คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับแผ่นเหล็กซิลิคอนสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า!

เรารู้ว่าหม้อแปลงไฟฟ้าจริงทำงานในสภาวะกระแสสลับเสมอ และการสูญเสียพลังงานไม่ได้เกิดขึ้นเฉพาะในความต้านทานของขดลวดเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในแกนเหล็กภายใต้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กของกระแสสลับด้วย การสูญเสียพลังงานในแกนเหล็กมักเรียกว่า "การสูญเสียเหล็ก" การสูญเสียเหล็กเกิดจากสองสาเหตุ คือ "การสูญเสียฮิสเทรีซิส" และ "การสูญเสียกระแสไหลวน"

การสูญเสียฮิสเทอรีซิสคือการสูญเสียในแกนเหล็กที่เกิดจากปรากฏการณ์ฮิสเทอรีซิสในระหว่างกระบวนการสร้างสนามแม่เหล็กของแกนเหล็ก ขนาดของการสูญเสียนี้เป็นสัดส่วนกับขนาดของพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยวงฮิสเทอรีซิสของวัสดุ วงฮิสเทอรีซิสของเหล็กซิลิคอนแคบ และการสูญเสียฮิสเทอรีซิสของแกนเหล็กในหม้อแปลงมีขนาดเล็ก ซึ่งสามารถลดระดับการเกิดความร้อนได้อย่างมาก

เนื่องจากเหล็กซิลิคอนมีข้อดีดังกล่าวข้างต้น ทำไมไม่ใช้เหล็กซิลิคอนชิ้นเดียวเป็นแกนเหล็ก แต่ยังแปรรูปเป็นเกล็ดอีกด้วย? เนื่องจากแกนชิปสามารถลดการสูญเสียเหล็กอีกประเภทหนึ่งได้ นั่นคือ "การสูญเสียจากกระแสไหลวน"

เมื่อหม้อแปลงทำงาน กระแสไฟฟ้าในขดลวดจะเป็นกระแสสลับ และสนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นก็จะเป็นกระแสสลับเช่นกัน สนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงนี้จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในแกนเหล็ก กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในแกนเหล็กจะไหลเวียนในระนาบที่ตั้งฉากกับทิศทางของสนามแม่เหล็ก จึงเรียกว่า กระแสไหลวน (eddy current)

การสูญเสียจากกระแสไหลวนยังทำให้แกนร้อนขึ้นด้วย เพื่อลดการสูญเสียจากกระแสไหลวน แกนเหล็กของหม้อแปลงจึงทำจากแผ่นเหล็กซิลิคอนที่หุ้มฉนวนแยกจากกัน เพื่อให้กระแสไหลวนไหลผ่านพื้นที่หน้าตัดเล็กๆ ในวงแคบและยาว เพื่อเพิ่มความต้านทานในเส้นทางของกระแสไหลวน ในขณะเดียวกัน ซิลิคอนในเหล็กซิลิคอนก็ทำให้ความต้านทานจำเพาะของวัสดุเพิ่มขึ้น ซึ่งช่วยลดกระแสไหลวนได้เช่นกัน

สำหรับแกนเหล็กของหม้อแปลงไฟฟ้า โดยทั่วไปจะใช้แผ่นเหล็กซิลิคอนรีดเย็นที่มีความหนา 0.35 มม. โดยจะตัดเป็นชิ้นยาวตามขนาดของแกนเหล็กที่ต้องการ แล้วนำมาซ้อนทับกันเป็นรูปทรง "ปาก" หรือ "โค้ง" ตามทฤษฎีแล้ว เพื่อลดกระแสไหลวน ยิ่งแผ่นเหล็กซิลิคอนบางลงและรอยต่อแคบลงเท่าไหร่ ก็ยิ่งได้ผลดีเท่านั้น วิธีนี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดการสูญเสียจากกระแสไหลวนและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ แต่ยังช่วยประหยัดวัสดุที่ใช้สำหรับแผ่นเหล็กซิลิคอนอีกด้วย

