الفولاذ الكهربائي: الدرجات والخصائص المغناطيسية والتحكم في فاقد القلب

ما هو الفولاذ الكهربائي—وما الذي لا يخبرك به اسم الدرجة

الفولاذ الكهربائي بوصفه مادة للدائرة المغناطيسية

الفولاذ الكهربائي هو مجموعة من منتجات الصفائح والشرائط الحديدية المغناطيسية المصممة لنقل الفيض المغناطيسي المتناوب مع التحكم في الفواقد. وليس مادة ذات تركيب واحد، أو نسيج بلوري واحد، أو حالة معالجة واحدة. وتُستخدم هذه المادة لتشكيل الصفائح الرقيقة المكدسة أو الشرائط الملفوفة في المحركات والمولدات والمحولات والمفاعلات وغيرها من الدوائر المغناطيسية، حيث يجب أن يتمغنط الفولاذ ويزول مغنطته بصورة متكررة من دون تحويل قدر مفرط من الطاقة الكهربائية إلى حرارة.

وتفرض هذه الوظيفة متطلبات تختلف عن تلك المطبقة على الفولاذ الإنشائي. إذ تحتاج النواة المغناطيسية إلى نفاذية عالية عند الحث التشغيلي المقصود، وفقد نواة محدود عند التردد المقصود، ومتانة ميكانيكية كافية للمناولة، وسطح عازل كهربائياً بين الصفائح المتجاورة. ولذلك يُعالج الفولاذ عبر الصهر والدرفلة والتخمير ومعالجة السطح، وأحياناً عبر المعالجة بالإجهاد أو بالليزر، للتحكم في استجابته المغناطيسية.

خصائص الفولاذ موجّه الحبيبات

ينبغي التمييز بين ثلاث فئات من المنتجات. فالفولاذ الكهربائي غير الموجه الحبيبات، المعالج بالكامل، مصمم بحيث تكون خواصه المغناطيسية متقاربة نسبياً في الاتجاهات المختلفة ضمن مستوى الصفيحة، ولذلك يشيع استخدامه في الآلات الدوارة. أما الفولاذ غير الموجه الحبيبات، نصف المعالج، فيُورَّد مع توقّع حدوث تحسن مغناطيسي إضافي أثناء عملية التخمير النهائية التي يجريها المستخدم. ويُنتج الفولاذ الكهربائي الموجه الحبيبات، المعالج بالكامل، بنسيج بلوري قوي، هو نسيج Goss تقليدياً، بحيث تكون المغنطة على امتداد اتجاه الدرفلة ملائمة بصفة خاصة. وهذه منتجات هندسية مختلفة، وليست مجرد نقاط مختلفة على مقياس محتوى السيليكون.

تفسر آليات الفقد سبب تصفيح الصفيحة. وتفصل دراسة معهد كارلسروه للتكنولوجيا لعام 2017 فقد نواة المحول إلى فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية الكلاسيكية، والفقد الزائد. وينشأ فقد الهسترة من الجوانب غير العكوسة لحركة جدران المجالات أثناء دورات المجال المغناطيسي. كما يؤدي الفيض المتناوب إلى توليد تيارات حلقية داخل الفولاذ؛ وتبدد هذه التيارات الدوامية الكلاسيكية الطاقة من خلال المقاومة الكهربائية. ويمثل الفقد الزائد فقداً ديناميكياً إضافياً مرتبطاً بحركة بنى المجالات وتفاعلاتها الموضعية.

تقلل الصفيحة الرقيقة المسار المتاح للتيارات الدوامية. ويعمل الطلاء العازل على الفصل الكهربائي بين كل صفيحة وأخرى. ويؤدي ارتفاع محتوى السيليكون والألومنيوم عموماً إلى زيادة المقاومة النوعية الكهربائية، في حين تؤثر المعالجة والتحكم في النسيج البلوري في حركة جدران المجالات والنفاذية. ويمكن لمحاذاة الحبيبات أن تخفض الفقد على امتداد اتجاه مفضل. غير أن أياً من هذه التدابير لا يشكل قاعدة تصنيف شاملة؛ فالسماكة والتركيب الكيميائي والنسيج البلوري والطلاء والتخمير والإجهاد والحث التشغيلي تعمل معاً.

تعيين الدرجة مقابل الخاصية المغناطيسية المقاسة

لا يكون تعيين الدرجة ذا معنى إلا بالاقتران بالمعيار الحاكم وحالة التسليم. فالاسم المطبوع على شهادة المصنع لا يحدد، بحد ذاته، خاصية مغناطيسية واحدة يمكن نقلها من دون تغيير إلى كل تصميم للنواة. ويحدد التعيين فئةً وإطاراً للمواصفات؛ أما النتيجة المقاسة فترتبط بظروف اختبار محددة.

توفر ASTM International خريطة مفيدة للمعايير من خلال اللجنة الفرعية A06.02. ويغطي ASTM A677 أنواع الفولاذ الكهربائي غير الموجه الحبيبات، المعالج بالكامل، بينما يغطي ASTM A683 أنواع الفولاذ الكهربائي غير الموجه الحبيبات، نصف المعالج، ويغطي ASTM A876 أنواع الفولاذ الكهربائي الموجه الحبيبات، المعالج بالكامل، في حين يصنف ASTM A976 الطلاءات العازلة للفولاذ الكهربائي. والتمييز بين A677 وA683 ليس شكلياً؛ إذ يصف أحدهما مادة موردة في حالة مغناطيسية نهائية، بينما يتعلق الآخر بمادة يمكن أن تغير معالجتها النهائية خواصها المغناطيسية.

يصنّف المعيار أستم A677 درجات الفولاذ الكهربائي غير موجّه الاتجاه مُعالج بالكامل بحسب أقصى فقدان للقلب عند 60 Hz و1.5 T باستخدام طريقة إبشتاين. Strong evidence

[1][1] ASTM A677-07: Standard Specification for Nonoriented Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2007.

بموجب ASTM A677، تُصنف الدرجات المخصصة أساساً للأجهزة المغناطيسية ذات الترددين 50 و60 Hz وفقاً لأقصى فقد للنواة، يُقاس عند 60 Hz و1.5 T باستخدام طريقة اختبار Epstein، كما هو محدد في إصدار عام 2007 المشار إليه هنا. ولذلك ينبغي قراءة قيمة الفقد المعلنة وفق A677 على أنها «الفقد عند 60 Hz و1.5 T وبطريقة Epstein»، لا على أنها ثابت مستقل عن التردد. فالقيمة المقاسة عند 1.0 T أو عند 400 Hz تجيب عن سؤال مختلف.

تتطلب تعيينات الفولاذ الموجه الحبيبات قدراً أكبر من العناية. إذ يغطي ASTM A876، المشار إليه في إصدار عام 2017، أنواع فولاذ السيليكون والحديد الموجه الحبيبات منخفض الكربون، التي تحتوي تقريباً على 3.2% من السيليكون، ويشمل الدرجات التقليدية وعالية النفاذية والمعلَّمة بالليزر. ويميز معيار ASTM بين درجات الفولاذ التقليدية الموجهة الحبيبات والمحددة للاختبار عند 1.5 T، ودرجات أخرى موجهة الحبيبات ومحددة للاختبار عند 1.7 T. ولا يمكن إعلان تفوق درجة مرتبطة بفقد مُبلغ عنه أقل عند حث معين على درجة أخرى اختُبرت عند حث مختلف.

ويغطي IEC 60404-8-3:2023 شرائط وصفائح الفولاذ الكهربائي غير الموجه الحبيبات، المدرفلة على البارد، والموردة في الحالة نصف المعالجة. وتشمل سماكاته الاسمية 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 mm، إلى جانب متطلبات الخواص المغناطيسية والأبعاد والسماحات والفحص. أما IEC 60404-8-7:2017 فيغطي الشرائط والصفائح الموجهة الحبيبات، المدرفلة على البارد، والموردة معالجة بالكامل، بما في ذلك المواد ذات نسيج Goss وبسماكات اسمية تبلغ 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 mm. وتصف هذه التعيينات السماكية منتجات تقع ضمن معيار معين؛ لكنها لا تتنبأ بسلوك الفقد الكامل لكل نواة مركبة.

وينطبق القيد نفسه على محتوى السيليكون. فوصف ASTM A876 لنحو 3.2% من السيليكون يحدد نطاقاً كيميائياً مهماً للفولاذ الموجه الحبيبات الذي يغطيه المعيار، لكن نسبة السيليكون وحدها لا تكشف مدى حدة النسيج البلوري، أو صقل المجالات، أو سلوك الطلاء، أو الحساسية للإجهاد، أو الفقد المقاس. ويمكن لفولاذين ذوي محتوى سيليكون متشابه أن يستجيبا بصورة مختلفة بسبب اختلاف الدرفلة والتخمير وحجم الحبيبات والنسيج البلوري.

لماذا يهم التردد والحث والاتجاه وطريقة اختبار العينة

فقد النواة مشروط بظروف القياس. إذ يغير التردد عدد دورات المغنطة في الثانية ويعدل المساهمات النسبية لفقد الهسترة والتيارات الدوامية والفقد الزائد. ويغير الحث مدى التغير المغناطيسي، وقد ينقل المادة إلى منطقة تؤدي فيها حركة جدران المجالات والتشبع الموضعي إلى فقد أعلى بكثير. وتؤثر السماكة بصورة خاصة في فقد التيارات الدوامية، لكن لا يمكن فصلها عن المقاومة النوعية وجودة العزل.

ويكون الاتجاه حاسماً في الفولاذ الموجه الحبيبات. فمساره المغناطيسي الملائم يقع إلى حد كبير على امتداد اتجاه الدرفلة، في حين يمكن لمسار عرضي أو مائل أن يظهر نفاذية وفقداً مختلفين. أما الفولاذ غير الموجه الحبيبات فهو أقل اتجاهية، لكنه ليس مستقلاً تماماً عن الاتجاه. كما يمكن للحواف المقطوعة وإجهاد الكبس والثني والوصلات والتثبيت أن تغير النتيجة مقارنة بالقيمة المقاسة على صفيحة غير مشوهة.

يوفّر المعيار أستم A804/A804M قياسات أحادية الاتجاه على فولاذ كهربائي موجّه الحبيبات ومُسطّح حراريًا، مع نتائج قابلة للمقارنة مع طريقة إبشتاين ذات 25 cm. Strong evidence

وتحدد طريقة اختبار العينة الهندسة والدائرة المغناطيسية المستخدمتين للحصول على القيمة. ويُقصد بـ ASTM A804/A804M، المشار إليه في إصدار عام 2021، أساساً إجراء قياسات مغناطيسية بالتيار المتناوب أحادي الاتجاه على الفولاذ الكهربائي الموجه الحبيبات، المفلطح حرارياً، والمستخدم كمادة خام لصفائح نوى المحولات. وتكون نتائجه قابلة للمقارنة مع طريقة Epstein بطول 25 cm، لكن هذا لا يجعل كل اختبار مغناطيسي قابلاً للاستبدال بغيره. إذ يجب تحديد نتيجة الشريط المفرد أو القياس أحادي الاتجاه ونتيجة Epstein بحسب الطريقة والاتجاه وتحضير العينة.

ولذلك يتضمن تنسيق المقارنة الآمن فئة المادة، والمعيار والتعيين، وحالة التسليم، والسماكة الاسمية، والتردد، والحث الأقصى، واتجاه الدرفلة عند الاقتضاء، وطريقة اختبار العينة، وحالة الطلاء. فعبارة «فولاذ موجه الحبيبات بسماكة 0.30 mm» غير مكتملة. أما عبارة «فولاذ موجه الحبيبات، معالج بالكامل، وفق IEC 60404-8-7:2017، بسماكة 0.30 mm، قيس على امتداد اتجاه الدرفلة عند تردد وحث محددين وبطريقة محددة» فيمكن مقارنتها بمسؤولية.

إن قيمة فقد النواة من دون تلك الشروط ليست تصنيفاً قابلاً للنقل للأداء. إنها مجرد قياس معزول عن سياقه.

الفئات الثلاث للمواد: غير موجّهة الحبيبات، وموجّهة الحبيبات، ونصف مُعالجة

لا يُعدّ الفولاذ الكهربائي فئةً مادية واحدة ذات ترتيب منفرد يمتد من «منخفض السيليكون» إلى «مرتفع السيليكون». ويتمثل التمييز الأول في فئة التوريد والبنية البلورية: فولاذ كهربائي غير موجّه الحبيبات مُعالج بالكامل، أو فولاذ كهربائي موجّه الحبيبات مُعالج بالكامل، أو فولاذ كهربائي غير موجّه الحبيبات نصف مُعالج. تصل كل فئة إلى المستخدم في حالة معدنية مختلفة، وتُقاس في اتجاهات مغناطيسية وظروف اختبار مختلفة، وقد تستجيب بصورة مختلفة للكبس، وتخفيف الإجهاد، والطلاء، والتجميع.

توفّر اللجنة الفرعية A06.02 التابعة لـ ASTM خريطة مفيدة للمعايير. يغطي ASTM A677 الفولاذ الكهربائي غير موجّه الحبيبات المُعالج بالكامل؛ ويغطي ASTM A683 الفولاذ الكهربائي غير موجّه الحبيبات نصف المُعالج؛ ويغطي ASTM A876 الفولاذ الكهربائي موجّه الحبيبات المُعالج بالكامل؛ بينما يصنّف ASTM A976 الطلاءات العازلة للفولاذ الكهربائي. وتضيف وثائق IEC المقابلة تمييزًا مهمًا: إذ يغطي IEC 60404-8-3:2023 شرائط وصفائح الفولاذ الكهربائي المدرفل على البارد وغير موجّه الحبيبات، والمورّدة في الحالة نصف المُعالجة، في حين يغطي IEC 60404-8-7:2017 شرائط وصفائح الفولاذ الكهربائي المدرفل على البارد وموجّه الحبيبات، والمورّدة في الحالة المُعالجة بالكامل.

لا يمكن استنتاج النتيجة المغناطيسية من اسم الدرجة وحده. إذ يجب أن يرافق التردد، والحث الأقصى، وطريقة اختبار العينة، واتجاه الدرفلة، والسماكة، والطلاء، وحالة التوريد، أي قيمة مُعلنة لفقد القلب أو النفاذية.

الفولاذ الكهربائي غير موجّه الحبيبات المُعالج بالكامل

يُصمَّم الفولاذ الكهربائي غير موجّه الحبيبات المُعالج بالكامل بحيث تكون خصائصه المغناطيسية قد تحددت إلى حد كبير قبل وصول المادة إلى مُصنّع المكوّنات. ولا تشترك حبيباته في المحاذاة المفضلة القوية المميزة للفولاذ الموجّه الحبيبات المخصص لدرجات المحولات. وبدلًا من ذلك، تكون الاستجابة المغناطيسية داخل مستوى الصفيحة متساوية الخواص تقريبًا: إذ يمكن للتدفق أن ينتقل في اتجاهات مختلفة داخل الصفيحة من دون الميزة الكبيرة جدًا لاتجاه الدرفلة المرتبطة بنسيج Goss. وتكتسب كلمة «تقريبًا» أهمية هنا؛ فالمعالجة لا تزال تُحدِث نسيجًا بلوريًا، وإجهادًا متبقيًا، وتأثيرات حواف، وفروقًا اتجاهية، ولذلك لا يعني عدم توجيه الحبيبات أن الخواص مستقلة تمامًا عن الاتجاه.

يغطي ASTM A677، الذي استشهدت به ASTM International في عام 2007، أنواع الفولاذ الكهربائي غير موجّه الحبيبات المُعالج بالكامل والمستخدمة أساسًا في الأجهزة المغناطيسية ذات الترددين 50 و60 هرتز. وتُصنَّف درجاته وفق أقصى فقد في القلب يُقاس عند 60 Hz و1.5 T باستخدام طريقة اختبار Epstein. وهذا التصنيف القائم على الاختبار ليس قيمة فقد عامة تنطبق على كل محرك أو مولد أو مُحث. فقد تعطي العينة المختبرة عند حث أو تردد أو شكل موجة آخر نتيجة مختلفة. كما أن نتيجة Epstein لا تتنبأ تلقائيًا بالسلوك المغناطيسي لقلب جرى كبسه وتجميعه، حيث يؤثر إجهاد القطع، والنتوءات، والوصلات، والتثبيت، وتشوه التدفق الموضعي في الفقد.

ويرتبط الصفائح غير موجّهة الحبيبات، لذلك، بالدوائر المغناطيسية التي يغيّر فيها التدفق اتجاهه حول الآلة أو المكوّن. وتقدّم مكونات الجزء الثابت في المحركات والمولدات المثال المألوف، مع أن فئة المادة نفسها لا تفرض تصميمًا معينًا للآلة. ويجعل غياب المحاذاة القوية في اتجاه واحد الاستجابةَ المتوسطة داخل المستوى أكثر فائدة عندما يدور مسار التدفق أو يشغل عدة اتجاهات داخل الصفيحة.

ينشأ فقد القلب من مصادر فيزيائية منفصلة. وتفصل دراسة معهد كارلسروه للتكنولوجيا لعام 2017 فقدَ قلب المحول إلى مساهمات فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية الكلاسيكية، والفقد الزائد. ويرافق فقد الهسترة حركةَ جدران المجالات أثناء انعكاس المغنطة. وينشأ فقد التيارات الدوامية الكلاسيكية عندما يُحدِث التدفق المتغير تيارات دورانية في الصفيحة الموصلة. أما الفقد الزائد فيأخذ في الحسبان التأثيرات الديناميكية الإضافية المرتبطة بحركة بنى المجالات وتفاعلاتها الموضعية. وفقد القلب المُعلن لدرجة معينة هو قياس مركّب أُجري في ظروف محددة، وليس قياسًا مباشرًا لآلية واحدة.

وترتبط السماكة بوجه خاص بمساهمة التيارات الدوامية الكلاسيكية، لأن الصفائح الرقيقة تحدّ من حجم حلقات التيار. كما يؤدي العزل الكهربائي بين الصفائح المهمةَ الكهربائية الأساسية نفسها على مستوى الرزمة. ويمكن لزيادة محتوى السيليكون والألومنيوم أن ترفع المقاومة النوعية الكهربائية، فتقلل فقد التيارات الدوامية، لكن التركيب يؤثر أيضًا في حث التشبع، وقابلية المطيلية، واستجابة المعالجة، والنسيج البلوري. ولذلك فإن نسبة السيليكون متغير تصميم، وليست بديلًا عن تصنيف المادة أو عن الفقد المقاس.

ومع ذلك، قد تتغير خواص المادة المُعالجة بالكامل أثناء التصنيع. إذ يؤدي الكبس إلى تشوه لدن وإجهاد متبقٍّ بالقرب من الحواف المقطوعة. كما يمكن للحام، والتثبيت، والانحناءات الحادة أن تغيّر النفاذية الموضعية وتزيد الفقد. وتصف كلمة «مُعالج» حالة توريد الفولاذ؛ لكنها لا تضمن احتفاظ القلب النهائي بنتيجة اختبار الصفيحة التي سجّلها المورّد.

الفولاذ الكهربائي موجّه الحبيبات المُعالج بالكامل

بنية غوسبنية غوس بنية بلورية في الفولاذ الكهربائي موجّه الحبيبات، تجعل اتجاه المغنطة السهل والمفضّل واقعًا تقريبًا على امتداد اتجاه الدرفلة.

يُهندَس الفولاذ الكهربائي موجّه الحبيبات المُعالج بالكامل عمدًا بحيث يمتلك تفضيلًا بلوريًا قويًا. وفي النسيج المعتاد الموجّه لدرجات المحولات، يكون اتجاه المغنطة السهل محاذيًا بدرجة وثيقة لاتجاه الدرفلة. ونتيجة لذلك يكون السلوك المغناطيسي اتجاهيًا بدرجة كبيرة: إذ تكون النفاذية مرتفعة ويكون الفقد مناسبًا نسبيًا عندما يتبع التدفق اتجاه الدرفلة، في حين قد يختلف السلوك العرضي أو سلوك الاتجاه المعاكس للدرفلة اختلافًا كبيرًا. ولا ينبغي أبدًا وصف درجة موجّهة الحبيبات برقم مغناطيسي واحد غير محدد الاتجاه.[2][2] ASTM A876-17: Standard Specification for Flat-Rolled, Grain-Oriented, Silicon-Iron, Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2017.[3][3] IEC 60404-8-7:2017. International Electrotechnical Commission. IEC standard, 2017.

