شرح مفصل لصفائح الفولاذ السيليكوني المستخدمة في المحولات!

نعلم أن المحول الكهربائي يعمل دائمًا في حالة التيار المتردد، وأن فقد الطاقة لا يقتصر على مقاومة الملف فحسب، بل يمتد أيضًا إلى القلب الحديدي تحت تأثير مغنطة التيار المتردد. يُطلق على فقد الطاقة في القلب الحديدي عادةً اسم "فقد الحديد". وينتج فقد الحديد عن سببين رئيسيين: الأول هو "فقد التخلف المغناطيسي" والثاني هو "فقد التيارات الدوامية".

يُعرف فقد التخلف المغناطيسي بأنه فقد الحديد الناتج عن ظاهرة التخلف المغناطيسي أثناء عملية مغنطة القلب الحديدي. يتناسب مقدار هذا الفقد طرديًا مع مساحة المنطقة المحصورة بحلقة التخلف المغناطيسي للمادة. تتميز حلقة التخلف المغناطيسي للفولاذ السيليكوني بضيقها، وبالتالي يكون فقد التخلف المغناطيسي في القلب الحديدي للمحول منخفضًا، مما يقلل بشكل كبير من كمية الحرارة المتولدة.

بما أن الفولاذ السيليكوني يتمتع بالمزايا المذكورة أعلاه، فلماذا لا نستخدم قطعة كاملة منه كقلب حديدي، ثم نقوم بمعالجته إلى رقائق؟ ذلك لأن قلب الرقاقة يقلل من نوع آخر من فقد الحديد، وهو "فقد التيارات الدوامية".

عند تشغيل المحول، يمر تيار متناوب في الملف، ويكون التدفق المغناطيسي الناتج عنه متناوبًا أيضًا. يُحفز هذا التدفق المغناطيسي المتغير تيارًا في القلب الحديدي. ينتشر التيار المُستحث في القلب الحديدي في مستوى عمودي على اتجاه التدفق المغناطيسي، ولذلك يُسمى بالتيار الدوامي.

تُساهم خسائر التيارات الدوامية أيضًا في تسخين القلب الحديدي. وللحد من هذه الخسائر، يُصنع القلب الحديدي للمحول من صفائح فولاذية سيليكونية معزولة عن بعضها، بحيث يمر التيار الدوامي عبر مقطع عرضي صغير في حلقة ضيقة وطويلة، مما يزيد من مقاومة مساره. في الوقت نفسه، يُسهم السيليكون الموجود في الفولاذ السيليكوني في زيادة مقاومة المادة، مما يُقلل بدوره من التيارات الدوامية.

يُستخدم عادةً في قلب المحوّل الحديدي صفيحة من الفولاذ السيليكوني المدلفن على البارد بسماكة 0.35 مم. تُقطع الصفيحة إلى قطعة طويلة حسب حجم القلب المطلوب، ثم تُركّب فوق بعضها لتشكيل شكل يشبه "الحلقة" أو "الفم". نظريًا، لتقليل التيارات الدوامية، كلما قلّت سماكة صفيحة الفولاذ السيليكوني وضيقت وصلاتها، كان التأثير أفضل. هذا لا يقلل فقط من فقد التيارات الدوامية وارتفاع درجة الحرارة، بل يوفر أيضًا المواد المستخدمة في تصنيع صفائح الفولاذ السيليكوني.

لكن في الواقع، عند تصنيع قلب حديدي من صفائح الفولاذ السيليكوني، لا يقتصر الأمر على العوامل الإيجابية المذكورة آنفًا فحسب، بل إن إنتاج القلب الحديدي سيزيد ساعات العمل بشكل كبير ويقلل من مساحة المقطع العرضي الفعال للقلب الحديدي. لذلك، عند استخدام صفائح الفولاذ السيليكوني لصنع قلوب المحولات، يجب أن نأخذ في الاعتبار الحالة المحددة، ونوازن بين الإيجابيات والسلبيات، ونختار الحجم الأمثل.

تُصنع المحولات وفقًا لمبدأ الحث الكهرومغناطيسي. تتكون من ملفين، ملف ابتدائي وملف ثانوي، ملفوفين على قلب حديدي مغلق. عندما يكون الملف الابتدائي موصولًا بمصدر تيار متردد، يتولد تيار متردد في القلب الحديدي، مما يُنشئ جهدًا مغناطيسيًا، وبالتالي يُولد تدفقًا مغناطيسيًا رئيسيًا متناوبًا في القلب الحديدي بفعل هذا الجهد.

