استخدام الصلب السيليكوني

1. المجالات الرئيسية للتطبيق
إن الخصائص المغناطيسية اللينة للصلب السيليكوني تجعله المادة الأساسية للتحويل الكهرومغناطيسي في مجالات الكهرباء والإلكترونيات والأجهزة المنزلية. ويستخدم بشكل رئيسي في تصنيع الأجهزة الكهرومغناطيسية مثل المحولات والمحركات والمفاعلات والمبدلات. وتشمل التطبيقات المحددة ما يلي:
1. صناعة الطاقة
محول الطاقة:
يتطلب القلب الحديدي لمحولات الطاقة الكبيرة المستخدمة في محطات الطاقة والمحطات الفرعية أن يكون للصلب السيليكوني خسارة حديد منخفضة (تقليل فقد الطاقة) وكثافة استقراء مغناطيسي عالية لتحسين كفاءة المحول وتقليل توليد الحرارة.
محول التوزيع:
يجب أن تأخذ مادة القلب الحديدي لمحولات التوزيع منخفضة الجهد في شبكات الطاقة الحضرية في الاعتبار انخفاض الخسارة والاقتصاد.
2. الأجهزة المنزلية والإلكترونيات الاستهلاكية
محرك ضاغط تكييف الهواء:
يستخدم القلب الحديدي لضاغط تكييف الهواء بتردد متغير صلب سيليكوني عالي الجودة (مثل صلب سيليكوني غير موجه ملفوف على البارد عالي الجودة) ، والذي يتطلب خسارة منخفضة وكثافة استقراء مغناطيسي عالية التشبع عند تردد عالٍ لتحسين كفاءة الطاقة.
محرك ضاغط الثلاجة:
تتطلب الضواغط منخفضة الضوضاء وعالية الكفاءة صلب سيليكوني بخسارة هيستيريسيس منخفضة وأداء معالجة جيد.
محول فرن الميكروويف:
يتطلب قلب الحديد المحول عالي التردد الصغير أن يحافظ صلب السيليكون على خسارة منخفضة في ظل ظروف التردد العالي.
3. المحركات الصناعية ومعدات القيادة
المحركات الصناعية:
تستخدم قلوب السكون والدوار للمحركات غير المتزامنة والمحركات المتزامنة صلب سيليكوني غير موجه ، والذي يتطلب نفاذية مغناطيسية عالية وخسارة منخفضة لتحسين كفاءة المحرك (مثل محركات كفاءة الطاقة القياسية IE3 / IE4).
المحركات سيرفو وأجهزة القيادة الدقيقة:
تتطلب محركات السيرفو للمعدات الدقيقة مثل آلات CNC والروبوتات أن يحافظ صلب السيليكون على خسارة منخفضة وسرعة استجابة عالية عند ترددات عالية.
4. مجالات الطاقة الجديدة وكفاءة الطاقة
محركات قيادة المركبات ذات الطاقة الجديدة:
تستخدم قلوب محركات قيادة المركبات الكهربائية (مثل المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم) صلب سيليكوني غير موجه عالي الجودة ، والذي يتطلب خسارة منخفضة وكثافة مغناطيسية تشبع عالية ومقاومة للحقول المغناطيسية المتناوبة عالية التردد لتحسين القدرة على التحمل والأداء.
توربينات الرياح:
تتطلب قلوب المولدات لمعدات طاقة الرياح الكبيرة صلب سيليكوني عالي القوة ومنخفض الخسارة للتكيف مع التشغيل الخارجي على المدى الطويل.
محولات موفرة للطاقة (سيناريوهات استبدال السبائك غير المتبلورة):
في بعض السيناريوهات ، يتنافس صلب السيليكون مع السبائك غير المتبلورة ، ويمتلك صلب السيليكون مزايا أكثر في مقاومة الحمل الزائد وتكاليف المعالجة.
5. الاستخدامات الخاصة
العسكرية والفضاء:
تتطلب المحولات الخاصة وقلوب أجهزة الاستشعار في معدات الرادار والملاحة أن يحافظ صلب السيليكون على خصائص مغناطيسية مستقرة في بيئات قاسية (مثل درجات الحرارة العالية والإشعاع القوي).