يغطي ASTM A876، الذي حدّدته ASTM International في عام 2017، أنواع الفولاذ الموجّه الحبيبات منخفض الكربون والسيليكون، التي تحتوي تقريبًا على 3.2% سيليكون، ويشمل الدرجات التقليدية، ودرجات النفاذية العالية، والدرجات المحفورة بالليزر. ويغطي IEC 60404-8-7:2017 الشرائط والصفائح المدرفلة على البارد والموجّهة الحبيبات، والمورّدة في حالة المعالجة الكاملة. وتشمل سماكاته الاسمية المدرجة 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 mm، وهي أرق بكثير من السماكات الاسمية للفولاذ غير موجّه الحبيبات نصف المُعالج المحددة في IEC 60404-8-3:2023.

ولا تمثل هذه السماكات سلم أداء عامًا. فكل من توجيه الحبيبات، وصقل المجالات، والطلاء، وحالة الإجهاد، وظروف الاختبار المغناطيسي، يساهم في الأداء. فعلى سبيل المثال، يُعد الحفر بالليزر معالجة للتحكم في المجالات، تهدف إلى تعديل السلوك المغناطيسي؛ ولا تحوّل الصفيحة الموجّهة الحبيبات إلى صفيحة غير موجّهة الحبيبات.

كما تميّز ممارسة ASTM بين الدرجات التقليدية الموجّهة الحبيبات والمحددة للاختبار عند 1.5 T، والدرجات الأخرى الموجّهة الحبيبات والمحددة للاختبار عند 1.7 T. ويجب إقران قيمة الخاصية بقيمة الحث. فعبارة «فقد القلب لدرجة موجّهة الحبيبات» غير مكتملة ما لم تذكر التردد، والحث، وطريقة اختبار العينة، والاتجاه. ويُقصد من ASTM A804/A804M:2021 أساسًا إجراء القياسات المغناطيسية للتيار المتناوب أحادي الاتجاه على الفولاذ الكهربائي موجّه الحبيبات والمُسطّح حراريًا، والمستخدم كمادة للصفائح الرقيقة في قلوب المحولات. وتُعد نتائجه قابلة للمقارنة مع طريقة Epstein بطول 25 سم، إلا أن هذه المقارنة تظل معتمدة على العينة والإجراء المحددين.

يدعم توجيه الحبيبات تصميمات قلوب المحولات التي يمكن فيها ترتيب مسار التدفق الرئيسي على امتداد اتجاه الدرفلة. وتقطع الوصلات هذا المسار، وقد ينحرف التدفق الموضعي عبر الصفيحة بالقرب من الزوايا أو مناطق الوصل المتدرج. ولذلك فإن الخاصية المقاسة في اتجاه الدرفلة تصف اتجاهًا ماديًا حرجًا، وليس كل نقطة في قلب مُجمَّع.

الفولاذ الكهربائي غير موجّه الحبيبات نصف المُعالج

يصل الفولاذ الكهربائي غير موجّه الحبيبات نصف المُعالج إلى المُصنّع قبل تثبيت الحالة المغناطيسية النهائية. وتظل العمليات اللاحقة—وهي عادةً الكبس متبوعًا بمعالجة حرارية محددة—ذات صلة ببنية الحبيبات، والإجهاد المتبقي، والتحكم في الكربون، وحالة العزل، والفقد المغناطيسي. وتُعد حالة التوريد جزءًا من وصف الدرجة، وليست ملاحظة ثانوية.[4][4] IEC 60404-8-3:2023. International Electrotechnical Commission. IEC standard, 2023.

يغطي IEC 60404-8-3:2023 شرائط وصفائح الفولاذ الكهربائي المدرفل على البارد وغير موجّه الحبيبات والمورّدة في الحالة نصف المُعالجة، بسماكات اسمية قدرها 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 mm. ويتناول المعيار الخواص المغناطيسية، وسماحات الأبعاد، وإجراءات الفحص. ويشغل ASTM A683 الموضع المقابل للفولاذ غير موجّه الحبيبات نصف المُعالج في خريطة معايير ASTM A06.02.

شبه مُعالجشبه مُعالج حالة توريد يُتوقَّع فيها أن يُجري المستخدم معالجة إضافية، غالبًا عملية تلدين نهائية، قبل تثبيت الحالة المغناطيسية المقصودة.

لا تساوي الخاصية المقاسة للصفيحة نصف المُعالجة قبل المعالجة الحرارية التي يجريها المُصنّع بالضرورة الخاصيةَ بعد تلك المعالجة. فقد يُحدِث الكبس تشوهًا وتلفًا للحواف؛ كما يمكن للدورة الحرارية اللاحقة أن تخفف بعض الإجهاد وتغيّر الاستجابة المغناطيسية النهائية. وقد تكون درجة الحرارة، والزمن، والجو، وممارسات الفرن، وهندسة المكوّن، وقدرة الطلاء على البقاء، كلها عوامل مؤثرة. ولذلك يمكن أن يختلف قلبان مصنوعان من التعيين نفسه المُورَّد إذا اختلف تاريخهما التصنيعي.

غالبًا ما تُخلط هذه الفئة بالفولاذ غير موجّه الحبيبات المُعالج بالكامل، لأن كليهما غير موجّه الحبيبات وقد يُستخدم في الدوائر المغناطيسية للآلات الدوارة. ويتمثل الفرق في أن مسار المعالجة المغناطيسية لم يكتمل. فلا تكشف السماكة، أو محتوى السيليكون، أو عبارة «غير موجّه الحبيبات» ما إذا كانت المعالجة اللاحقة متوقعة. ويجب أولًا التحقق من المعيار المنطبق وحالة التوريد؛ وبعد ذلك فقط توفر التردد، والحث، والاتجاه، وطريقة اختبار العينة، ومكونات الفقد، أساسًا ذا معنى للمقارنة.

كيف تنظّم معايير ASTM وIEC درجات الفولاذ الكهربائي

لا تشكّل معايير الفولاذ الكهربائي جدولًا عالميًا موحّدًا للدرجات. فهي تقسّم المادة بحسب الفئة المغناطيسية، وحالة المعالجة، وشكل المنتج، وظروف الاختبار، والعزل السطحي. ولذلك لا يمكن قراءة التعيين الوارد في وثيقة ما على أنه بديل مباشر لتعيين وارد في وثيقة أخرى.

تأتي الخريطة الأساسية لمعايير ASTM من اللجنة الفرعية A06.02. يغطي ASTM A677 الفولاذ الكهربائي غير الموجّه مكتمل المعالجة؛ ويغطي ASTM A683 الفولاذ الكهربائي غير الموجّه نصف المعالج؛ ويغطي ASTM A876 الفولاذ الكهربائي الموجّه الحبيبات مكتمل المعالجة؛ بينما يصنّف ASTM A976 الطلاءات العازلة للفولاذ الكهربائي. وتؤدي هذه الوثائق مهام مختلفة. فالمعياران A677 وA876 هما مواصفتا مادة، بينما يتعلق A976 بتصنيف الطلاءات، وتحدد معايير الاختبار مثل ASTM A804/A804M كيفية قياس خصائص مغناطيسية معينة.

تنظّم وثائق IEC المادة بطريقة مشابهة، ولكنها ليست مطابقة لها. يغطي IEC 60404-8-3:2023 شرائط وصفائح الفولاذ الكهربائي المدرفلة على البارد وغير الموجّهة، والمورّدة في الحالة نصف المعالجة. ويغطي IEC 60404-8-7:2017 شرائط وصفائح الفولاذ الكهربائي المدرفلة على البارد والموجّهة الحبيبات، والمورّدة في الحالة مكتملة المعالجة. وتحدّد هذه المعايير فئات المنتجات المسموح بها والخصائص المطلوبة؛ لكنها لا تحوّل السُّمك أو محتوى السيليكون أو فئة الطلاء إلى ترتيب عالمي للأداء.

ASTM A677 ودرجات الفولاذ غير الموجّه مكتمل المعالجة

ASTM A677 هو المعيار الخاص بالفولاذ الكهربائي غير الموجّه مكتمل المعالجة، والمستخدم أساسًا في الأجهزة المغناطيسية ذات الترددين 50 و60 Hz. ويعني وصف «غير موجّه» أن الخصائص المغناطيسية لا تتركّز في اتجاه درفلة واحد جرى تطويره عمدًا، كما هي الحال في فولاذ المحولات الموجّه الحبيبات. وتُورَّد المادة في حالة مغناطيسية نهائية، ولذلك لا يُتوقَّع من المشتري إجراء عملية التخمير النهائية لإزالة الإجهادات، التي تميّز الممارسة الخاصة بالمنتجات نصف المعالجة.

وبموجب ASTM A677، تُصنَّف الدرجات وفقًا لأقصى فقد في القلب يُقاس عند 60 Hz و1.5 T باستخدام طريقة اختبار إبستين، وفقًا لوصف ASTM International المسجّل في عام 2007. وتتضمن هذه العبارة أربعة محددات ضرورية: الفقد الأقصى، و60 Hz، و1.5 T، وعينات إبستين. وإذا أُزيل أيٌّ منها، أصبحت مقارنة الدرجات غير مكتملة. فالفقد المقاس عند 50 Hz، أو عند حث مختلف، أو باستخدام هندسة مختلفة للعينة، لا يمثل الخاصية المبلّغ عنها نفسها.

كما أن تعيين المادة مكتملة المعالجة لا يحدّد، بحد ذاته، التقسيم الدقيق بين فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، والفقد الزائد. وتتعامل دراسة معهد كارلسروه للتكنولوجيا لعام 2017 مع هذه الأنواع بوصفها مساهمات منفصلة في فقد قلب المحول. وتسهم حركة جدران المجالات في فقد الهسترة. ويؤدي الفيض المتناوب إلى تيارات دورانية داخل الصفيحة، منتجًا فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، في حين يمثل الفقد الزائد عمليات ديناميكية إضافية للمجالات. ويؤثر كل من حجم الحبيبات، والنسج البلوري، والإجهاد المتبقي، وسُمك الصفائح الرقيقة، والعزل الكهربائي في توازن هذه المساهمات.

ولذلك ينبغي قراءة A677 بوصفه إطارًا محددًا للمواصفة والاختبار، لا باعتباره ادعاءً بأن كل درجة غير موجّهة تتصرف بالطريقة نفسها في محرك أو مفاعل أو مكوّن عالي التردد. ويُعد حث الاختبار البالغ 1.5 T جزءًا من تصنيف الدرجة، وليس حدًا عامًا للتشغيل.

ويشغل ASTM A683 الفئة المجاورة، وهي فئة الفولاذ الكهربائي غير الموجّه نصف المعالج. وتكمن أهمية إدراجه في خريطة معايير A06.02 في أن الصفيحة نصف المعالجة تُورَّد في حالة تتطلب معالجة لاحقة، عادةً عملية تخمير نهائية، قبل تثبيت حالتها المغناطيسية المقصودة. ولذلك يفصل كل من A677 وA683 بين حالة التوريد والفئة المغناطيسية. ووصف كلا المنتجين ببساطة بأنهما «فولاذ كهربائي غير موجّه» يخفي تمييزًا تصنيعيًا يمكن أن يغيّر النتيجة المقاسة بعد خطوة المعالجة التي يجريها المستخدم.

ASTM A876 وتعيينات الفولاذ الموجّه الحبيبات

يغطي ASTM A876 أنواع الفولاذ الكهربائي الموجّه الحبيبات، منخفض الكربون من سيليكون-حديد، مكتملة المعالجة، والتي تحتوي على نحو 3.2% من السيليكون، وفقًا لوصف ASTM International لعام 2017. ويُطوَّر نسجها البلوري بحيث يكون السلوك المغناطيسي ملائمًا بدرجة كبيرة على امتداد اتجاه الدرفلة. وهذه فئة مادية مختلفة عن الفولاذ غير الموجّه مكتمل المعالجة، وليست مجرد نسخة منه ذات محتوى سيليكون أعلى.

وتشمل المواصفة درجات الفولاذ الموجّه الحبيبات التقليدية، ودرجات النفاذية العالية، والدرجات المحفورة بالليزر. وتشير فئة الحفر بالليزر إلى مسار معالجة يهدف إلى تعديل بنية المجالات والفقد المغناطيسي؛ ولا تعني أن المادة يمكن مقارنتها بدرجة غير محفورة من دون استخدام ظروف الاختبار نفسها. كما تميّز ممارسات تحديد درجات ASTM بين درجات الفولاذ الموجّه الحبيبات التقليدية المخصصة للاختبار عند 1.5 T، ودرجات أخرى من الفولاذ الموجّه الحبيبات مخصصة للاختبار عند 1.7 T. وينبغي أن يَرِد الحث إلى جانب الخاصية المبلّغ عنها؛ فقيمة الفقد الرقمية من دون حث الاختبار المحدد تظل غير مكتملة.

ويكتسب اتجاه الدرفلة أهمية خاصة في الفولاذ الموجّه الحبيبات. فلا يمكن نقل نتيجة مقاسة بالتوازي مع اتجاه الدرفلة مباشرةً إلى منطقة مستعرضة أو إلى منطقة حافة مقطوعة في قلب مُصنّع. إذ يمكن أن يؤثر القطع، والتثقيب، والثني، وتصميم الوصلات، والإجهاد المطبّق، جميعًا في السلوك المغناطيسي الذي تقيسه المواصفة على عينات مضبوطة.

ويُعد ASTM A804/A804M أساسًا معيار قياس للخصائص المغناطيسية للتيار المتناوب أحادي الاتجاه في الفولاذ الكهربائي الموجّه الحبيبات والمسطّح حراريًا. وتكون نتائجه قابلة للمقارنة مع نتائج طريقة إبستين ذات 25 cm، وفقًا لما ذكرته ASTM في سجل إصدار عام 2021. وهو ليس بديلًا عن مواصفة المادة A876، ولا ينبغي التعامل معه بوصفه عائلة درجات مستقلة. بل يوفّر مسار اختبار لفئة ذات صلة من مواد القلوب الموجّهة الحبيبات.

IEC 60404-8-3:2023 وIEC 60404-8-7:2017

يحدّد IEC 60404-8-3:2023 شرائط وصفائح الفولاذ الكهربائي المدرفلة على البارد وغير الموجّهة، والمورّدة في الحالة نصف المعالجة. وتشمل سلسلة السُّمك الاسمي المحددة فيه 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 mm. وتتناول الوثيقة الخصائص المغناطيسية، وسماحات الأبعاد، وإجراءات الفحص بوصفها جزءًا من مواصفة المنتج.

ولا تمثل هذه السماكات أسماءً متبادلة للدرجات. فالسُّمك يؤثر في فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، لأن المسار الكهربائي الأرق يحدّ من المسافة التي يمكن أن تتطور خلالها التيارات الدورانية، إلا أن فقد القلب المقاس يعتمد أيضًا على المقاومة النوعية، والعزل، والتردد، والحث، والنسج البلوري، والإجهاد، وحالة المعالجة النهائية. وليس المنتج بسُمك 0.50 mm أفضل تلقائيًا من المنتج بسُمك 0.65 mm في كل ظروف الاختبار أو التطبيق.

ويغطي IEC 60404-8-7:2017 شرائط وصفائح الفولاذ الكهربائي المدرفلة على البارد والموجّهة الحبيبات، والمورّدة في الحالة مكتملة المعالجة. ويشمل مادة ذات نسج جوس بسماكات اسمية قدرها 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 mm، إلى جانب الفئات التقليدية وفئات النفاذية العالية. ويعمل نسج جوس على محاذاة الاتجاهات البلورية الملائمة مع اتجاه الدرفلة، وهو ما يفسّر الطابع الاتجاهي القوي للمادة.

وينبغي مقارنة وثيقتَي IEC وASTM من حيث نطاقهما وظروف الاختبار، لا بمحاولة ترجمة كل تعيين كلمةً بكلمة. فـ IEC 60404-8-3 يتعلق بالصفائح غير الموجّهة نصف المعالجة، بينما يتعلق ASTM A677 بالفولاذ غير الموجّه مكتمل المعالجة. ويتعلق IEC 60404-8-7 بالصفائح الموجّهة الحبيبات مكتملة المعالجة، بينما يتناول ASTM A876 فولاذ السيليكون-الحديد الموجّه الحبيبات مكتمل المعالجة. ولا تلغي الكلمات المتشابهة الفرق في حالة التوريد.

ويضيف ASTM A976 طبقة أخرى من خلال تصنيف الطلاءات العازلة. إذ يحدّ الطلاء من التلامس الكهربائي بين الصفائح الرقيقة، ومن ثم يؤثر في التيارات الدوامية بين الصفائح، إلا أن فئة الطلاء ليست درجة من درجات الفولاذ المغناطيسي. وبالمثل، فإن زيادة محتوى السيليكون أو الألومنيوم، وترقيق الصفيحة، ومحاذاة الحبيبات، والعزل السطحي، هي آليات للتحكم في الفقد وليست مؤشرات عالمية على سلوك مادة معينة. ولا يبقى تعيين المعيار ذا معنى كامل إلا عند ربطه بالفئة، وحالة التوريد، والتردد، والحث، وطريقة إعداد العينة، واتجاه الدرفلة حيثما كان ذلك ذا صلة.

الفولاذ الكهربائي غير الموجَّه: الدرجات والمعالجة والاستخدامات المغناطيسية

معنى الفولاذ غير الموجَّه المعالَج بالكامل

الفولاذ الكهربائي غير الموجَّه المعالَج بالكامل هو فولاذ مغناطيسي مدرفل على البارد ومحتوٍ على السيليكون، يورَّد بعد أن تكون حالته المغناطيسية النهائية قد حُدِّدت بواسطة المنتج. ولا تُرتَّب حبيباته في اتجاه بلوري واحد قوي. بل تُعالَج المادة بحيث تبقى خصائصها المغناطيسية متقاربة إلى حد معقول عندما يتحرك الفيض في اتجاهات مختلفة ضمن مستوى الصفيحة. ولذلك، يصف مصطلح «غير موجَّه» النسيج المغناطيسي، بينما يصف مصطلح «المعالَج بالكامل» حالة التوريد. ولا يحدد أيٌّ من المصطلحين، بمفرده، محتوى السيليكون أو السمك أو قيمة محددة لفقد القلب.

ويكتسب هذا التمييز أهمية لأن تسميات الفولاذ الكهربائي مرتبطة بالمعايير وبشروط الاختبار. يغطي ASTM A677 أنواع الفولاذ الكهربائي غير الموجَّه المعالَج بالكامل، والمستخدمة أساسًا في الأجهزة المغناطيسية العاملة عند ترددي 50 و60 Hz. وبموجب هذه المواصفة، تُصنَّف الدرجات وفقًا للحد الأقصى لفقد القلب المقاس عند 60 Hz و1.5 T باستخدام طريقة اختبار Epstein (ASTM International، 2007). وبالتالي، فإن تسمية الدرجة تمثل حدًّا ضمن إجراء قياس محدد، وليست تنبؤًا شاملًا بالفقد عند كل تردد أو حث أو شكل موجة أو درجة حرارة أو اتجاه للمغنطة.

وتتطلب نتيجة اختبار Epstein أيضًا وضعها في سياقها. إذ يستخدم الاختبار ترتيبًا محددًا للعينات وحالة مغناطيسية متناوبة معينة؛ ولا يحاكي كل إجهاد أو وصلة أو حافة ناتجة عن التثقيب أو طلاء أو تشوه موضعي للفيض في الجزء الثابت لمحرك. وينبغي الإبلاغ عن فقد القلب المقاس عند 60 Hz و1.5 T مع ذكر هذه الشروط. أما القيمة التي تُذكر من دون ترددها وحثها وطريقة اختبار العينة، فقد تؤدي إلى مقارنة مضللة.

وتختلف الصفيحة غير الموجَّهة المعالَجة بالكامل عن الصفيحة غير الموجَّهة شبه المعالَجة. إذ تحدد اللجنة الفرعية A06.02 التابعة لـ ASTM المعيار ASTM A677 للفولاذ غير الموجَّه المعالَج بالكامل، والمعيار ASTM A683 للفولاذ غير الموجَّه شبه المعالَج. ويغطي IEC 60404-8-3:2023 الشرائط والصفائح الفولاذية الكهربائية غير الموجَّهة والمدرفلة على البارد، والمورَّدة في الحالة شبه المعالَجة، بما في ذلك السماكات الاسمية 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 mm. وقد تخضع المادة شبه المعالَجة لتخمير نهائي بعد التثقيب، وغالبًا ما يكون ذلك جزءًا من مسار المعالجة لدى المصنِّع؛ ولذلك فإن حالتها المغناطيسية عند التوريد لا تعادل حالة الصفيحة المعالَجة بالكامل.

