הסבר מפורט על ליבת ברזל של שנאי מקורי: חזון שנאי כוח

בתור "לב" של שנאי, ליבת הברזל ממלאת תפקיד מכריע בהמרת אנרגיה אלקטרומגנטית. היא לא רק משפיעה על ביצועי יעילות האנרגיה של שנאים, אלא גם קשורה ישירות לנפח, למשקל ולאמינות התפעולית של הציוד. התפתחות חומרי ליבת הברזל, מברזל טהור תעשייתי ועד סגסוגות אמורפיות כיום, הייתה עדה להתפתחות המפוארת של טכנולוגיית השנאים.

דרישות הפונקציה והביצועים של ליבת ברזל
התפקיד העיקרי של ליבת השנאי הוא לספק מעגל מגנטי יעיל, המאפשר העברת אנרגיה חשמלית בין מעגלים שונים באמצעות עקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית. ביצועי ליבת הברזל משפיעים ישירות על האינדיקטורים הטכניים והכלכליים של השנאי. הדרישות הבסיסיות מחומרי ליבת ברזל הן: אובדן נמוך של ליבת ברזל בתדר מסוים ובצפיפות שטף מגנטית, וצפיפות שטף מגנטית גבוהה בעוצמת שדה מגנטי מסוימת.
אובדן הליבה כולל שני חלקים: אובדן היסטרזיס ואובדן זרמי מערבולת. אובדן היסטרזיס קשור לקושי של מגנטיזציה של החומר, בעוד שאובדן זרמי מערבולת נגרם על ידי הזרם המחזורי המושרה על ידי שטף מגנטי מתחלף בליבת הברזל. כדי להפחית הפסדים אלה, חומרי ליבת ברזל אידיאליים צריכים להיות בעלי התנגדות חשמלית גבוהה, חדירות מגנטית גבוהה וכפייתיות נמוכה.

תהליך האבולוציה של חומרי ליבת ברזל
פיתוח חומרי ליבת שנאים עבר מסע ארוך ומרגש. ליבות השנאים המוקדמות ביותר השתמשו בחוט פלדת פחמן רגילה או פלדת פחמן כחומרים מגנטיים. בשנת 1885, מפעל גונץ בהונגריה פיתח את השנאי החד-פאזי הראשון עם מעגל מגנטי סגור, וליבת הברזל שלו הייתה עשויה מסוג זה של חומר.

בשנת 1900, ר.א. הדפילד, אנגלי, ואחרים גילו כי הוספת סיליקון לפלדה רכה יכולה לשפר את ההתנגדות, להפחית הפסדי זרמי מערבולת והיסטרזיס, ולהקל על תופעת "הזדקנות הליבה". בשנת 1903, ארצות הברית וגרמניה החלו לייצר יריעות פלדת סיליקון מגולגלות בחום, וסימנו את תחילת עידן יריעות פלדת הסיליקון.
ללוחות פלדת סיליקון מגולגלת בחום יש בעיות כמו ביצועים לא אחידים והפסדים גבוהים. בשנות ה-30 של המאה ה-20 נעשו פריצות דרך בטכנולוגיית לוחות פלדת סיליקון מגולגלת בקור. בשנת 1933, גאוס השתמש בשתי שיטות גלגול קר וחישול כדי לייצר פלדת סיליקון 3% בעלת תכונות מגנטיות גבוהות לאורך כיוון הגלגול. בשנת 1935, חברת הפלדה ארמקו מארצות הברית שיתפה פעולה עם חברת ווסטינגהאוס כדי להתחיל בייצור פלדת סיליקון מגולגלת בקור.

