כיצד להפחית אובדן ברזל מוטורי

גורמים המשפיעים על צריכת ברזל בסיסית

כדי לנתח בעיה, עלינו להכיר תחילה כמה תיאוריות בסיסיות, שיעזרו לנו להבין. ראשית, עלינו להכיר שני מושגים. האחד הוא מגנטיזציה מתחלף, אשר, במילים פשוטות, מתרחשת בליבת הברזל של שנאי ובשיניים של הסטטור או הרוטור של מנוע; האחד הוא תכונת המגנטיזציה הסיבובית, המיוצרת על ידי עול הסטטור או הרוטור של המנוע. ישנם מאמרים רבים שמתחילים משתי נקודות ומחשבים את אובדן הברזל של המנוע על סמך מאפיינים שונים בהתאם לשיטת הפתרון לעיל. ניסויים הראו כי יריעות פלדת סיליקון מציגות את התופעות הבאות תחת מגנטיזציה של שתי תכונות:
כאשר צפיפות השטף המגנטי נמוכה מ-1.7 טסלה, אובדן ההיסטרזיס הנגרם על ידי מגנטיזציה סיבובית גדול מזה הנגרם על ידי מגנטיזציה לסירוגין; כאשר הוא גבוה מ-1.7 טסלה, ההפך הוא הנכון. צפיפות השטף המגנטי של עול המנוע היא בדרך כלל בין 1.0 ל-1.5 טסלה, ואובדן ההיסטרזיס של המגנטיזציה הסיבובית המתאים גדול בכ-45 עד 65% מאובדן ההיסטרזיס של המגנטיזציה הסירוגין.
כמובן, גם המסקנות הנ"ל משמשות, ולא אימתתי אותן באופן אישי בפועל. בנוסף, כאשר השדה המגנטי בליבת הברזל משתנה, מושרה בה זרם, הנקרא זרם מערבולת, וההפסדים הנגרמים ממנו נקראים הפסדי זרם מערבולת. על מנת להפחית את הפסדי זרם המערבולת, ליבת הברזל של המנוע בדרך כלל לא יכולה להיות מובנית לבלוק שלם, והיא מוערמת בצורה צירית על ידי יריעות פלדה מבודדות כדי להפריע לזרימת זרמי המערבולת. נוסחת החישוב הספציפית לצריכת ברזל לא תהיה מסורבלת כאן. הנוסחה הבסיסית והמשמעות של חישוב צריכת הברזל של Baidu יהיו ברורות מאוד. להלן ניתוח של מספר גורמים מרכזיים המשפיעים על צריכת הברזל שלנו, כך שכולם יוכלו גם להסיק את הבעיה קדימה או אחורה ביישומים הנדסיים מעשיים.

לאחר דיון באמור לעיל, מדוע ייצור הטבעה משפיע על צריכת הברזל? מאפייני תהליך הניקוב תלויים בעיקר בצורות שונות של מכונות ניקוב, וקובעים את מצב הגזירה ורמת המאמץ המתאימים בהתאם לצרכים של סוגים שונים של חורים וחריצים, ובכך מבטיחים את תנאי אזורי המאמץ הרדודים סביב היקף הלמינציה. בשל הקשר בין עומק לצורה, הוא מושפע לעתים קרובות מזוויות חדות, עד כדי כך שרמות מאמץ גבוהות יכולות לגרום לאובדן ברזל משמעותי באזורי מאמץ רדודים, במיוחד בקצוות הגזירה הארוכים יחסית בטווח הלמינציה. באופן ספציפי, זה מתרחש בעיקר באזור האלוואולרי, שלעתים קרובות הופך למוקד מחקר בתהליך המחקר בפועל. יריעות פלדת סיליקון בעלות הפסד נמוך נקבעות לעתים קרובות על ידי גדלי גרגירים גדולים יותר. פגיעה יכולה לגרום לקיצוץ סינתטי ולגזירה בקרע בקצה התחתון של היריעה, וזווית הפגיעה יכולה להשפיע באופן משמעותי על גודל הקיצוץ ואזורי העיוות. אם אזור מאמץ גבוה משתרע לאורך אזור עיוות הקצה אל פנים החומר, מבנה הגרעינים באזורים אלה יעבור בהכרח שינויים תואמים, יתעוות או ייסדק, ותתרחש התארכות קיצונית של הגבול לאורך כיוון הקריעה. בשלב זה, צפיפות גבול הגרעינים באזור המאמץ בכיוון הגזירה תגדל באופן בלתי נמנע, מה שיוביל לעלייה מקבילה באובדן ברזל בתוך האזור. לכן, בנקודה זו, ניתן להתייחס לחומר באזור המאמץ כחומר בעל אובדן גבוה הנופל על גבי הלמינציה הרגילה לאורך קצה הפגיעה. בדרך זו, ניתן לקבוע את הקבוע בפועל של חומר הקצה, ולקבוע עוד יותר את האובדן בפועל של קצה הפגיעה באמצעות מודל אובדן הברזל.
1. השפעת תהליך החישול על אובדן ברזל
תנאי ההשפעה של אובדן ברזל קיימים בעיקר בהיבט של יריעות פלדת סיליקון, ומתחים מכניים ותרמיים ישפיעו על יריעות פלדת סיליקון עם שינויים במאפיינים בפועל שלהן. מאמץ מכני נוסף יוביל לשינויים באובדן הברזל. במקביל, העלייה המתמשכת בטמפרטורה הפנימית של המנוע גם תקדם את התרחשותן של בעיות אובדן ברזל. נקיטת אמצעי חישול יעילים להסרת מאמץ מכני נוסף תשפיע לטובה על הפחתת אובדן הברזל בתוך המנוע.

