كيفية تقليل فقد الحديد في المحرك

العوامل المؤثرة على استهلاك الحديد الأساسي

لتحليل أي مشكلة، نحتاج أولًا إلى معرفة بعض النظريات الأساسية التي تُساعدنا على فهمها. بدايةً، نحتاج إلى معرفة مفهومين أساسيين: الأول هو التمغنط المتناوب، والذي يحدث ببساطة في قلب الحديد للمحول وفي أسنان الجزء الثابت أو الدوار للمحرك؛ والثاني هو خاصية التمغنط الدوراني، والتي تنتجها أقطاب الجزء الثابت أو الدوار للمحرك. هناك العديد من المقالات التي تنطلق من هذين المفهومين وتحسب فقد الحديد في المحرك بناءً على خصائص مختلفة وفقًا لطريقة الحل المذكورة أعلاه. وقد أظهرت التجارب أن صفائح الفولاذ السيليكوني تُظهر الظواهر التالية عند تمغنطها وفقًا لهاتين الخاصيتين:
عندما تكون كثافة التدفق المغناطيسي أقل من 1.7 تسلا، يكون فقد التخلف المغناطيسي الناتج عن المغنطة الدورانية أكبر من ذلك الناتج عن المغنطة المتناوبة؛ وعندما تكون أعلى من 1.7 تسلا، يكون العكس صحيحًا. تتراوح كثافة التدفق المغناطيسي لهيكل المحرك عمومًا بين 1.0 و1.5 تسلا، ويكون فقد التخلف المغناطيسي الناتج عن المغنطة الدورانية أكبر بنسبة تتراوح بين 45 و65% تقريبًا من فقد التخلف المغناطيسي الناتج عن المغنطة المتناوبة.
بالطبع، تُستخدم الاستنتاجات المذكورة أعلاه، ولم أتحقق منها شخصيًا عمليًا. إضافةً إلى ذلك، عندما يتغير المجال المغناطيسي في قلب الحديد، يتولد فيه تيار يُسمى التيار الدوامي، وتُسمى الخسائر الناتجة عنه خسائر التيار الدوامي. وللحد من هذه الخسائر، لا يُصنع قلب الحديد للمحرك عادةً من كتلة واحدة، بل يُرصّ بشكل محوري بواسطة صفائح فولاذية معزولة لمنع تدفق التيارات الدوامية. لن يكون شرح صيغة حساب استهلاك الحديد مُعقدًا هنا، بل ستكون الصيغة الأساسية وأهمية حساب استهلاك الحديد في بايدو واضحة تمامًا. فيما يلي تحليل لعدة عوامل رئيسية تؤثر على استهلاك الحديد، بحيث يُمكن للجميع استنتاج المشكلة في التطبيقات الهندسية العملية.

بعد مناقشة ما سبق، لماذا تؤثر عملية تصنيع الصفائح المعدنية المختومة على استهلاك الحديد؟ تعتمد خصائص عملية التثقيب بشكل أساسي على أشكال آلات التثقيب المختلفة، وتحدد نمط القص ومستوى الإجهاد وفقًا لاحتياجات أنواع الثقوب والأخاديد المختلفة، مما يضمن ظروف مناطق الإجهاد الضحل حول محيط الصفائح. ونظرًا للعلاقة بين العمق والشكل، تتأثر هذه العملية غالبًا بالزوايا الحادة، لدرجة أن مستويات الإجهاد العالية قد تتسبب في فقدان كبير للحديد في مناطق الإجهاد الضحل، وخاصة في حواف القص الطويلة نسبيًا ضمن نطاق الصفائح. ويحدث هذا بشكل رئيسي في المنطقة السنخية، والتي غالبًا ما تصبح محورًا للبحث في عملية البحث الفعلية. غالبًا ما تُحدد صفائح الفولاذ السيليكوني منخفضة الفقد بحجم حبيبات أكبر. يمكن أن يتسبب الصدم في ظهور نتوءات صناعية وقص تمزقي عند الحافة السفلية للصفيحة، ويمكن أن يكون لزاوية الصدم تأثير كبير على حجم النتوءات ومناطق التشوه. إذا امتدت منطقة إجهاد عالية على طول منطقة تشوه الحافة إلى داخل المادة، فإن بنية الحبيبات في هذه المناطق ستخضع حتمًا لتغيرات مماثلة، فتلتوي أو تتكسر، ويحدث استطالة شديدة للحدود على طول اتجاه التمزق. في هذه الحالة، ستزداد كثافة حدود الحبيبات في منطقة الإجهاد في اتجاه القص حتمًا، مما يؤدي إلى زيادة مقابلة في فقدان الحديد داخل المنطقة. لذا، عند هذه النقطة، يمكن اعتبار المادة في منطقة الإجهاد مادة ذات فقد عالٍ تقع فوق الرقائق العادية على طول حافة الصدمة. وبهذه الطريقة، يمكن تحديد الثابت الفعلي لمادة الحافة، ويمكن تحديد الفقد الفعلي لحافة الصدمة باستخدام نموذج فقدان الحديد.
1. تأثير عملية التلدين على فقدان الحديد
تؤثر عوامل فقدان الحديد بشكل رئيسي على صفائح الفولاذ السيليكوني، حيث تؤثر الإجهادات الميكانيكية والحرارية عليها مُحدثةً تغييرات في خصائصها. ويؤدي الإجهاد الميكانيكي الإضافي إلى زيادة فقدان الحديد. كما أن الارتفاع المستمر في درجة الحرارة الداخلية للمحرك يُسهم في تفاقم هذه المشكلة. لذا، فإن اتخاذ إجراءات تلدين فعّالة لإزالة الإجهاد الميكانيكي الزائد يُسهم في تقليل فقدان الحديد داخل المحرك.

