פונקציות וסיווג ליבות שנאי

1. פונקציות של ליבות שנאי

שנאים מעשיים פועלים תמיד בתנאי זרם חילופין (AC). הפסדי הספק מתרחשים לא רק בהתנגדות הפיתולים אלא גם בליבה עקב מגנטיזציה של AC. אובדן הכוח בתוך הליבה מכונה בדרך כלל 'איבוד ברזל' (או אובדן הליבה), אשר נגרם משני גורמים עיקריים: 'אובדן היסטרזיס' ו'אובדן זרם מערבולת.' אובדן היסטרזיס הוא האנרגיה המתפזרת במהלך תהליך המגנטיזציה עקב תופעת ההיסטרזיס. גודל ההפסד הזה הוא פרופורציונלי לאזור המוקף בלולאת ההיסטרזיס של החומר. מכיוון שלפלדת סיליקון יש לולאת היסטרזה צרה, השימוש בה כחומר הליבה מפחית באופן משמעותי את אובדן ההיסטרזיס ומצמצם באופן משמעותי את יצירת החום.

מכיוון שלפלדת סיליקון יש את היתרונות הללו, מדוע הליבה אינה עשויה מגוש מוצק של פלדת סיליקון, אלא מעובדת ליריעות דקות? הסיבה לכך היא שליבת למינציה מפחיתה סוג אחר של אובדן ברזל - אובדן זרם מערבולת. במהלך הפעולה, זרם החילופין בפיתולים יוצר שטף מגנטי לסירוגין. השטף המגנטי המשתנה הזה משרה זרמים בתוך הליבה. זרמים מושרים אלה מסתובבים במישורים המאונכים לכיוון השטף המגנטי ולכן נקראים זרמי מערבולת. אובדן זרם מערבולת גורם גם לליבה להתחמם. כדי למזער אובדן זה, ליבת השנאי בנויה על ידי ערימת יריעות פלדת סיליקון המבודדות זו מזו. זה מאלץ את זרמי המערבולת לזרום דרך לולאות צרות עם שטח חתך קטן יותר, ובכך להגדיל את ההתנגדות החשמלית של נתיב זרם המערבולת. בנוסף, הסיליקון בפלדה מגביר את ההתנגדות החשמלית של החומר, מה שעוזר עוד יותר להפחית את זרמי המערבולת. עבור ליבות שנאים, בדרך כלל נבחרות יריעות פלדת סיליקון מגולגלות קר בעובי 0.35 מ'מ. הם נחתכים לרצועות מלבניות בהתאם למידות הליבה הנדרשות ולאחר מכן נערמים ליצירת 'דמות שמונה' או צורת מסגרת מלבנית. בתיאוריה, ככל שיריעות פלדת הסיליקון דקות יותר והרצועות צרות יותר, כך ההשפעה בהפחתת זרמי מערבולת טובה יותר. זה לא רק מפחית את אובדן זרם המערבולת ומוריד את עליית הטמפרטורה אלא גם חוסך בחומר. עם זאת, בייצור בפועל, גורמים חיוביים אלה אינם השיקולים היחידים. הפיכת הסדינים לדקים וצרים מדי תגדיל משמעותית את שעות העבודה ותפחית את שטח החתך האפקטיבי של הליבה. לכן, בעת ייצור ליבות פלדת סיליקון, יש לשקול את היתרונות והחסרונות בהתבסס על נסיבות ספציפיות כדי לבחור את הממדים האופטימליים.

רובוטריקים מיוצרים על בסיס העיקרון של אינדוקציה אלקטרומגנטית. שני פיתולים מפותלים סביב איבר ליבה סגור: הפיתול הראשוני והפיתול המשני. כאשר מתח AC מופעל על הפיתול הראשוני, זרם חילופין זורם דרכו, ויוצר כוח מגנטו-מוטיבי (MMF). בהשפעת MMF זה, נוצר שטף מגנטי ראשי לסירוגין בליבה. השטף המגנטי העיקרי הזה עובר ומקשר בין הפיתולים הראשוניים והמשניים. בשל אינדוקציה אלקטרומגנטית, נוצרים כוחות אלקטרו-מוטיביים (EMF) בשתי הפיתולים. הסיבה שהוא יכול להגביר או להוריד את המתח מוסברת על ידי חוק לנץ: השטף המגנטי שנוצר על ידי הזרם המושרה תמיד מתנגד לשינוי בשטף המגנטי המקורי. כאשר השטף המגנטי המקורי גדל, השטף המגנטי המופק על ידי הזרם המושרה מתנגד לו. במילים אחרות, השטף המגנטי המושרה בפיתול המשנית מנוגד לשטף המגנטי העיקרי המיוצר על ידי הפיתול הראשוני, וכתוצאה מכך מתח חילופין ברמה נמוכה יותר על פני הפיתול המשנית. לפיכך, הליבה משמשת כמעגל המגנטי של השנאי, בעוד שהפיתולים מהווים את המעגל החשמלי שלו.

