عند فك أي محرك، سترى أكوامًا من الصفائح الحديدية الرقيقة المكدسة بعضها فوق بعض. رد فعل الكثير من الناس الأول هو:

«لماذا لا نستخدم قطعة حديد واحدة كاملة؟ أليس ذلك أكثر متانةً وأبسط؟»

هذا السؤال مطروح بشكل صحيح. من الناحية البديهية، فإن قطعة الحديد الكاملة تتمتع بالفعل بمزايا عديدة:

· عالي القوة الميكانيكية: لا يتحرّك، ولا يتقشر.

· المعالجة بسيطة: لا حاجة للقطع، أو التكديس، أو العزل.

· أقل تكلفة: استبعاد العمليات المعقدة

لكن المهندسين ما زالوا متمسكين بقطع النواة الحديدية إلى شرائح رقيقة بسمك يتراوح بين 0.10 و0.50 ملم، ثم تُرصّ طبقة فوق الأخرى، وهي عملية معقدة وتزيد من التكلفة.

لماذا؟

لأنه إذا استُخدم قطعة حديد واحدة كاملة، فسيكون للمحرك عيب مميت— تؤدي خسائر الدوامة إلى انخفاض كفاءة المحرك بشكل حاد بين 20% و40%.

والأسوأ من ذلك، قد يحترق المحرك في غضون دقائق قليلة بعد بدء التشغيل.

اليوم، سنبدأ من المبادئ الفيزيائية بالحديث عن ذلك، اشرح هذه المسألة بوضوح.

01 السؤال: العيب القاتل في قطعة حديد كاملة

لفهم سبب عدم القدرة على استخدام قطعة حديد كاملة، يجب أولاً فهم ظاهرة فيزيائية: دوامة.

1 ما هو التيار الدوّار؟

تخيل الدوامة في النهر. عندما يصطدم تيار الماء بجسم معوق، تتكون دوامة دوارة خلف الجسم المعوق.

التيارات الدوامية في الكهرومغناطيسية تُعدّ مبدأً مشابهًا أيضًا.

عندما مجال مغناطيسي متغير بدلالة الزمن عند المرور عبر مادة موصلة (مثل الحديد)، تنشأ في داخل المادة تيارات حثية دائرية. تتدفق هذه التيارات داخل المادة بشكل دائري مثل الدوامات، ولذلك تُسمَّى... دوامة 。

هذا نتيجة حتمية لقانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي: تغير المجال المغناطيسي → يولد مجالًا كهربائيًا → يدفع حركة الإلكترونات → يشكل تيارات دوامية.

ما هي مشكلة الدوامات الثانية؟

الدوامة نفسها ليست المشكلة. المشكلة تكمن في: الدوامة تولد حرارة.

تمامًا مثلما يسخن سلك التسخين الكهربائي عند توصيله بالتيار، فإن التيارات الدوامية أيضًا تولد حرارة عند مرورها في الحديد بسبب المقاومة. هذه الحرارة تُعتبر مضيعة تمامًا - فهي تأتي من الطاقة الكهربائية لكنها لا تؤدي أي عمل مفيد، بل تُهدر فقط في إنتاج الحرارة دون فائدة.

هذا هو فقدان الدوامة.

3 قطعة حديد كاملة: جنة الدوامات الكهربائية

الآن نعود إلى مسألة «قطعة الحديد الكاملة».

في قطعة حديد واحدة، يمكن للدوامات الكهربائية أن تتشكل بحرية. حلقة كبيرة جدًا. تخيل أن الدوامة تشبه «مدرجًا» كبيرًا، حيث يمكن للإلكترونات أن تندفع بداخله دون قيود.

كلما زاد طول الدائرة، زاد التيار الكهربائي وزادت الحرارة.

والأسوأ من ذلك، تتناسب خسائر الدوامة طرديًا مع مربع سمك المادة. الصيغة هي:

P يتناسب طرديًا مع d² (ب=طاقة الفقد، د=السمك)

هذا يعني أنه إذا تضاعف سمك النواة الحديدة، فإن فقدان الدوامات الكهربائية سيزيد أربع مرات!

