נושא : מדוע משתמשים בפלדת סיליקון בשנאים

בס"ד ‏יום שני 27 מרץ 2023

הקדמה

לחומרים פרומגנטיים יש מבנה גבישי מה שאומר שהם מורכבים מגבישים. לכל גביש המרכיב את החומר הפרומגנטי יש כיוון מסוים שלאורכו הוא מציע חדירות גבוהה. צירים אלו שלאורכם מסודרים הגבישים בעלי חדירות גבוהה והם מתמגנטים בקלות רבה בכיוון מסוים ,מלבד הכיוון הזה הגביש הוא בעל חדירות נמוכה ולכן קשה יותר למגנט אותו.
מכאן אנו למדים כי כיווני הגביש של הפלדה צריכים להיות מכוונים כך שהצירים שלהם מקבילים לכיוון בו מופעל השדה המגנטי, בפרקטיקה אנו מגיעים לכיווניות זו על ידי שליטה קפדנית בעיבוד פלדת סיליקון. (כיווני המיגנוט של החומר טמונים בכיוון שבו מעובד החומר).

כיווניות פלדת סיליקון

פלדת סיליקון שעובדה על מנת לתת כיוון קל (קיטוב) לכל הגבישים שלה נקראת פלדת "מונחה גרגרים". באופן כללי "קל" יותר למגנט את החומר בעל אוריינטציה גרגירית מאשר חומר בעל אוריינטציה אקראית, חלקי מתכת לא מכוונת דורשת שדה מגנטי גבוה יותר על מנת למגנט אותם.
פלדת סיליקון המתקבלת כתוצאה מתהליך כזה נקראת באנגלית (Cold Rolled Grain Oriented Silicon Steel) או בקצרה CRGO.

תמונה מספר 1 : עיבוד יריעות פלדת סיליקון לגליל מקוטב בשלב הבא יחתך לצורות.

מדוע משתמשים ב"פלדת-סיליקון" בשנאים ?

פלדת סיליקון נמצאת בשימוש נרחב לייצור ליבות שנאים אחד היתרונות לשימוש בפלדת סיליקון הוא שזרם המיגנוט הנצרך על ידי שנאי קטן יותר ועל כן הפסדי היסטרזיס והפסדי זרמי מערבולת קטנים יותר, אך אם ההינו משתמשים בפלדה לא מקוטבת, היינו צריכים כמות גדולה יותר של זרם מיגנוט לצורך יצירת השטף בליבה (כלומר לגרום למגנוט הליבה).

עם גיליונות מכוונים (גרגרים) הכוח הממגנט הדרוש כדי למגנט את הליבה קטן, זו הסיבה שהזרם הממגנט של שנאים המשתמשים בפלדה סילקון נמוך במידה ניכרת.

נקודה חשובה היא כי בעת שימוש בפלדת CRGO לבניית ליבות שנאי חובה להקפיד על הרכבת הליבה כך שכיוון הגביש יהיה מקביל לנתיב השטף מכיוון שאם לא נבצע זאת נכון הליבה תהיה בעלת חדירות נמוכה מאשר חדירות גבוהה ותתקבל פעולה הפוכה.

מהי פלדת סיליקון ?

פלדת סיליקון המטופלת בגלגול קר (CRGO) פלדת סיליקון היא סגסוגת של ברזל וסיליקון אשר יוצרה לראשונה בשנת 1933 , בעלת תכונות מגנטיות שהופכות אותה לשימושית בתעשיית החשמל והאלקטרוניקה , תוספות הסיליקון משפרות את השדה המגנטי ומגבירה את ההתנגדות החשמלית כיום היא חומר שימושי ביותר באלקטרוניקה של ימינו.

פלדת סיליקון משמשת לייצור שנאים מכיוון שהיא שומרת על הפסדי מערבולת ברמות נמוכות עקב נוכחות תכולת סיליקון גבוהה בה. כמו כן, פלדת סיליקון מפחיתה את הכוחות המסייעים למזער הפסדי של מיגנוט הפוכה בשנאים.

אבל לפני השימוש בה בייצור שנאים, פלדת סיליקון זו מגולגלת בטמפרטורת החדר זה נקרה גלגול קר. זה מאפשר לגרגרים שלו להיות מקוטבים בכיוון מסוים. תהליך זה גם מדקק את עובי פלדת הסיליקון לעובי של 0.1-2 מ"מ מה שהופך אותה לקשה וחזקה יותר.

להיפך, פלדה מגולגלת חמה מתייחסת לפלדה שהתגלגלה בטמפרטורות מעל 926 מעלות צלסיוס. אבל, היא מועילה פחות בהשוואה לפלדה בגלגול קר, ובשל הביקוש הגבוהה שלו פלדת-סיליקון CRGO הוא חומר יקר.

