المستشعر الكهربائي لعزم الدوران والتعديل اللامركزي

تم اقتراح مستشعر عزم لحظي جديد غير متصل، والذي يتكون بفعل الهيكل الميكانيكي لمستشعر عزم الدوران وبشكل أساسي من فجوة مجوفه تدور حول عمود مرن، كما أنه يتم تحويل قياس عزم الدوران إلى قياس فرق الطور الكهربائي بين الأكمام اللامتراكزة، والتي تُستخدم مستشعرات التيار الكهربائي لقياس تغيرات المسافة بين مجساتها.

أهمية المستشعر الكهربائي لعزم الدوران والتعديل اللامركزي

يعتبر عزم الدوران أحد أهم الخصائص الفيزيائية للبحث والتطوير والتحكم في التحسين وفحص الجودة ومراقبة الحالة وتشخيص الأعطال للآلات الكهربائية، لذلك جذب تطوير مستشعرات عزم الدوران اهتماماً كبيراً، وذلك من الناحية التاريخية لتلبية متطلبات التطبيقات الصناعية المختلفة.

كذلك يمكن تقسيم مستشعرات عزم الدوران التقليدية إلى عدة فئات وفقاً لمبادئ القياس الخاصة بها، بحيث تم تطوير مجموعة متنوعة من مستشعرات قياس عزم الدوران الجديدة بناءً على مبادئ القوة والضوء والمغناطيسية، أيضاً تم اقتراح مستشعر قوة وعزم دوران ضوئي متوافق من (6) محاور بواسطة، كما تم اقتراح مستشعر عزم الدوران اللاسلكي السلبي على أساس الموجة المستعرضة السطحية.

وفيما بعد تم اقتراح مستشعر عزم دوران جديد غير ملامس يعتمد على التلألؤ الميكانيكي لجسيمات (ZnS Cu) الدقيقة بحيث تُستخدم مقاييس الإجهاد على نطاق واسع لقياس عزم الدوران المبذول على العمود، أيضاً تم اقترح نوع من أجهزة قياس عزم دوران الصمام استناداً إلى مقياس الضغط، بحيث تُستخدم فرش الكربون وحلقات الانزلاق عادةً لتزويد إشارات الطاقة والعبور لمقاييس الإجهاد المثبتة في عمود الدوران.

ومع ذلك ونظراً لاختلافات التلامس والسرعة؛ تسبب فُرش الكربون وحلقات الانزلاق تآكلًا وحرارة غير مرغوب فيهما، مما يقلل من عمر الخدمة ودقة المستشعر، كما حسنت الاتصالات اللاسلكية وإمدادات الطاقة اللاسلكية من أداء المستشعر في السنوات الأخيرة، ومع ذلك؛ فإن مثل هذه التقنيات معرضة لتداخل المجالات المغناطيسية القوية والمجالات الكهربائية الناتجة عن الدوران المستمر حول عمود الدوران.

مساهمة مستشعرات عزم الدوران في آداء الآلات الكهربائية

نوع آخر من أجهزة الاستشعار هو مستشعر عزم الدوران من نوع الزاوية الذي يستخدم العلاقة بين اختلافات الطور وعزم الدوران، على سبيل المثال يتم تثبيت ترسين للإشارة على جانبي عمود مرن ومجموعة من مولدات الإشارة الكهرومغناطيسية المكونة من ملفات فولاذية مغناطيسية مثبتة على الجزء العلوي من غلاف الترس، وعندما يتم تطبيق عزم الدوران على التروس؛ فإنه يتم الحصول على قناتين من إشارات التيار المتردد الجيبية بواسطة مولدات الإشارة.

كذلك يمكن اشتقاق عزم الدوران من فرق الطور بين هذه الإشارات، بحيث حاولت العديد من الدراسات الحديثة تطوير مولدات إشارات جديدة لتحسين الأداء، كما تم اقتراح مستشعر عزم دوران ذاتي التعويض التفاضلي بدون فرش استنادًا إلى مبدأ الحث الكهرومغناطيسي وأجرى تحليل العناصر المحدودة لتحديد خصائصه.

أيضاً اقترح مستشعر موضع زاوي مطلق يعتمد على الكهرومغناطيسية، حيث يمكن حساب المواضع الزاويّة من خلال تحليل الإشارات المشابهة لجيب التمام وتوفر مستشعر عزم ذو طبقات رفيعة مع دائرة معالجة إشارات رقمية بالكامل، حيث تتعاون مجموعتان من أجهزة الكشف عن الصور مع قرصين يحتويان على حواجز شبكية ضوئية لتوليد تسلسلين للنبض.

كذلك يمكن الحصول على التأخير الزمني بين هذين التسلسل النبضي طالما تم تطبيق أي عزم على العمود وميزة هذا النوع من أجهزة الاستشعار أن الجهاز بسيط وسهل التركيب، ولا توجد دوائر كهربائية في المكونات الدوارة، مما يعني أنه غير عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي بحيث تسهل هذه الطريقة بشكل فعال قياس عدم الاتصال لإشارات عزم الدوران.

