ما هي السيناريوهات الخاصة التي تتطلب محركات تطبيقات خاصة؟

تتطلب البيئات الانفجارية والخطرة محركات تطبيقات خاصة مقاومة للانفجار

المبدأ: معايير السلامة الجوهرية والغلاف (ATEX، IECEx، NEC Class I/II)

عندما تعمل المحركات في مناطق تحتوي على غازات قابلة للاشتعال، أو أبخرة، أو غبار قابل للاشتعال، فإنها تحتاج إلى حماية خاصة ضد الشرارات التي قد تؤدي إلى نشوب حرائق. الفكرة الأساسية بسيطة ولكنها بالغة الأهمية: الحفاظ على الطاقة الكهربائية والحرارية عند مستويات منخفضة جدًا بحيث لا تسبب الانفجار فعليًا، وضمان احتواء أي شرارات محتملة داخل أغلفة مصممة خصيصًا لهذا الغرض. وعلى مستوى العالم، تضع منظمات مثل ATEX (وهو اختصار لـ ATmosphères EXplosibles)، وIECEx، وأنظمة NEC للتصنيفات I وII الشروط الدقيقة للتدابير الأمنية المطلوبة وفقًا للمخاطر الخاصة الموجودة. حيث يتعامل التصنيف I أساسًا مع الغازات القابلة للاشتعال التي ذكرناها سابقًا، في حين يركز التصنيف II على الحالات التي تنطوي على جزيئات الغبار القابل للاشتعال. ولا تتوقف وظيفة هذه الأغلفة الواقية على مجرد التواجد السلبي، بل تخضع لاختبارات شديدة تحاكي حدوث انفجارات داخلية بضغط يصل إلى 1.5 مرة من المستوى الطبيعي، قبل أن يتمكن النظام من تصريف الغازات المبردة بأمان إلى الخارج. ولن ننسَ أيضًا عواقب الخطأ في هذا المجال. فالمحركات التي لا تستوفي هذه المعايير تُعد مصدر خطر جسيم. وفي الواقع، كانت التركيبات المعيبة مسؤولة عن نحو 37 بالمئة من جميع انفجارات المصافي خلال العام الماضي وفقًا للبيانات الواردة في مجلة Safety Journal 2022.

دراسة حالة: ناقلات مصافي النفط باستخدام محركات استقرائية مقاومة للانفجار (Ex d) بتصنيفات IP66/IP68

قامت إحدى مصافي النفط على ساحل الخليج مؤخرًا باستبدال المحركات العادية بمحركات استقرائية مقاومة للانفجار (Ex d) في نظام النقل الخاص بالنفط الخام. تحافظ الأغلفة الثقيلة المصنوعة من الحديد الزهر على احتواء الشرارات الكهربائية الخطرة داخلها، كما أن تصنيفاتها IP66 وIP68 تعني بشكل أساسي أن لا شيء يمكنه الدخول إليها من الغبار أو المياه، حتى في الظروف القاسية على الساحل. ومنذ هذا التبديل، لم تحدث أي مشكلات تتعلق باشتعال أو انفجار المحركات، حتى في الأوقات التي تكون فيها درجات الحرارة مرتفعة أحيانًا وتصل إلى حوالي 140 درجة فهرنهايت. ما يهم حقًا هنا هو أن هذه المحركات الجديدة لا تُنتج شرارات بفضل تصميمها الخالي من الفُرش. وهذا أمر بالغ الأهمية في المناطق المصنفة كفئة I قسم 1، حيث تتواجد الغازات القابلة للاشتعال لأكثر من 15٪ من الوقت الذي يتواجد فيه العمال في الموقع.

الاتجاه: دمج أجهزة استشعار ذكية في وحدات المحركات الخطرة لمراقبة درجة الحرارة وتسرب الغاز في الوقت الفعلي

تُصنع محركات الوقاية من الانفجارات هذه الأيام مزوّدة بمستشعرات إنترنت للأشياء (IoT) مدمجة داخل وحداتها، لمراقبة درجات الحرارة ومستويات الغاز بشكل فوري. تقوم هذه المستشعرات بالكشف عند ارتفاع حرارة المحامل لأكثر من 150 درجة مئوية، أو عندما يصل غاز كبريتيد الهيدروجين إلى 10 أجزاء فقط في المليون. ثم تُرسل جميع هذه المعلومات عبر دوائر خاصة مصممة للعمل بأمان في المناطق الخطرة، مباشرةً إلى لوحات التحكم التي يمكنها إيقاف العمليات تلقائيًا عند الحاجة. شهد أحد المرافق الكيميائية الكبرى انخفاضًا ملحوظًا في الأعطال المفاجئة بعد تركيب هذه المستشعرات العام الماضي، حيث قلّت فترات التوقف بنسبة 43 بالمئة تقريبًا. وفيما يخص المستقبل، يعمل المصنّعون على تطوير طرق لتحليل اهتزازات المحركات لاكتشاف مشكلات الحُواصل المحتملة قبل حدوثها، وهي خطوة مهمة جدًا في الأماكن التي تأكل فيها المواد الكيميائية المعدات، أو التي تكون فيها الظروف قاسية للغاية على الآلات. تسهم هذه التطورات في تعزيز سلامة العمال، وفي الوقت نفسه تضمن استمرار الإنتاج بسلاسة.