ويمنع هذا التمييز خطأً شائعًا يتمثل في التعامل مع السمك أو المستوى الاسمي للسيليكون كما لو كان درجةً بحد ذاته. فقد تختلف صفيحتان متماثلتان في السمك من حيث النسيج البلوري وحجم الحبيبات والإجهاد المتبقي والطلاء والفقد المقاس. وبالعكس، لا يعني كون الصفيحة أرق تلقائيًا أن إجمالي فقدها أقل إذا اختلفت المعالجة أو شروط الاختبار المغناطيسي.

دور تاريخ الدرفلة والتخمير

تُنشئ الدرفلة هندسة الصفيحة، لكنها تغيّر أيضًا الحالة الداخلية للمعدن. إذ يؤدي التشوه اللدن إلى إدخال انخلاعات، وتغيير النسيج البلوري، وتخزين طاقة الانفعال. وقبل التخمير، تجعل هذه التأثيرات عادةً حركة جدران النطاقات المغناطيسية أكثر صعوبة وتزيد الفقد المغناطيسي. كما يمكن أن يضيف التثقيب والقص والثني والتجميع إجهادًا موضعيًا إضافيًا، ولا سيما بالقرب من الحواف المقطوعة. ولذلك، فإن الخاصية النهائية هي نتيجة لمسار المعالجة، وليست مجرد نتيجة للتركيب الكيميائي.

يسمح التخمير بحدوث الاسترجاع وإعادة التبلور. وخلال الاسترجاع، يتحرر جزء من طاقة التشوه المخزنة. أما أثناء إعادة التبلور، فتتكون حبيبات جديدة وتنمو، وتكون خالية نسبيًا من الانفعال. ثم يعتمد حجم الحبيبات والنسيج البلوري على درجات الحرارة والأزمنة وظروف التسخين والتبريد وجدول الاختزال وخطوات صناعة الفولاذ السابقة. ويمكن لنمو الحبيبات أن يقلل عدد حدود الحبيبات التي تصادفها جدران النطاقات المتحركة، إلا أن النمو المفرط أو غير المنضبط قد يؤثر في السلوك الميكانيكي وينتج نسيجًا غير ملائم. والحالة المغناطيسية المفيدة هي توازن ينشأ عن مسار المعالجة بأكمله.

يؤثر محتوى السيليكون والألومنيوم في المقاومة النوعية الكهربائية والسلوك المغناطيسي، إلا أن الكيمياء وحدها لا تحدد الأداء. فزيادة المقاومة النوعية يمكن أن تقلل التيارات الدوامية الدائرية، بينما تحدد الدرفلة والتخمير كيفية تجسيد ذلك التركيب الكيميائي من خلال النسيج البلوري وحجم الحبيبات وحالة الإجهاد. ولهذا قد تُظهر درجتان متشابهتان اسميًا فقدًا مختلفًا عندما تكون إحداهما قد تعرضت للانفعال أثناء التصنيع أو اختُبرت بعد تخمير مختلف.

ويتكون الفقد نفسه من أجزاء منفصلة. وتصف دراسة أجراها معهد كارلسروه للتكنولوجيا عام 2017 فقد قلب المحول من خلال مساهمات فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية التقليدي، والفقد الزائد. ويرتبط فقد الهسترة بحركة جدران النطاقات المغناطيسية غير العكوسة وتغيرات المغنطة. وينشأ فقد التيارات الدوامية التقليدي عندما يحفز الفيض المتناوب تيارات كهربائية داخل الفولاذ. أما الفقد الزائد فيمثل تأثيرات ديناميكية إضافية مرتبطة بحركة النطاقات المغناطيسية وتفاعلها. وتستجيب هذه المكونات بطرق مختلفة للتردد والحث والمقاومة النوعية وبنية الحبيبات والإجهاد.

ويتناول سمك الصفيحة أساسًا المسار المتاح للتيارات الدوامية، ولذلك يمكن للصفائح الرقيقة أن تقلل هذه المساهمة. لكنه لا يلغي فقد الهسترة أو الفقد الزائد. كما أن الدرجة الاسمية منخفضة الفقد لا تحتفظ بسلوكها المقاس إذا أدى التثقيب إلى إجهاد متبقٍ شديد أو إذا اتصلت الصفائح كهربائيًا بسبب تلف الطلاء.

ويُعد العزل السطحي جزءًا من النظام المغناطيسي. إذ يزيد الطلاء العازل المقاومة الكهربائية بين الصفائح المتجاورة ويحد من التيار المتدفق بينها. ويتناول ASTM A976 تصنيف الطلاءات العازلة للفولاذ الكهربائي. ويمكن أن يؤثر نوع الطلاء وتغطيته وتماسكه ومعالجته وتلفه أثناء القطع أو الترصيص في فقد القلب المُجمَّع. ولذلك، يجب النظر إلى الركيزة الفولاذية وطلائها معًا.

أهمية السلوك غير الموجَّه في الدوائر المغناطيسية الدوارة

يوجّه المحول الفيض عمومًا في اتجاه مفضل، مما يتيح للفولاذ الكهربائي الموجَّه الاستفادة من اصطفاف بلوري قوي. أما المحرك أو المولد فمختلف. فعندما يدور الدوار، تتعرض أسنان الجزء الثابت وملحقه اليوغي لفيض مغناطيسي يغير اتجاهه حول الآلة. كما ينعطف الفيض موضعيًا بالقرب من جذور الأسنان والفتحات والزوايا والوصلات. ولن توفر صفيحة ذات فقد منخفض في اتجاه مفضل واحد هذه الخاصية في جميع أنحاء دائرة دوارة.

ويعالج الفولاذ غير الموجَّه هذه المشكلة الاتجاهية من خلال الحد من التفاوت بين الاستجابات المغناطيسية في مستوى الصفيحة. ولا يتمثل الهدف في سلوك متطابق في كل اتجاه؛ إذ لا يزال النسيج البلوري والمعالجة الفعلية يسببان فروقًا اتجاهية. بل الهدف هو تحقيق استجابة مغناطيسية مناسبة عبر مسارات الفيض المتغيرة الموجودة في الآلات الدوارة.[5][5] ASTM A804/A804M-04(2021): Standard Test Method for Alternating-Current Magnetic Properties of Thermally Treated Grain-Oriented Electrical Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2021.

ويظهر الفرق عن الفولاذ الموجَّه بوضوح في خريطة المعايير. إذ يغطي ASTM A876 أنواع فولاذ السيليكون والحديد منخفض الكربون الموجَّه، المحتوية على نحو 3.2% من السيليكون، بما في ذلك الدرجات التقليدية ودرجات النفاذية العالية والدرجات المعالجة بالليزر. ويغطي IEC 60404-8-7:2017 الصفائح الموجَّهة المعالَجة بالكامل، بسماكات اسمية قدرها 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 mm. وتُحدَّد الدرجات الموجَّهة التقليدية للاختبار عند 1.5 T، بينما تُحدَّد الدرجات الموجَّهة الأخرى للاختبار عند 1.7 T. ويُقصد من ASTM A804/A804M أساسًا إجراء قياسات أحادية الاتجاه على الفولاذ الموجَّه المسطَّح حراريًا، مع نتائج قابلة للمقارنة مع طريقة Epstein ذات طول 25 cm. ولا ينبغي نقل هذه النتائج مباشرةً إلى درجة فولاذ غير موجَّه مخصصة للآلات الدوارة.

وبالنسبة إلى المادة غير الموجَّهة، يقارن المهندسون الفقد والنفاذية ذوي الصلة عند التردد والحث وشكل الموجة واتجاه الدرفلة وطريقة اختبار العينة وحالة التوريد التي تتوافق مع التطبيق. والسؤال الصحيح ليس ما إذا كانت الصفيحة تحتوي على سيليكون أكثر أو كانت أرق، بل ما إذا كانت بنيتها المغناطيسية الناتجة عن المعالجة وعزلها وفقدها المقاس تظل ملائمة عندما يغير الفيض اتجاهه مرارًا عبر القلب النهائي.

الفولاذ الكهربائي ذي الاتجاه الموجّه للحبيبات ونسق غوس

نسق غوس والمغنطة في اتجاه الدرفلة

لا يُعرَّف الفولاذ الكهربائي ذي الاتجاه الموجّه للحبيبات بمحتوى السيليكون أو سُمك الصفيحة وحدهما. وتتمثل ميزته المحدِّدة في نسق بلوري مضبوط ينتج عن الدرفلة والتخمير وإعادة التبلور الثانوية. وفي اتجاه غوس المرغوب، تكون بلورة الحديد المكعبة متمركزة الجسم ذات المستوى \(\{110\}\) موازيًا تقريبًا لسطح الصفيحة، ويكون الاتجاه \(\langle001\rangle\) موازيًا لاتجاه الدرفلة. وغالبًا ما تُكتب هذه الرموز على النحو \(\{110\}\langle001\rangle\).

ويكتسب هذا الاتجاه أهميته لأن المغنطة تكون أسهل على امتداد الاتجاهات المكعبة \(\langle001\rangle\) منها على امتداد الاتجاهات البلورية الأصعب. وعندما تجعل حبيبات كثيرة اتجاهًا سهلًا قريبًا من اتجاه الدرفلة، يمكن للمجالات المغناطيسية أن تنمو، ويمكن لجدران المجالات أن تتحرك بوجود مجال مطبَّق أقل. والنتيجة هي نفاذية عالية وفقد هسترة أقل عندما يتبع الفيض المتناوب اتجاه الدرفلة. وعبر الصفيحة، يمكن للمادة نفسها أن تُظهر سلوكًا مغناطيسيًا مختلفًا بدرجة كبيرة. ولذلك فإن القيمة المقاسة عرضيًا بالنسبة إلى اتجاه الدرفلة لا تعادل قيمة مقاسة في اتجاه الدرفلة.

ولا يكون النسق متجانسًا تمامًا على الإطلاق. إذ تنحرف الحبيبات عن اتجاه غوس المثالي، ويؤثر توزيع هذا الانحراف في النفاذية، والمجال القسري، والفقد. كما تسهم البنية المحلية، وحجم الحبيبات، والإجهاد المتبقي، وحالة السطح، والتفاعل المغناطيسي بين الحبيبات المتجاورة، جميعًا في ذلك. ولا يستطيع اسم الفئة وحده التعبير عن هذه المتغيرات.

تُستخدم الصفيحة ذات الاتجاه الموجّه للحبيبات عادةً عندما يكون المسار المغناطيسي مصطفًا مع اتجاه الدرفلة، كما في قوائم المحولات ونواقلها العلوية. ويمكن للقطع، وتصميم الوصلات، وإجهاد الكبس، والثني، والتثبيت، أن تُخل بالسلوك المقصود. ولذلك قد يُظهر شريط مقاس بوصفه عينة غير متضررة ومُعالجة بالكامل فقدًا أقل من قلب نهائي يحتوي على حواف مقطوعة ووصلات وإجهاد مطبَّق.

ويجب أيضًا فصل فقد القلب إلى مساهماته الفيزيائية. فقد تعاملت دراسة معهد كارلسروه للتكنولوجيا المنشورة عام 2017 مع فقد قلب المحول باعتباره مجموع فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية الكلاسيكية، والفقد الزائد. ويرتبط فقد الهسترة بحركة جدران المجالات غير العكوسة ودورانها خلال كل دورة مغنطة. وينتج فقد التيارات الدوامية الكلاسيكية من التيارات المستحثة بفعل الفيض المغناطيسي المتغير، في حين يمثل الفقد الزائد خسائر ديناميكية إضافية مرتبطة بالحركة غير المنتظمة لجدران المجالات والعمليات المغناطيسية الموضعية.

وتقلل الصفيحة الرقيقة المسارات المتاحة للتيارات الدوامية. كما يزيد الطلاء العازل كهربائيًا المقاومة بين الصفائح، مما يحد من دوران التيار عبر رصّة القلب. ويمكن للسيليكون والألمنيوم رفع المقاومية الكهربائية، لكن تأثيراتهما تتفاعل أيضًا مع النسق، والمعالجة، وقابلية المطيلية، وبنية الحبيبات، والتخمير. ولا يحدد أي من هذه التدابير، بصورة مستقلة، الفقد الكلي لفئة معينة.

ويجب أن تكون حالة الاختبار مقترنة بكل بيان للخواص. فعبارة «فقد القلب» من دون تحديد التردد، والحث الأقصى، وطريقة إعداد العينة، والاتجاه، تكون ناقصة. وبالنسبة إلى القياسات أحادية الاتجاه، فإن ASTM A804/A804M-04(2021) مخصص أساسًا للفولاذ الكهربائي ذي الاتجاه الموجّه للحبيبات والمسطَّح حراريًا، وينتج نتائج قابلة للمقارنة مع طريقة إبستين ذات 25 سم. وتكتسب قياساته أهمية خاصة بالنسبة إلى مخزون صفائح قلب المحولات، حيث يُفترض أن يتحرك الفيض في اتجاه واحد بدلًا من دورانه كما يحدث في كثير من قلوب المحركات.

الفئات التقليدية وعالية النفاذية

تغطي المواصفة IEC 60404-8-7:2017 الشرائط والصفائح الفولاذية الكهربائية ذات الاتجاه الموجّه للحبيبات والمدرفلة على البارد، والمورَّدة في حالة المعالجة الكاملة. ويشمل نطاقها المواد ذات نسق غوس وبالسماكات الاسمية 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 مم، كما تميّز بين الفئات التقليدية وفئات النفاذية العالية. وتعني «المعالجة الكاملة» أن المعالجة المغناطيسية، بما في ذلك التخمير النهائي ومعالجة العزل المحددة للمنتج، قد اكتملت قبل التسليم؛ ولا يُتوقع من المستخدم تطوير الخواص المغناطيسية من خلال إجراء تخمير نهائي إضافي.

وتصف تسميات الفئات التقليدية وعالية النفاذية فئات من الأداء المغناطيسي ضمن الفولاذ ذي الاتجاه الموجّه للحبيبات. ولا تعني أن كل صفيحة عالية النفاذية ستُظهر فقدًا أقل تحت كل حث أو تردد أو اتجاه أو تركيب قلب ممكن. فالنفاذية تعتمد على المجال والحث، في حين يتغير فقد القلب مع التردد، والحث الأقصى، وشكل الموجة، والإجهاد، وهندسة العينة، والعزل بين الصفائح.

وتتناول ASTM A876 أنواع فولاذ السيليكون والحديد ذات الاتجاه الموجّه للحبيبات ومنخفضة الكربون، والتي تحتوي على نحو 3.2% من السيليكون. وتشمل المواصفة فئات تقليدية، وعالية النفاذية، ومعالجة بالكتابة بالليزر. كما تميّز ممارسة تحديد الفئات وفق ASTM بين فئات ذات اتجاه موجّه للحبيبات مخصصة للاختبار عند 1.5 T، وفئات أخرى ذات اتجاه موجّه للحبيبات مخصصة للاختبار عند 1.7 T. وتُعد تسميات الحث هذه أساسية: فلا يمكن مقارنة قيمة فقد عند 1.5 T مباشرةً بقيمة عند 1.7 T واعتبار ذلك ترتيبًا للفولاذ وحده.

وهذا أحد أسباب كون أرقام الفئات والسماكات بدائل ضعيفة عن البيانات المغناطيسية المقاسة. فالصفيحة الرقيقة تقلل عادةً فقد التيارات الدوامية الكلاسيكية عندما تبقى الشروط الأخرى قابلة للمقارنة، لكن النتيجة المقاسة تعكس أيضًا جودة النسق، والمقاومية، ومقاومة الطلاء، وبنية المجالات، وشكل موجة الحث المفروض. وتشير تسمية النفاذية العالية إلى فئة محددة بمتطلبات المواصفة المعمول بها؛ لكنها لا تحول السُمك إلى مؤشر أداء عالمي.

ويؤكد مخطط المواصفات التمييز بين فئات الفولاذ. إذ تحدد اللجنة الفرعية A06.02 التابعة لـ ASTM المواصفة ASTM A677 للفولاذ الكهربائي غير الموجّه للحبيبات والمعالَج بالكامل، والمواصفة ASTM A683 للفولاذ الكهربائي غير الموجّه للحبيبات وشبه المعالَج، والمواصفة ASTM A876 للفولاذ الكهربائي ذي الاتجاه الموجّه للحبيبات والمعالَج بالكامل، والمواصفة ASTM A976 لتصنيف الطلاءات العازلة للفولاذ الكهربائي. ولا تصف هذه الوثائق عائلة واحدة من المواد القابلة للتبادل. فالفولاذ ذي الاتجاه الموجّه للحبيبات يُعالَج لترجيح اتجاه محدد للفيض، في حين يُصمَّم الفولاذ غير الموجّه للحبيبات لتوفير سلوك مغناطيسي أكثر تشابهًا تقريبًا في مستوى الصفيحة.

ولأغراض المقارنة، تغطي ASTM A677 أنواع الفولاذ الكهربائي غير الموجّه للحبيبات والمعالَج بالكامل، والمستخدمة أساسًا في الأجهزة المغناطيسية ذات الترددين 50 و60 هرتز. وتُصنَّف فئاتها حسب أقصى فقد للقلب يُقاس عند 60 هرتز و1.5 T باستخدام طريقة اختبار إبستين. ولا يمكن نقل هذا التصنيف إلى فئة ذات اتجاه موجّه للحبيبات وفق ASTM A876 من دون الحفاظ على فئة الفولاذ، وطريقة إعداد العينة، والاتجاه، والحث، وحالة التسليم.

الفئات ذات الاتجاه الموجّه للحبيبات والمعالَجة بالكتابة بالليزر

تُعد الكتابة بالليزر معالجة لتنقيح المجالات، وليست مرادفًا للنفاذية العالية. إذ ينشئ الليزر مسارات متقاربة، تكون عادةً عرضية بالنسبة إلى الفيض الرئيسي في اتجاه الدرفلة، من خلال إحداث تغيرات حرارية أو إجهادية موضعية على السطح. وتقسم هذه المسارات المجالات المغناطيسية إلى أجزاء أصغر أو تقيّد عرضها. ويمكن للمجالات الأصغر أن تقلل الحركة الديناميكية لجدران المجالات، وأن تخفض، في ظل ظروف الاختبار المحددة، فقد القلب الكلي.

ولا تحل هذه المعالجة محل نسق غوس. إذ يظل المنتج المعالَج بالكتابة بالليزر فولاذًا ذا اتجاه موجّه للحبيبات، يعتمد سلوكه في اتجاه الدرفلة على اصطفافه البلوري، وتاريخ معالجته، وحالة الإجهاد المغناطيسي فيه. كما أن الكتابة بالليزر لا تضع المادة تلقائيًا ضمن فئة النفاذية العالية. وتدرج ASTM A876 الفئات المعالَجة بالكتابة بالليزر ضمن فئة مستقلة إلى جانب الفئات التقليدية وعالية النفاذية، لأن التصنيف يصف مسار المعالجة أو الفئة الناتجة، وليس مستوى نفاذية عالميًا واحدًا.

ويعتمد التأثير على الظروف. فقد تقلل الكتابة بالليزر الفقد عند تردد وحث محددين، مع إحداث تغير مختلف في النفاذية أو التضيق المغناطيسي أو الفقد عند حث آخر. ويمكن أن يكون لتباعد المسارات، وعمقها، وطاقة الإدخال، وحالة الطلاء، والإجهاد اللاحق، أهمية. كما يمكن لتجميع القلب أن يغير النتيجة؛ إذ قد يؤدي القطع والتكديس إلى قطع نمط المجالات المقصود، ويمكن لإجهاد التثبيت أن يزيد الفقد.