2. أسباب الخسائر المفرطة في عمليات التصنيع

تُعدّ صفائح الفولاذ السيليكوني المادة المغناطيسية الرئيسية للمحركات، ولها تأثير كبير على أداء المحرك نظرًا لمطابقتها لمتطلبات التصميم. إضافةً إلى ذلك، قد يختلف أداء صفائح الفولاذ السيليكوني من نفس النوع باختلاف الشركات المصنعة. عند اختيار المواد، يُنصح باختيارها من شركات تصنيع فولاذ سيليكوني ذات جودة عالية. فيما يلي بعض العوامل الرئيسية التي أثرت فعليًا على استهلاك الحديد، والتي تمّت ملاحظتها سابقًا.

لم يتم عزل أو معالجة صفيحة الفولاذ السيليكوني بشكل صحيح. يمكن اكتشاف هذا النوع من المشاكل أثناء عملية اختبار صفائح الفولاذ السيليكوني، ولكن لا يمتلك جميع مصنعي المحركات هذا الجهاز، وغالبًا ما لا يدركون هذه المشكلة جيدًا.

تلف العزل بين الصفائح أو حدوث دوائر قصر بينها. يحدث هذا النوع من المشاكل أثناء عملية تصنيع القلب الحديدي. فإذا كان الضغط أثناء عملية الترقق مرتفعًا جدًا، مما يؤدي إلى تلف العزل بين الصفائح، أو إذا كانت النتوءات كبيرة جدًا بعد التثقيب، والتي يمكن إزالتها بالتلميع، فإن ذلك يُلحق ضررًا بالغًا بعزل سطح التثقيب. بعد اكتمال عملية الترقق، إذا لم يكن الأخدود أملسًا، يُستخدم أسلوب التنعيم. أو، نظرًا لعوامل مثل عدم انتظام تجويف الجزء الثابت وعدم تمركزه مع حافة مقعد المحرك، يمكن استخدام الخراطة للتصحيح. إن الاستخدام التقليدي لهذه العمليات في إنتاج ومعالجة المحركات له تأثير كبير على أداء المحرك، وخاصة فقد الحديد.

عند استخدام طرق مثل الحرق أو التسخين بالكهرباء لتفكيك الملفات، قد يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة القلب الحديدي، مما ينتج عنه انخفاض في الموصلية المغناطيسية وتلف في العازل بين الصفائح. تحدث هذه المشكلة بشكل رئيسي أثناء إصلاح الملفات والمحرك خلال عملية الإنتاج والتصنيع.

يمكن أن تتسبب عمليات اللحام والتكديس الأخرى أيضًا في تلف العزل بين الأكوام، مما يزيد من خسائر التيار الدوامي.
عدم كفاية وزن الحديد وعدم اكتمال عملية الضغط بين الصفائح. والنتيجة النهائية هي عدم كفاية وزن قلب الحديد، والنتيجة المباشرة هي تجاوز التيار للحدود المسموح بها، بالإضافة إلى احتمال تجاوز فقد الحديد للمعايير.
إن طبقة الطلاء على صفيحة الفولاذ السيليكوني سميكة للغاية، مما يؤدي إلى تشبع الدائرة المغناطيسية بشكل مفرط. في هذه الحالة، ينحني منحنى العلاقة بين التيار والجهد في حالة عدم وجود حمل بشكل حاد. وهذا يُعدّ أيضاً عنصراً أساسياً في عملية إنتاج وتصنيع صفائح الفولاذ السيليكوني.

أثناء إنتاج ومعالجة النوى الحديدية، قد تتضرر بنية حبيبات صفائح الفولاذ السيليكوني أثناء عملية التثقيب والقص، مما يؤدي إلى زيادة فقد الحديد تحت نفس الحث المغناطيسي؛ بالنسبة للمحركات ذات التردد المتغير، يجب أيضًا مراعاة فقد الحديد الإضافي الناتج عن التوافقيات؛ وهذا عامل يجب أخذه في الاعتبار بشكل شامل في عملية التصميم.

