الهيكل النانوي للمحرك الكهربائي عالي الجهد ومتوسط الكثافة

منذ إدخال ورق الميكا والعزل الشريطي المعتمد على الراتينج الصناعي للآلات الكهربائية الدوارة في الخمسينيات من القرن الماضي؛ تم إجراء تحسينات تطورية فقط في خصائصها ومعالجتها، ونظراً لطبيعتها الصعبة؛ فقد تركز الكثير من أبحاث العزل الحديثة على جانب الموثوقية بدلاً من تحسين الأداء.

تحليل الهيكل النانوي للمحرك الكهربائي عالي الجهد

نظراً لأن البحرية الأمريكية تتبنى منصة (All Electric Ship-AES) حيث يتم توفير الطاقة الكهربائية لكل من أحمال الدفع والخدمة من خلال نظام الطاقة المتكامل (IPS)؛ فهناك طلبات متزايدة بسرعة على كثافة الطاقة أو عزم الدوران وكفاءة الحمولة للدفع البحري وتوليد الطاقة الكهربائية، في حين أن المحركات ذات الموصلات الفائقة المتزامنة وذات درجة الحرارة العالية (HTS) والمحركات المغناطيسية الدائمة يمكن أن توفر دفعاً كثيفاً عالي الطاقة.

لذلك؛ فإن البحرية مهتمة بتحسين كفاءة الحمولة الصافية للمحركات الحثية المتقدمة (AIMs)، ونظراً لقدرتها العالية على التوسع والقدرة على تحمل التكاليف وقاعدة صناعية كبيرة ونطاق ديناميكي كامل للعملية عالية الكفاءة، كما تتطلب المحركات الحالية عالية القدرة أو عزم الدوران إما تبريد سائل غير مباشر للمخرج مع أنظمة مبردة إضافية.

وبالنسبة للتبريد المباشر بالمياه؛ فإن مسار التبريد عبر ملفات الجزء الثابت عند الجهد المتوسط (MV) يمثل تحدياً ويتطلب أنظمة تبريد خاصة بالمياه غير المتأينة لتقليل خسائر التوصيل من خلال سائل التبريد من الطور والطور الأرضي وأيضاً لتقليل تآكل النحاس الموصلات. بالنسبة لأنابيب التبريد غير المباشرة المضمنة في ملفات الجزء الثابت، بحيث يلزم نفس مستوى عزل الجهد المتوسط بين الموصلات وأنابيب التبريد عند الإمكانات الأرضية.

كما أن الأنابيب المضمنة أو من خلال ممر تبريد الموصل يزيل أيضاً المساحة المحدودة في الفتحة للموصلات النحاسية، مما يتسبب في زيادة مقاومة الجزء الثابت وتوليد الحرارة، وعلاوة على ذلك تتطلب النقاط الساخنة في المنعطفات النهائية مساراً إضافياً للتوصيل أو حلقات تبريد، ومن ثم سيكون من المرغوب فيه للغاية تطوير محلول تبديد حرارة خالٍ من الماء لمحرك الدفع بكثافة عزم دوران عالية وكفاءة عالية.

خصائص العزل الكهربائي ذو البنية النانوية

لتحديد تركيبة العزل ذات البنية النانوية المثلى؛ تم تنفيذ مزيج من تصميم التجربة (DoE)، وباستخدام برنامج (Minitab) للتحقيق بشكل منهجي في العلاقات بين متغيرات الإدخال واستجابات المخرجات، ومع ما يقرب من (100) عملية تشغيل للصياغة وقياس الأداء مقابل مقاييس الأداء للعزل الدقي؛ تتضمن مدخلات التصميم تركيزات الحشو المئوية وظروف المعالجة.

كذلك تتوافق استجابات المخرجات مع مقاييس الأداء الرئيسية، بما في ذلك الموصلية الحرارية وقوة انهيار التيار المتردد والسماحية العازلة المعقدة، والتي تميزت باستخدام مقياس الموصلية الحرارية (TA DTC-300) واختبار الانهيار العازل (BAUR DTA-100C ،Agilent 4284 Precision LCR meter) على التوالي، كما نه تم تصنيع عينات المواد ذات البنية النانوية لكل تركيبة واختبارها وفقاً لذلك.

وفيما بعد ثم تم إدخال بيانات نتيجة الاختبار في تحليل (DoE) الذي يتنبأ إحصائياً باستجابات المخرجات، بحيث تم إنشاء مجموعة من استجابات مقاييس الأداء المستهدفة من خلال التوصيل الحراري (0.8- 0.9) واط / (م⋅ كلفن)، قوة انهيار التيار المتردد من (40- 44) كيلو فولت/ مم، وأيضاً (1000-1100) فولت في الدقيقة مع (VPM)، والتي تعني فولت لكل مل، أيضاً عامل التبديد من (0.2) إلى (0.3) وثابت العزل من (4- 5).