לאחר שנות ה-60, מדינות מתועשות גדולות הפסיקו בהדרגה לייצר יריעות פלדת סיליקון מגולגלות בחום ועברו ליריעות פלדת סיליקון מגולגלות בקור בעלות ביצועים טובים יותר. בשנת 1964, חברת הפלדה ניפון מיפן פיתחה יריעות פלדת סיליקון מגולגלות בקור בעלות חדירות גבוהה בעלות אוריינטציה של גרגרים (פלדת Hi-B), מה שהפחית עוד יותר את הפסדי הטעינה של שנאים ללא עומס.
בשנות ה-70, חומרי סגסוגת אמורפית עשו את הופעת הבכורה שלהם על הבמה ההיסטורית. בשנת 1974, חברת United Microelectronics Corporation פיתחה סגסוגות אמורפיות מבוססות ברזל, ובשנת 1978, ארצות הברית פיתחה שנאים בעלי ליבת ברזל אמורפית של 10KVA. לסוג חדש זה של חומר יש את התכונה של אובדן ברזל נמוך במיוחד, רק 1/3-1/5 מגיליונות פלדת סיליקון מסורתיים, ופתח עידן חדש של חיסכון באנרגיה עבור שנאים.

סוגים עיקריים ומאפיינים של חומרי ליבת ברזל
יריעת פלדת סיליקון
יריעת פלדת סיליקון היא סגסוגת מגנטית רכה של ברזל סיליקון עם תכולת פחמן נמוכה במיוחד, בדרך כלל עם תכולת סיליקון של 0.5-4.5%. הוספת סיליקון יכולה להגביר את ההתנגדות החשמלית ואת החדירות המגנטית המקסימלית של ברזל, להפחית את הכפייה, אובדן הליבה והזדקנות מגנטית. יריעות פלדת סיליקון ניתן לחלק לשתי קטגוריות: מגולגלות חמות ומגולגלות קר, כאשר מגולגלות קר מחולקות עוד יותר לסוגים אוריינטציה ולא אוריינטציה.
יריעת פלדת סיליקון לא מכוון מגולגלת בקור מתייחסת לסגסוגת של 0.5%~4.0% (Si+Al), אשר מגולגלת בקור לעוביים של 0.65 מ"מ, 0.5 מ"מ ו-0.35 מ"מ ולאחר מכן מחושלת ומצופה לייצורה. מרקם הגרעינים שלה מפוזר יחסית, ויש לה תכונות מגנטיות אחידות יחסית לכל הכיוונים.

לפלדת סיליקון בעלת חדירות מגנטית גבוהה ומאפייני הפסדים נמוכים בכיוון המגנטיזציה הקל, העונה על דרישות המוליכות המגנטית של ציוד כוח סטטי כמו שנאים. זווית סטיית הכיוון הממוצעת של הגרעינים של פלדת סיליקון בעלת כיוון מגנטי גבוה (CGO) היא כ-7 מעלות, וערך הרגישות המגנטית B8 הוא מעל 1.82 טסלה; זווית סטיית הכיוון הממוצעת של הגרעינים של פלדת סיליקון בעלת כיוון מגנטי גבוה (Hi-B) היא כ-3 מעלות, וערך B8 הוא מעל 1.90 טסלה.

סגסוגת אמורפית
סגסוגת אמורפית היא חומר פונקציונלי מתכתי עם אטומים המפוזרים באופן אקראי במטריצת החומר, בעל הרכב "זכוכיתי". סגסוגת אמורפית טיפוסית מכילה 80% ברזל, כאשר הרכיבים הנותרים הם בורון וסיליקון. לחומר זה מאפיינים של חוזק אינדוקציה מגנטית רוויה גבוה (1.54T), חדירות מגנטית גבוהה, זרם עירור נמוך ואובדן ברזל נמוך ביותר.
אובדן הברזל של סגסוגות אמורפיות מבוססות ברזל הוא רק שליש עד חמישית מזה של יריעות פלדת סיליקון מכוונת, מה שמפחית את אובדן הברזל ללא עומס של שנאים מסגסוגות אמורפיות ב-70% עד 80% בהשוואה לשנאים מסורתיים מפלדת סיליקון. צפיפות השטף המגנטי הרוויה של סגסוגות אמורפיות נמוכה יחסית (כ-1.5T), ולכן צפיפות השטף המגנטי המדורגת נבחרת בדרך כלל כ-1.3-1.4T.
עובי רצועת הסגסוגת האמורפית דק ביותר, רק 0.03 מ"מ, וכתוצאה מכך מקדם הלמינציה של כ-80% בלבד עבור ליבת הברזל האמורפית. למרות שלסגסוגות אמורפיות יש משקל סגולי נמוך יותר מאשר יריעות פלדת סיליקון, משקל ליבת הברזל עדיין כבד יחסית.