أيضاً تعتمد دقة هذا النوع من أجهزة الاستشعار على درجة تجزئة المحور، حيث إن السعي لتحقيق حل متزايد هو قضية مهمة. يعتمد قياس الطور في مستشعرات عزم الدوران التقليدية على تحويل فورييه أو طرق معالجة الإشارات المعقدة الأخرى، والتي تتطلب تراكم الوقت أو أخذ عينات الفترة الصحيحة ولا يمكنها إجراء القياس الفوري، بالإضافة إلى ذلك لا يمكن تطبيق هذا النوع من أجهزة الاستشعار لقياس عزم الدوران الترددي، مثل ذلك الموجود في أنظمة توجيه الطاقة الإلكترونية في السيارات.

مبدأ القياس لمستشعر عزم الدوران بالتعديل اللامركزي المزدوج

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من المكونات في المستشعر المقترح، وهي كبينات الأطوار واثنان من مستشعرات التيار الدوامي وحزمة مطاطية، كذلك هذه المكونات موضحة في الشكل التالي (1).

كما أنه يتم تحديد زاوية الالتواء بين طرفي الحزمة بعد بذل عزم الدوران على العمود المرن في المعادلة الرياضية التالية:

كما يتم الحفاظ على المواضع النسبية لأجهزة استشعار التيار الدوامي ومحور المغزل ثابتة، كذلك مواضع التثبيت الأولية للأكمام اللامتراكزة لها فرق طور يبلغ (180) درجة.

حيث أن:

(θ1): هي الزاوية اللحظية للحزمة المرنة، وهي زاوية الالتواء المقاسة بواسطة مستشعر التيار الدوامي (I).

(θ2): هي زاوية الالتواء المقاسة بواسطة مستشعر التيار الدوامي (II).

 (Δθ): هي فرق زاوية الالتواء بين طرفي الحزمة المرنة.

(T): هي العزم المطبق (N⋅m).

(Ip): هو العزم القطبي بالقصور الذاتي للحزمة المرنة (m4).

(G): هو معامل مرونة القص للحزمة المرنة.

وعندما تكون مادة وشكل الحزمة معروفة أي (l ،G ،Ip) تكون معلومة، كذلك (k = l / GIp) ثابت، بحيث ترتبط زاوية الالتواء للحزمة بعزم الدوران، وذلك كما هو موضح في المعادلة التالية:

لذلك يمكن الحصول على عزم الدوران عن طريق قياس فرق الطور (Δθ)، كما ويرد مخطط كم غريب الأطوار في الشكل التالي (1-c)، بحيث تُستخدم مستشعرات التيار الدوامة لقياس المسافات بين مجساتها والأكمام اللامتراكزة، والتي يشار إليها على أنها (s) في الشكل التالي (2-a)، بحيث يتم رسم المواقف التي يصل فيها (s) إلى القيم الدنيا والقصوى في الشكل (2-b) والشكل (2-c) على التوالي.

وعندما يدور المغزل؛ تقاس الإشارات الشبيهة بجيب التمام بواسطة مستشعري التيار الدوامي، بحيث تحتوي هذه الإشارات على السرعة الزاوية ومعلومات المرحلة، كما تم تفصيل مبدأ التعديل الشبيه بجيب التمام والصيغ الرياضية المحددة المستخدمة في الطرق اللامتراكزة.

وباستخدام مستشعر عزم الدوران المقترح؛ فإنه يمكن إجراء قياس الطور واكتساب عزم الدوران على الفور دون تراكم الوقت أو أخذ عينات الفترة الصحيحة، كما أنه يتم تحديد العلاقة بين المسافات المقاسة بواسطة مستشعرات تيار الدوامة والمرحلة في المعادلات التالية، وذلك بناءً على المثلث (Δoo2M) الموضح في الشكل السابق (2-a).

حيث أن:

(o ،θ ،t): هي محور المغزل وزاوية الدوران والوقت على التوالي.

(oi): هو مركز الدائرة الخارجية للكم متعدد الأطوار.

(ω): هي سرعة دوران العمود.

(s): هي المسافة اللحظية بين مسبار مستشعر التيار الدوامي والكم اللامتراكز.

(h): هي المسافة الثابتة بين مستشعر التيار الدوامي ومحور المغزل.

(r = d / 2): هو نصف قطر الغلاف.

وأخيراً؛ فإنه يمكن إجراء اكتساب عزم الدوران الميكانيكي على الفور دون أي تراكم للوقت أو أخذ العينات المتعددة من فترة زمنية صحيحة، بحيث يحتوي المستشعر الكهربائي المقترح على هيكل بسيط وواضح بدون مكونات كهربائية داخل الأجزاء الدورانية.