1. תפקיד הליבה של ליבת הברזל שנאי
(1)יצירת מעגל מגנטי יעיל-נמוך:זוהי התפקיד הבסיסי של ליבת הברזל. כאשר זרם חילופין זורם דרך הפיתול הראשוני, הוא יוצר שטף מגנטי לסירוגין. ליבת הברזל מספקת נתיב שניתן למגנט בקלות, משפר מאוד את עוצמת השדה המגנטי ומגביל את רוב השטף (השטף הראשי) בתוך נתיב החדירות הגבוה- הזה, ומחבר אותו ביעילות לליפוף המשני. ללא ליבת הברזל, כמות גדולה של שטף תדלוף לאוויר (שם הרתיעה המגנטית גבוהה מאוד), וכתוצאה מכך יעילות העברת אנרגיה נמוכה מאוד.
(2)שיפור יעילות האינדוקציה האלקטרומגנטית:בשל נוכחותה של ליבת הברזל, ניתן ליצור שדה מגנטי חזק בהרבה בפיתול תחת אותו זרם עירור (ללא-זרם עומס). משמעות הדבר היא שכדי ליצור שטף מספיק להעברת אנרגיה, המספר הנדרש של סיבובים וזרם עירור מופחתים במידה ניכרת, מה שמשפר משמעותית את יעילות השנאים ומפחית את הגודל ואת עלויות הייצור.
(3)מתן תמיכה מבנית:ליבת הברזל פועלת כשלד המכני של השנאי, תומכת בפיתולים הראשוניים והמשניים, שומרת על יציבות מיקומם ועמידה בפני הכוחות האלקטרומגנטיים שעלולים להתרחש במהלך הפעולה (כגון הכוחות האלקטרודינמיים האדירים במהלך קצר חשמלי).
2. דרישות ביצועים לחומרי ליבה
(1) חדירות מגנטית גבוהה: זהו המאפיין החשוב ביותר. חדירות מגנטית גבוהה פירושה שניתן למגנט את החומר בקלות, מה שמאפשר ליצור אינדוקציה מגנטית חזקה עם חוזק שדה מגנטי קטן מאוד, ובכך להפחית את זרם העירור ולשפר את היעילות.
(2) התנגדות חשמלית גבוהה: כאשר הליבה נמצאת בשדה מגנטי לסירוגין, זרמי מערבולת מושרים פנימה. זרמי מערבולת גורמים לאובדן אנרגיה (אובדן זרם מערבולת) ולחימום. התנגדות חשמלית גבוהה יכולה להגביל ביעילות את יצירת זרמי מערבולת ולהפחית חלק זה של ההפסד.
(3) כפייה נמוכה: כפייה מודדת כמה קשה לבטל את המגנטיות של חומר. כפייה נמוכה פירושה שלולאת ההיסטרזיס היא צרה ותלולה, מה שמקל על המגנטיות והדה-מגנטיזציה וכתוצאה מכך לאובדן היסטרזה נמוך. אובדן היסטרזיס הוא סוג נוסף של אובדן אנרגיה בליבה.
(4) אינדוקציה מגנטית רוויה גבוהה: אינדוקציה מגנטית רוויה גבוהה פירושה שהליבה נוטה פחות להרוות תחת שדות מגנטיים חזקים, מה שמאפשר לעצב שנאים בצורה קומפקטית יותר (משדרים את אותו הספק עם שטח חתך קטן יותר), או להוציא יותר הספק באותו נפח.
3. בחירת חומרי ליבה
(1)חומרים מיינסטרים: פלדת סיליקון (פלדה חשמלית)
זהו כיום חומר הליבה הנפוץ והבוגר ביותר בשנאי כוח.
הֶרכֵּב:הוסף 2.5% ~ 4.5% סיליקון לברזל טהור.
פונקציות של תוספת סיליקון:
- - מגבירה משמעותית את ההתנגדות: הוספת סיליקון מגבירה את ההתנגדות של הברזל פי כמה, ומפחיתה מאוד את הפסדי זרם המערבולת.- עוזר להפחית את הכפייה: הסיליקון יכול לדכא את ההשפעות השליליות של זיהומים כגון פחמן וחנקן, לטהר ולהגדיל את הגרגרים, ובכך להפחית את איבוד ההיסטרזה.
- - מפחית את ההזדקנות: הסיליקון מאט את הזדקנות הברזל (הידרדרות התכונות המגנטיות לאורך זמן).
טופס תהליך:יריעות פלדת סיליקון מגולגלות לצורה למינציה, עם ציפוי בידוד מוחל בין יריעות. מבנה למינציה זה מגביל עוד יותר את זרמי המערבולת לכל יריעה דקה, ומגדיל באופן משמעותי את ההתנגדות לאורך נתיב זרם המערבולת, שהוא תכונת עיצוב מרכזית להפחתת אובדן זרם המערבולת.
(2)חומרים מתקדמים: סגסוגות אמורפיות
מאפיינים:באמצעות טכניקות קירור מהיר במיוחד, המתכת המותכת מתקררת כל כך מהר שלאטומים אין זמן להתארגן במבנה גבישי מסודר, ויוצרים מבנה אמורפי כמו זכוכית-.
יתרונות:
- - התנגדות גבוהה במיוחד: גבוהה פי 2-3 מפלדת סיליקון, וכתוצאה מכך אובדן זרם מערבולת נמוך מאוד.
- - כפייתיות נמוכה מאוד: גם אובדן היסטרזיס הוא מינימלי.
תוצאה כללית:חסרי-הפסדי עומס (אבדי ברזל) של שנאי ליבות סגסוגת אמורפית נמוכים ב-60% - 80% משנאי פלדת סיליקון מאותו מפרט, מה שהופך את אפקט החיסכון-באנרגיה משמעותי ביותר.
חסרונות:
- - צפיפות שטף מגנטי רוויה נמוכה יותר: כ-80% מפלדת סיליקון, מה שעלול לגרום לגודל ומשקל מעט גדולים יותר עבור אותו שנאי כוח.
- - חומר קשה ושביר: קשה לעיבוד, לחתוך ולרוח.
- - עלות גבוהה יותר: החומר ותהליך הייצור יקרים יותר מפלדת סיליקון.
יישומים:מתאים במיוחד לתרחישים עם זמני סרק ארוכים ושיעורי עומס נמוכים, כגון רשתות כפריות ושנאי הפצה לייצור חשמל מבוזר, כאשר יתרונות החיסכון- באנרגיה יכולים להחזיר את ההשקעה הראשונית לאורך מחזור החיים של השנאי.