يتطلب التحكم الدقيق محركات تطبيق خاصة بدقة دون ميكرون

التحديات: الارتداد، الرنين، وأخطاء التكمية في الأنظمة المفتوحة مقابل الأنظمة المغلقة

الوصول إلى مستويات الدقة دون الميكرون يُظهر بوضوح ما هو خاطئ في الأنظمة الحركية التقليدية. عندما تغير الآلات اتجاهها، فإن الارتداد الميكانيكي يجعلها تنحرف عن مسارها. عند ترددات معينة، تتفاقم الرنين وتؤدي إلى زيادة الاهتزازات بدلاً من تقليلها، مما يعطل المسار الفعلي الذي تتبعه الآلة. كما أن أجهزة التغذية المرتدة تعاني من مشاكل خاصة بها أيضًا – فهي تُحدث حركات تشبه الدرجات المتدرجة بدلًا من الحركة السلسة التي نحتاجها للعمل الدقيق. إن الأنظمة ذات الحلقة المفتوحة لا تفعل سوى تراكم الأخطاء باستمرار لأنه لا توجد طريقة لإصلاحها، في حين تجد الأنظمة ذات الحلقة المغلقة صعوبة في الحفاظ على الاستقرار عند محاولة التصحيح بشكل مفرط. كل هذا له أهمية كبيرة في تصنيع أشباه الموصلات، حيث يجب أن تكون التسامحات ضمن حدود زائد أو ناقص 0.1 ميكرون. فقد شهدت إحدى الشركات العاملة في هذا المجال انخفاضًا في إنتاجها بنسبة 37٪ العام الماضي بسبب استمرار اختلال مواضع الشرائح نتيجة الرنين المزعج الذي لم يتوقعه أحد.

الحل: خطوة هجينة + مشفر + تحكم موجه حسب المجال (FOC) لمناولة رقائق أشباه الموصلات

تتعامل محركات التطبيقات الخاصة مع هذه المشكلات من خلال دمج عدة تقنيات معًا - مثل المحركات الخطوية الهجينة، والمشفرات عالية الدقة تلك، وتقنية تُعرف باسم التحكم الموجه حسب المجال أو FOC باختصار. توفر المحركات الخطوية الهجينة عزمًا كبيرًا نسبيًا، وهو ما يمثل في الأساس كمية القوة الدوارة التي يمكنها توليدها. أما بالنسبة لهذه المشفرات؟ فهي تمتلك دقة ممتازة تبلغ 512 ألف نقطة، مما يمكنها من قياس المواضع بدقة تصل إلى 0.045 ميكرومتر. ما يجعل هذا النظام بأكمله يعمل بكفاءة عالية هو الطريقة التي يقوم بها التحكم الموجه حسب المجال (FOC) بتعديل الحقول المغناطيسية داخل المحرك بشكل مستمر. ويساعد ذلك في القضاء على الاهتزازات المزعجة والحفاظ على حركة سلسة تمامًا دون أي توقفات أو بدءات ارتجاجية. وعندما تتكامل جميع هذه المكونات معًا، فإن النتيجة هي...

• إلغاء التخليص العكسي عن طريق اقتران مباشر، يتم فيه إزالة مكونات النقل الميكانيكي
• تكرارية دون ميكرون مع التحقق من الموضع في الوقت الفعلي
• تعليق تكيفي الذي يُطفئ الاهتزازات خلال 2 مللي ثانية

في روبوتات معالجة رقائق أشباه الموصلات، تحافظ النظام على دقة ±0.08 ميكرومتر أثناء عمليات النقل عالية السرعة. ويؤدي إزالة علب التروس إلى تقليل معدلات الأعطال الميكانيكية بنسبة 63٪ مقارنةً بأنظمة السيرفو التقليدية. كما يضمن التعويض الحراري المتكامل استقرارًا طويل الأمد عبر دورات الإنتاج المتغيرة.