أما عن سبب إمكانية زيادة أو خفض التدفق المغناطيسي، فيُفسَّر ذلك بقانون لينز. ​​يُعيق التدفق المغناطيسي الناتج عن التيار المستحث تغير التدفق المغناطيسي الدائري. فعندما يزداد التدفق المغناطيسي الأصلي، يكون التدفق المغناطيسي الناتج عن التيار المستحث معاكساً له، أي أن التدفق المغناطيسي المستحث الناتج عن الملف الثانوي يكون معاكساً للتدفق المغناطيسي الرئيسي الناتج عن الملف الابتدائي، مما يؤدي إلى ظهور جهد متناوب منخفض في الملف الثانوي. ولذلك، يُعد القلب الحديدي الجزء المغناطيسي من المحول.

صفائح الفولاذ السيليكوني

تُعرف صفائح الفولاذ السيليكوني المستخدمة في التطبيقات الكهربائية باسم صفائح الفولاذ السيليكوني. وكما يوحي الاسم، فهي فولاذ سيليكوني كهربائي بنسبة سيليكون تتراوح بين 0.8% و4.8%، ويتم تصنيعها بالدرفلة على الساخن والبارد. عادةً ما يكون سمكها أقل من 1 مم، ولذلك تُسمى بالصفائح الرقيقة. وبالمعنى الأوسع، تُصنف صفائح الفولاذ السيليكوني ضمن فئة الصفائح، وهي فرع مستقل نظرًا لاستخدامها الخاص. تتميز صفائح الفولاذ السيليكوني المستخدمة في التطبيقات الكهربائية بخصائص كهرومغناطيسية ممتازة، وهي مادة مغناطيسية أساسية وهامة في قطاعات الطاقة الكهربائية والاتصالات والأجهزة.

(1) تصنيف صفائح الفولاذ السيليكوني

أ. يمكن تقسيم صفائح الفولاذ السيليكوني إلى نوعين: منخفض السيليكون وعالي السيليكون، وذلك حسب نسبة السيليكون فيها. تحتوي رقائق السيليكون منخفض السيليكون على أقل من 2.8% سيليكون، ما يمنحها قوة ميكانيكية معينة، وتُستخدم بشكل أساسي في صناعة المحركات، وتُعرف باسم فولاذ السيليكون للمحركات. أما النوع الآخر، فيُستخدم في صناعة نوى المحولات، ويُعرف باسم صفائح فولاذ السيليكون للمحولات. لا يوجد فاصل دقيق بين النوعين في الاستخدام العملي، وغالبًا ما تُستخدم رقائق السيليكون عالي السيليكون في صناعة المحركات الكبيرة.

ب. وفقًا لتقنية الإنتاج والتصنيع، يمكن تقسيمها إلى نوعين: الدرفلة على الساخن والدرفلة على البارد، وتنقسم الدرفلة على البارد إلى نوعين: غير موجهة وموجهة. تتميز الصفائح المدرفلة على البارد بسماكة منتظمة وجودة سطح جيدة وخصائص مغناطيسية عالية. لذلك، مع تطور الصناعة، تميل الصفائح المدرفلة على الساخن إلى أن تحل محل الصفائح المدرفلة على البارد.

(2) مؤشر أداء صفائح الفولاذ السيليكوني

أ. انخفاض نسبة فقدان الحديد. يُعدّ هذا المؤشر الأهم للجودة، حيث تُصنّف جميع دول العالم المنتجات حسب نسبة فقدان الحديد. فكلما انخفضت نسبة فقدان الحديد، ارتفعت درجة المنتج وزادت جودته.

ب، شدة الحث المغناطيسي العالية. تحت نفس المجال المغناطيسي، يمكن الحصول على صفيحة من الفولاذ السيليكوني ذات حث مغناطيسي أعلى، ويكون حجم ووزن قلب الحديد للمحرك أو المحول المصنوع منها صغيرًا نسبيًا، مما يوفر نسبيًا في صفائح الفولاذ السيليكوني وأسلاك النحاس ومواد العزل.

ج، معامل التراص مرتفع. سطح صفيحة الفولاذ السيليكوني أملس ومسطح ومتجانس السماكة، كما أن معامل التراص للقلب الحديدي قد تحسن.

