطاقة، كما تم تطوير تقنيات المراقبة القائمة على المجال المغناطيسي الشارد لاكتشاف العيوب المختلفة مثل خطأ المغناطيس المكسور وفشل القفص الدوار وخطأ لف الجزء الثابت في المحركات الكهربائية.

الا أنه لم يتم دراستها على نطاق واسع لتحمل الكشف عن خطأ، حيث ذكرت دراسات متعددة أن الكشف عن التوقيع ذو الصلة في التدفق الضال يعد مهمة صعبة، وبعد ذلك استنتج المهندسين أن اكتشاف خطأ المحمل القائم على التدفق الكهرومغناطيسي صعب وأن التواقيع مثيرة للجدل لتحديد الخطأ.

كما تم اقتراح تحمل كشف الخطأ باستخدام المعالجة الإحصائية للتدفق العشوائي بالنسبة لمجموعة من التوافقيات الصحيحة، كما تتم مقارنة متوسط ​​بيانات التدفق الشارد لعشر عينات مع الانحراف المعياري للمحرك الصحي لاكتشاف الخطأ.

ومع ذلك، لا يزال ارتباط هذه التوقيعات بتحمل الخطأ غير واضح لأن الأخطاء الأخرى قد تظهر أيضاً نتيجة مماثلة، بحيث تم تركز الدراسات على المحركات الحثية ولا توجد دراسات حول اكتشاف فشل المحمل القائم على التدفق في محركات المغناطيس الدائم.

الخطأ المحمل في محركات المغناطيس

تمت مناقشة بعض النتائج الرئيسية المتعلقة باكتشاف خطأ المحمل في محركات المغناطيس الدائم بالتفصيل وذلك من خلال العديد من التجارب والاقتراحات السابقة، حيث تم الوصول الى تواقيع التدفق العشوائي الجديدة التي تعمل مكملة للخصائص التي تحمل توقيعات الخطأ، بحيث يتم مراقبة التدفق الشارد حول المحرك بواسطة مستشعر (Fluxgate) على الهيكل الخارجي.

كذلك من المعروف جيداً أنه حتى في محركات (PM) الجديدة تماماً؛ فإن المجال المغناطيسي ذي فجوة الهواء المتولد عن المغناطيس يكون في الغالب غير متجانس بسبب الاختلاف في عملية التصنيع، كما يؤدي هذا إلى اختلاف التدفق الشارد باختلاف موضع المغناطيس الذي يمكن قياسه بسهولة باستخدام مستشعر “فلوكسجيت” عن طريق تدوير المحرك بسرعة ثابتة.

كما ينتج عن هذا توافقيات تردد القطب المغناطيسي في طيف المحرك الصحي. يتضح أن التوافقيات الاهتزازية تعدل توافقيات القطب المغناطيسي وتولد إشارات خطأ تحمل في المجال المغناطيسي الشارد للمحرك جنباً إلى جنب مع توقيعات المحامل المميزة بسبب التردد الكهربائي.

حيث تظهر النتائج أن التوقيعات في التيار يتم قمعها بشكل كبير عن طريق التحكم في الحلقة المغلقة والحمل ولكن التوقيع في التدفق هو الأقل تأثراً، أيضاً يُظهر الاكتشاف القائم على التدفق الشارد توقيعاً ثابتًا في جميع أنحاء منطقة التشغيل بينما لم يتمكن (MCSA) من اكتشاف خطأ تحمل في معظم ظروف التشغيل.

كما تم التحقق من الطريقة المقترحة من خلال محاكاة العناصر المحدودة لمحركات الجسيمات الدقيقة بدرجات متفاوتة من عدم انتظام المغنطة (3٪، 10٪، 20٪) لخلق مستوى مختلف من عدم التناسق، لذلك تم التحقق من صحة نتائج المحاكاة بمحركين (PM) مختلفين، أحدهما يحتوي على 20٪ عدم تناسق في المجال المغناطيسي والآخر مع (5٪) عدم تناسق في المجال المغناطيسي. فيما يلي المساهمات الرئيسية لهذا العمل:

• بالإضافة إلى الخصائص المميزة، كما يتم تحديد مجموعة جديدة من تواقيع الخطأ لتحمل الخطأ.

• يمكن للطريقة المقترحة أيضاً، بحيث تحديد موقع المحمل المعيب ، سواء كان في نهاية محرك الأقراص أو في نهاية العمود غير الدافعة وهو أمر مفيد بشكل خاص للمحركات الكبيرة والمحركات ذات الطول الطويل للمكدس.

• السعة المميزة في التدفق عالية بشكل ملحوظ ومتسقة في جميع أنحاء منطقة التشغيل بأكملها، بحيث يختلف عن (MCSA)؛ فإنه ينتج عنه نسبة (SNR) أعلى وأقل تأثراً بالحمل وإجراء التحكم في الحلقة المغلقة لوحدة التحكم.

• ليست هناك حاجة إلى معالجة الإشارات المعقدة لتشخيص الأخطاء عندما يكون هناك عدم تناسق ملحوظ بين المغناطيسات.

• حجم التوقيع في التدفق يكاد يكون مستقلاً عن الحمل والسرعة، وهذا ضروري لتعيين عتبة ثابتة محددة مسبقاً، وذلك في حين أن التوقيعات الحالية تعتمد بشكل كبير على نقطة التشغيل وتتطلب عتبة ديناميكية.

• حتى إذا كان المجال المغناطيسي لا يحتوي على عدم تناسق أو عدم تناسق منخفض؛ فإنه يمكن استخدام التوقيعات في التدفق بسبب التردد الكهربائي لاكتشاف الخطأ.

• تسهل التوقيعات المتسقة في التدفق الشارد مراقبة الحالة بغض النظر عن نقطة التشغيل.