أجهزة إلكترونية عالية التردد:
على سبيل المثال ، تستخدم قلوب مصادر الطاقة ذات التبديل (SMPS) والعاكسات صلب سيليكون رقيق (مثل السماكة أقل من 0.15 مم) لتقليل الخسائر عالية التردد.
ثانياً: تصنيف وخصائص صلب السيليكون
وفقًا لعملية الإنتاج والخصائص المغناطيسية ، ينقسم صلب السيليكون بشكل رئيسي إلى فئتين: صلب سيليكون غير موجه وصلب سيليكون موجه. والاختلافات هي كما يلي:
1. صلب سيليكون غير موجه
الميزات:
تتوزع اتجاهات الحبوب في صفيحة صلب السيليكون بشكل عشوائي ، والخصائص المغناطيسية موحدة في جميع الاتجاهات. ويستخدم بشكل رئيسي في المشاهد ذات الحقول المغناطيسية المتناوبة واتجاهات المجال المغناطيسي المتغيرة (مثل قلوب المحركات).
تسمية الدرجة:
عادة ما يتم التعبير عنها كـ "W" (غير موجه) + قيمة خسارة الحديد + السماكة ، على سبيل المثال:
35W250: سماكة 0.35 مم ، قيمة خسارة الحديد 2.5 واط / كجم (مقاسة عند 50 هرتز ، 1.5 ت).
تستخدم الدرجات المنخفضة (خسارة حديد عالية) للمحركات العادية ، وتستخدم الدرجات العالية (خسارة حديد منخفضة) للمحركات عالية الكفاءة وموفرة للطاقة.
التطبيقات النموذجية:
قلوب السكون / الدوار لمختلف المحركات والمولدات ، مثل المحركات الصناعية ، وضواغط الأجهزة المنزلية ، ومحركات قيادة المركبات ذات الطاقة الجديدة.
2. صلب سيليكون موجه
الميزات:
من خلال عملية خاصة ، يتم ترتيب الحبوب بشكل منظم على طول اتجاه اللف (أي اتجاه طول صفيحة صلب السيليكون) ، والنفاذية المغناطيسية على طول اتجاه اللف عالية للغاية والخسارة الحديدية منخفضة للغاية ، ولكن الأداء في الاتجاه الرأسي ضعيف. ويستخدم بشكل رئيسي في سيناريوهات المجال المغناطيسي القوي أحادي الاتجاه (مثل قلوب المحولات).
نوع التقسيم:
صلب سيليكون موجه عادي (GO):
يستخدم لمحولات التردد الصناعي (50/60 هرتز) ، مثل محولات التوزيع ، مع درجات مثل 30Q120 (سماكة 0.30 مم ، خسارة حديد 1.2 واط / كجم ، مقاسة عند 50 هرتز ، 1.7 ت).
صلب سيليكون موجه عالي الجودة (صلب HiB ، أي صلب سيليكون موجه عالي الاستقراء المغناطيسي):
نفاذية مغناطيسية أعلى وخسارة حديد أقل ، وتستخدم في محولات الطاقة الكبيرة (مثل محولات الجهد فوق العالي 500 كيلو فولت وما فوق) ، ودرجات مثل 23ZH105 (سماكة 0.23 مم ، خسارة حديد 1.05 واط / كجم ، مقاسة عند 400 هرتز ، 1.7 ت).
التطبيقات النموذجية:
قلوب محولات الطاقة ، والمحثات المتبادلة ، والمفاعلات ، مثل محولات المولدات الكبيرة ومحولات الجر للسكك الحديدية عالية السرعة.
ثالثاً: مؤشرات الأداء الرئيسية
يؤثر أداء صلب السيليكون مباشرة على كفاءة الطاقة وموثوقية المعدات. وتشمل المؤشرات الأساسية:
خسارة الحديد (P):
فقدان الطاقة (واط / كجم) الناتج عن وزن وحدة صلب السيليكون في مجال مغناطيسي متردد. كلما انخفض ذلك كان أفضل ، مما يحدد توليد الحرارة وكفاءة الطاقة للمعدات.
