مما تتكون نوى المحولات؟ دليل المواد والأشكال والتصنيع والاختيار

1. المواد الأساسية المستخدمة في المحولات

يتم إنشاء قلوب المحولات في المقام الأول من مواد مغناطيسية ناعمة تم اختيارها لتقليل الخسائر (التباطؤ والتيارات الدوامة) ولتوفير نفاذية عالية. المواد الأكثر شيوعًا المستخدمة في المحولات الحديثة هي فولاذ السيليكون الرقائقي (الموجه للحبيبات وغير الموجه)، والمعادن غير المتبلورة، وسبائك البلورات النانوية، والفريت للتطبيقات عالية التردد. تتميز كل مادة بخصائص كهربائية وميكانيكية وحرارية محددة تجعلها مناسبة لنطاقات الجهد والطاقة والتردد المختلفة.

الفولاذ الكهربائي الموجه للحبوب (GOES)

GOES هي المادة المفضلة لمحولات الطاقة والتوزيع عالية الكفاءة التي تعمل بتردد 50/60 هرتز. إنه ملفوف على البارد ومعالج بالحرارة لمحاذاة الحبوب في اتجاه التدحرج، مما يقلل بشكل كبير من فقدان التباطؤ على طول هذا الاتجاه. يتم توفير GOES كصفائح رقيقة (عادة 0.23 مم أو أرق) مع طبقة عازلة لتقليل التيارات الدوامة.

فولاذ السيليكون غير الموجه (NOES)

تتمتع NOES بخصائص مغناطيسية متناحية، وتُستخدم بشكل شائع عندما يتغير اتجاه التدفق المغناطيسي داخل القلب، كما هو الحال في الآلات الدوارة أو بعض الأشكال الهندسية للمحولات. كما أنه متوفر في شرائح رقيقة لتقليل خسائر الدوامة وأقل تكلفة من GOES.

السبائك غير المتبلورة والبلورية النانوية

توفر المعادن غير المتبلورة (الزجاج المعدني) والسبائك البلورية النانوية خسائر أساسية أقل بكثير من الفولاذ السيليكوني التقليدي، مما يجعلها مثالية لمحولات التوزيع الموفرة للطاقة والتطبيقات المتخصصة. يتم توفيرها عادةً على شكل شرائط رفيعة وملفوفة أو مكدسة في النوى. التكلفة والهشاشة الميكانيكية هي مقايضات يجب أخذها في الاعتبار.

الفريت والمركبات المغناطيسية المسحوقة الناعمة

بالنسبة للمحولات عالية التردد (كيلو هرتز إلى ميجاهرتز)، فإن الفريت (MnZn أو NiZn) شائع بسبب انخفاض فقدان التيار الدوامي عند الترددات العالية والنفاذية المعقولة. يتم استخدام الحديد المسحوق أو المركبات المغناطيسية الناعمة (SMCs) في بعض التصميمات التي تتطلب مسارات تدفق ثلاثية الأبعاد أو أشكال ميكانيكية محددة.

2. الهندسة الأساسية وأنواع البناء

تؤثر هندسة القلب على طول المسار المغناطيسي، وتوزيع التدفق، ومفاعلة التسرب، وقابلية التصنيع. تشمل أنواع البناء الشائعة النوى المصفحة المكدسة، ونوى الجرح (من الشريط)، والنوى الحلقية. يعتمد اختيار الشكل الهندسي على التطبيق (الطاقة مقابل التردد العالي)، وقيود المساحة، وأهداف الأداء.

النوى المصفحة (EE، EI، UI، shell)

تستخدم محولات الطاقة منخفضة التردد عادةً نوى مغلفة مثقوبة من صفائح فولاذ السيليكون ومكدسة في أشكال مثل أنواع EE أو EI أو القشرة. تعمل التصفيحات على تقليل التيارات الدوامية لأن كل ورقة رقيقة معزولة عن الأخرى. تعتبر النوى المصفحة بسيطة ميكانيكياً واقتصادية بالنسبة للمحولات المتوسطة والكبيرة.

النوى حلقية

النوى حلقية (ring shapes) offer low leakage flux and compact design, often improving efficiency and reducing audible noise. They are commonly made from wound strip of GOES, amorphous ribbon, or ferrite (for smaller, high-frequency units). Winding on a toroid requires special equipment but yields excellent electromagnetic performance.

نوى الشريط الجرح

عادةً ما يتم إنتاج النوى غير المتبلورة والبلورية النانوية عن طريق لف شرائط رفيعة في النوى والتليين لتخفيف الضغوط. تُستخدم هذه الطريقة لمحولات التوزيع عالية الكفاءة وإلكترونيات الطاقة المتخصصة.