2. סיבות להפסדים מוגזמים בתהליכי ייצור

ללוחות פלדת סיליקון, כחומר המגנטי העיקרי למנועים, יש השפעה משמעותית על ביצועי המנוע עקב עמידתם בדרישות התכנון. בנוסף, ביצועי לוחות פלדת סיליקון מאותה דרגה עשויים להשתנות בין יצרנים שונים. בבחירת חומרים, יש לשאוף לבחור חומרים מיצרני פלדת סיליקון טובים. להלן מספר גורמים מרכזיים שהשפיעו בפועל על צריכת הברזל, כפי שנתקלו בעבר.

יריעת פלדת הסיליקון לא בודדה או טופלה כראוי. ניתן לזהות בעיה מסוג זה במהלך תהליך הבדיקה של יריעות פלדת הסיליקון, אך לא לכל יצרני המנועים יש פריט בדיקה זה, ובעיה זו לרוב אינה מזוהה היטב על ידי יצרני המנועים.

בידוד פגום בין יריעות או קצר חשמלי בין יריעות. בעיה מסוג זה מתרחשת במהלך תהליך הייצור של ליבת הברזל. אם הלחץ במהלך הלמינציה של ליבת הברזל גבוה מדי, מה שגורם נזק לבידוד בין היריעות; או אם הקוצים גדולים מדי לאחר הניקוב, ניתן להסירם באמצעות ליטוש, מה שיגרום נזק חמור לבידוד של משטח הניקוב; לאחר השלמת הלמינציה של ליבת הברזל, החריץ אינו חלק, ומופעל שיטת שיוף; לחלופין, עקב גורמים כמו קדח סטטור לא אחיד וחוסר קונצנטריות בין קדח הסטטור לשפת מושב המכונה, ניתן להשתמש בחריטה לתיקון. לשימוש המקובל בתהליכי ייצור ועיבוד מנוע אלה יש השפעה משמעותית על ביצועי המנוע, במיוחד על אובדן הברזל.

בעת שימוש בשיטות כמו שריפה או חימום בחשמל כדי לפרק את הליפוף, הדבר עלול לגרום להתחממות יתר של ליבת הברזל, וכתוצאה מכך לירידה במוליכות המגנטית ולנזק לבידוד בין היריעות. בעיה זו מתרחשת בעיקר במהלך תיקון הליפוף והמנוע במהלך תהליך הייצור והעיבוד.

ריתוך בערימה ותהליכים אחרים עלולים גם הם לגרום נזק לבידוד בין הערימות, ולהגדיל את הפסדי זרמי המערבולת.
משקל ברזל לא מספיק ודחיסה לא שלמה בין היריעות. התוצאה הסופית היא שמשקל ליבת הברזל אינו מספיק, והתוצאה הישירה ביותר היא שהזרם עולה על הסבילות, בעוד שייתכן שאובדן הברזל עולה על התקן.
הציפוי על יריעת פלדת הסיליקון עבה מדי, מה שגורם למעגל המגנטי להיות רווי מדי. בשלב זה, עקומת הקשר בין זרם ללא עומס למתח עקומה באופן חמור. זהו גם מרכיב מפתח בתהליך הייצור והעיבוד של יריעות פלדת סיליקון.

במהלך הייצור והעיבוד של ליבות ברזל, כיוון הגרעינים של משטח הניקוב והגזירה של יריעת פלדת הסיליקון עלול להינזק, מה שמוביל לעלייה באובדן הברזל תחת אותה אינדוקציה מגנטית; עבור מנועים בתדר משתנה, יש לקחת בחשבון גם הפסדי ברזל נוספים הנגרמים כתוצאה מהרמוניות; זהו גורם שיש לקחת בחשבון באופן מקיף בתהליך התכנון.