تركز سيناريوهات التردد المنخفض (50/60 هرتز) على P1.5 / 50 (خسارة الحديد عند 1.5 ت و 50 هرتز) ؛
تركز سيناريوهات التردد العالي (مثل المركبات ذات الطاقة الجديدة) على P1.7 / 400 (خسارة الحديد عند 1.7 ت و 400 هرتز).
كثافة الاستقراء المغناطيسي (Bs):
كلما زادت شدة الحث المغناطيسي للتشبع، كان تصميم القلب أكثر إحكاما (مثل تقليل عدد اللفات)، وزادت كثافة القدرة.
عامل التكديس (SF):
نسبة مساحة التوصيل المغناطيسي الفعالة بعد تكديس صفائح الصلب السيليكوني. كلما زادت كفاءة الدائرة المغناطيسية (القيمة المثالية تقترب من 1).
السماكة:
كلما قلّت السماكة، قلّت الخسارة عالية التردد، ولكن زادت تكلفة المعالجة. السماكات الشائعة: 0.15 مم، 0.23 مم، 0.30 مم، 0.35 مم.
رابعاً: النقاط الرئيسية لعملية الإنتاج
عملية إنتاج الصلب السيليكوني معقدة، وتحتاج إلى التحكم الدقيق في التركيب والتنظيم:
الصهر:
يستخدم الصهر في الفرن الكهربائي أو المحول للتحكم بدقة في محتوى السيليكون (لتجنب الانفصال)، والشوائب (مثل الكربون، الكبريت، النيتروجين) وعناصر السبائك (مثل الألومنيوم والمنجنيز).
التشكيل باللف:
التشكيل باللف الساخن: تصنيع ألواح سميكة (مثل 2-3 مم)، تستخدم للصلب السيليكوني غير الموجه منخفض الجودة.
التشكيل باللف البارد: تصنيع ألواح رقيقة (مثل 0.15-0.65 مم) من خلال عمليات لف باردة متعددة. يتطلب الصلب السيليكوني الموجه عمليات لف باردة محددة (مثل التلدين لإزالة الكربون وإعادة التبلور الثانوية) لجعل الحبوب تنمو بشكل اتجاهي.
التلدين:
التلدين لإزالة الكربون: تقليل محتوى الكربون (<0.003٪) لتجنب تأثير الكربيدات على الخواص المغناطيسية.
التلدين بدرجة حرارة عالية: تعزيز نمو الحبوب وتقليل فقدان حدود الحبوب (يحتاج الصلب السيليكوني الموجه إلى تكوين نسيج غاوسي).
الطلاء:
يتم طلاء السطح بطبقة عازلة (مثل MgO، الفوسفات) لتقليل فقد التيار الدوامي بين الصفائح وتوفير الحماية من الصدأ.
خامساً: اتجاهات تطوير الصناعة
كفاءة عالية وترشيد الطاقة:
يعزز ترقية معيار كفاءة الطاقة العالمية (مثل الاتحاد الأوروبي IE4، والصين GB 18613-2020) نمو الطلب على الصلب السيليكوني عالي الجودة (مثل 50W350، 35W250).
قياس رقيق وتردد عالي:
تعزز سيناريوهات التردد العالي مثل المركبات ذات الطاقة الجديدة والطاقة المتجددة تطوير تقنية الصلب السيليكوني ذي القياس الرقيق (مثل أقل من 0.15 مم).
خسارة منخفضة وتلوث منخفض:
تطوير عملية التلدين منخفضة الحرارة وتقنية الطلاء الخالية من الكروموم للصلب السيليكوني غير الموجه لتقليل استهلاك الطاقة والعبء البيئي.
منافسة المواد البديلة:
تحل السبائك غير المتبلورة (انخفاض فقد الحديد) جزئيًا محل الصلب السيليكوني الموجه في مجال محولات التوزيع، لكن الصلب السيليكوني لا يزال يتمتع بمزايا في القوة الميكانيكية وتكلفة المعالجة.