كما قدر تحليل (DoE) مجموعة من تركيزات الحشو، وهي المشار إليها بين الخطوط الصلبة والخطوط الكفافية لكل استجابة مستهدفة، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1)، وعلى وجه الخصوص كان عامل التبديد (<0.3) لكامل مساحة تصميم المتغيرات، ومن خلال تراكب المخططات الكنتورية لاستجابات متعددة مستهدفة، بحيث تم تحديد منطقة التصميم المثلى لتركيبات العزل ذات البنية النانوية، والتي تفي في نفس الوقت بجميع مقاييس الأداء المستهدفة.

الدراسة الحرارية والكهرومغناطيسية للهيكل النانوي في المحرك الكهربائي

تم إجراء التحاليل الكهرومغناطيسية والحرارية باستخدام (ANSYS Maxwell)، كما تم محاكاة آلة الحث (MV) المخصصة بناءً على (NIM ،MIM)، بحيث تم تصميم الماكينة باستخدام أداة (RMxprt) في (ANSYS Maxwell)، وهي أداة قائمة على القوالب لتصميم سريع للآلات الكهربائية، بحيث يتم تلخيص جميع القياسات المادية والهندسة ومعلمات الماكينة والمواصفات الأخرى للآلة في الجدول التالي.

أيضاً تم تعيين مجالات التشغيل لعزل الجدار الأرضي عند (2.6) كيلو فولت/ مم، أيضاً  (65 VPM) لكل من حالات الدراسة الحسابية، بينما تم ضبط الموصلية الحرارية عند (0.25) واط / (م كلفن) لـ (MIM) و (0.7) واط / (م كلفن) لـ (NIM) على التوالي، كما يوضح الشكل التالي (2) النموذج الذي يحتوي على (1/12) من المقطع العرضي الجانبي للآلة.

النموذج الكهرومغناطيسي نطاق (ANSYS Maxwell): تم بعد ذلك استيراد المخططات من (RMxprt) إلى (Maxwell)، كما وتم إعداد المعلمات الهيكلية للماكينة والمعلمات الكهرومغناطيسية وظروف التشغيل في (Maxwell)، والتي تولد تلقائياً هندسة الماكينة والإثارة المقابلة، ثم تم استخدام النموذج لتقييم اعتماد خصائص الآلة، أي خصائص عزم الدوران وكفاءته اعتمادا على التصميم الكهرومغناطيسي والمعلمات التأسيسية، كما يوضح الشكل التالي (3) الخسائر الإجمالية المماثلة بين المحركات.

النموذج الحراري نطاق الحالة الثابتة (ANSYS): تم إنشاء النموذج الحراري باستخدام برنامج التحليل الحراري (ANSYS SteadyState) عن طريق استيراد التصميم من نموذج (2D FEA)، كما أنها تستورد الخسائر الكهربائية كمصادر للحرارة، بحيث تم إجراء اقتران (Multiphysics) لـ (EM) والنمذجة الحرارية عن طريق ربط (ANSYS Maxwell) و (ANSYS SteadyState) مع (ANSYS Workbench)، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (4)، كما يوضح الشكل (5) مصادر الحرارة المستوردة.

ارتفاع كثافة عزم الدوران: بعد أن يتم الحصول على النتائج من الجدول التالي ولجميع الحالات الأربع؛ فإنه من الواضح أن المحرك مع (NIM) لديه مساحة أكبر للسحب الحالي، وبالتالي إنتاج عزم الدوران قبل أن يصل إلى درجات الحرارة القصوى لـ (NIM)، لذلك يتم إعادة تصنيف (NIM) بشكل متكرر كما هو موضح في الشكل التالي (6) لمطابقة ملف درجة حرارة (MIM) عن طريق دفع المزيد من عزم الدوران، بحيث يتم إجراء التكرارات حتى (TNIM_max = TMIM_max).

وأخيراً تم تطوير عزل المحرك عالي الأداء عالي الأداء ذو البنية النانوية على أساس الإيبوكسي مع حشوات نانوية ثنائية الأبعاد، تم تنفيذ تصميم التجربة لتحديد الصيغ المثلى ذات المقاومة الفائقة للتفريغ الكهربائي و (> 2X) من حيث التحسين المشترك في نقل الكهرباء والحرارة على أحدث أنواع “العزل الميكاسي”.

كما أشارت دراسات إعادة تصنيف الماكينة بناءً على الخصائص الفيزيائية المتعددة المقترنة بالنمذجة الحرارية والنمذجة الحرارية على تصميم محرك الدفع التمثيلي إلى معدل عزم محسن للغاية بنسبة (14٪) مع هذا العزل الجديد ثنائي الأبعاد ذو البنية النانوية لجميع الظروف الحدودية التي تمت دراستها، مما يشير إلى مسار واضح لزيادة الحمولة الصافية كفاءة الدفع الكهربائي البحري (MV).

كما يعتبر هذا التطور واعداً باعتباره أول تطور رئيسي في عزل الآلة الدوارة لأكثر من نصف قرن بخصائص متغيرة للعبة، وبالإضافة إلى ذلك لن يؤدي هذا التحول النموذجي فقط إلى زيادة كفاءة الحمولة الصافية وكثافة عزم الدوران في المحرك، ولكن أيضاً عمليات التصنيع الجديدة الصديقة للبيئة وذات الإنتاجية العالية.