תכנון מבנה הליבה
גם תכנון מבנה ליבת השנאים עבר אבולוציה משמעותית. מליבת הברזל הלמינציה המוקדמת ביותר, דרך ליבת הברזל בצורת C, ולאחר מכן לליבה בצורת טבעת (ליבת ברזל מפותלת), לכל מבנה מאפיינים ויתרונות משלו.
ליבת הברזל המעגלית עשויה מליפוף רצועות פלדת סיליקון, כמו קפיץ שעון מלופף היטב. ליבת ברזל מסוג זה בעלת מעגל מגנטי רציף ללא פערי אוויר, וכתוצאה מכך התנגדות מגנטית נמוכה ויעילות גבוהה. בהשוואה לשנאים למינציה בעלי אותה קיבולת, לשנאים טורואידליים יש יתרונות של גודל קטן, משקל קל ודליפה מגנטית נמוכה.
עבור שנאים מסגסוגת אמורפית, בשל הקושי בחיתוך החומרים שלהם, הם בדרך כלל מתוכננים כמבני ליבה מברזל מפותלים. מבנה הליבה של שנאי חד פאזי הוא מסגרת, בעוד שמבנה הליבה של שנאי תלת פאזי נוצר על ידי מיזוג ארבע מסגרות למבנה הדומה למבנה תלת פאזי בעל חמש עמודות. מבנה זה מאפשר למקם כל סליל פאזה על שתי מסגרות עצמאיות של המעגל המגנטי, ובכך מבטל ביעילות את השפעת השטף המגנטי ההרמוני השלישי.

תהליך ייצור של חומר ליבת ברזל
תהליך הייצור של יריעות פלדת סיליקון הוא מורכב, במיוחד יריעות פלדת סיליקון ממוינות. תהליך הייצור שלו מורכב, חלון התהליך צר וקושי הייצור גבוה. הוא מכונה "מלאכת יד של מוצרי פלדה".
תהליך הייצור של יריעות פלדת סיליקון לא מכוונות מגולגלות בקור כולל בדרך כלל: גלגול חם של בילטים מפלדה או יציקה רציפה של בילטים לסלילים בעובי של כ-2.3 מ"מ, ולאחר מכן שטיפה חומצית, גלגול קר, חישול ותהליכי ציפוי סרט בידוד. עבור מוצרים עתירי סיליקון, יש צורך לנרמל אותם תחילה בטמפרטורה של 800-850 מעלות צלזיוס לאחר גלגול חם, ולאחר מכן שטיפה חומצית, גלגול קר לעובי מסוים, חישול, לאחר מכן גלגול קר בקצב חיזור נמוך, ולבסוף חישול סופי.
השיטה הנפוצה ביותר לייצור סגסוגות אמורפיות היא ריסוס אדי מתכת מותכת על מסגרת נחושת מסתובבת במהירות גבוהה, והמתכת המותכת מקוררת ומתמצקת לצלעות דקות בקצב של 106 ℃/s. יש להפחית את הלחץ הפנימי הגבוה שנוצר על ידי חישול בין 200 ℃ ל-280 ℃ כדי להשיג תכונות מגנטיות טובות.

