תמיד כאשר מתכננים מכלול מבוסס הינע עם מנוע DC מברשות, עולה השאלה של אמינות, אורך חיים ו-MTBF.
מהי אמינות ומהו MTBF :
אמינות מוגדרת כיכולת של רכיב לבצע ולפעול בהתאם להגדרות ואיפיונים שנקבעו לו לפרק זמן שהוגדר. לחיזוי אמינות ברמת ביטחון גבוהה מבוקשת – Confidence – נדרשים הגדרות ותיחום פרמטרים של מאמץ, הצריכים לשקף ולאפיין את ישומו של המוצר. בנוסף, יש לקבוע את המודל המתמטי והסטטיסטי ואת גודל המדגם.
פרמטרי המאמץ מכונים Stressors, משילוב המילים מאמץ – Stress ותיאור וקטורי – Phasor.
הנדסת אמינות, למרות היותה לוטה בערפל, הינה ענף מתמטי המתבסס על מודלים מתמטיים ובדיקות האצה – Stress Tests – שניתוח תוצאותיהם מאפשר חיזוי סביר של ביצועי הרכיב בסביבת העבודה הרגילה שלו.
מספר מודלים ונוסחאות מקובלים בתחום:
Weibull Analysis – ניתוח מתמטי וקביעת בגרותו של המוצר.
Arrhenius Model – השפעת טמפרטורה על חיי המוצר.
Halberg Peck – השפעת לחות על חיי המוצר.
Coffin Manson – השפעת חום והלם חום על חיי המוצר.
הבדלים והסברים של
MTBF–MTTF:
MTBF – Mean Time Between Failure – כלומר, הזמן הממוצע לכשל למוצרים הניתנים לתיקון.
MTTF – Mean Time To Failure – כלומר, הזמן הממוצע לכשל למוצרים שאינם ניתנים לתיקון. לצורך הבנה יסודית של משמעות MTBF, נציג את הנוסחאות הבסיסיות, ונסביר בעזרת דוגמא פשוטה:
הנוסחה הבסיסית של MTBF הינה
, כאשר
T = Total time
R = Number of failures
דוגמא: 10 מנועים נבדקים כל אחד במשך 500 שעות. 2 מתוך המנועים הנבדקים כשלו במהלך הבדיקה. מכאן נובע:
מכאן נעבור להבנה יסודית של משמעות MTTF, נציג גם כאן את הנוסחאות הבסיסיות, ונסביר בעזרת דוגמא פשוטה:
הנוסחה הבסיסית של MTBF הינה
, כאשר
T = Total time
N = Number of Units
דוגמא : 10 מנועים נבדקים כל אחד במשך 500 שעות. מכאן נובע:
לאחר הקדמה זו, נעבור לאמינות מנועי DC מברשות:
1. מנועי DC מברשות מהווים אתגר אמיתי למהנדסי אמינות וזאת כי סיבת הכשל העיקרית לכל רכיב אלקטרו מגנטי הינה חום יתר – Over Heating. חום זה מתפתח במוליכים נושאי הזרם של הרכיב. במנועי DC עם מברשות, הסלילים הם המוליכים העיקריים, ואילו המברשות והקומוטטור המכני, היוצרים את תהליך הקומוטציה הינם סיבת הכשל המשני.
2. הספר היסודי של הצבא האמריקאי לאמינותם של רכיבים מסתובבים, כולל מנועי DC, הוא MIL-HDBK-217F. פרק 12 של הספר מתייחס לשני פרמטרים בלבד לצורך חישובי אמינות ואורך חיים של מנועי DC:
א. ליפופים – Windage.
ב. מיסבים – Bearing.
במקרה של מנועי DC עם מברשות, מניח המחבר שהמברשות מוחלפות ומתוחזקות באופן קבוע, ואינן מהוות חלק מחישובי האמינות.
3. קיים מפרט צבאי אמריקאי ישן – – שאינו תקף יותר – המתייחס ישירות למנועי DC עם מברשות בשימוש תעופתי, כאשר במנועי DC אלו יש נגישות למברשות חיצוניות המוחלפות באופן קבוע כל 500 שעות, ללא קשר לפרופיל העבודה ו/או מאמץ חומני של המנוע.
4. בשנות ה-70 המוקדמות, התפתחה תפיסה טכנולוגית – בהמלצת חברתELECTRO CRAFT – של תחום עבודה בטוח – Safe Operating Area. הכוונה לתחום בעקומת מומנט מהירות של מנועי DC ללא ליבה, שבהם השיפוע הינו קו ישר ואילו השטח המתקבל ממכפלת המהירות במומנט, הינו ההספק.
תחום העבודה הבטוח חולק לשתי קטגוריות:
א. תחום עבודה בטוח רציף –
Safe Operating Area Continues.
ב. תחום עבודה בטוח לסירוגין –
Safe Operating Area Intermittent.
5. הבסיס לגישה זו, לפי אסכולת ELECTRO CRAFT, הינו חישוב מקסימום ההספק החומני המותר, בהתאם לטמפרטורת הליפופים, כנגד ההתנגדות התרמית של המנוע.
6. לצורך הדוגמא החישוב שלנו, בחרנו מנוע DC עם מברשות גרפיט, מסוג “ללא ליבה” – CORELESS. נתוני מנוע לדוגמא, כפי שנמסרו על ידי היצרן:
א. התנגדות אוהמית – Terminal Resistance:
R = 1.6 ± 15%
ב. התנגדות תרמית רוטור + סטטור – Thermal Resistance:
R th 1 + R th 2 = 10 K/W
ג. קבוע זמן תרמי רוטור + סטטור – Thermal Time Constant:
ד. מקסימום טמפרטורה רציפה של הרוטור:
ה. מקסימום טמפרטורה לזמן קצר של הרוטור, בהתאם לקבוצת
חוטי ליפוף F:
ו. קבוע המנוע :K = Kt/R = 29.5
7. בהתאם לנתוני המנוע הנ”ל שנמסרו, אזי התוצאות המתקבלות עבור MTBF של 2000 שעות הינן:
א. Safe Operating Area Continues – SOAC:
Speed – Between 3500 ÷ 4000 RPM.
Current – Up to 2.5A.
Torque Up to 95 mNm.
ב. Safe Operating Area Intermittent – SOAI:
Speed – Between 3000 ÷ 3500 RPM.
Current – Between 3 ÷ 3.5A.
Torque Between 110 ÷ 130 mNm.
לדעת כותבי המאמר, גישה זו, של חברת ELECTRO CRAFT הינה המתאימה ביותר לחיזוי ואומדן אורך חיים של מנועי DC מברשות. מנוע DC עם מברשות גרפיט, יכול לפעול באמינות גבוהה גם ביותר מ-3000 שעות בהתאם ל-Safe Operating Area.
Reference:
1. DC MOTORS SPEED CONTROLS SERVO SYSTEMS Engineering handbook by ELECTRO-CRAFT CORP.
2. Mr. Scott Speaks – VICOR Reliability Eng.