בנוסף לגורמים הנ"ל, ערך התכנון של אובדן ברזל במנוע צריך להתבסס על הייצור והעיבוד בפועל של ליבת הברזל, ויש לעשות כל מאמץ להבטיח שהערך התיאורטי תואם את הערך בפועל. עקומות האופי המסופקות על ידי ספקי חומרים כלליים נמדדות בשיטת סליל מרובע אפשטיין, אך כיוון המגנטיזציה של חלקים שונים במנוע שונה, ולא ניתן להתחשב כיום באובדן ברזל מסתובב מיוחד זה. זה יכול להוביל לדרגות שונות של חוסר עקביות בין הערכים המחושבים למדוד.

שיטות להפחתת אובדן ברזל בתכנון הנדסי
ישנן דרכים רבות להפחית את צריכת הברזל בהנדסה, והדבר החשוב ביותר הוא להתאים את התרופה למצב. כמובן, לא מדובר רק בצריכת ברזל, אלא גם בהפסדים אחרים. הדרך הבסיסית ביותר היא לדעת את הסיבות לאובדן ברזל גבוה, כגון צפיפות מגנטית גבוהה, תדירות גבוהה או רוויה מקומית מוגזמת. כמובן, בדרך הרגילה, מצד אחד, יש צורך לגשת למציאות קרוב ככל האפשר מצד הסימולציה, ומצד שני, התהליך משולב עם טכנולוגיה כדי להפחית צריכת ברזל נוספת. השיטה הנפוצה ביותר היא להגדיל את השימוש ביריעות פלדת סיליקון טובות, וללא קשר לעלות, ניתן לבחור בפלדת סיליקון סופר מיובאת. כמובן, פיתוח טכנולוגיות מקומיות חדשות המונעות על ידי אנרגיה הניע גם פיתוח טוב יותר במעלה ובמורד הזרם. מפעלי פלדה מקומיים משיקים גם מוצרי פלדת סיליקון ייעודיים. לגנאלוגיה יש סיווג טוב של מוצרים עבור תרחישי יישום שונים. הנה כמה שיטות פשוטות להיתקל בהן:

1. אופטימיזציה של המעגל המגנטי

אופטימיזציה של המעגל המגנטי, ליתר דיוק, היא אופטימיזציה של הסינוס של השדה המגנטי. זה קריטי, לא רק עבור מנועי אינדוקציה בתדר קבוע. מנועי אינדוקציה בתדר משתנה ומנועים סינכרוניים הם קריטיים. כשעבדתי בתעשיית מכונות הטקסטיל, ייצרתי שני מנועים בעלי ביצועים שונים כדי להפחית עלויות. כמובן, הדבר החשוב ביותר היה נוכחות או היעדרות של קטבים מוטים, מה שהביא למאפיינים סינוסואידליים לא עקביים של השדה המגנטי של מרווח האוויר. עקב עבודה במהירויות גבוהות, אובדן הברזל מהווה חלק גדול, וכתוצאה מכך יוצר הבדל משמעותי בהפסדים בין שני המנועים. לבסוף, לאחר כמה חישובים לאחור, הפרש אובדן הברזל של המנוע תחת אלגוריתם הבקרה גדל ביותר מפי שניים. זה גם מזכיר לכולם לשלב אלגוריתמי בקרה בעת ייצור מנועי בקרת מהירות בתדר משתנה שוב.

2. הפחתת צפיפות מגנטית
הגדלת אורך ליבת הברזל או הגדלת שטח המוליכות המגנטית של המעגל המגנטי כדי להפחית את צפיפות השטף המגנטי, אך כמות הברזל המשמשת במנוע עולה בהתאם;

3. הפחתת עובי שבבי הברזל כדי להפחית את אובדן הזרם המושרה
החלפת יריעות פלדת סיליקון מגולגלות חמות ביריעות פלדת סיליקון מגולגלות קר יכולה להפחית את עובי יריעות פלדת הסיליקון, אך שבבי ברזל דקים יגדילו את מספר שבבי הברזל ואת עלויות ייצור המנועים;

4. אימוץ יריעות פלדת סיליקון מגולגלות קרות בעלות מוליכות מגנטית טובה כדי להפחית אובדן היסטרזיס;
5. אימוץ ציפוי בידוד שבבי ברזל בעל ביצועים גבוהים;
6. טיפול בחום וטכנולוגיית ייצור
המאמץ השיורי לאחר עיבוד שבבי ברזל יכול להשפיע באופן משמעותי על אובדן המנוע. בעת עיבוד יריעות פלדת סיליקון, כיוון החיתוך ומאמץ הגזירה במהלך הניקוב משפיעים באופן משמעותי על אובדן ליבת הברזל. חיתוך לאורך כיוון הגלגול של יריעת פלדת הסיליקון וביצוע טיפול בחום על יריעת פלדת הסיליקון יכולים להפחית את ההפסדים ב-10% עד 20%.