تصنيع قضبان التوزيع لمعدات شحن المركبات الكهربائية

ورشة معدات مفاتيح تتولى عمل شحن المركبات الكهربائية تجد القطع سهلة والعملية صعبة عادةً. فالقضبان صغيرة، والمقاطع رفيعة، ومتطلب القوة تافه. وما يوقع الناس أن نطاق السماحية أضيق من عمل معدات المفاتيح، وأحجام الدفعات أصغر، والرسومات تتغير بين شوط إنتاج وآخر، والحافة السيئة تعود إليك كفشل عزل بعد ثمانية عشر شهراً من الخدمة لا كشكوى شكلية عند استلام البضاعة.

كيف تبدو القطع

تنقسم معدات شحن المركبات الكهربائية إلى مجموعتَي قضبان مختلفتين تماماً.

الجانب المتردد وجانب التوزيع في خزانة الشاحن يبدوان مألوفين: نحاس مستطيل بسماكة 6 إلى 10 mm، مثقوب ومثنيّ، بوصلات مربوطة بالبراغي، أشبه بلوحة توزيع صغيرة. لا شيء فيه غير معتاد.

أما الجانب المستمر فهو حيث يتغير العمل. فقد تقاربت معماريات الشحن على نطاقات تشغيل تتراوح تقريباً بين 200 و920 V DC لتركيبات CCS، مع مواصفة تسمح بنطاق يتسع من 50 إلى 1,000 V DC. ونظام الشحن الميغاواطي الذي يجري نشره الآن للمركبات الثقيلة مقنن عند 1,250 V و3,000 A DC. وتعني تلك الأرقام موصلات قصيرة عريضة رفيعة تحمل تياراً عالياً جداً بين وحدات القدرة، وتعني أن الموصلات مرصوصة متقاربة بما يكفي لألا يكون الهواء وحده هو ما يعزل.

والعمل المعتاد على الجانب المستمر وفي وصلات الوحدات البينية يقع بين 1.5 و6 mm سماكة، وكثيراً ما يكون دون 300 mm طولاً، بكميات من العشرات إلى المئات المنخفضة لكل تهيئة. والقطع كثيراً ما تكون مصفّحة أو معزولة بغشاء لا عارية. ونسخة الرسم تتغير، لأن إلكترونيات القدرة داخل خزانة الشاحن على دورة منتج من سنتين إلى ثلاث، لا على دورة عشرين سنة.

الواجهات المصفّحة والمعزولة

ثلاثة أساليب عزل هي المهيمنة، ولكل منها مطلب مختلف على المعدن.

تصفيح الأغشية يربط البوليستر أو البولي إيميد بالموصل، وأحياناً بموصلين أو أكثر مبنيين في رزمة واحدة لخفض محاثة الحلقة. والغشاء رفيع، وغالباً دون مليمتر بكثير، وعليه أن يتوافق مع حافة الموصل دون ترقّق ولا تجسير.

والطلاء بالمسحوق يضع مسحوق الإيبوكسي كهروستاتياً ويعالجه في فرن. وهو رخيص ويتحمل المناولة. وهو أيضاً غير متسامح مع الهندسة الحادة، لأن الطلاء يسيل أثناء المعالجة ويسحبه التوتر السطحي بعيداً عن الحواف المحدّبة، فيترك الغشاء عند أرقّ ما يكون في المكان الذي يكون فيه المجال أعلى ما يكون بالضبط.

والتغليف بالحقن والتغليف الكامل يضعان الموصل في قالب ويصبّان الراتنج حوله، أو يغمران التجميعة كلها. وهذا يعطي أفضل نتيجة ميكانيكية وأقل تسامح مع الهواء المحتبس، لأن الفجوة التي تتشكل أثناء الحقن تُختم في الداخل ولا يمكن فحصها إلا باختبار عازلية قد ينجح رغم ذلك.

وتُحدد الإرشادات المنشورة حول تهيئة حواف قضبان التوزيع المصفّحة أربعة أساليب: الحافة المفتوحة، والختم بالقرص، وFR4، والحافة المملوءة بالإيبوكسي. والختم بالقرص يتطلب تراكب عزل لا يقل عن ضعف سماكة الموصل خلف حافة النحاس، وذلك التراكب لا يعمل إلا إذا كانت حافة النحاس حيث يقول الرسم إنها موجودة. إنه قيد تصنيع مُلبَّس بلبوس خيار تصميمي.

الحافة هي حيث يفشل العزل

جودة الشطف تهيمن على هذا القطاع لسبب فيزيائي تذكره معظم المواصفات كبُعد مجرّد دون قول من أين جاء.