4 صيغة الحساب الكاملة لفقدان الدوامة

إذا أردت فهم فقدان الدوامات بشكل أكثر دقة، يمكنك الاطلاع على الصيغة الحسابية الكاملة:

Pe = K × f² × Bm² × d² × V / ρ

كل حد في الصيغة يروي قصةً:

· بي: طاقة فقدان الدوامة (وات) — الهدف الذي نسعى إلى تخفيضه

· ف: تردد تغير المجال المغناطيسي (هرتز) — مربع التردد! كلما ارتفع التردد، زادت الخسائر بسرعة أكبر.

· بي إم: أقصى شدة حث مغناطيسي (تيسلا) - كلما زادت قوة المجال المغناطيسي، زادت قوة التيار الدوامي.

· د: سمك المادة (م) — مربع السمك! لهذا السبب يجب التقطيع رقيقًا.

· ف: حجم المادة (م³) — كلما زاد الحجم، زاد عدد مسارات الدوامة.

· ρ: مقاومة المادة (أوم·متر) - كلما زادت المقاومة، قُلّلت الدوائر الحثية بشكل أكبر.

· ك: المعامل (المرتبط بشكل المادة ونظام الوحدات)

ماذا تخبرنا هذه الصيغة؟

يمكن استنتاج منطق تصميم صفائح الفولاذ السيليكوني مباشرةً من الصيغة:

·السماكة d تظهر في المعادلة بشكل مربع، مما يعني: إذا انخفضت السماكة إلى النصف، فإن الفقدان ينخفض إلى ربع القيمة الأصلية؛ فعند تقطيع قطعة حديد بسمك 50 ملم إلى شرائح بسمك 0.5 ملم، فإن الفقدان سيقل نظريًا إلى واحد على عشرة آلاف من قيمته الأصلية.

·الموصليّة الكهربائية ρ في المقام، مما يعني: كلما زادت الموصليّة الكهربائية، قلّت الفقدان. لهذا السبب تُضاف عنصر السيليكون - لزيادة الموصليّة الكهربائية ρ، وبالتالي تثبيط التيارات الدوّارة بشكل جذري.

·التردد f يرتبط بعلاقة تربيعية أيضًا، مما يعني: إذا زاد التردد إلى الضعف، فإن الفقدان يزداد أربع مرات. لهذا السبب يجب استخدام صفائح فولاذ سيليكون أرق في المحركات عالية التردد.

من الصيغة إلى القرار الهندسي

بفضل هذه الصيغة، يستطيع المهندسون إجراء مفاضلات دقيقة:

· بالنسبة للمحركات ذات التردد الصناعي 50 هرتز: نظرًا لأن التردد f صغير، يمكن استخدام سمك 0.50 مم، مما يقلل من التكلفة.

· بالنسبة لمحركات التردد المتغير بتردد 400 هرتز: إذا زادت قيمة f بمقدار 8 أضعاف، فإن f² ستكون أكبر بـ 64 مرة، ولذلك لا بد من استخدام لوحات أرق بسمك 0.35 مم أو 0.2 مم.

· بالنسبة للمحركات عالية السرعة (>1000 هرتز): إذا تجاوزت f² 400 مرة، فلا بد من استخدام شريحة رقيقة جدًا بسماكة 0.10 مم للتحكم في الفقدان.

الفيزياء وراء الصيغة

هذه الصيغة لم تأتِ من فراغ، بل هي مستمدة من:

·قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي: تغيير المجال المغناطيسي ينتج قوة دافعة كهربائية حثية.

· قانون أوم: الجهد الكهربائي يدفع التيار، وكلما زاد المقاومة، قلّ التيار.

· قانون جول: التيار الكهربائي يولد حرارة عند مروره عبر المقاومة

انطلاقًا من الفيزياء الأساسية، وبعد الاستنتاج، تم التوصل إلى صيغة الفقد الدقيقة هذه.

البيانات الفعلية تُظهر:

· في المحولات، يمكن أن تصل خسائر الدوامات إلى 10%-30% من الخسائر الكلية.

· في المحركات عالية التردد، تكون هذه النسبة أعلى.

إذا استُخدمت قطعة حديد كاملة، ستنخفض كفاءة المحرك فجأة بنسبة 20% إلى 40%， وستتحول معظم الطاقة الكهربائية إلى حرارة تُهدر دون فائدة.

02

الحل: اختراق مزدوج لصفائح الفولاذ السيليكوني

بما أن قطعة الحديد الكاملة لم تكن مجدية، ابتكر المهندسون حلاً بارعًا: صفائح الفولاذ السيليكوني.

يحل هذا الحل مشكلة الدوامات من اتجاهين في آنٍ واحد.