ولذلك يجب أن تحدد المواصفة على نحو سليم الفئة، والسُمك الاسمي، وحالة التسليم، واتجاه الدرفلة، وحث الاختبار، والتردد، والطريقة. فعلى سبيل المثال، تُعد الصفيحة ذات نسق غوس والمعالَجة بالكامل، والمختبرة في اتجاه الدرفلة عند 1.5 T وفق إجراء إبستين أو الإجراء أحادي الاتجاه المعمول به، قياسًا محددًا. أما عبارة «فولاذ رقيق عالي النفاذية يحتوي على 3.2% من السيليكون» فليست كذلك. إذ تحافظ العبارة الأولى على المتغيرات التي تتحكم في السلوك المغناطيسي، بينما تختزل الثانية النسق، والمعالجة، وتنقيح المجالات، وظروف الاختبار في تسمية مضللة.

السيليكون والألومنيوم والكربون وميتَالورجيا الفقد المغناطيسي

السيليكون والمقاومية الكهربائية

يُضاف السيليكون إلى الحديد أساسًا لأنه يرفع المقاومية الكهربائية ويغيّر السلوك المغناطيسي للسبيكة. وتؤدي المقاومية الأعلى إلى تقليل التيار الذي يمكن أن يدور داخل صفيحة فولاذية عندما يتغير الفيض المغناطيسي. وتمثل هذه التيارات الدوارة المكوّن الكلاسيكي لفقد التيارات الدوامية في القلب. وعند وجود شكل موجي وتردد محددين للاستحثاث، تحدّ كلٌّ من الصفائح الرقيقة والمقاومية الأعلى من حجم مسارات هذه التيارات، وإن كان أيٌّ منهما لا يلغي فقد التيارات الدوامية بالكامل.

كما يغيّر السيليكون الخصائص البلورية والمغناطيسية للحديد. فهو يخفض عمومًا استحثاث التشبع، وقد يجعل المعالجة أكثر صعوبة عندما يصبح تركيزه مرتفعًا؛ ولذلك فإن التركيب يمثل حلًا توفيقيًا، وليس مقياسًا أحادي الاتجاه للجودة. ويظل تأثير المقاومية الكهربائية مهمًا؛ إذ تؤدي إضافة السيليكون إلى فصل سلوك الفولاذ الكهربائي عن سلوك الحديد الإنشائي منخفض الكربون، حيث تسمح المقاومية الأقل بتيار مستحث أكبر.

ومع ذلك، يجب قراءة تعيين الفئة مع مراعاة حالة الاختبار. يغطي ASTM A677، الذي استشهدت به ASTM International في عام 2007، أنواع الفولاذ الكهربائي غير الموجهة والمعالجة بالكامل، والمستخدمة أساسًا في الأجهزة المغناطيسية ذات الترددين 50 و60 هرتز. وتُصنَّف فئاته وفقًا لأقصى فقد في القلب مقاسًا عند 60 هرتز و1.5 T باستخدام طريقة اختبار Epstein. ولا يمثل الفقد المبلَّغ عنه في تلك الحالة ثابتًا ماديًا عامًا؛ بل يصف فولاذًا معينًا، وحالة توريده، وترتيب العينة، والتردد، والاستحثاث.

كما أن مستوى السيليكون المرتبط بالفولاذ ذي التوجه البلوري يُبسَّط غالبًا بصورة غير صحيحة. يصف ASTM A876 أنواع فولاذ السيليكون والحديد منخفض الكربون ذات التوجه البلوري، والتي تحتوي على سيليكون بنسبة تقارب 3.2%. ويحدد هذا الرقم الكيمياء العامة للفئة، لكنه لا يثبت، بمفرده، النفاذية أو فقد القلب. ويستمد الفولاذ ذي التوجه البلوري جزءًا كبيرًا من ميزته المغناطيسية من النسيج البلوري، ولا سيما محاذاة الاتجاهات البلورية الملائمة مع اتجاه الدرفلة. ويدعم السيليكون التصميم الكهربائي والمغناطيسي، لكنه لا ينشئ نسيج Goss بالتركيب الكيميائي وحده.

ويجعل التردد ميزة المقاومية أكثر أهمية. إذ يزداد فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي بقوة مع التردد، ويعتمد على سُمك الصفيحة، والمقاومية، وشكل موجة الفيض المحلي. وقد تُظهر صفيحة أكثر سُمكًا مصنوعة من فولاذ ذي مقاومية أعلى فقدًا مختلفًا عن صفيحة أرق مصنوعة من فولاذ ذي مقاومية أقل، في حين قد يتغير فقد الهسترة والفقد الزائد بصورة مستقلة. لذلك، فإن «المزيد من السيليكون» ليس بديلًا عن ذكر السُمك والتردد والاستحثاث ومكوّن الفقد المقاس أو الفقد الكلي.

الألومنيوم والتحكم في الكربون والتأثيرات الثانوية

يمكن للألومنيوم أن يرفع المقاومية، كما يساهم في ميتالورجيا معالجة أنواع الفولاذ الكهربائي. وفي الفئات ذات التوجه البلوري، يمكن للرواسب الحاوية على الألومنيوم، ولا سيما نتريد الألومنيوم، أن تعمل كمثبطات أثناء تسلسل معالجات التلدين الذي يتحكم في نمو الحبيبات الشاذ. ويعتمد النسيج النهائي المرغوب على تفاعل التركيب، والدرفلة على الساخن، والاختزال على البارد، والتلدين، واستقرار الرواسب. ومن ثم، فإن الألومنيوم يتجاوز كونه مجرد مادة مضافة لرفع المقاومية في إنتاج الفولاذ ذي التوجه البلوري.

وتأثيره مشروط. فكمية الجسيمات الحاوية على الألومنيوم وشكلها وتاريخها الحراري عوامل مهمة، شأنها شأن النيتروجين والمنغنيز والكبريت وجدول التلدين. ولا تكشف نتيجة التحليل الكيميائي التي تبلغ عن محتوى الألومنيوم، من دون تحديد حالة الرواسب، إلا القليل عن احتمال أن تنتج البنية الحبيبية النهائية الاستجابة المغناطيسية المقصودة. فإذا كانت المثبطات ضعيفة جدًا أو خشنة جدًا أو ذائبة في المرحلة غير الملائمة، فقد يتغير كلٌّ من إعادة التبلور الثانوية وتكوّن النسيج.

ويكتسي التحكم في الكربون أهمية مماثلة. إذ يتيح انخفاض الكربون نزع الكربون أثناء المعالجة النهائية، ويقلل خطر التقادم المغناطيسي. ويمكن للكربون المتبقي أن يتحد مع الحديد وعناصر السبك لتكوين الكربيدات، كما يمكن للذرات التداخلية أن تعيق حركة جدران النطاقات أو تتغير مع الزمن ودرجة الحرارة. وقد تزيد هذه التأثيرات فقد الهسترة أو تجعل الخصائص المغناطيسية أقل استقرارًا. وفي الفولاذ ذي التوجه البلوري والمعالج بالكامل، يُزال الكربون إلى مستوى منخفض قبل تثبيت الحالة النهائية العازلة والمغناطيسية؛ والنقطة المهمة هي ناتج المعالجة، لا رقم كربون عام ينطبق على كل معيار.

ويؤثر الكربون أيضًا بصورة غير مباشرة في نمو الحبيبات والنسيج. فهو يؤثر في إعادة التبلور، وترسب الكربيدات، والظروف التي تستهلك فيها الحبيبات جيرانها. ولا يضمن التركيب منخفض الكربون وحده تكوّن حبيبات كبيرة ذات توجه ملائم؛ بل يهيئ كيمياء يمكنها دعم مسار المعالجة المطلوب. وتعتمد النتيجة النهائية على ما إذا كان إجهاد الدرفلة والتلدين والمثبطات ونزع الكربون ستنتج البنية الحبيبية المقصودة.

وتفسر آلية الفقد سبب أهمية هذه التفاصيل. إذ تفصل دراسة معهد كارلسروه للتكنولوجيا لعام 2017 فقد قلب المحول إلى مساهمات فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، والفقد الزائد. ويعكس فقد الهسترة حركة جدران النطاقات غير العكوسة أثناء انعكاس المغنطة. وينشأ فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي من التيارات المستحثة بفعل تغير الفيض. أما الفقد الزائد فيمثل عمليات ديناميكية إضافية في النطاقات لا يلتقطها الحد الكلاسيكي. ويساعد السيليكون والألومنيوم أساسًا من خلال زيادة المقاومية والتأثير في البنية المجهرية، في حين يؤثر التحكم في الكربون في سلوك جدران النطاقات والبنية الحبيبية والتقادم المغناطيسي. وتتداخل تأثيراتها، لكنها ليست قابلة للاستبدال.

ويقدم العزل متغيرًا كيميائيًا وآخر متعلقًا بالمعالجة. إذ تزيد الطلاءات الموجودة بين الصفائح المقاومة الكهربائية عبر نقاط التلامس بين الصفائح، وتحد من التيار البيني. ويصنف ASTM A976 طلاءات العزل الخاصة بالفولاذ الكهربائي؛ لكنه لا يحول تعيين الطلاء إلى ترتيب مباشر لفقد القلب الكلي. ويمكن لسُمك الطلاء وتغطيته والتصاقه والضرر الناتج أثناء التثقيب وإجهاد التثبيت الناتج أن تؤثر جميعًا في القلب النهائي.

التركيب كمتغير واحد بين متغيرات عديدة

لا يمثل الفولاذ الكهربائي فئة مادية واحدة. فالفولاذ غير الموجه المعالج بالكامل، والفولاذ غير الموجه شبه المعالج، والفولاذ ذي التوجه البلوري المعالج بالكامل تتبع مسارات تصنيع مختلفة، ولا ينبغي مقارنتها من خلال نسبة السيليكون وحدها. وتحدد اللجنة الفرعية ASTM A06.02 المعيار ASTM A677 للفولاذ غير الموجه المعالج بالكامل، والمعيار ASTM A683 للفولاذ غير الموجه شبه المعالج، والمعيار ASTM A876 للفولاذ ذي التوجه البلوري المعالج بالكامل، والمعيار ASTM A976 لتصنيف طلاءات العزل. ويغطي IEC 60404-8-3:2023 الشرائط والصفائح المدرفلة على البارد غير الموجهة، والمورَّدة في الحالة شبه المعالجة، بما في ذلك السُمكات الاسمية 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 mm. ويغطي IEC 60404-8-7:2017 الصفائح ذات التوجه البلوري المعالجة بالكامل، بسُمكات اسمية قدرها 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 mm.

وتكتسب تلك السُمكات أهمية لأن فقد التيارات الدوامية يستجيب بقوة لسُمك الصفيحة، إلا أن السُمك لا يتنبأ بالفقد الكلي من دون بقية وصف الاختبار. ويمكن لحجم الحبيبات، وحدة النسيج، والإجهاد المتبقي، وحالة السطح، والضرر الناتج عن التثقيب، والطلاء، والشد المطبق أن تغير حركة جدران النطاقات، ومن ثم فقد الهسترة أو الفقد الزائد. وقد تتحكم صفيحة ذات توجه بلوري جرى تخطيطها بالليزر في النطاقات بطريقة مختلفة عن فئة تقليدية أو عالية النفاذية ذات كيمياء اسمية مماثلة.

ويُعد اتجاه الاختبار والاستحثاث عاملين أساسيين. إذ يُقصد بالدرجة الأولى من ASTM A804/A804M إجراء قياسات تيار متناوب أحادي الاتجاه على فولاذ كهربائي ذي توجه بلوري، جرى تسطيحه حراريًا، ويُستخدم كمادة مخزون لصفائح قلوب المحولات، مع نتائج قابلة للمقارنة مع طريقة Epstein بطول 25 cm. ويشمل ASTM A876 الفئات التقليدية وعالية النفاذية والمخططة بالليزر، التي تُختبر عند 1.5 أو 1.7 T. وتميز ممارسة تحديد فئات ASTM بين الفئات التقليدية ذات التوجه البلوري المخصصة للاختبار عند 1.5 T والفئات المخصصة للاختبار عند 1.7 T. ولا يمكن اعتبار فقد مقاس عند 1.5 T مكافئًا لفقد مقاس عند 1.7 T.

وينطبق الانضباط نفسه على الفولاذ غير الموجه. فالقيمة المصنفة بموجب ASTM A677 تعني أقصى فقد في القلب عند 60 Hz و1.5 T بطريقة Epstein، وليس الأداء عند كل تردد للمحركات أو كل استحثاث أو شكل موجة. وقد تتطلب المواد شبه المعالجة بموجب IEC 60404-8-3:2023 تلدينًا نهائيًا أو معالجة أخرى يحددها المُصنّع قبل أن تمثل خصائصها المغناطيسية حالة الخدمة المقصودة.

ويدعم التركيب الأداء المغناطيسي، لكنه لا يحدده. فقد يقلل السيليكون والألومنيوم فقد التيارات الدوامية من خلال رفع المقاومية، كما يمكن للرواسب الحاوية على الألومنيوم أن تساعد في التحكم في نمو الحبيبات. ويدعم انخفاض الكربون نزع الكربون واستقرار المعالجة ومقاومة التقادم المغناطيسي. إلا أن الخاصية النهائية تنشأ من كيمياء مجتمعة مع النسيج، وحجم الحبيبات، والإجهاد، والسُمك، والطلاء، وحالة التوريد، وظروف القياس. وأي مقارنة تغفل هذه المتغيرات لا تقارن السلوك المغناطيسي، بل تقارن التسميات.

تفكيك فقد القلب: الهسترة والتيارات الدوامية والفقد الزائد

فقد القلب هو القدرة الكهربائية التي تتحول إلى حرارة عندما يحمل قلب فرومغناطيسي فيضًا مغناطيسيًا متناوبًا. والرقم المقاس ليس ثابتًا ماديًا واحدًا؛ إذ يعتمد على التردد، والاستحثاث الأقصى، وشكل الموجة، وهندسة العينة، واتجاه الدرفلة، وسُمك الصفائح، والعزل، والإجهاد، وحالة توريد الفولاذ. ولا يمكن مقارنة قيمة فقد مبلَّغ عنها عند 60 Hz و1.5 T مباشرةً بقيمة مبلَّغ عنها عند 50 Hz و1.7 T، حتى عندما تحمل العينتان تعيين الفئة نفسه.[6][6] Transformer-core loss separation study. Karlsruhe Institute of Technology. Karlsruhe Institute of Technology publication, 2017.

تفصل دراسة معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) لعام 2017 فقد قلب المحول إلى ثلاث مساهمات: فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، والفقد الزائد أو الشاذ. ويمثل هذا التقسيم إطارًا فيزيائيًا، وليس ثلاث خصائص مستقلة مطبوعة على شهادة معيارية. أما الفقد الكلي المقاس فهو محصلة هذه المساهمات مجتمعة:

$$P_{\mathrm{total}}=P_{\mathrm{h}}+P_{\mathrm{cl}}+P_{\mathrm{ex}}$$

يمكن أن تتفاعل هذه المصطلحات من خلال المعالجة والبنية المجهرية. فقد يتغير حجم الحبيبات، والنسيج البلوري، والإجهاد المتبقي، ومقاومة الطلاء، وصقل المجالات، بما يؤثر في أكثر من مساهمة واحدة في الوقت نفسه.

فقد الهسترة وحركة جدران المجالات

فقد الهسترة هو الطاقة المتبددة أثناء دورات المغنطة غير العكوسة. فعندما يغيّر مجال متناوب اتجاهه، لا تعود المجالات المغناطيسية عبر مسار المغنطة نفسه. وتمثل المساحة المحصورة داخل حلقة الهسترة المغناطيسية الطاقة المفقودة في كل دورة ولكل وحدة حجم. ويؤدي ضرب هذه الطاقة في التردد إلى الحصول على مساهمة فقد القدرة.

جدار المجالجدار المجال المنطقة الانتقالية الفاصلة بين مجالات مغناطيسية ذات اتجاهات مغنطة مختلفة.

عند الحث المنخفض، تبدأ المغنطة غالبًا من خلال حركة جدران المجالات. ويفصل جدار المجال بين مناطق تشير عزومها المغناطيسية إلى اتجاهات بلورية مختلفة. وفي البلورة المثالية، يمكن لمجال مطبق صغير أن يحرك الجدار بمقاومة ضئيلة. إلا أن الفولاذ الكهربائي الحقيقي يحتوي على انخلاعات، وحدود حبيبات، وشوائب، وإجهاد متبقٍ، ولاانتظامات سطحية، وتغيرات محلية في النسيج. وتعمل هذه السمات على تثبيت الجدران أو تشويهها. وعندئذ يجب أن يرتفع المجال قبل أن يتحرر الجدار من التثبيت، مما يؤدي إلى قفزات غير عكوسة وتبدد للطاقة.

عند الحث الأعلى، تنضم إلى حركة جدران المجالات عملية دوران المغنطة باتجاه المجال المطبق. ويعتمد التوازن بين حركة الجدران والدوران على الاتجاه البلوري. ولهذا السبب يكون النسيج مهمًا. إذ يطوّر الفولاذ الكهربائي الموجه الحبيبات والمعالج بالكامل نسيج Goss قويًا، بحيث تكون حبيبات كثيرة في اتجاه يدعم المغنطة منخفضة الفقد على طول اتجاه الدرفلة. وينطبق فقده المنخفض في الاتجاه المحدد وتحت شروط الاختبار المحددة؛ ولا يعني ذلك أن للصفائح الاستجابة المغناطيسية نفسها في كل اتجاه.

تُعالج أنواع الفولاذ الكهربائي غير الموجه لتقليل الفروق الاتجاهية، لا لإنشاء اتجاه سهل مهيمن واحد. ويشمل ASTM A677 المواد غير الموجهة المعالجة بالكامل والمخصصة للتطبيقات التي تستخدم أساسًا أجهزة مغناطيسية بترددَي 50 و60 Hz. وبموجب هذا المعيار، تُصنَّف الدرجات وفقًا لأقصى فقد في القلب يُقاس عند 60 Hz و1.5 T باستخدام طريقة اختبار Epstein. ولذلك فإن تسمية الدرجة تنقل نتيجة في ظل اختبار محدد، لا قيمة عالمية لفقد الهسترة عند كل حث وتردد.

وتؤثر حالة التسليم أيضًا في حركة الجدران. فقد خضعت الصفائح المعالجة بالكامل للتخمير النهائي ومعالجة السطح المقصودين لإرساء حالتها المغناطيسية. أما الصفائح غير الموجهة شبه المعالجة، التي يغطيها ASTM A683 وIEC 60404-8-3:2023، فتُورَّد لكي يجري المستخدم معالجة لاحقة عليها. ويمكن أن يغير القطع، والتثقيب، وتخمير إزالة الإجهاد، والتخمير النهائي تثبيت جدران المجالات. ولا يجوز التعامل مع تصنيف شبه المعالجة باعتباره نسخة أقل دقة من درجة معالجة بالكامل.

يمكن للسيليكون والألومنيوم رفع المقاومة النوعية الكهربائية وتعديل السلوك المغناطيسي، لكن التركيب الكيميائي وحده لا يحدد فقد الهسترة. فقد يكون للتخمير، ونمو الحبيبات، والنسيج، والتحكم في الإجهاد تأثير أكبر في شكل الحلقة مما يوحي به مجرد مقارنة النسب الاسمية للسيليكون. وينطبق التحفظ نفسه على السُمك: فقد تقلل الصفيحة الأقل سُمكًا فقد التيارات الدوامية، بينما يظل فقد الهسترة محكومًا أساسًا بالنسيج، والعيوب، وتثبيت جدران المجالات.

فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي في الصفائح الرقيقة

يؤدي تغير الفيض المغناطيسي إلى حث مجالات كهربائية داخل صفيحة فولاذية موصلة. وتدفع هذه المجالات تيارات دورانية، تُسمى التيارات الدوامية، في مستويات ترتبط بالفيض المتغير. وتواجه هذه التيارات المقاومة الكهربائية للفولاذ، فتبدد القدرة على شكل حرارة. وهذه هي مساهمة فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي.

في نموذج بسيط لصفيحة رقيقة مكدسة تحت إثارة جيبية، يزداد فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي تقريبًا مع مربع التردد، ومربع الحث الأعظمي، ومربع سُمك الصفيحة الرقيقة، بينما ينخفض مع زيادة المقاومة النوعية الكهربائية. ولا تتيح هذه العلاقة مقارنة السُمك بمعزل عن غيره. إذ يعتمد المعامل على الهندسة، وتوزيع الفيض، وشكل الموجة، ومدى قيام العزل بقطع مسارات التيار.