3. خطوات التصنيع والمعلمات الهامة

يتطلب إنشاء قلب المحول تحكمًا ميكانيكيًا دقيقًا وتحكمًا في العملية للحفاظ على الخواص المغناطيسية وتقليل الخسائر. يتم سرد الخطوات النموذجية والمعلمات الهامة أدناه.

• شراء المواد: مواصفات الدرجة (GOES، NOES، غير متبلور)، وسمك التصفيح، ونوع الطلاء، والتفاوتات الميكانيكية.
• التثقيب أو التقطيع: يتم تثقيب الصفائح باستخدام أدوات دقيقة للحفاظ على محاذاة الحبوب وتقليل النتوءات؛ يتم شق الشريط إلى العرض لقلب الجرح.
• الطلاء العازل: تتلقى الصفائح طبقة رقيقة من الورنيش أو الأكسيد لعزل الألواح المجاورة كهربائيًا والحد من التيارات الدوامية.
• التراص والتثبيت: يتم تكديس الصفائح باستخدام وصلات متدرجة صحيحة، ويتم تثبيتها لتوفير مسار مغناطيسي محكم وتقليل الفجوات.
• التلدين: التلدين لتخفيف الضغط بعد القطع/اللف يستعيد الخصائص المغناطيسية ويقلل من الإكراه وفقدان النواة.
• فحوصات التجميع الأساسية: التحقق من استمرارية مسار التدفق، وقياس فقدان عدم التحميل ومغناطيس التيار قبل التجميع النهائي.

4. كيفية اختيار المادة الأساسية المناسبة (معايير الاختيار)

يختار المهندسون المادة الأساسية بناءً على التردد وأهداف الكفاءة والتكلفة والقيود الميكانيكية وحدود الحجم/الوزن والأداء الحراري. تغطي القائمة المرجعية التالية أهم الاعتبارات العملية.

• تردد التشغيل: استخدم فولاذ السيليكون لـ 50/60 هرتز، والفريت للتردد العالي، وغير المتبلور/البلوري النانوي للتصميمات منخفضة التردد منخفضة الخسارة للغاية.
• أهداف الخسارة وأنظمة الكفاءة: أهداف الخسارة الأكثر صرامة تدفع الاختيار نحو GOES أو النوى غير المتبلورة.
• المتانة الميكانيكية وقابلية التصنيع: الفولاذ الرقائقي متين وسهل الإنتاج؛ يمكن أن تكون الأشرطة غير المتبلورة هشة وتتطلب معالجة دقيقة.
• التكلفة والتوافر: تعد المواد غير المتبلورة والبلورية النانوية أكثر تكلفة وقد تؤثر على التكلفة الإجمالية للمنتج.

5. جدول مقارنة سريع للمواد الأساسية المشتركة

6. نصائح عملية للمصممين ومهندسي الصيانة

يؤدي تطبيق المواد الأساسية وممارسات البناء الصحيحة إلى تقليل الخسائر والضوضاء المسموعة وتحسين عمر المحولات. وفيما يلي نصائح قابلة للتنفيذ لتنفيذها في التصميم والصيانة:

• قم بمطابقة المادة الأساسية مع التردد أولاً - لا تحاول استخدام السيليكون الصلب في تبديل الترددات؛ استخدم الفريت أو النوى المسحوقة بدلاً من ذلك.
• حدد سمك التصفيح بناءً على التطبيق: تقلل الصفائح الرقيقة من خسائر الدوامة ولكنها قد تزيد من تكلفة التصنيع.
• ضغوط التحكم: الإجهاد الميكانيكي يزيد من الخسائر الأساسية. استخدم دورات التلدين المناسبة بعد التثقيب واللف.
• قم بقياس فقدان عدم التحميل والتيار المغناطيسي أثناء الإنتاج - استخدم هذه المعايير كمعايير قبول مرتبطة بمواصفات المواد.
• خذ بعين الاعتبار تكلفة دورة الحياة: قد تبرر النواة الأكثر تكلفة ومنخفضة الخسارة (غير المتبلورة أو GOES) نفسها من خلال توفير الطاقة على مدار عمر المحول.

7. قائمة مرجعية موجزة للمشتريات

عند تحديد أو شراء النوى، تأكد من تضمين ما يلي في العرض الفني: شهادات اختبار درجة المواد والمطحنة، وسمك التصفيح والتسامح، ونوع الطلاء العازل، والخسارة (W) والتيار الممغنط عند الجهد المقنن، والأبعاد الميكانيكية، وإجراءات التلدين والمعالجة، وأي فئة كفاءة مطلوبة أو امتثال تنظيمي.