แต่ในความเป็นจริงแล้ว การผลิตแกนเหล็กจากแผ่นเหล็กซิลิคอนนั้น ไม่ได้มีเพียงข้อดีที่กล่าวมาข้างต้นเท่านั้น เพราะการผลิตแกนเหล็กจะทำให้ชั่วโมงการทำงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก และลดพื้นที่หน้าตัดที่มีประสิทธิภาพของแกนเหล็ก ดังนั้น เมื่อใช้แผ่นเหล็กซิลิคอนในการผลิตแกนหม้อแปลง เราต้องพิจารณาจากสถานการณ์เฉพาะ ชั่งน้ำหนักข้อดีข้อเสีย และเลือกขนาดที่ดีที่สุด

หม้อแปลงไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นตามหลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า โดยมีขดลวดสองชุด คือ ขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ พันอยู่บนแกนปิด เมื่อขดลวดปฐมภูมิได้รับแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ จะเกิดกระแสสลับขึ้นในกลุ่มขั้วเดิม และเกิดศักย์แม่เหล็กขึ้น ส่งผลให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กสลับขึ้นในแกนเหล็กภายใต้การกระทำของศักย์แม่เหล็กนั้น

ส่วนสาเหตุที่สามารถเพิ่มและลดแรงดันได้นั้น จำเป็นต้องอธิบายด้วยกฎของเลนซ์ ฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากกระแสเหนี่ยวนำจะขัดขวางการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กดั้งเดิมเสมอ เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กดั้งเดิมเพิ่มขึ้น ฟลักซ์แม่เหล็กที่เกิดจากกระแสเหนี่ยวนำจะมีทิศทางตรงข้ามกับฟลักซ์แม่เหล็กดั้งเดิม กล่าวคือ ฟลักซ์แม่เหล็กเหนี่ยวนำที่เกิดจากขดลวดทุติยภูมิจะมีทิศทางตรงข้ามกับฟลักซ์แม่เหล็กหลักที่เกิดจากขดลวดปฐมภูมิ ดังนั้นจึงเกิดแรงดันสลับระดับต่ำขึ้นในขดลวดทุติยภูมิ ดังนั้น แกนเหล็กจึงเป็นส่วนประกอบของวงจรแม่เหล็กในหม้อแปลง

แผ่นเหล็กซิลิคอน

แผ่นเหล็กซิลิคอนสำหรับงานไฟฟ้า มักเรียกกันว่าแผ่นเหล็กซิลิคอน หรือแผ่นเหล็กซิลิคอน ตามชื่อที่บ่งบอก คือเหล็กซิลิคอนสำหรับงานไฟฟ้าที่มีปริมาณซิลิคอนสูงถึง 0.8%-4.8% ซึ่งผลิตโดยการรีดร้อนและรีดเย็น โดยทั่วไปความหนาจะต่ำกว่า 1 มม. จึงเรียกว่าแผ่นบาง ในความหมายกว้างๆ แผ่นเหล็กซิลิคอนจัดอยู่ในประเภทแผ่น แต่เป็นสาขาเฉพาะเนื่องจากมีวัตถุประสงค์การใช้งานพิเศษ แผ่นเหล็กซิลิคอนสำหรับงานไฟฟ้ามีคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม และเป็นวัสดุแม่เหล็กที่ขาดไม่ได้และสำคัญในอุตสาหกรรมไฟฟ้า โทรคมนาคม และเครื่องมือวัด

