تفاوت ورق سیلیس با ورق بدون سیلیس

هسته سیلیسی و تفاوتش با ورق آهن معمولی:

---هسته سیلیسی در مقابل ورق آهن معمولی؛ چرا ورق معمولی جای ورق سیلیسی را نمی‌گیرد؟ در ساخت موتورها، ترانسفورماتورها، سیم‌پیچ‌ها و قطعات الکترومغناطیسی، انتخاب جنس هسته یکی از مهم‌ترین تصمیم‌هاست. بسیاری تصور می‌کنند ورق آهن معمولی می‌تواند جای ورق سیلیسی را بگیرد، چون ظاهراً هر دو آهن‌اند و هر دو مغناطیسی می‌شوند. اما واقعیت این است که تفاوت این دو ماده فقط در اسم نیست؛ تفاوت در ترکیب، تلفات مغناطیسی، ضخامت و رفتار حرارتی است. همین تفاوت‌ها باعث می‌شود ورق آهن معمولی برای هسته‌های جریان متناوب انتخاب بسیار بدی باشد.

۱. تلفات جریان گردابی؛ دلیل اصلی وجود ورق سیلیسی وقتی یک هسته آهنی در میدان مغناطیسی متناوب قرار می‌گیرد، در داخل آن جریان‌های القایی کوچکی ایجاد می‌شود که به آن‌ها «جریان گردابی» یا «ادی» می‌گویند. این جریان‌ها از داخل خود آهن عبور می‌کنند، با مقاومت الکتریکی آهن برخورد می‌کنند و به گرما تبدیل می‌شوند. این گرما همان تلفات جریان گردابی است. مقدار این تلفات با مقاومت الکتریکی ماده نسبت عکس دارد. آهن خالص مقاومت ویژه بسیار پایینی دارد، حدود ۱۰ نانواهم‌متر. اما با افزودن حدود ۳ درصد سیلیسیم به آهن، مقاومت ویژه به حدود ۴۵ نانواهم‌متر می‌رسد؛ یعنی بیش از ۴ برابر. همین افزایش مقاومت باعث می‌شود جریان گردابی در ورق سیلیسی بسیار ضعیف‌تر شود و تلفات آن به حدود یک‌چهارم تا یک‌پنجم ورق آهن معمولی برسد. به همین دلیل است که در هسته‌های ترانسفورماتور و موتور، تقریباً همیشه از ورق سیلیسی استفاده می‌شود، نه ورق آهن ساده.

۲. تلفات هیسترزیس؛ سیلیسیم چه کار دیگری می‌کند؟ علاوه بر جریان گردابی، تلفات دیگری به نام «هیسترزیس» وجود دارد. وقتی جهت مغناطیس شدن هسته در هر سیکل عوض می‌شود، دیواره‌های مغناطیسی ماده باید جابه‌جا شوند و این جابه‌جایی انرژی مصرف می‌کند. هر چه ماده «نرم‌مغناطیس‌تر» باشد، این تلفات کمتر است. آهن خالص و فولاد کم‌کربن معمولی coercivity بالاتری دارند؛ یعنی برای تغییر جهت مغناطیس، میدان بیشتری لازم است و در نتیجه حلقه هیسترزیس پهن‌تر و تلفات بیشتر می‌شود. افزودن سیلیسیم به آهن، coercivity را پایین می‌آورد، حلقه هیسترزیس را باریک‌تر می‌کند و در نتیجه تلفات هیسترزیس را کاهش می‌دهد. سیلیسیم همچنین باعث جدا شدن ناخالصی‌های مضر مثل کربن از آهن می‌شود و کیفیت مغناطیسی را بهتر می‌کند.

۳. مقایسه فنی ورق سیلیسی با ورق آهن معمولی ویژگی ورق سیلیسی ورق آهن معمولی مقاومت ویژه حدود ۴۵ nΩ·m حدود ۱۰ nΩ·m تلفات جریان گردابی بسیار کم زیاد تلفات آهن حدود ۳ W/kg یا کمتر حدود ۸ تا ۱۳ W/kg نفوذپذیری مغناطیسی نسبی معمولاً بیش از ۱۵۰۰ فقط چند صد تلفات هیسترزیس کم زیاد کاربرد مناسب هسته AC، موتور، ترانس بیشتر برای DC یا کاربردهای غیرمغناطیسی عدد تلفات آهن خیلی گویاست. مثلاً ورق سیلیسی ۳۵A300 حداکثر تلفات حدود ۳ وات بر کیلوگرم دارد، در حالی که ورق فولادی معمولی می‌تواند ۸ تا ۱۳ وات بر کیلوگرم تلفات داشته باشد. یعنی گاهی بیش از دو تا چهار برابر. این اختلاف مستقیماً به گرما و هدررفت برق تبدیل می‌شود.