تقلل الصفائح الرقيقة المكدسة المساحة المتاحة للتيارات الدورانية. ويضيف الطلاء العازل كهربائيًا على كل صفيحة مقاومة بين الطبقات المتجاورة، مانعًا حلقة تيار كبيرة من عبور الرصة. ويصنّف ASTM A976 الطلاءات العازلة للفولاذ الكهربائي؛ ولذلك فإن تصنيف الطلاء جزء من البنية المغناطيسية، وليس مجرد وصف لتشطيب السطح. ويمكن لطلاء تالف، أو رقيق، أو غير مستمر، أو موصل كهربائيًا أن يزيد فقد الرصة حتى عندما يستوفي الفولاذ الأساسي درجته المغناطيسية المحددة.

يزيد السيليكون المقاومة النوعية، ويمكن للألومنيوم أن يساهم في استراتيجية التحكم في هذا الفقد عند وجوده ضمن نظام التركيب والمعالجة المنطبق. وتعمل المقاومة النوعية الأعلى على كبح التيارات الدوامية الكلاسيكية، لكنها قد تؤثر أيضًا في المطيلية، وتطور النسيج، ونمو الحبيبات، وسلوك التشبع. ولذلك فإن محتوى السيليكون متغير تصميمي، وليس قاعدة لمعادلة الدرجات. فعبارة «سيليكون أكثر» لا تحدد درجة معيارية بعينها ولا تضمن انخفاض الفقد الكلي المقاس.

وبالمثل، يجب تفسير السُمك مع مراعاة حالة الاختبار. يغطي IEC 60404-8-3:2023 شرائط وصفائح الفولاذ الكهربائي غير الموجه المدرفلة على البارد والموردة في الحالة شبه المعالجة، بما في ذلك السماكات الاسمية 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 mm. ويغطي IEC 60404-8-7:2017 المواد الموجهة الحبيبات والمعالجة بالكامل بسماكات اسمية تبلغ 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 mm. وتوضح هذه النطاقات اختلافًا في البنية، لكنها لا تثبت أن كل صفيحة بسُمك 0.23 mm لها فقد كلي أقل من كل صفيحة بسُمك 0.35 mm. إذ يظل لفقد الهسترة والمساهمات الزائدة دور، وقد يختلف حث الاختبار.

ويؤثر القطع والتكديس أيضًا في النتيجة العملية. فقد تُنشئ الزوائد نتوءات جسورًا كهربائية بين الصفائح الرقيقة. ويؤدي التثقيب إلى تشوه لدن وإجهاد متبقٍ قرب الحواف، مما يزيد فقد الهسترة المحلي ويغير أنماط المجالات. وقد يعيد تخمير إزالة الإجهاد جزءًا من الأداء المغناطيسي، لكن تأثيره يعتمد على فئة الفولاذ، والطلاء، والجو، والدورة الحرارية.

الفقد الزائد أو الشاذ والبنية المجهرية الحقيقية

الفقد الزائد هو المساهمة الديناميكية الإضافية المرتبطة ببنية المجالات وعدم تجانس المغنطة. وهو ليس مجرد حد التيارات الدوامية الكلاسيكي المحسوب من السُمك والمقاومة النوعية. فعند الإثارة المتناوبة، تتحرك جدران المجالات في خطوات متقطعة، لا كجبهة واحدة ملساء تتقدم بصورة منتظمة. وينشئ كل جدار متحرك تغيرات محلية في الفيض المغناطيسي، ومن ثم تيارات دوامية محلية. وتتفاعل هذه التيارات مع حركة الجدار، فتنتج فقدًا ديناميكيًا يتجاوز الحساب الكلاسيكي المثالي.

ويتحكم نمط المجالات الحقيقي في هذه المساهمة. إذ تنشئ حدود الحبيبات، والشوائب، وحقول الإجهاد، وتلف السطح، وتباعد المجالات وشكلها، مناطق تتبدل عند مجالات وأزمنة مختلفة. ومع ارتفاع التردد، يتاح للجدران وقت أقل للاستجابة قبل أن يتغير المجال المطبق من جديد. ويزيد عدم تجانس المغنطة الناتج عن ذلك المكوّن الزائد. ويمكن لصقل المجالات أن يقلل حجم تغيرات الفيض المحلية ويقصّر مسارات التيار حول الجدران المتحركة، ولذلك تُستخدم معالجات التحكم في المجالات في بعض المنتجات الموجهة الحبيبات.

يوضح الفولاذ الكهربائي الموجه الحبيبات أهمية الفصل بين هذه الآليات. إذ يغطي ASTM A876 فولاذ السيليكون-الحديد منخفض الكربون والموجه الحبيبات، المحتوي على نحو 3.2% من السيليكون، ويشمل الدرجات التقليدية، ودرجات النفاذية العالية، والدرجات المحزوزة بالليزر. ويميز أسلوب تحديد الدرجات في ASTM بين درجات الفولاذ التقليدية الموجهة الحبيبات والمخصصة للاختبار عند 1.5 T، ودرجات مخصصة للاختبار عند 1.7 T. ويجب أن يحافظ الفقد المبلغ عنه على شرط الحث هذا. ويُقصد بـ ASTM A804/A804M أساسًا إجراء قياسات التيار المتناوب أحادي الاتجاه على الفولاذ الموجه الحبيبات والمسطح حراريًا، مع نتائج قابلة للمقارنة بطريقة Epstein ذات طول 25 cm؛ ولا يمكن استبدال تهيئته أحادية الاتجاه باختبار متماثل الخواص.

يغير التحزيز بالليزر بنية المجالات محليًا ويمكن أن يقلل الفقد في ظل شروط محددة، لكنه لا يلغي آثار الإجهاد، والقطع، والتكديس، والفيض العرضي. وبالمثل، يمكن لمحاذاة الحبيبات أن تخفض الفقد المقاس على طول اتجاه الدرفلة، مع إنتاج استجابة مختلفة بعيدًا عن ذلك الاتجاه. ولذلك ينتمي الفولاذ الموجه الحبيبات والمعالج بالكامل وفق IEC 60404-8-7:2017، والفولاذ غير الموجه والمعالج بالكامل وفق ASTM A677، إلى فئتين مغناطيسيتين مختلفتين، حتى لو جعلت نتيجة اختبار واحدة فقدهما الكلي يبدو متشابهًا.

والخلاصة العملية دقيقة: يتطلب التحكم في فقد القلب مواءمة فئة الفولاذ، وحالة التسليم، والسُمك، والطلاء، والاتجاه، والتردد، والحث، وشكل الموجة، وطريقة اختبار العينة مع التطبيق. يصف فقد الهسترة الدورات غير العكوسة، ويصف فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي التيارات المستحثة بالفيض المتغير، بينما يلتقط الفقد الزائد التأثيرات الديناميكية الناشئة عن بنية المجالات وعدم تجانس المغنطة. ويحتوي الفقد الكلي المقاس على المساهمات الثلاث جميعًا. ومعاملته باعتباره واحدًا منها فقط يؤدي إلى تفسير خاطئ، وقد يقود إلى اختيار مادة أو قرار معالجة غير صحيح.

السُّمك والتصفيح والطلاءات العازلة بوصفها وسائل للحد من الفقد

يصف سُمك الفولاذ الكهربائي، وسُمك الطلاء، وأبعاد القلب المُجمَّع خصائص فيزيائية مختلفة. ويؤدي التعامل معها على أنها قابلة للتبادل إلى تنبؤات غير صحيحة بفقد القلب. فسُمك الصفيحة هو مقياس سُمك تصفيحة فولاذية واحدة. أما سُمك الطلاء فهو سُمك الغشاء ذي المقاومة الكهربائية على سطحها. وتشمل هندسة الرص عدد الصفائح، وتراكبها ووصلاتها، ومعامل الرص، واتجاه الفيض، والمسار المغناطيسي المُجمَّع. ولا يعني القلب المصنوع من صفيحة أرق تلقائيًا أن إجمالي فقده أقل، إذا عوّض تلف القطع، أو سوء العزل، أو التثبيت المفرط، أو الدرجة المغناطيسية غير الملائمة، الانخفاضَ في فقد التيارات الدوامية.

تفصل دراسة KIT المنشورة عام 2017 فقد قلب المحول إلى فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، والفقد الزائد. وترتبط حركة جدران المجالات بفقد الهسترة؛ إذ يُحدث الفيض المغناطيسي المتناوب تيارات دورانية؛ أما المساهمة الديناميكية المتبقية فتُعامل بوصفها فقدًا زائدًا. ويؤثر تصميم التصفيح والطلاء بصورة مباشرة أساسًا في الحدود المرتبطة بالتيار، ولا يحل محل البنية النسيجية البلورية الملائمة، أو الكيمياء المناسبة، أو التحكم في الإجهاد، أو شروط الاختبار.

لماذا يقلل استخدام الصفيحة الأرق عادةً مسارات التيارات الدوامية بين الصفائح

ينتج الفيض المغناطيسي المتغير مجالًا كهربائيًا. وفي قلب فولاذي مصمت، يمكن لذلك المجال أن يدفع تيارات دورانية عبر حلقات تمتد داخل المادة. وتبدد هذه التيارات القدرة بفعل المقاومة الكهربائية للفولاذ، فتنتج فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي وتغير المجال المغناطيسي المحلي. وكلما كبر بُعد الحلقة المتاح في الاتجاه المتأثر بالفيض المتغير، زاد الجهد المستحث حول تلك الحلقة.

يقسم القلب المُصَفَّح حجمًا موصلًا كبيرًا إلى صفائح رقيقة عديدة. وتحمل كل صفيحة الفيض أساسًا في مستواها، في حين تقطع الواجهات بين الصفائح سريان التيار من تصفيحة إلى أخرى. وبالنسبة إلى مكوّن التيارات الدوامية الكلاسيكي، تتضمن العلاقة التبسيطية المألوفة مربع سُمك التصفيح: فعند ثبات التردد، والحث، والمقاومية، وشكل الموجة، يؤدي تقليل السُّمك عمومًا إلى انخفاض كبير غير متناسب في هذا المكوّن. وهذه العبارة تمثل اتجاهًا عامًا، وليست ضمانًا مستقلًا عن الدرجة. فالفقد الفعلي يشمل أيضًا مكوّني الهسترة والفقد الزائد، كما يمكن لإجهادات التصنيع أن تزيدهما.

وتنشأ الفائدة الفيزيائية من تأثيرين مترابطين. أولًا، توفر الصفيحة الأرق بُعدًا أقصر لحلقات التيار المستحث. وثانيًا، تمنع مجموعة الصفائح المعزولة كلٌّ منها على حدة تلك الحلقات من الاتصال عبر الأوجه العريضة للصفائح المتجاورة. وإذا أصبحت الواجهات موصولة كهربائيًا، فقد يقترب البُعد الفعّال للحلقة من ارتفاع جزء كبير من القلب أو عرضه، مما يبطل قدرًا كبيرًا من فائدة تصميم التصفيح.

ولذلك لا تكون قيم السُّمك المحددة في معيار المنتج ذات معنى إلا عند ربطها بفئة المادة وحالة التسليم. يغطي المعيار IEC 60404-8-3:2023 الشرائط والصفائح الفولاذية الكهربائية غير الموجّهة، المدرفلة على البارد، والمسلَّمة في الحالة نصف المُعالجة، بسماكات اسمية قدرها 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 mm. وهذه سماكات منتجات محددة بالمعايير، وليست تصنيفات أداء عامة. ولا يزال يتعين تقييم صفيحة غير موجّهة نصف مُعالجة بأحد هذه المقاسات وفق اختبارها المغناطيسي المحدد وظروف معالجتها.

ويغطي المعيار IEC 60404-8-7:2017 الفولاذ الكهربائي الموجّه حبيبيًا، والمدرفل على البارد، والمسلَّم في الحالة المُعالجة بالكامل، بما في ذلك السماكات الاسمية 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 mm. وتُستخدم المادة الموجّهة حبيبيًا عادةً مع توجيه الفيض أساسًا على امتداد اتجاه الدرفلة، ولذلك يعمل السُّمك والبنية النسيجية معًا. ولا يمكن مقارنة صفيحة موجّهة حبيبيًا بسُمك 0.27 mm بصفيحة غير موجّهة نصف مُعالجة بسُمك 0.50 mm اعتمادًا على السُّمك وحده، لأن بنيتهما النسيجية، ومعالجتهما الحرارية، واتجاههما المغناطيسي، وحالة تسليمهما مختلفة.

كما تزيد الصفائح الأرق عدد الواجهات في ارتفاع رصّ معين. وقد يؤدي ذلك إلى تقليل حجم الفولاذ لكل وحدة من الأبعاد الخارجية، لأن الطلاءات والفجوات الصغيرة تشغل جزءًا من الرص. ويكتسب معامل الرص الناتج أهمية؛ فالحزمة التي يبلغ ارتفاعها الاسمي 100 mm لا تحتوي على 100 mm من الفولاذ المغناطيسي. ويضيف القطع والتثقيب عاملًا آخر يجب أخذه في الحسبان. فقد تصل النتوءات إلى الصفائح المجاورة كهربائيًا، في حين يمكن للإجهاد المتبقي قرب حواف القطع أن يزيد فقد الهسترة والفقد الزائد. ومن ثم، قد تخفض المادة الأرق فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، بينما يؤدي سوء التصنيع إلى زيادة المساهمات الأخرى.

الدور الكهربائي للعزل السطحي

لا يُعد الطلاء مجرد حاجز ضد التآكل أو طبقة للتعامل مع المادة. فوظيفته الكهربائية هي الحفاظ على مقاومة عالية عبر الأوجه العريضة للصفائح المتجاورة، بحيث يظل التيار المستحث محصورًا إلى حد كبير داخل صفيحته الخاصة. ولا يلزم للطلاء أن يوقف سريان التيار على امتداد الصفيحة؛ إذ يستحيل ذلك من دون تغيير الفولاذ نفسه. بل يجب أن يحد من عبور التيار للواجهة بين الصفائح.

ويوضح هذا التمييز سبب أهمية استمرارية الطلاء. فقد تنشئ منطقة صغيرة متضررة، أو حافة مكشوفة، أو ملوِّثًا موصلًا، أو نتوء تثقيب، جسرًا عبر عدة صفائح. ولا يؤدي جسر واحد بالضرورة إلى قصر القلب بأكمله، لكن جسورًا عديدة قد تشكل مسارات ممتدة بين الصفائح. كما قد يؤدي ضغط التثبيت إلى ضغط الطلاء أو إتلافه، ويمكن لعمليات اللحام أو الربط أن تنشئ وصلات موصلة محلية. ولذلك يؤثر تجميع القلب في الفقد حتى عندما تظل الصفيحة الفولاذية وطلاؤها الاسمي دون تغيير.

ولسُمك الطلاء ولسُمك الصفيحة نتائج مختلفة. فتغيير سُمك الصفيحة يغير منطقة الفولاذ التي يتطور عبرها الفيض والتيارات الدوامية. أما زيادة سُمك الطلاء فتزيد أساسًا الفصل الكهربائي وتقلل نسبة الرص الثابتة التي يشغلها الفولاذ. وهي لا تحول التصفيح السميك إلى تصفيح رقيق. وبالعكس، فإن الطلاء الرقيق جدًا على صفيحة رقيقة لا يعادل صفيحة أسمك لها السُّمك الكلي نفسه للحزمة.

ويجب أن يتحمل العزل أيضًا عمليات التصنيع والعمليات الحرارية المحددة. فقد يتلقى الفولاذ الموجّه حبيبيًا، المُعالج بالكامل، معالجة لتخفيف الإجهاد أو غيرها من المعالجات المنضبطة المرتبطة بمواصفته؛ أما الفولاذ غير الموجّه، نصف المُعالج، فيُورَّد لإجراء معالجة لاحقة يمكن أن تغير خواصه المغناطيسية. ويجب النظر في المقاومة الكهربائية، والالتصاق، وتحمل درجة الحرارة، والاستجابة للقطع أو التخمير معًا، غير أنه لا ينبغي التعامل مع تصنيف الطلاء على أنه قيمة عددية لفقد القلب.

يُعد ASTM A976 المواصفة ذات الصلة من ASTM لتصنيف الطلاءات العازلة للفولاذ الكهربائي. ولا تستخدم ASTM المعيار A976 بديلًا عن معايير منتجات الفولاذ المغناطيسي. وتحدد اللجنة الفرعية A06.02 التابعة لـ ASTM المعيار ASTM A677 للفولاذ الكهربائي غير الموجّه المُعالج بالكامل، والمعيار ASTM A683 للفولاذ الكهربائي غير الموجّه نصف المُعالج، والمعيار ASTM A876 للفولاذ الكهربائي الموجّه حبيبيًا المُعالج بالكامل، والمعيار ASTM A976 لتصنيف الطلاءات العازلة. ويحدد تصنيف الطلاء نوع الطلاء أو فئته ضمن إطار المعيار المنطبق؛ لكنه لا يثبت، بمفرده، فقد القلب لفولاذ معين عند تردد وحث غير مذكورين. ولذلك يجب أخذ فئات الطلاء والأداء المقاس من الإصدار المنطبق من ASTM A976، لا استنتاجها أو إسنادها استنادًا إلى مظهر الصفيحة.

وتظل مقارنات فقد القلب مرتبطة بظروف القياس. فعلى سبيل المثال، يغطي ASTM A677 أنواع الفولاذ الكهربائي غير الموجّه المُعالج بالكامل والمستخدمة أساسًا في الأجهزة المغناطيسية ذات الترددين 50 و60 Hz، مع تصنيف الدرجات وفق أقصى فقد للقلب يُقاس عند 60 Hz و1.5 T باستخدام طريقة اختبار Epstein. أما ASTM A804/A804M فيُستخدم أساسًا للقياسات أحادية الاتجاه للتيار المتناوب على الفولاذ الكهربائي الموجّه حبيبيًا والمُسطَّح حراريًا، مع نتائج قابلة للمقارنة بطريقة Epstein ذات 25 cm. كما تميز تسميات درجات الفولاذ الموجّه حبيبيًا بين الدرجات التقليدية المختبرة عند 1.5 T ودرجات أخرى مخصصة للاختبار عند 1.7 T. ويكون ذكر الفقد من دون تردده، وحثه، وطريقة اختبار العينة، واتجاه الدرفلة عند انطباقه، وحالة التسليم، غير مكتمل. فالسُّمك والطلاء يتحكمان في المسارات الكهربائية، لكنهما لا يلغيَان ظروف القياس تلك.

الاختبارات المغناطيسية: طرق إبشتاين، والصفحة المفردة، والاتجاه الواحد

ليست الخاصية المغناطيسية رقمًا قائمًا بذاته، بل ترتبط بشروط الاختبار: فئة المادة، وحالة التوريد، وهندسة العينة، والمسار المغناطيسي، والتردد، وقيمة الحث القصوى، والاتجاه بالنسبة إلى اتجاه الدرفلة، والعزل الكهربائي بين الصفائح. وقد يؤدي الإبلاغ عن «فاقد القلب» من دون هذه التفاصيل إلى جعل قياسين صحيحين يبدوان متناقضين.

تكمن أهمية هذا التمييز في أن الفولاذ الكهربائي لا يمثل فئة واحدة من المواد. فالفولاذ الكهربائي غير الموجَّه المعالج بالكامل، والفولاذ الكهربائي غير الموجَّه نصف المعالج، والفولاذ الكهربائي الموجَّه الحبيبات المعالج بالكامل، تتمتع جميعها ببنى نسيجية ومعالجات حرارية وتطبيقات مقصودة واصطلاحات اختبار مختلفة. وترجمَت اللجنة الفرعية A06.02 التابعة لـ ASTM هذه الفروق إلى معايير منفصلة: إذ يغطي ASTM A677 الفولاذ غير الموجَّه المعالج بالكامل، ويغطي ASTM A683 الفولاذ غير الموجَّه نصف المعالج، ويغطي ASTM A876 الفولاذ الموجَّه الحبيبات المعالج بالكامل، بينما يصنّف ASTM A976 الطلاءات العازلة.