تستدعي الظروف البيئية القاسية هندسة مخصصة في محركات التطبيقات الخاصة

تحديات حرارية ومواد: استقرار المغناطيس من −40°م إلى +150°م وسبائك مقاومة للتآكل

تتطلب المحركات هندسة خاصة عندما تعمل في ظروف قاسية تكون فيها درجات الحرارة القصوى والمواد الكيميائية مشكلات شائعة. تبدأ المغناطيسات الدائمة العادية في فقدان قوتها عند حوالي 150 درجة مئوية، حيث تنخفض كثافة الفيض بنحو 15%. كما تصبح هشة عندما تنخفض درجات الحرارة إلى ما دون 20 درجة مئوية تحت الصفر، وفقًا لما ذُكر في مجلة المغناطيسية العام الماضي. ولذلك غالبًا ما تتضمن المحركات عالية الأداء إما مغناطيسات من ساماريوم كوبالت أو إصدارات خاصة من النيوديميوم المعالجة التي تتحمل هذه الظروف بشكل أفضل. أما بالنسبة لمشاكل التآكل، فإن معدات الحفر offshore عادةً ما تكون مزودة بألواح من الفولاذ المقاوم للصدأ، وأحيانًا مدعمة بقطع من الألمنيوم المخصص للمياه البحرية وختم من النحاس النيكيل لمقاومة الضرر الناتج عن الكبريت. انظر إلى مواقع الطاقة الجوفية حيث يمكن أن تنخفض مستويات الحموضة إلى أقل من pH 3.0. أصبح استخدام ملفات مغلفة بالسيراميك معيارًا هناك، لأنها لا تقاوم الأحماض فحسب، بل تُوصِل الحرارة بشكل جيد أيضًا، مما يضمن استمرار عمل هذه المحركات حتى عند تعرضها يوميًا لبيئات كيميائية عدوانية.

المفاضلة: محركات SynRM عالية الكفاءة والتحول من التبريد بالهواء إلى الغمر المختوم بالزيت

يمكن للمحركات المتزامنة ذات المغناطيسات الدائمة (SynRMs) أن تصل إلى كفاءة حوالي 98% حتى عندما ترتفع درجات الحرارة بشكل كبير، رغم أنها تميل إلى إنتاج كمية كبيرة من الحرارة المركزة بحيث لم يعد التبريد الهوائي العادي كافيًا. ولهذا السبب بدأ العديد من المشغلين بالتحول إلى أنظمة الغمر المختومة بالزيت. تسمح هذه الأنظمة لسوائل عازلة خاصة بالتدفق عبر تجاويف المحرك بسرعة تبلغ نحو 5 لترات في الدقيقة، ما يعزز القدرة على التعامل مع الحرارة بما يقارب ثلاث مرات القدرة التي يمكن تحقيقها باستخدام الهواء القسري. لكن هناك بعض السلبيات أيضًا. فتشغيلها في الطقس البارد يتطلب استخدام زيوت صناعية تظل سائلة عند درجات حرارة تصل إلى -40 مئوية، وإلا تصبح المواد كثيفة جدًا للعمل بشكل صحيح. كما أن تماس السوائل يُحدث مقاومة إضافية على الدوار، مما يقلل من عزم الدوران بنسبة تتراوح بين 8 و12 بالمئة. بالإضافة إلى أن غرف المحامل المختومة تعني إجراءات صيانة أكثر تعقيدًا. لحسن الحظ، فإن التطورات في ديناميكا السوائل الحسابية تساعد المهندسين على تصميم حاجز داخلي أفضل، ما يسمح لآلات الثقيل المستخدمة في عمليات التعدين الصحراوية بالاستمرار في العمل دون توقف حتى عندما تصل درجات الحرارة المحيطة إلى 60 مئوية دون الحاجة إلى تقليل الإخراج الكهربائي.

التطبيقات عالية العزم وذات السرعة المنخفضة تفضل محركات التطبيق الخاص ذات الدفع المباشر

الميزة: إزالة علبة التروس في ماكينات البثق وتحكم الن pitch في توربينات الرياح لتحسين الموثوقية

تحصل محركات الدفع المباشر الخاصة بالتطبيقات الخاصة على علب التروس الميكانيكية عند التعامل مع عزم دوران مرتفع عند السرعات المنخفضة، مما يجعل النظام بأكمله أكثر موثوقية بكثير. ويقلل التخلص من التروس والوصلات التي غالبًا ما تتعرض للتلف من وقت الصيانة المطلوب للأنظمة مثل أنظمة البثق. وتحتاج توربينات الرياح إلى هذا النوع من التكوين أيضًا. فأنظمة التحكم في زاوية الشفرات تستفيد من وحدات الدفع المباشر لأنها توفر عزم دوران قوي دون الحاجة إلى جميع تلك الأجزاء الإضافية بين المحرك والحمل. ويعمل هذا بشكل ممتاز حتى في الظروف القاسية الموجودة في الميدان. ومع وجود أجزاء متحركة أقل بشكل عام، تقل الطاقة المهدورة خلال المسار، وتتحسن مؤشرات الكفاءة، ويزداد الوقت بين الفترات الزمنية المطلوبة للصيانة. ولأي شخص يحتاج إلى توصيل طاقة مستقرة عند السرعات المنخفضة، أصبحت تقنية الدفع المباشر الآن شائعة جدًا عبر العديد من الصناعات.