2. סיווג תצורות ליבת שנאי

ליבות מסוג מעטפת וסוג ליבה

החלק של הליבה שסביבו מתפתלים הפיתולים נקרא 'איבר הליבה' ואילו החלק שאין לו פיתולים אלא משמש כמסלול מגנטי בלבד נקרא 'עול'. ליבה מכונה 'סוג מעטפת' כאשר הליבה מקיפה את הפיתולים, ו'סוג הליבה' כאשר הפיתולים מקיפים את איבר הליבה. לתצורות מסוג מעטפת וסוג ליבה יש לכל אחת את המאפיינים המובהקים שלהן, אך תהליכי הייצור שהם מכתיבים שונים באופן משמעותי. ברגע שנבחר מבנה מסוים, קשה לעבור למבנה אחר. בסין, רוב ליבות השנאים משתמשות בעיצוב מסוג ליבה מוערמת.

יריעות פלדת סיליקון משמשות לשנאים בתדר נמוך ומגיעות בסוגים שונים. בהתבסס על תהליך הייצור, ניתן לחלק אותם ל:
א: מחושל (יריעות שחורות)
N: לא מחושל (יריעות לבנות)

בהתבסס על צורתם, ניתן לסווג אותם ל: EI-type, UI-type, C-type ו-Requare (Mouth)-type.

יריעות פלדת סיליקון מסוג מרובע משמשות לרוב בשנאים בעלי הספק גבוה. הם מציעים ביצועי בידוד מעולים, קלות פיזור חום ומסלול מגנטי קצר. הם משמשים בעיקר עבור שנאים עם דירוג הספק מעל 500-1000 W ושנאים בעלי הספק גבוה. סט של יריעות פלדת סיליקון המורכבות משתי יריעות מסוג C נקראת ליבה מסוג CD. עבור שנאי כוח המיוצרים עם גיליונות מסוג CD, תחת אותו שטח חתך, ככל שהחלון גבוה יותר, כך גדלה קיבולת ההספק של השנאי. מכיוון שניתן להתקין סלילים בנפרד משני צידי הליבה, ניתן לחלק את מספר סיבובי הסליל על פני שני סלילים, וכתוצאה מכך אורך סיבוב ממוצע קצר יותר לכל סליל ואיבוד נחושת מופחת. יתר על כן, אם שני סלילים סימטריים מפותלים על סליל נפרד, ניתן להשיג סימטריה מושלמת.

סט של יריעות פלדת סיליקון המורכבות מארבע יריעות מסוג C נקראת ליבה מסוג ED. רובוטריקים העשויים עם ליבות מסוג ED הם בעלי פרופיל שטוח ורחב. תחת אותו דירוג הספק, שנאים מסוג ED קצרים ורחבים יותר משנאים מסוג CD. מכיוון שהסלילים מותקנים במרכז פלדת הסיליקון עם נתיב מגנטי חיצוני, הם מציגים שטף דליפה נמוך והפרעות מינימליות לרכיבים שמסביב. עם זאת, כל הסלילים מפותלים על סליל עבה יחיד, וכתוצאה מכך אורך סיבוב ממוצע ארוך יותר ואובדן נחושת גבוה יותר.

ליבות מסוג C מציעות ביצועים מעולים, וכתוצאה מכך שנאים שהם קומפקטיים, קלים ויעילים במיוחד. מנקודת מבט של הרכבה, ליבות מסוג C דורשות מעט מאוד חלקים ובעלות צדדיות גבוהה, מה שמוביל ליעילות ייצור גבוהה. עם זאת, תהליך העיבוד של יריעות פלדת סיליקון מסוג C הוא מורכב ודורש ציוד מיוחד, מה שהופך את העלות הנוכחית שלהן לגבוהה יחסית.