كما أن الفاقد المقاس ينشأ من عدة مصادر فيزيائية. وتفصل دراسة معهد كارلسروه للتكنولوجيا لعام 2017 فاقد قلب المحول إلى فاقد هستيري، وفاقد تيارات دوامية كلاسيكي، وفاقد زائد. وينشأ الفاقد الهستيري عندما تتحرك جدران المجالات عبر العيوب ومواقع التثبيت أثناء عكس المغنطة. أما فاقد التيارات الدوامة الكلاسيكي فتسببه التيارات المستحثة في الفولاذ عند تغير الفيض المتناوب. ويمثل الفاقد الزائد فاقدًا ديناميكيًا إضافيًا يرتبط بالحركة غير المنتظمة لجدران المجالات وبالعمليات المغناطيسية الموضعية. وتسجل طريقة الاختبار تأثيرها المشترك في ظل شكل موجي وتردد محددين؛ ولا تحدد فئة المادة اعتمادًا على تركيبها الكيميائي وحده.

طريقة إبشتاين ذات 25 سم وعينات الشرائح

تستخدم طريقة إبشتاين ذات 25 سم شرائح ضيقة مستطيلة تُجمَّع لتكوين دائرة مغناطيسية مربعة. ويبلغ طول العينة تقليديًا 25 سم، وتُرتَّب الشرائح بحيث يتضمن المسار المغناطيسي مادة مقطوعة في اتجاهات الاختبار الرئيسية. ولذلك لا يمثل الاختبار قياسًا على جزء معزول من صفيحة، بل هو تجميع مضبوط ترتبط فيه قوة المغنطة المطبقة والجهد المستحث والفيض وكتلة العينة أو حجمها بالكميات المغناطيسية المُبلَّغ عنها.

وبالنسبة إلى الصفائح غير الموجَّهة، يوفر هذا الترتيب استجابة معيارية متوسطة لمادة مأخوذة من اتجاهات مختلفة. وتفيد هذه المتوسطية لأن الفولاذ الكهربائي غير الموجَّه مصمم للحد من الفروق الاتجاهية، بدل تركيز أدائه المغناطيسي على اتجاه بلوري واحد. ومع ذلك، تظل النتيجة متأثرة بالقطع، والنتوءات، وحالة العينة، والتكديس، والعزل، وطريقة التحكم في الإثارة.

ويمثل ASTM A677 المثال الأساسي. فهو يغطي أنواع الفولاذ الكهربائي غير الموجَّه المعالج بالكامل والمستخدمة أساسًا في الأجهزة المغناطيسية ذات الترددين 50 و60 هرتز، ويصنّف الفئات وفق الحد الأقصى لفقد القلب المقاس عند 60 هرتز و1.5 تسلا باستخدام طريقة اختبار إبشتاين. ويُعد التردد والحث جزءًا من معيار تصنيف الفئة. فالقيمة المقاسة عند 50 هرتز أو عند 1.0 تسلا لا تمثل نتيجة التصنيف نفسها وفق ASTM A677، حتى عندما تكون الشرائح والجهاز المستخدمان دون تغيير.

ويجب أن تمثل الشرائح أيضًا حالة التوريد المحددة. فقد خضعت الصفيحة المعالجة بالكامل إلى التلدين النهائي ومعالجة العزل اللازمين لتحديد حالتها المغناطيسية عند التوريد. أما الفولاذ غير الموجَّه نصف المعالج فهو مختلف؛ إذ يمكن أن يعتمد تطوره المغناطيسي النهائي على معالجة المستخدم، التي تشمل عادةً تلدين إزالة الإجهاد. ويغطي IEC 60404-8-3:2023 الشريط والصفائح المصنوعة من الفولاذ الكهربائي غير الموجَّه والمدرفل على البارد، والمورَّدة في الحالة نصف المعالجة، بما في ذلك السماكات الاسمية 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 مم. ولا تتحول تسميات السماكة هذه تلقائيًا إلى فئات الفولاذ المعالج بالكامل وفق ASTM A677.

تؤثر السماكة في الفاقد، لكنها لا تحل محل تسمية الفئة. فعادةً ما يؤدي تقليل سماكة الصفائح إلى تقصير المسار المتاح للتيارات الدوامة الدائرة. كما يقطع العزل الكهربائي على السطح هذه التيارات، في حين تؤدي إضافات السيليكون والألومنيوم إلى زيادة المقاومة النوعية الكهربائية. ومع ذلك، يعتمد الفاقد النهائي أيضًا على النسيج البلوري، وحجم الحبيبات، والإجهاد، والطلاء، والشكل الموجي، والتردد. ولذلك لا يمكن ترتيب صفيحة رقيقة اختُبرت في حالة معينة، اعتمادًا على السماكة وحدها، مقارنةً بصفيحة أكثر سماكة اختُبرت وفق معيار آخر.

ASTM A804/A804M للصفائح الموجَّهة الحبيبات

يتطلب الفولاذ الكهربائي الموجَّه الحبيبات تركيزًا مختلفًا، لأن سلوكه المغناطيسي اتجاهي عمدًا. ففي المادة الموجَّهة الحبيبات والمسطحة حراريًا، يرتبط اتجاه الدرفلة بنسيج جوس القوي، ولذلك يمكن أن تختلف المغنطة على امتداد ذلك الاتجاه اختلافًا كبيرًا عن المغنطة المستعرضة له. وقد يخفي الاختبار الذي يحسب متوسط الاتجاهات الخاصية المهمة في قلب المحول.

ويُخصَّص ASTM A804/A804M أساسًا للقياسات المغناطيسية أحادية الاتجاه للتيار المتناوب على الفولاذ الكهربائي الموجَّه الحبيبات والمسطح حراريًا، والمستخدم كمادة للصفائح الرقيقة في قلوب المحولات. وعلى خلاف تجميع إبشتاين التقليدي، صُممت هذه الطريقة لقياس المادة في اتجاه مغناطيسي محدد. وتذكر ASTM International أن نتائج ASTM A804/A804M قابلة للمقارنة بنتائج طريقة إبشتاين ذات 25 سم، إلا أن «قابلة للمقارنة» لا تعني أن ترتيب العينة والمعلومات الاتجاهية قابلان للتبادل. ولذلك يجب ذكر الطريقة مع النتيجة.

يمكن لاختبار الصفحة المفردة أو الاختبار أحادي الاتجاه أن يكشف سلوك المادة الموجَّهة الحبيبات في اتجاه الدرفلة بصورة أكثر مباشرة من تجميع شرائح متعدد الاتجاهات. وتُمغنط العينة على امتداد اتجاه محدد، ويُحدَّد الحث المتناوب انطلاقًا من الجهد المستحث. ومن ثم تحمل قيمة الفاقد المُبلَّغ عنها معنى اتجاهيًا: فلا ينبغي تفسير قيمة اتجاه الدرفلة على أنها متوسط لصفيحة متساوية الخواص، كما لا يجوز إحلال نتيجة الاتجاه المستعرض محلها.

يغطي ASTM A876 أنواع فولاذ السيليكون والحديد الموجَّه الحبيبات منخفض الكربون، التي تحتوي على نحو 3.2% من السيليكون. ويشمل الفئات التقليدية، وذات النفاذية العالية، والمخططة بالليزر. أما IEC 60404-8-7:2017 فيغطي الشريط والصفائح المصنوعة من الفولاذ الكهربائي الموجَّه الحبيبات والمدرفل على البارد، والمورَّدة في الحالة المعالجة بالكامل، بما في ذلك المادة ذات النسيج الموجَّه وفق جوس وبالسماكات الاسمية 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 مم. وتصف هذه الوثائق الفئات وحالات التوريد؛ بينما توفر طريقة الاختبار سياق القياس الذي يجعل الخاصية المغناطيسية المدرجة ذات معنى.

تفسير شروط الحث والتردد

لا يتبادل الحث، الذي يُعبَّر عنه عادةً بوحدة التسلا، مع شدة المجال المغناطيسي. ففي اختبار التيار المتناوب، يحدد شكل موجة الحث وقيمته القصوى مدى دفع المادة على طول منحنى المغنطة. وعند الحث الأعلى، يمكن أن تؤدي عمليات المجالات وتأثيرات التشبع إلى زيادة الفاقد زيادة كبيرة. ويغير التردد عدد مرات عكس المغنطة في الثانية، ويزيد المساهمات الديناميكية، ولا سيما فاقد التيارات الدوامة والفاقد الزائد.

ولهذا تميز ممارسة ASTM بين تسميات المواد الموجَّهة الحبيبات المختبرة عند 1.5 تسلا وتلك المختبرة عند 1.7 تسلا. إذ تُحدَّد الفئات التقليدية الموجَّهة الحبيبات للاختبار عند 1.5 تسلا، بينما تُحدَّد فئات أخرى من الفولاذ الموجَّه الحبيبات للاختبار عند 1.7 تسلا. وتحدد التسمية الحث الموصوف للتصنيف أو للخاصية المُبلَّغ عنها؛ وليست مجرد نقطة تشغيل مفضلة. وقد تؤدي مقارنة نتيجة عند 1.5 تسلا بنتيجة عند 1.7 تسلا كما لو كانتا اختبارًا للفئة نفسها إلى عكس الترتيب الظاهري للأداء.

وينطبق التحذير نفسه على التردد. فشرط التصنيف في ASTM A677 هو 60 هرتز و1.5 تسلا، بما يعكس استخدامه الأساسي في الأجهزة ذات الترددين 50 و60 هرتز. أما الاختبار عند 400 هرتز فيقيس توازنًا مختلفًا بين الفاقد الهستيري وفاقد التيارات الدوامة الكلاسيكي والفاقد الزائد. وحتى إذا ظلت المادة والسماكة وطريقة العينة ثابتة، فلا يجوز نقل الرقم من دون نموذج تردد مبرر وافتراضات متوافقة بشأن الشكل الموجي.

ولذلك يذكر التقرير القابل للدفاع عنه معيار المادة وتسمية الفئة، وحالة التوريد، والسماكة الاسمية، وطريقة اختبار العينة، والتردد، وقيمة الحث القصوى، والشكل الموجي عند اللزوم، وحالة العزل، واتجاه الاختبار. وبالنسبة إلى الفولاذ الموجَّه الحبيبات، يجب تحديد اتجاه الدرفلة صراحةً. فعبارة «فاقد القلب: 1.5 واط/كغ» غير مكتملة؛ أما عبارة «فاقد القلب المقاس بطريقة إبشتاين ذات 25 سم عند 60 هرتز و1.5 تسلا على فولاذ غير موجَّه معالج بالكامل» فتحدد نتيجة صالحة للاستخدام. وفي القياس أحادي الاتجاه للفولاذ الموجَّه الحبيبات، يكون الاتجاه وطريقة ASTM A804/A804M ضروريين بالقدر نفسه.

طريقة الاختبار جزء من الخاصية، وليست حاشية تُضاف بعدها.

كيفية قراءة درجة التصنيف أو ورقة البيانات من دون إساءة تفسيرها

إن تعيين درجة التصنيف ليس مواصفة مغناطيسية كاملة. فهو يحدد مادة ضمن معيار معيّن، لكن السلوك المبلّغ عنه يعتمد أيضاً على حالة التسليم، والسماكة، وتردد الاختبار، والتحريض المغناطيسي، واتجاه العينة، وطريقة القياس. ويمنع اتباع تسلسل قراءة منضبط الخطأ الشائع المتمثل في التعامل مع نسبة السيليكون أو السماكة الاسمية الصغيرة بوصفها بديلاً مباشراً عن الأداء المغناطيسي.

فكّ معيار التصنيع وحالة التسليم وعائلة درجات التصنيف

ابدأ بالمعيار الحاكم، لا برقم درجة التصنيف. فعلى سبيل المثال، يغطي ASTM A677 أنواع الفولاذ الكهربائي غير الموجّه المعالج بالكامل، والمخصص أساساً للأجهزة المغناطيسية ذات الترددين 50 و60 هرتز. وتُصنَّف درجاته وفقاً لأقصى فقد في القلب يُقاس عند 60 هرتز و1.5 T باستخدام طريقة اختبار Epstein، كما هو محدد في ASTM A677-07 (ASTM International، 2007). ولا يصف هذا التصنيف كل ظروف التشغيل الممكنة.

ثم حدّد حالة التسليم. فقد خضعت المادة المعالجة بالكامل للمعالجة الحرارية المغناطيسية المطلوبة في مواصفتها، وتُورَّد بعد إثبات خصائصها المغناطيسية. أما المادة نصف المعالجة فتُورَّد لإخضاعها لمزيد من المعالجة من جانب المستخدم، ويشمل ذلك عادةً التخمير النهائي. لذلك لا ينبغي قراءة سلوكها المغناطيسي عند التسليم على أنه مكافئ لسلوك الصفائح المعالجة بالكامل.

وتوضح خريطة معايير ASTM هذا التمييز بجلاء. إذ تدرج اللجنة الفرعية A06.02 التابعة لـ ASTM المعيار ASTM A677 للفولاذ غير الموجّه المعالج بالكامل، والمعيار ASTM A683 للفولاذ غير الموجّه نصف المعالج، والمعيار ASTM A876 للفولاذ الموجّه حبيبياً المعالج بالكامل. ويتناول ASTM A976 تصنيف الطلاءات العازلة. أما ورقة البيانات التي لا تذكر سوى عبارة «فولاذ كهربائي»، فقد أغفلت المعلومات اللازمة لوضع المادة ضمن هذه الخريطة.

بعد ذلك حدّد عائلة الفولاذ. صُمم الفولاذ الكهربائي غير الموجّه لتوفير سلوك مغناطيسي متقارب نسبياً في الاتجاهات المختلفة داخل مستوى الصفيحة، رغم أنه ليس مستقلاً تماماً عن الاتجاه. أما الفولاذ الكهربائي الموجّه حبيبياً فيمتلك بنية نسيجية بلورية قوية، ترتبط عادةً باتجاه Goss، ويُقيَّم عادةً على امتداد اتجاه الدرفلة أو اتجاه آخر محدد. وتخدم العائلتان تصميمات مختلفة للدوائر المغناطيسية، ولا ينبغي مقارنتهما باستخدام تسلسل واحد لأرقام درجات التصنيف.

يغطي ASTM A876 فولاذاً موجهاً حبيبياً منخفض الكربون من الحديد والسيليكون، يحتوي تقريباً على 3.2% من السيليكون. ويشمل درجات تقليدية، ودرجات عالية النفاذية، ودرجات محفورة بالليزر. أما IEC 60404-8-7:2017 فيغطي شرائط وصفائح الفولاذ الكهربائي الموجّه حبيبياً والمدرفلة على البارد، والمورّدة في حالة المعالجة الكاملة، بما في ذلك السماكات الاسمية 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 مم. وتمثل هذه السماكات قيماً مميزة مدرجة في معيار المنتج المذكور، لكنها لا تمثل بحد ذاتها ترتيباً للأداء.

وبالنسبة إلى المواد غير الموجّهة نصف المعالجة، يحدد IEC 60404-8-3:2023 السماكات الاسمية 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 مم، إلى جانب الخصائص المغناطيسية، وسماحات الأبعاد، وإجراءات الفحص. ولا يؤدي وجود سماكة ضمن هذه القائمة إلى جعل صفيحة ما مكافئة لدرجة فولاذ غير موجّه معالجة بالكامل وبالسماكة نفسها.

سجّل السماكة الاسمية بصورة منفصلة عن درجة التصنيف. وسجّل أيضاً معلومات الطلاء أو العزل. فالطلاء العازل كهربائياً يزيد المقاومة بين الصفائح ويقلل التيار المتداول بين الصفائح المتجاورة؛ ويوفر ASTM A976 إطار تصنيف الطلاءات ذي الصلة. ويمكن للسيليكون والألومنيوم زيادة المقاومة النوعية الكهربائية، في حين يؤثر التحكم في النسيج البلوري والمعالجة في فقد الهسترة والنفاذية. ولا تحدد أي من هذه السمات، إذا نُظِر إليها منفردة، قيمة فقد القلب النهائية.

اقرأ تصنيفات الحد الأقصى لفقد القلب بصورة صحيحة

إن فئة الحد الأقصى لفقد القلب هي حد اجتياز في ظل ظروف محددة، وليست ثابت فقد عامّاً. فإذا أسند ASTM A677 درجة تصنيف إلى مادة استناداً إلى الحد الأقصى للفقد عند 60 هرتز و1.5 T وباختبار Epstein، فإن القيمة تنطبق على ذلك القياس المحدد. ولا تتنبأ تلقائياً بالفقد عند 400 هرتز، أو عند 1.0 T، أو في ظل فيض مغناطيسي دوّار، أو بعد عملية تثقيب وإزالة إجهاد مختلفة.

ومن المفيد عند نقل البيانات إبقاء الشرط ملاصقاً للرقم: «الحد الأقصى للفقد النوعي الكلي، [التردد]، [التحريض]، اختبار Epstein». فحذف الشروط الواردة بين قوسين يحوّل نتيجة مشروطة إلى نتيجة مضللة. وينطبق الانضباط نفسه على الدرجات الموجّهة حبيبياً. إذ تميّز ممارسة ASTM بين الدرجات التقليدية المحددة للاختبار عند 1.5 T والدرجات الموجّهة حبيبياً الأخرى المحددة للاختبار عند 1.7 T (ASTM International، 2024). وتُعد مقارنة حدودها الرقمية من دون الاحتفاظ بتحريض الاختبار مقارنة غير صحيحة.

وقد تغيّر طريقة اختبار العينة النتيجة أيضاً. فالمعيار ASTM A804/A804M مخصص أساساً للقياسات أحادية الاتجاه للتيار المتناوب على الفولاذ الكهربائي الموجّه حبيبياً والمسطّح حرارياً، والمستخدم كمادة للصفائح الرقيقة في قلوب المحولات. وتُعد نتائجه قابلة للمقارنة مع طريقة Epstein ذات طول 25 سم، لكن «قابلة للمقارنة» لا تعني أن كل هندسة اختبار تنتج قراءات متطابقة. ولذلك ينبغي تحديد ASTM A804/A804M-04، الذي أُعيد تأكيده في عام 2021، كلما ظهرت قياساته في ورقة بيانات.

ويتضمن فقد القلب نفسه عدة مساهمات فيزيائية. إذ تفصل دراسة معهد كارلسروه للتكنولوجيا المنشورة عام 2017 فقد قلب المحول إلى فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، والفقد الزائد. وتسهم حركة جدران المجالات عبر البنية المغناطيسية في فقد الهسترة. ويؤدي تغيّر الفيض إلى حث تيارات دوامية في الفولاذ، ما ينتج فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي؛ كما تسهم بنية المجالات ومسارات التيار الموضعية في الفقد الزائد.

لا تعني صفيحة الفولاذ الكهربائي الأقل سماكة تلقائيًا فقدانًا أقل عندما تختلف البنية، أو المعالجة، أو الطلاء، أو الإجهاد، أو شروط الاختبار. Limited evidence

وتؤثر السماكة أساساً في مساهمة التيارات الدوامية، لأن تقصير المسارات الكهربائية يقلل فقد التيار المتداول. وقد ينتج الفقد الأقل أيضاً عن مقاومة نوعية أعلى، أو عزل مناسب، أو إجهاد أقل، أو تحسن في اصطفاف الحبيبات. ومع ذلك، قد تُظهر صفيحة أرق فقداً كلياً مقاساً أعلى إذا اختلف نسيجها البلوري، أو حالة معالجتها، أو طلاءها، أو شرط اختبارها. فعبارة «0.27 مم» تدل على سماكة، ولا تمثل درجة مغناطيسية كاملة.

ميّز بين النفاذية والتحريض والفقد

تصف النفاذية مقدار التحريض المغناطيسي الناتج عن مجال ممغنط معين. وبصورة مبسطة، تقارن النفاذية النسبية استجابة المادة باستجابة الخلاء. وقد تذكر ورقة البيانات النفاذية الابتدائية، أو النفاذية القصوى، أو النفاذية عند تحريض محدد. وهذه كميات مختلفة، ولا يجوز اختزالها في رقم واحد.

والتحريض هو كثافة الفيض المغناطيسي، ويُعبَّر عنه عادةً بوحدة التسلا. وهو نقطة التشغيل أو الاختبار التي تُقاس عندها إحدى الخصائص. وقد يبلغ فولاذ موجّه حبيبياً عالي النفاذية تحريضاً محدداً باستخدام مجال ممغنط أقل من فولاذ آخر، لكن فقده الكلي يظل معتمداً على التردد، وشكل الموجة، والسماكة، والنسيج البلوري، والإجهاد، والعزل. فسهولة المغنطة ليست هي نفسها انخفاض تبديد الطاقة في كل دورة.