۴. تفاوت ضخامت و ابعاد؛ نکته‌ای که نباید ساده گرفت ورق سیلیسی معمولاً در ضخامت‌های استاندارد مثل ۰٫۳۵، ۰٫۵ و ۰٫۶۵ میلی‌متر تولید می‌شود. برای کاربردهای فرکانس بالا یا تخصصی، ضخامت‌های ۰٫۳۰، ۰٫۲۷، ۰٫۲۰، ۰٫۱۵، ۰٫۱۰ و حتی ۰٫۰۵ میلی‌متر هم وجود دارد. علت این ضخامت کم، رابطه مستقیم تلفات جریان گردابی با مربع ضخامت است. اگر ضخامت دو برابر شود، تلفات گردابی تا چهار برابر بالا می‌رود. ورق آهن معمولی اغلب ضخامت ۱ یا ۲ میلی‌متر یا بیشتر دارد. در فرکانس ۵۰ هرتز، عمق نفوذ مغناطیسی برای بسیاری از فولادها حدود ۰٫۵ میلی‌متر است. یعنی اگر ضخامت ورق از این حد بیشتر باشد، جریان گردابی در لایه‌های سطحی متمرکز می‌شود، هسته به‌خوبی مغناطیسی نمی‌شود و تلفات به‌شدت بالا می‌رود. البته عرض و طول ورق را می‌توان سفارشی برش زد، اما مسئله اصلی «ضخامت» است. ورق سیلیسی با ضخامت کم و پوشش عایق سطحی، به‌صورت ورقه‌ می‌شود تا مسیر جریان گردابی قطع شود. ورق آهن معمولی نه ضخامت مناسب دارد، نه معمولاً پوشش عایق مخصوص هسته، و نه ترکیب شیمیایی لازم.

۵. چرا نباید از ورق آهن معمولی به‌جای ورق سیلیسی استفاده کرد؟ سه دلیل اصلی وجود دارد: اول، تلفات بالا و راندمان پایین. ورق آهن معمولی در جریان متناوب تلفات آهنی بسیار بیشتری تولید می‌کند. این یعنی بخشی از برق به‌جای تبدیل شدن به میدان مغناطیسی مفید، به گرما تبدیل می‌شود.

دوم، گرم شدن بیش از حد هسته. تلفات بیشتر یعنی حرارت بیشتر. گرمای هسته به عایق سیم‌پیچ منتقل می‌شود، عمر عایق را کم می‌کند و در موارد شدید باعث سوختن موتور یا ترانسفورماتور می‌شود. تجربه نشان داده استفاده از فولاد معمولی در هسته موتور، دمای کار را به‌طور محسوسی بالا می‌برد و کیفیت و عمر محصول را پایین می‌آورد. سوم، تفاوت ذاتی مواد که با هیچ ترفندی جبران نمی‌شود. حتی اگر ورق آهن معمولی را نازک کنید یا کنار هم بچینید، باز هم مقاومت ویژه پایین و coercivity بالای آن سر جای خودش است. سیلیسیم فقط یک افزودنی ساده نیست؛ عامل اصلی کاهش تلفات گردابی و هیسترزیس است. جمع‌بندی ورق سیلیسی یک ماده مهندسی‌شده برای هسته‌های جریان متناوب است. سیلیسیم در آن مقاومت الکتریکی را بالا می‌برد، تلفات جریان گردابی را کم می‌کند، تلفات هیسترزیس را کاهش می‌دهد و پایداری حرارتی را بهتر می‌کند. ضخامت کم و عایق سطحی هم مکمل همین ویژگی‌هاست. ورق آهن معمولی فقط برای کاربردها یا جاهایی که میدان متناوب نیست مناسب است. استفاده از آن به‌جای ورق سیلیسی در موتور و ترانسفورماتور، صرفه‌جویی اولیه کوچک است، اما در عمل به افت راندمان، گرمای زیاد، مصرف برق بالاتر، خرابی زودرس عایق و کاهش عمر تجهیزات منجر می‌شود. به عبارت ساده، ورق معمولی جای ورق سیلیسی را نمی‌گیرد؛ فقط هزینه را از مرحله خرید به مرحله بهره‌برداری منتقل می‌کند.