الحيلة الأولى: تقطيعها إلى شرائح رفيعة لمنع الدوامات فيزيائيًا

تخيل لو قطعت قطعة كبيرة من الحديد إلى شرائح رقيقة جدًا، هل سيظل التيار الدوّار يتدفق بسلاسة ودون عوائق كما كان سابقًا؟

لا يمكن ذلك.

كل قطعة رقيقة من صفيحة الفولاذ السيليكونية يبلغ سمكها فقط من 0.10 إلى 0.50 ملم (أثخن قليلاً من ورقة عادية)، ولا يمكن للتيار الدوامي أن ينتشر إلا في... رقاقة واحدة تتشكل حلقة صغيرة داخلية، ولا يمكن تجاوز الفجوة بين الألواح.

الأجمل من ذلك هو تطبيق طبقة من الورنيش العازل بين كل قطعة، لقطع «مسار الدوامة» عبر القطع بشكل كامل.

وهكذا، فإن الدوامة الكبيرة التي كانت تستطيع «الاندفاع بحرية» عبر الحديد بالكامل، تُقسَّم إلى عدد لا يحصى من الدوامات الصغيرة، كل منها محصور في طبقة رقيقة فقط.

هل تتذكر تلك الصيغة؟ P ∝ d²

عندما ينخفض السُّمك من (على سبيل المثال) 50 ملم إلى 0.5 ملم، تنخفض الفقدانات بمقدار (50/0.5)² = 10,000 مرة!

بالطبع، في الواقع، الأمر ليس بهذه البساطة مثل تقطيع قطعة كاملة بسمك 50 ملم إلى شرائح رفيعة، لكن المبدأ واحد: كلما كان الشريحة أرق، كانت مسار الدوامة أقصر، وبالتالي كانت الفقدان أقل.

2第二招：加硅，提高电阻率

但光切薄片还不够。还有一个关键点：材料本身的电阻率。

纯铁的电阻率很低，涡流容易形成。那能不能让铁的电阻率变高一些，从而抑制涡流呢？

能。答案是加硅。

当硅元素加入铁中后，会显著提高材料的电阻率。硅原子进入铁晶格，增加了电子运动的阻力，就像在“涡流跑道”上设置了无数个减速带。

电阻率越高，涡流越难形成，损耗越小。

硅含量对性能的影响：

·低硅钢（0.8%-2% Si）：电阻率适中，成本低，适合普通电机

·中硅钢（2%-3.5% Si）：电阻率较高，损耗更低，应用最广

·高硅钢（>3.5% Si）：电阻率很高，损耗极低，但加工困难、成本高

工业上最常用的是硅含量3%左右的硅钢片，在性能和成本之间取得了最佳平衡。

3厚度选择：工程的艺术

你可能会问：既然薄片损耗更小，为什么不做到极薄？

因为工程从来不是追求极致，而是追求平衡。

片越薄，涡流损耗越小，但是：

·制造成本越高（切割、涂层、叠压都更复杂）

·机械强度越弱（太薄容易变形）

·叠片数量越多（占用更多空间）

·绝缘层占比越大（降低有效磁导率）

工业上常用的厚度：

·0.50 مم: محركات صناعية عادية، منخفضة التكلفة

·0.35 مم: محرك عالي الكفاءة، يقلل الفقد بنسبة 20%

·0.20 مم: محركات عالية التردد (مثل المحركات ذات التحكم في التردد)، تقلل من الفقدان.

·0.10 مم: تطبيقات الترددات الفائقة، تكلفة عالية

هذه هي حكمة الهندسة: ليس الهدف هو تحقيق الأقل سمكًا، بل إيجاد الحل الأمثل بين الأداء والتكلفة والتقنية.

03 مقارنة بين التأثيرات: البيانات تتحدث عن نفسها

إذن، ما مدى فعالية صفائح الفولاذ السيليكونية بالضبط؟ دعونا نتحدث بالبيانات.

مقارنة تأثير سماكة صفائح الفولاذ السيليكوني على فقدان الحمل الخالي

ملاحظة: تعتمد القيم النسبية لفقدان الحمل الخالي على تردد تشغيل 50 هرتز وكثافة مغناطيسية مصنفة تبلغ 1.5T، والبيانات هي فقط للإشارة.

هذه الجدول يوضح كل شيء: تُقلل صفائح الفولاذ السيليكونية من الفقدان بنسبة 60% إلى 90%، وتحول الطاقة الكهربائية المهدرة إلى عمل مفيد.