ابدأ من الهندسة. الحافة المقصوصة أو المثقوبة ليست قائمة الزاوية. ففيها تقوّس عند جانب دخول القالب، ونطاق مصقول، ونطاق كسر، ونتوء على جانب الخروج. و"الزاوية" هي عملياً نصف قطر ببضع عشرات الميكرومترات، وفي مواضع منها تكون رأس نتوء بنصف قطر أصغر من ذلك.

والآن ضع عليها عزلاً. أياً كانت العملية، على المادة أن تنعطف بزاوية قائمة حول تلك الزاوية. فالغشاء يجسّر بدل أن يتوافق. والمسحوق ينحسر. وراتنج الحقن عليه أن يملأ زاوية داخلة ضد توتره السطحي وضد أي هواء يجلس هناك أصلاً. وفي كل حالة تكون النتيجة المرجّحة جيباً صغيراً من الهواء محتبساً بين الموصل والعزل، عند الزاوية تماماً.

وذلك الجيب هو المشكلة، لسببين يتراكبان.

أولاً، المجال أعلى ما يكون هناك. فالمجال الكهربائي يتركّز عند معلم موصل محدّب، وعند أنصاف الأقطار الصغيرة يتناسب التضخيم الموضعي تقريباً مع مقلوب نصف القطر. ورأس نتوء بـ 20 µm في مجال مريح على امتداد وجه مستوٍ ليس مريحاً عند الرأس.

ثانياً، الهواء هو أضعف مادة في التجميعة وهو يحمل أكثر من حصته من المجال. ففي فجوة محاطة بعازل صلب يكون المجال في الفجوة أعلى من المجال في الصلب بنسبة سماحيتيهما النسبيتين تقريباً. والإيبوكسي والبوليستر يقعان حول 3 إلى 4؛ والهواء 1. فالفجوة ترى ثلاثة إلى أربعة أضعاف مجال الراتنج المحيط، بينما تملك نحو عُشر متانته العازلة.

والفجوة تتأيّن، وحين تتأيّن لا تتوقف. فالتفريغ الجزئي يأكل العزل من الداخل، ويكبر التجويف المتآكل، وينمو نشاط التفريغ معه، وتفشل القطعة في النهاية عند جهد صمدت أمامه يوم اختُبرت. والأدبيات البحثية حول قضبان التوزيع المصفّحة متسقة في هذا: فبدء التفريغ الجزئي في العيوب المطمورة يقع عند بضعة كيلوفولت، وهو داخل نطاق تشغيل معمارية 800 V أو 1,000 V DC بمجرد احتساب الجهود الزائدة العابرة.

والحافة المدوّرة تخفض عامل التضخيم، والأنفع من ذلك أنها تعطي مادة العزل هندسة تستطيع أن تبللها وتتوافق معها. فالمجال لا يصبح منتظماً أبداً؛ بل يصبح محتملاً. وهذه هي حجة الشطف كاملةً في هذا التطبيق، وهي قائمة على الفيزياء لا على بند.

ماذا تقول المواصفات فعلاً في ذلك

IEC 60664-1 هي مواصفة تنسيق العزل، وهي المرجع الصحيح لأرقام مسافات الخلوص والزحف في تصميم الشاحن. فمسافة الخلوص تأتي من جهد الصمود النبضي المقنن مجموعاً إلى درجة التلوث والارتفاع عن سطح البحر؛ ومسافة الزحف تأتي من جهد التشغيل مجموعاً إلى درجة التلوث ودليل التتبع النسبي لمادة العزل. وهذه هي البارامترات التي يعمل بها مصمم شحن المركبات الكهربائية.

وما لا تفعله IEC 60664-1 هو أن تطلب منك الشطف. ولا تفعله IEC 61439 أيضاً. وهذا يستحق القول، لأن قدراً كبيراً من مواد الموردين يدّعي أن IEC 61439 تفرض نصف قطر حافة لقضبان التوزيع، ولا وجود لبند كهذا. فنصف قطر الحافة وسيلة هندسية لاستيفاء أحكام العازلية والخلوص والزحف، ولجعل عملية العزل قابلة للإنتاج. وإن طلبت مواصفة عميل نصف قطر بعينه، فذلك الرقم خرج من عملية العزل لديه، فاسأل عن أي عملية. فالجواب يغيّر معنى "الجيد": فنصف القطر المحدد للختم بالقرص ليس نصف القطر المحدد للطلاء بالمسحوق.

كيف تبدو الحافة الجيدة على أرض الورشة

عمليتان منفصلتان، وكثيراً ما يُخلط بينهما.

إزالة النتوءات تزيل النتوء والأكسيد. وهي عملية تهيئة سطح على امتداد الوجه كله، وهي ما تفعله قبل الطلاء أو قبل وضع أي غشاء لاصق. وماكينة إزالة نتوءات على مرحلتين تعالج سماكات 0.5 إلى 50 mm بسرعة 5 إلى 30 m/min تُوصل الدفعة كلها إلى حالة موحدة، وهو ما يهم لالتصاق الطلاء أكثر مما يهم متوسط التشطيب.