وفقد القلب هو القدرة المبددة لكل وحدة كتلة أو حجم في ظل إثارة مغناطيسية متناوبة محددة. وتعتمد قيمته بشدة على كل من التردد والتحريض. وقد تمتلك صفيحتان نفاذية متشابهة عند تحريض معين، مع إظهارهما فقدين مختلفين، أو قد تمتلكان فقداً متشابهاً عند نقطة اختبار واحدة، مع اختلاف نفاذيتهما في موضع آخر من منحنى المغنطة.

اقرأ كل خاصية بوصفها مجموعة متكاملة: حالة التسليم، وعائلة درجة التصنيف، والسماكة الاسمية، والتردد، والتحريض، والاتجاه، وطريقة اختبار العينة، والخاصية المبلّغ عنها. وبالنسبة إلى الفولاذ الموجّه حبيبياً، أضف اتجاه الدرفلة، وبيّن ما إذا كان الاختبار طولياً أو عرضياً أو وفق اتجاه محدد آخر. وعند إجراء مقارنة، غيّر متغيراً واحداً في كل مرة. وقد تظل ورقة البيانات التي تفتقر إلى هذه الشروط قادرة على تحديد عائلة المنتج، لكنها لا تدعم مقارنة مغناطيسية سليمة.

متغيرات التصنيع التي تغيّر الأداء المغناطيسي

لا يكتسب الفولاذ الكهربائي سلوكه المغناطيسي من محتوى السيليكون أو السماكة الاسمية وحدهما. فكلٌّ من تاريخ الدرفلة، والتخمير، واتجاه الحبيبات، والإجهاد المتبقي، والعزل السطحي، والحالة التي تصل فيها الصفيحة إلى ورشة تصنيع القلوب يؤثر في النتيجة المقاسة. ومن ثم، فإن التمييز بين الفولاذ غير الموجّه المعالج بالكامل، والفولاذ غير الموجّه نصف المعالج، والفولاذ الموجّه الحبيبات المعالج بالكامل، هو تمييز تصنيعي وكذلك تمييز تحدده المعايير.

تحدد اللجنة الفرعية A06.02 التابعة لـ ASTM المعيار ASTM A677 للفولاذ غير الموجّه المعالج بالكامل، والمعيار ASTM A683 للفولاذ غير الموجّه نصف المعالج، والمعيار ASTM A876 للفولاذ الموجّه الحبيبات المعالج بالكامل، والمعيار ASTM A976 لطلاءات العزل الخاصة بالفولاذ الكهربائي. ويغطي المعيار IEC 60404-8-3:2023 الفولاذ الكهربائي المدرفل على البارد غير الموجّه، والمورّد في حالة نصف المعالجة، في حين يغطي المعيار IEC 60404-8-7:2017 الفولاذ الكهربائي المدرفل على البارد الموجّه الحبيبات، والمورّد في حالة المعالجة الكاملة. ولا يكون لتعيين الدرجة معنى إلا بالاقتران مع حالة التوريد تلك ومع شروط الاختبار المرتبطة بخصائصها المغناطيسية.

الاختزال على البارد، وإعادة التبلور، وحجم الحبيبات

يغيّر الاختزال على البارد أكثر من سماكة الصفيحة. فهو يطيل الحبيبات، ويرفع كثافة الانخلاعات، ويخزن طاقة التشوه، وينشئ لا تماثلًا بلوريًا وميكانيكيًا. وتؤثر هذه التغيّرات في حركة جدران المجالات وفي سهولة اتباع المغنطة للمجال المطبق. ولذلك قد يُظهر شريط شديد التشوه سلوكًا مغناطيسيًا يختلف بدرجة كبيرة عن شريط مُخمَّر له التركيب نفسه والسماكة الاسمية نفسها.

تزيل إعادة التبلور جزءًا كبيرًا من البنية الناتجة عن التشغيل على البارد، وذلك بتكوين حبيبات جديدة قليلة الانفعال نسبيًا أثناء المعالجة الحرارية. ويعتمد النسيج الناتج على البنية الابتدائية، وتاريخ الاختزال، وظروف التخمير، والمثبطات، وكيمياء السبيكة. ثم يغيّر نمو الحبيبات عدد حدود الحبيبات وطبيعتها. ويمكن للحدود أن تعيق جدران المجالات، في حين قد تؤدي الحبيبات الكبيرة جدًا أو غير المنتظمة إلى زيادة عدم التجانس المغناطيسي الموضعي وتعقيد الاستجابة حول الوصلات والحواف المقطوعة. ولا توجد قاعدة عامة لحجم الحبيبات تنطبق بالتساوي على المنتجات غير الموجّهة والموجّهة الحبيبات.

في الفولاذ الكهربائي غير الموجّه، تهدف المعالجة إلى تحقيق توزيع من الاتجاهات البلورية يمنح استجابة مغناطيسية مفيدة في أكثر من اتجاه واحد ضمن مستوى الصفيحة. وقد تلقّت المادة غير الموجّهة المعالجة بالكامل تخميرها المغناطيسي النهائي لدى المنتج. أما المادة غير الموجّهة نصف المعالجة فلم تتلقَّ المعالجة النهائية الكاملة؛ ومن شأن تسلسل التخمير والتصنيع اللاحق لدى المستخدم أن يغيّر بنيتها المعاد تبلورها، وحجم حبيباتها، وخصائصها المغناطيسية. ويشمل المعيار IEC 60404-8-3:2023 المواد نصف المعالجة بسماكات اسمية تبلغ 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 mm، إلا أن هذه السماكات لا تحدد الفقد النهائي بعد معالجة حرارية لاحقة غير محددة.

يتبع الفولاذ الموجّه الحبيبات هدفًا مختلفًا. إذ تعمل معالجته على تطوير نسيج غوس قوي، يوصف عادةً بالاتجاه {110}<001>، بحيث يكون اتجاه المغنطة السهل لكثير من الحبيبات موازيًا لاتجاه الدرفلة. ويغطي ASTM A876 أنواع فولاذ السيليكون والحديد منخفض الكربون الموجّه الحبيبات، التي تحتوي تقريبًا على 3.2% من السيليكون، ويشمل الدرجات التقليدية، ودرجات النفاذية العالية، والدرجات المحفورة بالليزر. ويغطي IEC 60404-8-7:2017 الشرائط الموجّهة الحبيبات المعالجة بالكامل بسماكات اسمية تبلغ 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 mm.

يُعد اتجاه الدرفلة أساسيًا عند الإبلاغ عن أداء الفولاذ الموجّه الحبيبات. فلا يمكن نقل قيمة قيسَت على امتداد اتجاه الفيض المقصود مباشرةً إلى منطقة عرضية أو إلى منطقة تهيمن عليها الوصلات. ويُقصد بالمعيار ASTM A804/A804M أساسًا إجراء قياسات التيار المتناوب أحادي الاتجاه على الفولاذ الموجّه الحبيبات والمُسطَّح حراريًا، مع نتائج قابلة للمقارنة مع طريقة إبستين ذات 25 cm. وتشكل هندسة العينة واتجاهها جزءًا من النتيجة.

يتفاعل حجم الحبيبات أيضًا مع المكونات المنفصلة لفقد القلب. وتفصل دراسة معهد كارلسروه للتكنولوجيا لعام 2017 فقد قلب المحول إلى مساهمات ناتجة عن فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، والفقد الزائد. ويعكس فقد الهسترة حركة جدران المجالات غير العكوسة وعمليات المغنطة. وينشأ فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي عندما يحفز الفيض المتناوب تيارات دورانية في الصفيحة. أما الفقد الزائد فيمثل عمليات ديناميكية إضافية للمجالات لا يلتقطها الحد الكلاسيكي البسيط. ويمكن للتخمير أن يقلل الآثار المرتبطة بالهسترة من خلال إزالة الانفعال، في حين تؤثر السماكة، والمقاومية، وبنية المجالات، والتردد في المساهمات الأخرى.

إزالة الإجهاد والاستواء

يفرض القطع، والتثقيب، والقص، والثني، والتكديس إجهادات لم تكن موجودة في شريط الاختبار المستوي. إذ تحتوي الحافة المثقبة على تشوه لدن وإجهاد متبقٍ؛ وقد يحمل السن أو الركن الضيق تدرج إجهاد كبيرًا نسبةً إلى عرضه. وتعيق هذه المناطق حركة جدران المجالات، وقد ترفع فقد الهسترة الموضعي. وقد يكون هذا التأثير صغيرًا في عينة إبستين كبيرة، لكنه يصبح مهمًا في عضو ثابت صغير لمحرك، أو ركن محول، أو جزء مشكَّل بحدة.

وتكتسب حالة التوريد أهمية لأن المادة المعالجة بالكامل لا تكون بالضرورة غير متأثرة بالتصنيع. فقد أكملت الصفيحة المعالجة بالكامل المعالجة المغناطيسية المحددة لدى المنتج، إلا أن القطع والتشكيل لا يزالان قادرين على إضعاف الاستجابة المغناطيسية للصفائح الرقيقة النهائية. ويعتمد الفولاذ غير الموجّه نصف المعالج بدرجة أكبر على تسلسل التخمير والتشكيل اللاحق لدى المشتري. ولذلك قد يكون فقد قلب مُجمَّع من صفائح اختُبرت قبل التصنيع أعلى من القيمة الواردة في الشهادة.

وتعالج عملية التسطيح الحراري كلاً من الهندسة والإجهاد. إذ يمكن للمعالجة الحرارية أن تقلل الإجهاد المتبقي الناتج عن الدرفلة أو القطع أو المناولة، وأن تحسن الاستواء، إلا أن التعرض للحرارة يؤثر أيضًا في بنية الحبيبات، وسلوك الطلاء، والخصائص المغناطيسية. ويتناول ASTM A804/A804M تحديدًا المادة الموجّهة الحبيبات والمسطَّحة حراريًا والمستخدمة كمخزون لصفائح قلوب المحولات. وهذا القيد مهم: فقيمة لشريط مُسطَّح حراريًا ومختبَر أحادي الاتجاه لا تصف تلقائيًا قلبًا قُصَّ، ورُصَّ، وشُدَّ بالملامس أو المشابك.

ويُدخل التثبيت الميكانيكي مصدرًا آخر للإجهاد. فضغط التثبيت المفرط، أو التكديس غير المتساوي، أو اللف المحكم، أو تماس الزوائد الموضعية، قد يقيّد التقبض المغناطيسي وحركة المجالات. وقد تؤدي مشكلات الاستواء إلى نشوء فجوات أو نقاط تماس بين الصفائح، فتغيّر توزيع الفيض وتزيد الفقد الموضعي. ولا يمثل التسطيح الحراري خطوة إصلاح عامة تمحو كل تأثيرات المعالجة. فنتيجته تعتمد على التشوه السابق، والمعالجة الحرارية، وفئة الفولاذ، ونظام الطلاء.

تنقية المجالات وحالة السطح

تقلل تنقية المجالات المسافة التي تنعكس عبرها المجالات المغناطيسية، فتحد من الطاقة المرتبطة بتحريك جدران المجالات، وتقلل الفقد في ظروف مناسبة. ويُعد الحفر بالليزر إحدى الطرق المستخدمة مع الفولاذ الموجّه الحبيبات. إذ ينشئ اضطرابات سطحية ضيقة ومضبوطة تقسّم المجالات عبر الصفيحة. ولا يعادل هذا العلاج تغيير نسبة السيليكون في الكتلة الأساسية للمادة، ويجب النظر إلى تأثيره بالاقتران مع حث الاختبار المحدد للدرجة.

ويميز ASTM A876 بين درجات الفولاذ الموجّه الحبيبات وظروف الاختبار التي تشمل الدرجات التقليدية المحددة عند 1.5 T، ودرجات أخرى محددة عند 1.7 T. وقد تؤدي مقارنة قيم الفقد عند هذين الحثين المختلفين إلى ترتيب مضلل. ويجب أن يرافق التردد، والحث، واتجاه الدرفلة، وطريقة العينة، وحالة التوريد، كل قيمة مغناطيسية مقتبسة.

ولطلاء السطح وظيفتان. فهو يعزل الصفائح المتجاورة كهربائيًا، فيرفع مقاومة ما بين الصفائح ويقلل التيارات الدوامية الدورانية، كما يؤثر في الشد، وقابلية التثقيب، والتوافق مع المعالجة الحرارية، وسلوك التكديس. ويوفر ASTM A976 إطار التصنيف لطلاءات العزل الخاصة بالفولاذ الكهربائي. ويمكن لطلاء متضرر، أو زائدة موصلة، أو سماكة طلاء مفرطة، أو نمط تماس غير ملائم، أن يغير فقد القلب المُجمَّع حتى عندما تفي الركيزة الفولاذية بمواصفة الصفيحة الخاصة بها.

وتؤثر حالة السطح أيضًا في الإجهاد. فالخشونة، والخدوش، وبقايا الأكاسيد، وعدم تجانس الطلاء، قد تنشئ نقاط تماس موضعية أو تقيّد الصفيحة أثناء التكديس. وقد تعمل الكتابة بالليزر، وشد الطلاء، وتضرر الحواف بعد القطع معًا، لا بصورة مستقلة. وتساعد الصفائح الرقيقة على تقليل فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، إلا أن رقة الصفيحة لا تلغي فقد الهسترة أو الفقد الزائد الناجمين عن نسيج رديء، أو إجهاد متبقٍ، أو إثارة غير ملائمة.

ولهذا السبب، لا يتمثل السؤال ذو الصلة ببساطة في معرفة الدرجة التي تم توريدها، بل في معرفة ما إذا كانت الدرجة المحددة، وحالة المعالجة، والنسيج، والعزل السطحي، وممارسة القطع، ومعالجة إزالة الإجهاد، وتجميع القلب، تنتج الفقد المطلوب عند التردد والحث الفعليين. فالقلب النهائي هو المكوّن المغناطيسي المستخدم؛ أما اختبار الشريط المستوي الأصلي فليس سوى قياس مضبوط واحد ضمن تاريخه التصنيعي.

تصميم قلوب المحولات والآلات الدوارة وفق سلوك المادة

لا يتعرض القلب للظرف المغناطيسي نفسه المستخدم في تصنيف درجة الصفيحة. تُقطع المادة وفق شكل هندسي معين، وتُعزل، وتُرصّ، وتُثبت، وتُقاد بواسطة موجة محددة. ويمكن لكل خطوة أن تغيّر الاستجابة المغناطيسية التي يراها المكوّن النهائي. لذلك فإن اسم الدرجة يحدد فئة من المواد وظرف اختبار محدداً، ولا يضمن قيمة فقدان معينة لكل قلب مُجمَّع.

يكتسب التمييز بين حالات التوريد أهمية في مرحلة التصميم. يغطي ASTM A677 أنواع الفولاذ الكهربائي غير الموجهة والمعالجة بالكامل، والمستخدمة أساساً في الأجهزة المغناطيسية ذات الترددين 50 و60 هرتز؛ وتُصنَّف درجاتها وفق الحد الأقصى لفقدان القلب المقاس عند 60 هرتز و1.5 T باستخدام طريقة اختبار Epstein. ويغطي ASTM A683 الفولاذ غير الموجه نصف المعالج، بينما يغطي ASTM A876 الفولاذ الموجه حسب الحبيبات والمعالج بالكامل. وتحدد IEC 60404-8-3:2023 شرائط وصفائح الفولاذ الكهربائي المدرفلة على البارد وغير الموجهة، والموردة في الحالة نصف المعالجة، في حين تغطي IEC 60404-8-7:2017 المواد الموجهة حسب الحبيبات والمعالجة بالكامل.

لا تصف هذه المعايير منتجات قابلة للاستبدال المتبادل، بل تصف تركيبات مختلفة من التركيب، والبنية النسيجية، والمعالجة، والاختبارات المغناطيسية، وحالة التوريد.

قلوب المحولات واتجاه الفيض المفضل

يُصمَّم قلب المحول بحيث يتبع معظم فيضه المتناوب مساراً مضبوطاً عبر اتجاه الدرفلة في الفولاذ الكهربائي الموجه حسب الحبيبات. ففي الفولاذ الموجه حسب الحبيبات والمعالج بالكامل، تؤدي بنية Goss النسيجية القوية إلى وضع كثير من الاتجاهات البلورية بصورة ملائمة بالنسبة إلى اتجاه الدرفلة. ولذلك تتطلب المغنطة مجالاً أقل في ذلك الاتجاه مما تتطلبه في تجمع ذي اتجاهات عشوائية، ولا سيما عند كثافة الفيض والتردد المستخدمين في التصميم.

ولهذا السبب لا تُرتب صفائح المحولات ببساطة على شكل رصة من مستطيلات متطابقة. إذ تُقطع الشريطة وتُوجَّه بحيث ينتقل الفيض على طول الأرجل وملفات العودة، مع أقل عدد ممكن من التغيرات الحادة في الاتجاه. وتعمل الوصلات المتدرجة، وغيرها من ترتيبات الوصل المماثلة، على توزيع الانتقال عبر عدة صفائح بدلاً من إجبار الفيض بأكمله على عبور وصلة تناكبية حادة واحدة. ولا يقتصر الهدف على تقصير المسار المغناطيسي، بل يشمل أيضاً خفض تركّز مجال المغنطة المحلي وتقليل اضطراب البنية النسيجية المفضلة.

يغطي ASTM A876 أنواع فولاذ السيليكون-الحديد منخفض الكربون والموجه حسب الحبيبات، والتي تحتوي على نحو 3.2% من السيليكون، ويشمل الدرجات التقليدية، وذات النفاذية العالية، والمخططة بالليزر. ويجب أن يظل تحريض الاختبار المحدد مرتبطاً بأي خاصية مُبلَّغ عنها: إذ تُحدد درجات الفولاذ التقليدي الموجه حسب الحبيبات للاختبار عند 1.5 T، بينما تُحدد الدرجات الأخرى من الفولاذ الموجه حسب الحبيبات للاختبار عند 1.7 T وفق ممارسة التصنيف التابعة لـ ASTM International والمحددة في عام 2024. ولا يجوز مقارنة قيمة فقدان عند 1.5 T عفوياً بقيمة أخرى عند 1.7 T.

يُستخدم ASTM A804/A804M أساساً للقياسات المغناطيسية للتيار المتناوب أحادي الاتجاه على الفولاذ الموجه حسب الحبيبات والمُسطَّح حرارياً. وتُعد نتائجه قابلة للمقارنة مع طريقة Epstein ذات طول 25 سم، إلا أن ترتيب الاختبار يظل مختلفاً عن محول مكتمل يضم وصلات وزوايا ومكونات تثبيت ومجالات ناتجة عن الملفات. ويُعد كل من اتجاه الدرفلة واتجاه العينة جزءاً من تعريف القياس.

يقلل توجيه الحبيبات أحد مكونات العبء المغناطيسي، لكنه لا يلغي المصادر الفيزيائية الثلاثة لفقدان القلب. وتفصل دراسة معهد كارلسروه للتكنولوجيا لعام 2017 بين فقدان الهسترة، وفقدان التيارات الدوامية الكلاسيكية، والفقدان الزائد. وتسهم حركة جدران المجالات في فقدان الهسترة. ويؤدي الفيض المتناوب إلى حث تيارات دوامية تتأثر شدتها بسماكة الصفائح، والمقاومية الكهربائية، والعزل بين الصفائح. أما الفقدان الزائد فيمثل تأثيرات ديناميكية إضافية مرتبطة بعمليات المجالات وعدم التجانس المغناطيسي المحلي. ويمكن للسيليكون والألومنيوم والشريط الرقيق والعزل السطحي والبنية النسيجية أن تؤثر في هذه المكونات بطرق مختلفة.

ولذلك يجب على مصمم المحول مواءمة الاتجاه المفضل للفولاذ مع مسار الفيض، ثم الحفاظ على هذه الميزة أثناء التصنيع. فقد تؤدي صفيحة ذات فقدان معياري منخفض أداءً ضعيفاً إذا أصبحت حواف القطع أو الوصلات أو المناطق المجهدة هي العوامل المسيطرة في القلب المُجمَّع.