2 حالة عملية: محرك عالي السرعة بالتحليق المغناطيسي

عالي التردد 1000 هرتز، 1.5 تسلا في ظروف التشغيل المحددة بالكثافة المغناطيسية العاملة الاسمية، تعمل النواة الحديدية التي يبلغ قطرها 450 مم وارتفاعها 300 مم بشكل مستمر على مدار العام (365 يومًا) لمدة 8760 ساعة، وتبلغ خسائر الحمل الخالي فقط خسائر الحديد في النواة (دون تداخل من خسائر ميكانيكية أو خسائر نحاسية).

ملاحظة: نظرًا لاختلاف بيانات المواد بين الشركات في السوق، فإن هذه البيانات هي مجرد مرجعية.

مقارنةً بقلب حديدي خالص مصنوع من الحديد الخالص، فإن فولاذ السيليكون غير الموجه بسماكة 0.2 مم... يمكن توفير حوالي 600 ألف يوان سنويًا. هذا ليس سوى محرك قائم على الرفع المغناطيسي، وعشرات الآلاف من محركات الرفع المغناطيسي حول العالم توفر طاقة كهربائية وتكاليف تكفي لجعل المرء يُصاب بالذهول!

3 لماذا تختلف سماكات المحركات المختلفة؟

ربما لاحظتَ أن سُمك صفائح الفولاذ السيليكوني يختلف باختلاف التطبيقات. والسبب هو:

تتناسب خسائر الدوامة طرديًا مع مربع التردد: P ∝ f²

·محرك التردد الصناعي (50 هرتز): تردد منخفض، تيار دوامة صغير، يكفي استخدام 0.50 مم.

· محرك متغير التردد (200-400 هرتز): التردد عالٍ، والدوامات الكهربائية كبيرة، لذا يتطلب سمكًا يبلغ 0.35 مم أو حتى 0.20 مم.

·محرك عالي السرعة (>1000 هرتز): تردد مرتفع جدًا، لا بد من استخدام شريحة رقيقة جدًا بسماكة 0.10 مم.

كلما ارتفع التردد، زادت الحاجة الملحّة إلى الألواح الرقيقة.

04 خلاصة

بالعودة إلى السؤال في بداية المقال: لماذا لا نستخدم قطعة حديد كاملة؟

الآن أصبح الجواب واضحًا جدًا:

لأن القطعة الكاملة من الحديد تُحدث فقدانًا هائلاً بسبب التيارات الدوامية، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة المحرك فجأة بنسبة 20% إلى 40%، وتحويل معظم الطاقة الكهربائية إلى حرارة غير مفيدة.

ويُعدّ تصميم صفائح الفولاذ السيليكوني تطبيقًا متقنًا من قبل المهندسين للقوانين الفيزيائية:

·تقطيع إلى شرائح رفيعة → حجب مسار الدوامة فيزيائيًا → استغلال العلاقة P ∝ d² لتخفيض الفقدان آلاف المرات

·إضافة عنصر السيليكون → زيادة المقاومة الكهربائية → تثبيط تكوّن الدوامات الكهربائية

· اختر السماكة المناسبة → أوجد توازنًا بين الأداء والتكلفة والعملية → ليس الأرقّ، بل الأفضل.

ما يبدو وكأنه «كومة من الصفائح الحديدية الرقيقة» بسيط في ظاهره، لكنه في الحقيقة يحمل في طياته مبادئ فيزيائية عميقة وحكمة تقنية رفيعة.

من النواة الحديدية المتكاملة في القرن التاسع عشر، إلى اختراع صفائح الفولاذ السيليكوني في أوائل القرن العشرين، وصولًا إلى فولاذ السيليكون فائق الرقة والخفيف اليوم، كل خطوة من هذه التطورات تمثّل فهمًا أعمق للقوانين الطبيعية وتطبيقًا أفضل لها من قِبل البشر.

القلب الحديدي المكون من طبقات رقيقة من صفائح الفولاذ السيليكونية في المحرك، ليس المهندسون هم من يُضيعون الوقت بلا داعٍ، بل إنهم يواجهون خسائر الدوامات التي لا مفر منها في العالم الفيزيائي بأكثر الطرق ذكاءً.

المقال أعلاه مأخوذ من باحث في قلب المحركات الكهربائية، ومؤلفه تشانغ لي شون.