إضافةً إلى العوامل المذكورة أعلاه، ينبغي أن تستند قيمة تصميم فقد الحديد في المحرك إلى عملية الإنتاج والتصنيع الفعلية للقلب الحديدي، مع بذل كل جهد ممكن لضمان تطابق القيمة النظرية مع القيمة الفعلية. تُقاس منحنيات الخصائص التي يقدمها موردو المواد باستخدام طريقة ملف إبشتاين المربع، إلا أن اتجاه التمغنط يختلف بين أجزاء المحرك المختلفة، ولا يمكن مراعاة فقد الحديد الدوار الخاص هذا حاليًا. وقد يؤدي ذلك إلى درجات متفاوتة من عدم الاتساق بين القيم المحسوبة والمقاسة.

طرق الحد من فقد الحديد في التصميم الهندسي
توجد طرق عديدة لتقليل استهلاك الحديد في الهندسة، وأهمها ملاءمة الحل للظروف. بالطبع، لا يقتصر الأمر على استهلاك الحديد فحسب، بل يشمل أيضًا أنواعًا أخرى من الفاقد. وأهمها معرفة أسباب ارتفاع فاقد الحديد، مثل الكثافة المغناطيسية العالية، أو التردد العالي، أو التشبع الموضعي المفرط. من الضروري، في الظروف العادية، محاكاة الواقع قدر الإمكان، وفي الوقت نفسه، دمج هذه المحاكاة مع التقنيات لتقليل استهلاك الحديد الإضافي. الطريقة الأكثر شيوعًا هي زيادة استخدام صفائح الفولاذ السيليكوني عالية الجودة، ويمكن اختيار الفولاذ السيليكوني فائق الجودة المستورد بغض النظر عن التكلفة. كما ساهم تطوير التقنيات المحلية القائمة على الطاقة الجديدة في تحسين عمليات الإنتاج والتصنيع. وتُطلق مصانع الصلب المحلية منتجات متخصصة من الفولاذ السيليكوني. يوفر موقع Genealogy تصنيفًا جيدًا للمنتجات لتناسب مختلف سيناريوهات الاستخدام. فيما يلي بعض الطرق المباشرة التي يمكن اتباعها:

1. تحسين الدائرة المغناطيسية

إن تحسين الدائرة المغناطيسية، تحديدًا، هو تحسين شكل المجال المغناطيسي. وهذا أمر بالغ الأهمية، ليس فقط لمحركات الحث ذات التردد الثابت، بل أيضًا لمحركات الحث ذات التردد المتغير والمحركات المتزامنة. عندما كنت أعمل في صناعة آلات النسيج، صممت محركين بأداء مختلف لخفض التكاليف. بالطبع، كان العامل الأهم هو وجود أو عدم وجود أقطاب منحرفة، مما أدى إلى خصائص جيبية غير متناسقة للمجال المغناطيسي في الفجوة الهوائية. نظرًا للعمل بسرعات عالية، تُشكل خسائر الحديد نسبة كبيرة، مما ينتج عنه فرق كبير في الخسائر بين المحركين. في النهاية، بعد بعض الحسابات العكسية، ازداد فرق خسائر الحديد في المحرك الخاضع لخوارزمية التحكم بأكثر من الضعف. وهذا يُذكّر الجميع بأهمية دمج خوارزميات التحكم عند تصميم محركات التحكم في السرعة ذات التردد المتغير.

2. تقليل الكثافة المغناطيسية
زيادة طول القلب الحديدي أو زيادة مساحة التوصيل المغناطيسي للدائرة المغناطيسية لتقليل كثافة التدفق المغناطيسي، ولكن كمية الحديد المستخدمة في المحرك تزداد تبعاً لذلك؛

3. تقليل سمك رقائق الحديد لتقليل فقد التيار المستحث
إن استبدال صفائح الفولاذ السيليكوني المدرفلة على الساخن بصفائح الفولاذ السيليكوني المدرفلة على البارد يمكن أن يقلل من سمك صفائح الفولاذ السيليكوني، ولكن رقائق الحديد الرقيقة ستزيد من عدد رقائق الحديد وتكاليف تصنيع المحركات؛

4. اعتماد صفائح الفولاذ السيليكوني المدرفلة على البارد ذات الموصلية المغناطيسية الجيدة لتقليل فقدان التخلف المغناطيسي؛
5. اعتماد طلاء عازل من رقائق الحديد عالي الأداء؛
6. المعالجة الحرارية وتكنولوجيا التصنيع
يمكن أن يؤثر الإجهاد المتبقي بعد معالجة رقائق الحديد بشكل كبير على فقد الطاقة في المحرك. عند معالجة صفائح الفولاذ السيليكوني، يؤثر اتجاه القطع وإجهاد القص الناتج عن التثقيب بشكل ملحوظ على فقد الطاقة في قلب الحديد. يمكن للقطع على طول اتجاه الدرفلة لصفائح الفولاذ السيليكوني وإجراء المعالجة الحرارية عليها أن يقلل الفقد بنسبة تتراوح بين 10% و20%.