(1) การจำแนกประเภทของแผ่นเหล็กซิลิคอน

A. แผ่นเหล็กซิลิคอนสามารถแบ่งออกเป็นแผ่นเหล็กซิลิคอนต่ำและแผ่นเหล็กซิลิคอนสูงตามปริมาณซิลิคอน แผ่นเหล็กซิลิคอนต่ำมีปริมาณซิลิคอนน้อยกว่า 2.8% ซึ่งมีความแข็งแรงเชิงกลในระดับหนึ่ง และส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตมอเตอร์ โดยทั่วไปเรียกว่าเหล็กซิลิคอนสำหรับมอเตอร์ ส่วนแผ่นเหล็กซิลิคอนสูงใช้ในการผลิตแกนหม้อแปลงไฟฟ้า โดยทั่วไปเรียกว่าแผ่นเหล็กซิลิคอนสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า ในทางปฏิบัติแล้วไม่มีขอบเขตที่ชัดเจนระหว่างสองชนิดนี้ และแผ่นเหล็กซิลิคอนสูงมักใช้ในการผลิตมอเตอร์ขนาดใหญ่

B. ตามเทคโนโลยีการผลิตและการแปรรูป สามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ การรีดร้อนและการรีดเย็น และการรีดเย็นสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท คือ การรีดเย็นแบบไม่กำหนดทิศทางและการรีดเย็นแบบกำหนดทิศทาง แผ่นเหล็กรีดเย็นมีความหนาสม่ำเสมอ คุณภาพผิวดี และมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กสูง ดังนั้น ด้วยการพัฒนาของอุตสาหกรรม แผ่นเหล็กรีดร้อนจึงมีแนวโน้มที่จะถูกแทนที่ด้วยแผ่นเหล็กรีดเย็นมากขึ้น ("แทนที่ความร้อนด้วยความเย็น")

(2) ดัชนีประสิทธิภาพของแผ่นเหล็กซิลิคอน

ก. การสูญเสียธาตุเหล็กต่ำ ตัวบ่งชี้คุณภาพที่สำคัญที่สุด ทุกประเทศทั่วโลกใช้ค่าการสูญเสียธาตุเหล็กในการแบ่งเกรด ยิ่งค่าการสูญเสียธาตุเหล็กต่ำ เกรดและคุณภาพก็จะยิ่งสูงขึ้น

B. ความเข้มของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสูง ภายใต้สนามแม่เหล็กเดียวกัน สามารถผลิตแผ่นเหล็กซิลิคอนที่มีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสูงกว่าได้ และปริมาตรและน้ำหนักของแกนเหล็กมอเตอร์หรือหม้อแปลงที่ทำจากแผ่นเหล็กซิลิคอนนี้ค่อนข้างเล็ก ซึ่งสามารถประหยัดแผ่นเหล็กซิลิคอน ลวดทองแดง และวัสดุฉนวนได้

C คือค่าสัมประสิทธิ์การเรียงซ้อนสูง พื้นผิวของแผ่นเหล็กซิลิคอนเรียบ แบน และมีความหนาสม่ำเสมอ อีกทั้งยังช่วยปรับปรุงค่าสัมประสิทธิ์การเรียงซ้อนของแกนเหล็กให้ดีขึ้นด้วย

D. เจาะรูได้ง่าย คุณสมบัตินี้ยิ่งสำคัญมากขึ้นสำหรับการผลิตแกนมอเตอร์ขนาดเล็กจิ๋ว

E. พื้นผิวมีคุณสมบัติการยึดเกาะและการเชื่อมที่ดีกับฟิล์มฉนวน

F. การบ่มด้วยสนามแม่เหล็ก G. แผ่นเหล็กซิลิคอนจะต้องส่งมอบหลังจากผ่านกระบวนการอบอ่อนและการดองแล้ว

(1) แผ่นเหล็กซิลิคอนรีดร้อนสำหรับงานไฟฟ้า (GB5212-85) แผ่นเหล็กซิลิคอนรีดร้อนสำหรับงานไฟฟ้าทำจากโลหะผสมเฟอร์โรซิลิคอนแม่เหล็กอ่อนที่มีการสูญเสียคาร์บอนต่ำ และรีดร้อนเป็นแผ่นที่มีความหนาน้อยกว่า 1 มม. แผ่นเหล็กซิลิคอนรีดร้อนสำหรับงานไฟฟ้าเรียกอีกอย่างว่าแผ่นเหล็กซิลิคอนรีดร้อน สามารถแบ่งออกเป็นแผ่นเหล็กซิลิคอนต่ำ (Si≤2.8%) และแผ่นเหล็กซิลิคอนสูง (Si≤4.8%) ตามปริมาณซิลิคอน