תמונה 2 : גביש של פלדת סיליקון

מאפייני החומר

מספר מאפיינים הופכים את פלדת הסיליקון CRGO לבחירה הנכונה לייצור ליבות שנאים כמו גם דברים אחרים ואנחנו נבחן חלק ממאפיינים אלו

מגנטיות גבוהה

פלדת סיליקון לאחר עיבוד של CRGO בעלת תכונות מגנטיות נהדרות בכיוון הגלגול. מגנטיות מוגברת זו נובעת מכך שבפלדת סיליקון מוכוונת גרגרים, התכונות המגנטיות הכוללות של החומר תלויות באלו של הגרגרים הבודדים. מגנטיות זו מגבילה ומנחה את השדה המגנטי בשנאים. לכן נדרש בפחות זרם מיגנוט

התנגדות גבוהה

תכונה חשובה נוספת של פלדת סיליקון לאחר עיבוד CRGO היא רמות ההתנגדות הגבוהות שלה, כאשר מוסיפים את הסיליקון לפלדה ההתנגדות הפלדה עולה, שבדרך כלל היא נמוכה למדי, התנגדות גבוהה זו מפחיתה את הפסדי הליבה על ידי מזעור רכיבי זרם המערבולת.

גמישות מכנית גבוהה

פלדת סיליקון מציעה גמישות מכנית גבוהה במיוחד הרי לליבת השנאי 2 תפקידים עיקריים בלבד הראשון להחזיק את הסלילים במקום והשני לשפר את השדה המגנטי. אז כשמשתמשים בו כאשר החפץ נקלע למאמץ הוא מאפשר לו לשמור על צורתו.

היצרות מגנטית מופחתת

היא תכונה חשובה שכן היא עוזרת בהמרה של אנרגיה חשמלית למכנית, ולמעשה זה מה ששנאים עושים. אבל היצרות מגנטית גבוהה מובילה לרמות רטט גבוהות. לכן, העלאת תכולת הסיליקון בפלדה מסייעת בהורדת ההיצרות מגנטית, אם כי לא ניתן לבטל אותה לחלוטין.

גורמי למינציה גבוהים

תכונה חשובה נוספת של פלדת סיליקון היא שהיא מציעה גורמי למינציה גבוהים. למינציה עוזרות במזעור זרמי מערבולת והפסדי היסטרזיס בשנאים. כאשר הליבה של שנאי מרובדת עם חומר פלדה CRGO במקביל לשדה המגנטי, היא שולטת על השטף האלקטרומגנטי המושרה ובסופו של דבר על זרמי המערבולת.

הפסדי חשל וזרמי מערבולת נמוכים

מכיוון שפלדת הסיליקון מציעה חדירות גבוהה ובשל כך הפסדי האנרגיה בה היא נמוכים.

טמפרטורת קירי מופחתת

• הגדרה טמפרטורת קירי – זוהי נקודת סף של טמפרטורה שאם עולים מעליה החומר מאבד את תכונותיו הפרומגנטיות שלו במקרה שלנו מגנטיות.

כידוע שלברזל טהור יש טמפרטורת קירי גבוהה. לכן, אם הופכים לסגסוגת על ידי הוספת תכולת סיליקון בה, ניתן להפחית את טמפרטורת הקירי של הפלדה. לכן, במקרה של שנאים ומנועים, חשוב לשמור על הטמפרטורה מתחת לטמפרטורת הקירי. זה יכול לעזור להיווצרות מגנטיות ספונטנית שהיא מרכיב חיוני של שנאים.

באופן כללי התכונות המגנטיות של חומרים פרומגנטיים מושפעות לרעה עקב עבודה מכנית כמו ניקוב, כרסום, שחיקה, עיבוד שבבי וכו'. ניתן לשחזר את התכונות המגנטיות כולל כיוון הגביש הנכון במקרה של יריעת על ידי טיפול בחום (חישול). מכיוון שלחץ מכני משבש את כיוון הגביש, חיוני לבצע את הטיפול הזה שוב, אחרי סיום הפעולות המכניות.

סיכום

בעולם הייצור פלדת סיליקון הינו החומר העיקרי ליצור מסגרת של השנאים כי למרות כל חסרונותיו של החומר לדוגמה

1. שיטות עיבוד יקרות
2. חומרי הגלם יקרים
3. נקודת קירי מופחתת

למרות החסרונות של סגסוגת זו עדיין מומלץ להשתמש בפלדת סיליקון כי באופן יחסי יתרונותיו עולים על חסרונותיו בשל חיסכון באנרגיה בשל הקטנת ההפסדים של השנאי נשתמש בפלדת סיליקון מעובדת כרכיב העיקרי לייצור שנאים.

בהצלחה.