ליריעות פלדת סיליקון מסוג E, הידועות גם בשם יריעות מסוג מעטפת או דמויות שמונה, יש היתרון העיקרי של שיתוף סליל בודד עבור פיתולים ראשוניים ומשניים, מה שמניב מקדם שטח חלונות גבוה (Space Factor Km: היחס בין שטח החתך הנקי של חוט הנחושת לשטח החלון). יריעות פלדת הסיליקון יוצרות מעטפת מגן סביב הפיתולים, ומונעת נזק מכני. הם גם מספקים אזור פיזור חום גדול וממזערים את פיזור השדה המגנטי. עם זאת, הם מציגים השראות דליפה גבוהה יותר בין הפיתולים הראשוניים והמשניים ורגישות רבה יותר להפרעות מגנטיות חיצוניות. בנוסף, בשל ההיקף הממוצע הארוך יותר של הפיתולים, שנאים מסוג E דורשים יותר חוטי נחושת עבור אותו מספר של סיבובים ושטח חתך ליבה.

עוביים נפוצים ליריעות פלדת סיליקון הם 0.35 מ'מ ו-0.5 מ'מ. קיימות שתי שיטות הרכבה ליריעות פלדת סיליקון: שזירה וערימת תחת. שיטת השזירה מחליפה את הקצוות הפתוחים של היריעות בצדדים מנוגדים. שיטה זו מייגעת יותר אך מביאה למרווחי אוויר קטנים יותר וחוסר רצון מגנטי נמוך יותר, דבר המועיל להגברת השטף המגנטי; לכן, הוא נמצא בשימוש נרחב בשנאי כוח. שיטת ערימת התחת משמשת בדרך כלל ביישומים עם זרם ישר (DC). כדי למנוע רוויה הנגרמת על ידי זרם DC, יש להשאיר מרווח אוויר בין יריעות פלדת הסיליקון. בשיטה זו מניחים יריעות אלקטרוניות ו-I-sheets בצדדים מנוגדים, וניתן לכוון את מרווח האוויר ביניהם באמצעות שקעי נייר.

3. סוגי ליבות סליל

אלה מחולקים לשלושה סוגים:
א. ליבה טורואידלית: מיוצר על ידי ערימת למינציות מסוג O או על ידי סלילה של יריעות פלדת סיליקון. פיתול חוט על סוג זה של ליבה קשה מאוד.
ב. ליבת מוט: ליבת ברזל בצורת מוט.
ג. ליבת תוף: ליבת ברזל בצורת תוף.

4. סיווג חומרי ליבת שנאי

1. קטגוריית תדר גבוה:
ליבות פריט ליבות פריט משמשות בשנאים בתדר גבוה. הם מגנטים קרמיים בעלי מבנה גבישי ספינל, המורכבים מתחמוצת ברזל ותרכובות מתכתיות דו ערכיות אחרות, כגון kFe₂O₄ (כאשר k מייצג מתכות אחרות). המתכות הנפוצות כיום כוללות מנגן (Mn), אבץ (Zn), ניקל (Ni), מגנזיום (Mg) ונחושת (Cu). השילובים הנפוצים כוללים את סדרת מנגן-אבץ (MnZn), סדרת ניקל-אבץ (NiZn) וסדרת מגנזיום-אבץ (MgZn). לחומרים אלו יש מאפייני חדירות ועכבה גבוהים, עם טווח תדרים הפעלה מ-1 קילו-הרץ עד מעל 200 קילו-הרץ.
טווח תדרי ליבת פריט: 18 קילו-הרץ עד מעל 1 מגה-הרץ.

2. קטגוריית תדר נמוך: יריעות פלדה סיליקון וסגסוגות אמורפיות
טווח תדרי ליבת פלדת סיליקון: 5 הרץ עד 1 קילו הרץ.
רובוטריקים המשתמשים בפלדת סיליקון פועלים בדרך כלל ב-50 הרץ. עם זאת, מבחינת יעילות, תדירות מעט גבוהה יותר עשויה להניב תוצאות טובות יותר, בהתאם לדירוג גאוס של יריעת פלדת הסיליקון. בעוד שתדרי שמע יכולים להגיע מעל 20 קילו-הרץ, זה לא מעשי. מומלץ לפעול ב-50-60 הרץ, אם כי הם יכולים לתפקד כרגיל בטווח תדרים של 50-200 הרץ.
טווח תדרים של ליבה אמורפית: 2 קילו-הרץ עד 13 קילו-הרץ.