(2) แผ่นเหล็กซิลิคอนรีดเย็นสำหรับงานไฟฟ้า (GB2521-88) ผลิตจากเหล็กซิลิคอนสำหรับงานไฟฟ้าที่มีซิลิคอน 0.8%-4.8% และรีดเย็น แผ่นเหล็กซิลิคอนรีดเย็นแบ่งออกเป็นสองประเภท คือ แผ่นเหล็กแบบไม่มีเกรนและแผ่นเหล็กแบบมีเกรน แผ่นเหล็กซิลิคอนรีดเย็นสำหรับงานไฟฟ้ามีลักษณะผิวเรียบ ความหนาสม่ำเสมอ ค่าสัมประสิทธิ์การเรียงตัวสูง ประสิทธิภาพการเจาะที่ดี และมีค่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็กสูงกว่าและการสูญเสียเหล็กต่ำกว่าแผ่นเหล็กซิลิคอนรีดร้อนสำหรับงานไฟฟ้า การใช้แผ่นเหล็กรีดเย็นแทนแผ่นเหล็กรีดร้อนในการผลิตมอเตอร์หรือหม้อแปลงไฟฟ้าสามารถลดน้ำหนักและปริมาตรได้ 0%-25%

หากใช้เหล็กแผ่นรีดเย็นแบบเรียงแนวเกรน ประสิทธิภาพจะดีกว่า การใช้เหล็กแผ่นรีดเย็นแบบเรียงแนวเกรนแทนเหล็กแผ่นรีดร้อนหรือเหล็กแผ่นรีดเย็นเกรดต่ำ สามารถลดการใช้พลังงานของหม้อแปลงได้ 45%-50% และประสิทธิภาพการทำงานของหม้อแปลงจะน่าเชื่อถือมากขึ้น โดยทั่วไปแล้ว เหล็กแผ่นรีดเย็นแบบเรียงแนวเกรนจะใช้เป็นส่วนประกอบของมอเตอร์หรือหม้อแปลงเชื่อม เป็นต้น และใช้เป็นแกนเหล็กสำหรับหม้อแปลงไฟฟ้า หม้อแปลงพัลส์ เครื่องขยายสัญญาณแม่เหล็ก และอื่นๆ ข้อกำหนดและขนาดของแผ่นเหล็ก: ความหนา 0.35, 0.50, 0.65 มม. ความกว้าง 800-1000 มม. และความยาว ≤2.0 ม.

(3) แผ่นเหล็กซิลิคอนรีดร้อนสำหรับเครื่องใช้ในครัวเรือน (GBH46002-90) เกรดของแผ่นเหล็กซิลิคอนรีดร้อนสำหรับเครื่องใช้ในครัวเรือนแสดงด้วย J (เครื่องใช้ในครัวเรือน) D (เครื่องใช้ไฟฟ้า) R (รีดร้อน) หรือ JDR ตัวเลขหลัง JDR คือค่าการสูญเสียเหล็ก*100 และตัวเลขหลังเส้นแนวนอนคือความหนาของแผ่นเหล็ก (มม.)*100 ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพทางแม่เหล็กไฟฟ้าของแผ่นเหล็กซิลิคอนรีดร้อนสำหรับเครื่องใช้ในครัวเรือนสามารถต่ำกว่าเล็กน้อยได้ และค่าการสูญเสียเหล็กขั้นต่ำ (P15/50) คือ 5.40 วัตต์/กก. โดยปกติจะจัดส่งโดยไม่ผ่านการล้าง มอเตอร์แบบดิฟเฟอเรนเชียลใช้ในเครื่องใช้ในครัวเรือนต่างๆ เช่น พัดลมไฟฟ้า เครื่องซักผ้า เครื่องดูดฝุ่น เครื่องดูดควัน ฯลฯ