د. سهولة التثقيب. وهذا الأمر أكثر أهمية لتصنيع قلب المحرك الصغير والمصغر.

هـ. يتميز السطح بالتصاق جيد وقابلية جيدة للحام مع طبقة العزل.

و. التقادم المغناطيسي ز. يجب تسليم صفيحة الفولاذ السيليكوني بعد التلدين والتخليل.

(1) صفائح الفولاذ السيليكوني المدرفلة على الساخن للاستخدامات الكهربائية (GB5212-85): تُصنع صفائح الفولاذ السيليكوني المدرفلة على الساخن للاستخدامات الكهربائية من سبيكة حديد السيليكون المغناطيسية اللينة ذات فقد منخفض للكربون، وتُدرفل على الساخن لتُشكّل صفائح بسماكة أقل من 1 مم. تُعرف هذه الصفائح أيضًا باسم صفائح الفولاذ السيليكوني المدرفلة على الساخن. ويمكن تقسيم صفائح الفولاذ السيليكوني المدرفلة على الساخن إلى صفائح منخفضة السيليكون (Si≤2.8%) وصفائح عالية السيليكون (Si≤4.8%) وفقًا لمحتواها من السيليكون.

(2) تُصنع صفائح الفولاذ السيليكوني الكهربائي المدلفن على البارد (GB2521-88) من فولاذ سيليكوني كهربائي يحتوي على نسبة سيليكون تتراوح بين 0.8% و4.8%، ويتم تشكيلها بالدرفلة على البارد. تُقسم صفائح الفولاذ السيليكوني المدلفن على البارد إلى نوعين: صفائح خالية من الحبيبات وصفائح ذات حبيبات موجهة. تتميز صفائح الفولاذ الكهربائي المدلفن على البارد بسطح أملس، وسماكة منتظمة، ومعامل تكديس عالٍ، وأداء جيد في التثقيب، كما أنها تتمتع بحث مغناطيسي أعلى وفقد حديدي أقل من صفائح الفولاذ الكهربائي المدلفن على الساخن. يُمكن استخدام الصفائح المدلفنة على البارد بدلاً من الصفائح المدلفنة على الساخن في تصنيع المحركات أو المحولات، مما يُقلل من وزنها وحجمها بنسبة تتراوح بين 0% و25%.

يُحسّن استخدام الشرائح المدرفلة على البارد والموجهة الأداء. فاستبدال الشرائح المدرفلة على الساخن أو الشرائح المدرفلة على البارد منخفضة الجودة بها يُقلل استهلاك الطاقة للمحول بنسبة 45-50%، ويُعزز موثوقية أدائه. تُستخدم هذه الشرائح في صناعة المحركات والمحولات. عمومًا، تُستخدم الشرائح المدرفلة على البارد والموجهة الحبيبات في المحركات ومحولات اللحام، كما تُستخدم كقلوب حديدية في محولات الطاقة، ومحولات النبض، ومضخمات المغناطيس، وما شابه. مواصفات وأبعاد ألواح الصلب: سُمك 0.35، 0.50، 0.65 مم، عرض 800-1000 مم، وطول ≤ 2.0 متر.

(3) صفائح فولاذية سيليكونية مدرفلة على الساخن للأجهزة المنزلية (GBH46002-90): يُرمز إلى درجة صفائح الفولاذ السيليكوني المدرفلة على الساخن للأجهزة المنزلية بالرموز J (منزلي) D (كهربائي) R (درفلة على الساخن)، أي JDR. الرقم بعد JDR هو قيمة فقد الحديد مضروبة في 100، والرقم بعد الخط الأفقي هو سُمك الصفيحة الفولاذية (مم) مضروبًا في 100. يمكن أن تكون متطلبات الأداء الكهرومغناطيسي لصفائح الفولاذ السيليكوني المدرفلة على الساخن للأجهزة المنزلية أقل قليلاً، حيث تبلغ قيمة فقد الحديد الدنيا (P15/50) 5.40 واط/كجم. تُسلّم عادةً بدون غسيل. تُستخدم المحركات التفاضلية في مختلف الأجهزة المنزلية مثل المراوح الكهربائية، والغسالات، والمكانس الكهربائية، وأجهزة شفط الأبخرة، وغيرها.