عند فك أي محرك، سترى أكوامًا من الأوراق الحديدية الرقيقة المكدسة فوق بعضها البعض. أول رد فعل لدى الكثير من الناس 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 التراص، أو العزل.

· أقل تكلفة: استبعاد العمليات المعقدة

لكنّ المهندسين ما زالوا متمسكين بقطع النواة الحديدية إلى شرائح رقيقة بسماكة تتراوح بين 0.10 و0.50 ملم، ثم تُرصّ الواحدة فوق الأخرى، وهي عملية معقدة وتتطلب تكاليف أعلى.

لماذا؟

لأنه إذا استُخدم قطعة حديد واحدة كاملة، فسيكون للمحرك عيب قاتل— تؤدي خسائر الدوامة إلى انخفاض كفاءة المحرك بشكل حاد بنسبة 20% إلى 40%.

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 الدوامي؟

تخيل الدوامة في النهر. عندما تلتقي مياه الجريان 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 تُطلق 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 وارتفعت 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 زاد سمك النواة الحديدية إلى الضعف، فإن خسائر الدوامات الكهربائية ستزيد 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، قلّت التدفقات الدوامية.

· 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 ينخفض 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 الدوّامية بشكل جذري.

·التردد f يرتبط أيضًا بعلاقة تربيعية، 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 f صغير، يمكن استخدام سمك 0.50 مم، مما يقلل 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 إجمالي الخسائر.

· 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 لألواح 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 رقيقة لمنع الدوامات فيزيائيًا

تخيل لو قطعت قطعة كبيرة من الحديد إلى شرائح رفيعة 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 مم (أثخن قليلاً من ورقة)، ولا يمكن للتيارات الدوامية أن تنتشر 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، مما يقطع تمامًا «المسار المتقاطع» للتيارات الدوامية.

وهكذا، فإن الدوامة الكبيرة التي كانت تستطيع «الاختراق 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.

الحيلة الثانية: إضافة السيليكون لزيادة المقاومة الكهربائية

لكن تقطيع الألواح إلى شرائح رقيقة لا يكفي وحده. هناك نقطة رئيسية أخرى: المقاومة النوعية للمادة نفسها.

مقاومة الحديد النقي منخفضة جدًا، ولذلك تتشكل دوامات التيار بسهولة. فهل من الممكن زيادة مقاومة الحديد لجعلها أعلى، وبالتالي كبح دوامات التيار؟

نعم. الإجابة هي إضافة السيليكون.

عندما تُضاف ذرات السيليكون إلى الحديد، فإنها تزيد بشكل ملحوظ من مقاومة المادة للكهرباء. إذ تدخل ذرات السيليكون في الشبكة البلورية للحديد، مما يزيد من المقاومة أمام حركة الإلكترونات، كما لو أنّ هناك عددًا لا يُحصى من المطبات التباطؤ قد وُضعت على «مسار الدوامة».

كلما ارتفع المقاومة النوعية، قلّت صعوبة تكوّن الدوامات الحثية، وقلّت الفواقد.

تأثير محتوى السيليكون على الأداء:

· فولاذ منخفض السيليكون (0.8%-2% Si): له مقاومة كهربائية معتدلة، وتكلفة منخفضة، ومناسب لمحركات عادية.

· فولاذ السيليكون المتوسط (2%-3.5% Si): له مقاومة كهربائية أعلى، وفقدان أقل، ويُستخدم على أوسع نطاق.

· فولاذ عالي السيليكون (>3.5% Si): له مقاومة كهربائية عالية وفقدان منخفض جدًا، لكنه صعب المعالجة ومرتفع التكلفة.

الشريحة الفولاذية المحتوية على السيليكون، والتي تبلغ نسبة السيليكون فيها حوالي 3%، هي الأكثر استخدامًا في الصناعة، إذ تحقق التوازن الأمثل بين الأداء والتكلفة.

3 خيارات للسماكة: فن الهندسة

قد تسأل: بما أن الفقد في الألواح الرقيقة أقل، فلماذا لا نجعلها رقيقة جدًا؟

لأن الهندسة لا تسعى أبدًا إلى التفوق المطلق، بل إلى التوازن.

كلما كان الصفح أرق، قلّت خسائر الدوامة، لكن:

·كلما ارتفعت تكاليف التصنيع (زادت تعقيدات القطع والطلاء والضغط المتعدد)

·كلما كانت القوة الميكانيكية أضعف (أصبحت رقيقة جدًا وسهلة التشوه)

· كلما زاد عدد الألواح (كلما احتلت مساحة أكبر)

· كلما زادت نسبة الطبقة العازلة (انخفضت النفاذية المغناطيسية الفعالة)

السمك الشائع استخدامه في الصناعة:

·0.50 مم: محرك صناعي عادي، منخفض 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، عالية التكلفة

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 السيليكوني 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 لأغراض إرشادية فقط.

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، تعمل النواة الحديدية التي يبلغ قطرها 450 مم وارتفاعها 300 مم بشكل مستمر على مدار العام (365 يومًا، أي 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 للإشارة فقط.

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 تُوفّر طاقة كهربائية وتكاليف تكفي لجعل المرء يقف مذهولاً!

3 لماذا تختلف سماكات المحركات المختلفة؟

ربما لاحظت 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): تردد عالٍ، تيار دوامة كبير، يتطلب سمك 0.35 مم أو حتى 0.20 مم.

·محرك عالي السرعة (>1000 هرتز): تردد مرتفع جدًا، لا بد من استخدام شريحة رقيقة جدًا بسمك 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 هائلًا بسبب الدوامات الكهربائية، 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 مقاومة الكهرباء → 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 صناعية 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 تقدّم تمثّل فهمًا أعمق من قبل البشر لقوانين الطبيعة وتطبيقًا لها.

القلب الحديدي المكون من طبقات رقيقة من صفائح الفولاذ السيليكوني 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.