יתרונות חיסכון באנרגיה של חומרי ליבת ברזל
ישנם שנאים רבים ובעלי קיבולת גדולה במערכת החשמל, מה שגורם להפסדים כוללים ניכרים. ההערכה היא כי ההפסד הכולל של שנאים בסין מהווה כ-10% מייצור החשמל של המערכת. כל הפחתה של 1% בהפסדים יכולה לחסוך מיליארדי קילוואט-שעה של חשמל מדי שנה.
לשנאים מסגסוגת אמורפית בעלת ליבת ברזל משפיעים באופן משמעותי על חיסכון באנרגיה. אובדן האנרגיה ללא עומס של שנאים מסגסוגת אמורפית מסדרת SH12 מופחת בכ-75% בהשוואה לשנאים מפלדת סיליקון מסדרת S9. למרות ששנאים מסגסוגת אמורפית יקרים יותר משנאים מסורתיים, עלויות התפעול שלהם נמוכות ביותר, ותקופת החזר ההשקעה היא בדרך כלל בין 2-5 שנים.
אזורים מפותחים כלכלית המיוצגים על ידי מחוזות שנגחאי, ג'יאנגסו וג'ג'יאנג אימצו שנאים מסגסוגת אמורפית בקנה מידה גדול. חברת החשמל ג'יאנגסו אף מתכננת להתקין קווים חדשים ומשופצים בעתיד, והשימוש בשנאים מסגסוגת אמורפית לא יפחת מ-30%.

מגמת הפיתוח של חומרי ליבת ברזל
חומרי ליבת ברזל מתפתחים לקראת אובדן ברזל נמוך ואינדוקציה מגנטית גבוהה. עבור יריעות פלדת סיליקון, כולל פלדת סיליקון לא מכוונת עבור מנועים בעלי יעילות גבוהה ובעלי אובדן ברזל נמוך, פלדת סיליקון בעלת אוריינטציה מגנטית גבוהה ובעלי אובדן ברזל נמוך במיוחד במפרט דק, ופלדת סיליקון גבוהה עבור מכשירי חשמל חוסכי אנרגיה בתדר בינוני וגבוה.
פלדת סיליקון גבוהה (סגסוגת Si Fe עם 4.5%~6.7% Si) מתאפיינת באובדן ברזל מופחת משמעותית בתדרים גבוהים, חדירות מגנטית מקסימלית גבוהה וכפייתיות נמוכה. אך תכולת ה-Si שלה גבוהה מדי, והפלסטיות שלה ירודה ביותר בטמפרטורת החדר, מה שמקשה על גלגול ועיצוב שלה. כיום, חומרי סגסוגת Si Fe 6.5% לא מכוונים מוכנים בעיקר באמצעות תהליך חדירת סיליקון.
חומרים שעברו שינוי ננו וחומרים מבוססי ביו הם גם אחד מכיווני הפיתוח העתידיים. עם הדרישה הגוברת להגנת הסביבה, פיתוח חומרי ליבת ברזל שאינם רעילים, מתכלים ביולוגית או ניתנים למחזור יהפוך לכיוון מחקר חשוב.

מַסְקָנָה
האבולוציה של חומרי ליבת שנאים הציגה שילוב מושלם של מדע החומרים והנדסת חשמל. מפלדת פחמן רגילה ועד ליריעות פלדת סיליקון, ואז לסגסוגות אמורפיות, כל פריצת דרך חומרית שיפרה משמעותית את רמת היעילות האנרגטית של שנאים.
בעולם של היום, שבו שימור אנרגיה והפחתת פליטות הפכו לקונצנזוס עולמי, בחירת חומרי ליבת ברזל יעילים אינה קשורה רק ליתרונות כלכליים, אלא גם לאחריות סביבתית. בעתיד, עם הופעתם המתמשכת של חומרים ותהליכים חדשים, ליבות שנאים ימשיכו להתפתח לקראת הפסדים נמוכים יותר ויעילות גבוהה יותר, ויתרמו לבניית מערכת אנרגיה ירוקה ודלת פחמן.