والشطف إزالة مضبوطة للزاوية إلى مقطع محدد. وعلى القطع الرفيعة في هذا القطاع تكمن الصعوبة هنا، لأن قضيباً بسماكة 2 mm لا يملك من الزاوية إلا القليل جداً لإزالته، والشطف الثقيل اليد يأكل من مقطع حُدِّد للتيار. وماكينة شطف CNC تعمل على خامة سماكتها 3 إلى 15 mm بدقة تموضع وتكرار ±0.05 mm، بمغزل BT40 حتى 6,000 rpm، تنتج مقطعاً واحداً على القطعة الأولى والقطعة الأربعمئة. والمجلخة المكتبية لا تفعل، وعلى قطعة مصفّحة يُحدَّد فيها تراكب الغشاء بالنسبة إلى حافة النحاس، فالشطف الذي يتجوّل شطفٌ يحرّك الحافة.

والتسلسل يهم بقدر ما تهم العمليات. اشطف قبل إزالة النتوءات، لتنظّف تمريرة إزالة النتوءات النتوء الثانوي الذي يرفعه قاطع الشطف؛ وأزل النتوءات قبل أي طلاء أو تغليف، لأن الأكسيد تحت طلاء فشلُ التصاق ينتظر دورة حرارية؛ ولا تثنِ بعد الطلاء ما لم تقل مواصفة الطلاء إنك تستطيع، لأن الليف الخارجي للثنية يتمدد والطلاء الذي كان متصلاً عند نصف قطر 3 mm قد لا يكون كذلك عند 2 mm. وعلى التجميعات المصفّحة يجب أن ينتهي التشكيل قبل التصفيح، دون استثناء.

وثمة فحصان عمليان يلتقطان معظم المشاكل قبل أن تصل إلى خط العزل. انظر إلى الزاوية تحت تكبير بدل تمرير الإبهام عليها، لأن الإبهام يجد النتوء ويفوته الطي الداخل. وافحص الشطف على آخر قطعة في الدفعة لا على أولها، لأن تآكل الأداة على النحاس بطيء وتراكمي ويظهر كنصف قطر يتقلص تدريجياً.

التحويل هو قيد الإنتاج

خمسون قطعة من تهيئة واحدة، ثم نسخة معدّلة، ثم ثمانون من التالية. ذلك هو إيقاع عمل شحن المركبات الكهربائية، وهو يعني أن الماكينة تقضي من عمرها في التجهيز أكثر مما تقضي في التشغيل. وثلاثة أمور تحدد كم من الوردية تخسره فيه.

سعة البرج تأتي أولاً. فعائلة قطع عالية التنوع تحتاج كثيراً من مقاسات الثقوب، وكل أداة ليست في البرج تعني تغيير أداة يدوياً في منتصف المهمة. ومركز تشغيل بـ 24 محطة أدوات قابلة للتوسيع إلى 36 سيشغّل قائمة مهام مختلطة دون أن يلمس المشغّل الأدوات. والمهمة نفسها على ماكينة بثماني محطات تصبح تمريناً في الترتيب تجمّع فيه القطع حسب الأداة بدل تاريخ التسليم، وكلفة الجدولة تلك تبقى غير مرئية إلى أن يقيسها أحد.

ثم زمن البرنامج إلى القطعة، وهو أكبر كلفة خفية منفردة في العمل منخفض الكمية. فإن استغرقت نسخة معدّلة ساعة من البرمجة اليدوية، فعائلة منتجات على دورة سنتين تحرق أسابيع من وقت الهندسة لم تُسعَّر قط. والبرمجيات التي تستورد الهندسة وتنتج البرنامج دون إعادة إدخال الأبعاد تزيل الساعة وأخطاء النقل التي ترافق إعادة الإدخال معاً.

والتعشيق هو الثالث. فالقطع الصغيرة من خامة رفيعة تولّد كثيراً من القصاص، والتعشيق للمشروع بأكمله مع مكتبة بواقٍ يجعل المهمة التالية تستهلك بواقي السابقة. وفي ورشة تشغّل خمسين رقم قطعة في الشهر يظهر ذلك في رقم مردود المادة، لا في رفّ أكثر ترتيباً فحسب.

وللطرف الأخف من العمل، تكون ماكينة متكاملة مدمجة عند 300 kN تغطي 160 × 15 mm أكثر من كافية عادةً من حيث القوة. فالقوة لم تكن القيد يوماً. بل زمن التجهيز.

وإن كنت تتحقق مما إذا كان مقطع رفيع سيقبل ثنية دون تشقق عند نصف القطر الذي يحدده رسمك، فإن حاسبة قوة الثني ستعطيك القوة وتتيح لك التحقق من فتحة القالب قبل أن تقطع معدناً.