الآلات الدوارة والفيض المتغير داخل المستوى

يكون المسار المغناطيسي في الآلة الدوارة أقل انضباطاً. ففي أسنان العضو الثابت، والحديد الخلفي، ومكونات العضو الدوار، يتغير اتجاه الفيض المحلي مع حركة العضو الدوار ومع دوران مجال الملفات. ويبقى جزء كبير من هذا الفيض داخل مستوى الصفائح، لكن زاويته بالنسبة إلى اتجاه الدرفلة تتغير باستمرار. أما الصفيحة الموجهة حسب الحبيبات فلا تقدم أقوى استجابة لها إلا في اتجاهات محددة، ولذلك لا تلائم جيداً قلباً يجب أن يستوعب تغيرات اتجاهية متكررة داخل المستوى.

وبناءً على ذلك، يكون الفولاذ الكهربائي غير الموجه والمعالج بالكامل هو فئة المواد المعتادة لهذه المسارات. إذ تُضبط بنيته النسيجية البلورية للحد من الفروق الاتجاهية، بدلاً من إنشاء اتجاه سهل مهيمن واحد. ومع ذلك، لا يقتصر الاختيار المناسب على «السيليكون العالي مقابل السيليكون المنخفض»، بل يشمل الدرجة المحددة، والسماكة الاسمية، وحالة التوريد، والمقاومية، والعزل السطحي، والتحريض المغناطيسي، وتاريخ المعالجة.

ويطرح الفولاذ غير الموجه نصف المعالج ظرفاً تصميمياً آخر. إذ تتضمن IEC 60404-8-3:2023 سماكات اسمية تبلغ 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 mm للشرائط والصفائح الموردة في الحالة نصف المعالجة، إلى جانب الخصائص المغناطيسية، والتفاوتات البُعدية، وإجراءات الفحص. وقد يكون التلدين النهائي جزءاً من مسار تصنيع المستخدم، ولذلك لا يمكن استنتاج الحالة المغناطيسية بعد التخريم والمعالجة الحرارية من تعيين مادة معالجة بالكامل. وتدرج اللجنة الفرعية A06.02 التابعة لـ ASTM المعيار A683 للفولاذ غير الموجه نصف المعالج، والمعيار A677 للفولاذ غير الموجه المعالج بالكامل؛ ولا ينبغي استبدال أحد التعيينين بالآخر.

وتتعرض قلوب الآلات الدوارة أيضاً لمكونات فيض محلية تنشأ عن التخديد، وتشبع رؤوس الأسنان، والتوافقيات، وعدم التماثل الميكانيكي. وقد تختلف هذه المجالات عن الإثارة الجيبية المنتظمة المستخدمة في اختبار الكتالوج أو المعايير. ويمكن أن يرتفع الفقد الناتج حتى عند ثبات تردد التشغيل الاسمي. وتساعد الصفائح الرقيقة على خفض فقدان التيارات الدوامية الكلاسيكية، لأن كل صفيحة معزولة تحد من مسار التيار الدوار، لكن رقة المادة لا تعالج تلقائياً فقدان الهسترة أو الفقدان الزائد الناجمين عن الحواف المتضررة أو الإجهاد أو الفيض المشوه.

الرص والوصلات والإجهاد الموضعي

يحتوي القلب النهائي على كمية من الفولاذ أكبر من الكمية التي يستفيد منها المسار المغناطيسي فعلياً. ومعامل الرص هو نسبة حجم الفولاذ الصلب إلى الحجم الكلي المرصوص، بينما تشغل بقية الحجم الطلاء وخشونة السطح والتموج والفجوات الصغيرة. ويتطلب انخفاض معامل الرص كثافة فيض أعلى في الفولاذ لإنتاج الفيض المتوسط نفسه عبر مقطع القلب. وقد يؤدي ذلك إلى زيادة الفقد وتيار المغنطة، رغم أن الصفيحة الفردية لا تزال تستوفي نتيجة اختبار Epstein الأصلية.

ويُعد العزل الكهربائي بين الصفائح ضرورياً للحد من التيارات الدوامية بينية الصفائح. ويوفر ASTM A976 إطار التصنيف التابع لـ ASTM لطلاءات العزل الخاصة بالفولاذ الكهربائي. وقد يؤدي الطلاء المتضرر أو الملوث أو ضعيف المعالجة أو المضغوط بما يتجاوز حالته المقصودة إلى إنشاء جسور موصلة عبر عدة صفائح. وتؤدي هذه الجسور إلى توسيع حلقات التيارات الدوامية. ولم تتغير درجة الفولاذ الاسمية، لكن الدارة الكهربائية داخل الرصة قد تغيرت.

ويُحدث القطع والتخريم عدم تطابق آخر بين اختبار الصفيحة وسلوك القلب. إذ يشوه القص المادة تشوهاً لدناً بالقرب من الحافة، ويغير المجالات المغناطيسية المحلية، ويمكن أن يزيد فقدان الهسترة والفقدان الزائد. وقد يفرض التخريم إجهاداً أشد حول الثقوب ومقاطع الأسنان الضيقة. ويمكن لمنطقة متضررة ضيقة أن تكون مؤثرة بصورة غير متناسبة عندما تشغل جزءاً كبيراً من سن أو عندما يتركز الفيض بالقرب من الحافة. ويُعد إزالة النتوءات، واستخدام أدوات مناسبة، وإجراء تلدين لتخفيف الإجهاد حيث تسمح حالة التوريد والطلاء بذلك، والتحكم الدقيق في الخلوص، من وسائل الحد من هذا الأثر؛ ولا يغير أي منها نتيجة الدرجة المعيارية بأثر رجعي.

والنتوءات عيب ميكانيكي وكهربائي في آن واحد. فقد يقلل النتوء الفجوة الفعالة بين الصفائح المتجاورة، أو يثقب العزل أو يزيحه، أو يشكل تماساً موصلاً عبر الرصة. كما يمكن أن ينشئ بروزاً هندسياً محلياً يركز الإجهاد أثناء التثبيت. والنتيجة هي منطقة ذات كثافة فيض متغيرة ومسارات إضافية للتيارات الدوارة.

وتستحق الوصلات اهتماماً منفصلاً. فعند زاوية المحول، يجب أن ينتقل الفيض من رجل أو قسم من ملف العودة إلى آخر. وحتى وصلة متدرجة جيدة التصميم تضيف ممانعة مغناطيسية وتُحدث تفريداً محلياً. وقد تؤدي ملاءمة رديئة أو فجوة مفرطة أو صفائح غير مصطفة أو نتوء إلى تركيز المجال في عدد قليل من الصفائح فقط. وعندئذ قد يتجاوز الفقد المقاس للقلب الكامل القيمة المقدرة بضرب قيمة فقدان الصفيحة في الكتلة.

ويُعد ضغط التثبيت ضرورياً للحفاظ على الشكل الهندسي، لكن الضغط المفرط أو غير المتساوي يؤدي إلى إدخال إجهاد مرن ولدن. ويغير الإجهاد حركة جدران المجالات ويمكن أن يقلل النفاذية، ولا سيما بالقرب من الثقوب والزوايا والوصلات والأسنان الضيقة. ويظهر التأثير نفسه عندما تتشوه الصفائح أثناء الرص أو عندما يقيّد الإطار التمدد الحراري. وينبغي أن يحدد تصميم القلب توزيع الضغط، والاستواء، وملاءمة الوصلات، وحالة الطلاء، وجودة الحواف، إلى جانب تعيين الفولاذ.

والقاعدة العملية بسيطة: اختَر المادة وفق الاتجاه المغناطيسي وظرف الاختبار، ثم صمّم مسار التصنيع بحيث تبقى تلك الخصائص محفوظة بعد التجميع. فالنتيجة المعيارية تخص عينة محددة التعريف، أما قلب الآلة فهو بنية مغناطيسية مجهدة ومعزولة وذات وصلات.

إطار عملي لمقارنة درجات الفولاذ الكهربائي

قارن المواد المتماثلة

يصف مصطلح «الفولاذ الكهربائي» عدة فئات من المواد، وليس منتجًا واحدًا قابلًا للاستبدال. فقد يُطلق اسم الفولاذ الكهربائي على فولاذ غير موجه معالج بالكامل، وفولاذ غير موجه شبه معالج، وفولاذ موجه الحبيبات معالج بالكامل، رغم أن كل نوع منها يخدم دوائر مغناطيسية مختلفة ويتطلب مقارنات مختلفة.

تُحدَّد خصائص الفولاذ الكهربائي غير الموجه المعالج بالكامل بعد أن تستكمل الشركة المصنّعة مسار المعالجة المغناطيسية. وتُراد خصائصه متقاربة نسبيًا في الاتجاهات المختلفة ضمن مستوى الصفيحة، مع أنها لا تكون متساوية الخواص تمامًا على الإطلاق. تغطي مواصفة ASTM A677 هذه الفئة، وهي مخصصة أساسًا للأجهزة المغناطيسية ذات الترددين 50 و60 Hz. وتُصنَّف درجاتها بحسب أقصى فقد في القلب يُقاس عند 60 Hz و1.5 T باستخدام طريقة اختبار Epstein. ولا تكون هذه التصنيفات مفيدة إلا عندما يعمل التصميم بالقرب من التردد نفسه، والتحريض نفسه، وطريقة اختبار العينة نفسها، وحالة التسليم نفسها.

أما الفولاذ غير الموجه شبه المعالج، فيمثل مقارنة مختلفة. فقد يجري المشتري أو المُصنِّع عملية تلدين نهائية بعد التثقيب أو الكبس أو التشكيل، بما يسمح للمادة بتطوير حالتها المغناطيسية المحددة. وتتناول مواصفة ASTM A683 الفولاذ غير الموجه شبه المعالج، في حين تغطي IEC 60404-8-3:2023 الشرائط والصفائح المدرفلة على البارد من الفولاذ غير الموجه، المسلّمة في الحالة شبه المعالجة. وتشمل مواصفة IEC السماكات الاسمية 0.47 و0.50 و0.64 و0.65 و0.79 mm. ولا تُعد الصفيحة شبه المعالجة والصفيحة المعالجة بالكامل، ذات السماكة الاسمية نفسها، متكافئتين لمجرد أن كلتيهما تحملان تصنيفًا للفقد.

وينتمي الفولاذ الكهربائي موجه الحبيبات إلى فئة أخرى أيضًا. إذ يركّز نسيجه، المعروف بنسيج Goss، الاتجاه البلوري الملائم على امتداد اتجاه الدرفلة، مما يجعله مناسبًا بصورة خاصة للدوائر المغناطيسية التي يتبع فيها الفيض ذلك الاتجاه. تغطي مواصفة ASTM A876 أنواع فولاذ السيليكون-الحديد منخفض الكربون موجه الحبيبات، التي تحتوي على نحو 3.2% من السيليكون، وتشمل الدرجات التقليدية، وذات النفاذية العالية، والمخططة بالليزر. وتغطي IEC 60404-8-7:2017 الصفائح موجهة الحبيبات المعالجة بالكامل، بالسماكات الاسمية 0.23 و0.27 و0.30 و0.35 mm. وقد تُظهر هذه المنتجات الأقل سماكة فقدًا أقل بالتيارات الدوامية من الصفائح غير الموجهة الأكثر سماكة، لكن ذلك لا يجعلها بديلًا مباشرًا في آلة دوارة ذات فيض عرضي أو دوار كبير.

لذلك، لا يتمثل سؤال المقارنة الأول في «أي درجة لها الرقم الأقل؟»، بل في: «هل تنتمي هاتان المادتان إلى الفئة نفسها، وحالة التسليم نفسها، والتطبيق المغناطيسي نفسه؟»

قائمة تحقق للخصائص تستند إلى المواصفات

تسجّل المقارنة المفيدة الخاصية مقرونةً بظروف قياسها. ابدأ بذكر المواصفة وتعيين الدرجة، ثم وضّح ما إذا كانت المادة معالجة بالكامل أو شبه معالجة. فتؤثر حالة المعالجة في النفاذية، وفقد الهسترة، وسلوك التثقيب، والإجهاد المتبقي، والنتيجة التي يتم الحصول عليها بعد أي تلدين نهائي مطلوب.

سجّل السماكة الاسمية منفصلةً عن السماكة المقاسة. تؤثر السماكة في فقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، لأن الفيض المتناوب يُحدث تيارات دورانية داخل الصفيحة؛ إذ يؤدي تقليل سماكة الصفائح إلى تقصير مسار هذه التيارات وزيادة المقاومة الكهربائية عبر حلقات التيار المعنية. غير أن السماكة وحدها لا تحدد إجمالي فقد القلب. وتفصل دراسة KIT المنشورة عام 2017 فقد قلب المحول إلى مساهمات فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية الكلاسيكي، والفقد الزائد. فتؤدي حركة جدران المجالات إلى فقد الهسترة، في حين يُحدث تغير الفيض تيارات دوامية؛ أما الفقد الزائد فيعكس عمليات ديناميكية إضافية في المجالات. وقد تؤدي مقارنة السماكة التي تتجاهل المساهمتين الأخريين إلى تحديد الآلية المسيطرة تحديدًا خاطئًا.

يجب أن يَرِد تردد الاختبار والتحريض بجانب كل قيمة للفقد. تستخدم ASTM A677 ترددًا قدره 60 Hz وتحريضًا قدره 1.5 T كأساس للتصنيف. وتتطلب الدرجات موجهة الحبيبات عناية خاصة؛ إذ تميّز ممارسة ASTM بين الدرجات التقليدية المحددة للاختبار عند 1.5 T والدرجات الأخرى المحددة للاختبار عند 1.7 T. ولا يمكن ترتيب قيمة مقاسة عند 1.5 T مباشرةً مقابل قيمة مقاسة عند 1.7 T من دون مراعاة اختلاف النقطة على منحنى المغنطة. كما يغيّر التردد التوازن بين فقد الهسترة، وفقد التيارات الدوامية، والفقد الزائد.

اذكر طريقة اختبار العينة. إذ يوسّط اختبار Epstein السلوك المغناطيسي عبر تجميعة محددة من الشرائط، بينما تُستخدم ASTM A804/A804M أساسًا للقياسات أحادية الاتجاه بالتيار المتناوب على الفولاذ الكهربائي موجه الحبيبات والمُسطَّح حراريًا، والمستخدم كمادة صفائح لقلب المحول. وتكون نتائج ASTM A804/A804M قابلة للمقارنة مع طريقة Epstein ذات طول 25 cm، لكن الطريقتين ليستا تسميتين قابلتين للتبادل. كما أن اتجاه القياس مهم بالقدر نفسه. وبالنسبة إلى الفولاذ غير الموجه، أبلغ عن الاتجاه أو عن طريقة أخذ المتوسط. وبالنسبة إلى الفولاذ موجه الحبيبات، حدّد اتجاه الدرفلة، أو الاتجاه العرضي، أو الزاوية بين الفيض واتجاه الدرفلة. فالنتيجة المقاسة في اتجاه موازٍ لاتجاه الدرفلة في فولاذ موجه الحبيبات لا تقدم معلومات تُذكر عن دائرة يهيمن عليها الفيض العرضي.

يجب أن تشمل قائمة التحقق النفاذية، لا الفقد وحده. فقد تقلل النفاذية العالية تيار المغنطة وإجهاد الفيض الموضعي، حتى عندما تكون قيمة فقد القلب المعلنة متشابهة. ويمكن لمحاذاة الحبيبات أن ترفع النفاذية في اتجاه واحد، مع زيادة اللاتناظر وجعل الوصلات الركنية والفيض المنحرف والمكونات العرضية أكثر صعوبة في المعالجة. وقد يؤدي التخطيط بالليزر إلى تعديل بنية المجالات وتقليل الفقد في حالة اختبار محددة، لكنه لا يلغي السلوك الاتجاهي.

وأخيرًا، سجّل تصنيف الطلاء العازل وحالة السطح بعد التصنيع. توفر ASTM A976 إطار تصنيف الطلاءات العازلة للفولاذ الكهربائي. وتؤثر سماكة الطلاء، والمقاومة بين الصفائح، وقابلية التثقيب، وقابلية اللحام، وإزالة الإجهاد بعد القطع، كلها في القلب المُجمَّع. فالطلاء الذي يرفع المقاومة بين الصفائح يمكن أن يقلل التيارات الدورانية بين الصفائح، في حين أن الطلاء المفرط السماكة أو الواجهات المتضررة قد يغيران عامل الملء وسلوك الوصلات.

متى لا يكون الفقد الاسمي الأقل هو الإجابة التصميمية الكاملة؟

قد يكون اختيار الفقد الأقل المُدرج في الكتالوج اختيارًا خاطئًا عندما يتم الحصول عليه عند تحريض أو تردد أو اتجاه أو طريقة اختبار عينة مختلفة. ويكون الخطأ خطيرًا بصورة خاصة عند مقارنة المواد موجهة الحبيبات بالمواد غير الموجهة. فقد يوفر الفولاذ موجه الحبيبات فقدًا منخفضًا جدًا ونفاذية عالية على امتداد اتجاه الدرفلة، لكن الجزء الثابت للمحرك يتعرض لفيض دوار، كما أن وصلة المحول تتضمن انحرافات موضعية في الفيض. ويضحي الفولاذ غير الموجه بالأداء الاتجاهي الأقصى من أجل سلوك أكثر تجانسًا ضمن مستوى الصفيحة، مما يبسط غالبًا الدائرة المغناطيسية وعملية التصنيع.

كما تغيّر قابلية التصنيع النتيجة. فالتثقيب يُحدث تلفًا في الحواف وإجهادًا متبقيًا، الأمر الذي قد يزيد فقد الهسترة ويخفض النفاذية. وقد تستعيد المادة شبه المعالجة خصائصها المغناطيسية أثناء تلدين نهائي مضبوط، غير أن هذه الخطوة تفرض قيودًا تتعلق بالغلاف الجوي، ودرجة الحرارة، والنظافة، والتجهيزات، والأبعاد. وتتجنب المادة المعالجة بالكامل هذه العملية تحديدًا، لكنها تظل حساسة لإجهاد القطع، والتثبيت، والانحناء، وضغط الوصلات.

يسهم محتوى السيليكون والألومنيوم في رفع المقاومة النوعية الكهربائية، وقد يقلل فقد التيارات الدوامية، لكن التركيب ليس معيارًا عامًا لترتيب الدرجات. فقد تفوق البنية النسيجية، وحجم الحبيبات، والتحكم في الرواسب، وتاريخ التلدين، والطلاء، وحالة الإجهاد، مقارنةً بسيطة لمحتوى السيليكون. فالصفائح الرقيقة، والطلاءات العازلة، وزيادة محتوى السيليكون والألومنيوم، ومحاذاة الحبيبات، هي آليات للتحكم في الفقد، وليست مؤشرات قابلة للاستبدال على الملاءمة المغناطيسية الشاملة.

إطار المقارنة القابل لإعادة الاستخدام هو:

فئة المادة؛ وحالة التسليم والمعالجة؛ والسماكة الاسمية؛ والبنية النسيجية واللاتناظر؛ والنفاذية والفقد المعلنان؛ وتحريض الاختبار؛ والتردد؛ وطريقة اختبار العينة؛ والاتجاه المغناطيسي؛ وتصنيف الطلاء والمقاومة بين الصفائح؛ وحالة التصنيع والإجهاد؛ والدائرة المغناطيسية المستهدفة.

ولا ينبغي الحكم على درجة مقابل أخرى إلا بعد تطابق هذه الحقول، أو نمذجة أوجه اختلافها. فالمقارنة الصحيحة هي مقارنة متطابقة الشروط، لا مقارنة متطابقة التسميات.

المراجع

1. [1]ASTM International. ASTM A677-07: Standard Specification for Nonoriented Electrical Steel. ASTM International standard, 2007. https://store.astm.org/a0677-07.html
2. [2]ASTM International. ASTM A876-17: Standard Specification for Flat-Rolled, Grain-Oriented, Silicon-Iron, Electrical Steel. ASTM International standard, 2017. https://store.astm.org/a0876-17r26.html
3. [3]International Electrotechnical Commission. IEC 60404-8-7:2017. IEC standard, 2017. https://webstore.iec.ch/en/publication/32891
4. [4]International Electrotechnical Commission. IEC 60404-8-3:2023. IEC standard, 2023. https://webstore.iec.ch/en/publication/68450
5. [5]ASTM International. ASTM A804/A804M-04(2021): Standard Test Method for Alternating-Current Magnetic Properties of Thermally Treated Grain-Oriented Electrical Steel. ASTM International standard, 2021. https://store.astm.org/a0804_a0804m-04r21.html
6. [6]Karlsruhe Institute of Technology. Transformer-core loss separation study. Karlsruhe Institute of Technology publication, 2017. https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000066142/4047647