Elektriksel Çelikler

Pratikte elektriksel çelikler iki ana başlık ve birçok alt başlığa bölünerek sınıflandırılırlar. Bu sınıflandırma malzemenin manyetik özelliklerine, şekline, cinsine veya üretim yöntemine dayandırılarak yapılır. İki ana başlık ise;

• Yönlendirilmiş çelikler
• Yönlendirilmemiş çeliklerdir.

Yönledirilmemiş çelikler tam mamül ve yarı mamül olarak üretilirler.

Yönlendirilmiş Çelikler

Bu terim elektriksel çelikleri yani manyetik özelliklere sahip ve haddeleme yönüne karşı güçlü bir dağılıma sahip çelikleri tanımlar. Haddeleme ve tavlama prosesi sayesinde uygun alaşım kompozisyonu ve metalik kristal yapı birlikte üretilebilir ve tanelerin dizilimi ile haddeleme yönünde ki manyetik özellikler çok çok üstün olur. Bu sonuçlar farklı yönlerde daha düşük özellikler gösterir ama yine de transformatör çekirdeği olarak büyük oranda ve düşük hızlı senkronik makineler için çekirdek olarak çeşitli şekillerde üretilirler.

Silisli çelikte tane boyutu; watt kaybı, düşük akı-yoğunluğu geçirgenliği konuları önemlidir. Bununla beraber yüksek akış yoğunluğu geçirgenliği için kristalografik oryantasyonu büyük bir kontrol unsurudur. Silisli çelikler demir gibi, {100}, küp-köşe yönünde kolaylıkla manyetize olurlar.

Saf demirdeki silisyum içeriği yaklaşık olarak %2^1/2 ‘yi aştığı zaman, demirin α’dan γ’ta allotropik dönüşümü engellenir. Dönüşümdeki bu aksaklık daha yüksek silisyum demir alaşımının ergime noktasına kadar tamamen ferritik yapıda olmasına neden olur. Bu davranış, son tavlamada ikincil yeniden kristalleşmenin önlenmesi için üreticiye bu şerit ürünlerin özel soğuk haddeleme ve ısıl işlem teknikleri uygulanmasına olanak verir. Bu işlemin sonuçları iyi gelişmiş bir kristalografik tekstürde {110}{001}haddeleme yönüne paralel küp-köşe yönünde, küp-köşe oryantasyonunu gösterir. 1970’lerde {110}{001} kristalografik tekstürü kompozisyonun ve prosesin modifikasyonuyla geliştirildi. Geliştirilmiş yüksek geçirgenliğe sahip malzeme genellikle %2,9 ile 3,2 oranında Si içeriyordu. Geleneksel tane yönlenmiş çelik, %3,15 Si’li çeliğin tane çapı yaklaşık olarak 3mm’dir. Yüksek geçirgenlik kabiliyeti olan silisli çeliklerin tane boyutu çapları yaklaşık olarak 8 mm ya da daha büyüktür. İdeal olarak, aşırı eddy akımı etkilerini en aza indirmek için tane çapı 3mm’den az olmalıdır. Özel kaplamalar elektriksel yalıtımı sağlar ve çeliğin altyapısındaki çekme gerilmelerinin azaltılmasını sağlar.

Bu çeliklerde kayıplar en düşük seviyededir. Tane yönlendirilmiş silisli çelikler, düşük çekirdek kaybı ve yüksek geçirgenlik sağlamak için üretilmiş verimli ve ekonomik transformatörlerdir. Bu manyetik numuneler en yüksek manyetik özelliklerini haddeleme yönlerinde sergilerler. Bu yönlendirme işlemi çeliğe özel işlem uygulayarak çok yüksek oranda haddeleme yönüne doğru yönelmiş benzer taneler oluşturmak suretiyle yapılır.

Fe – Si alaşımlarında kafes yapıları kübiktir ve taneler en kolay küp kenarlarına paralel durumda manyetik özellik kazanırlar. Belirli çelik kompozisyonu, sıkı olarak kontrol edilen soğuk hadde ve ısıl işlem aşamaları sonucu bu yönlendirilmiş silisli çeliğin taneleri haddeleme yönünde küp kenarlarına neredeyse paralel hale gelir. Bu yönde manyetikleştirildiklerinde süper geçirgenlik ve çok düşük çekirdek kaybı sağlarlar. Ayrıca tek yönlü manyetikleşmeyenin olduğu büyük jeneratörler ve diğer aparatlarda kullanılırlar.

Önerilen Makale: Çelik lama malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için çelik lama sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.


Yönlendirilmemiş Çelikler

Elektriksel çeliklerin bu sınıfı malzemenin düzleminde her yöndeki manyetikliği aynı olan bir manyetik özellik gösterirler. Yönlenmemiş terimi bu malzemeleri kesin bir oryantasyon veya yöne bağlı manyetik özellikleri yaratan proseslerle üretilmiş malzemelerden ayırır. Bu tür çelikler endüstriyel elektrik motorları ve jeneratörlerin çekirdeklerinin çok büyük bir kısmını oluşturan çeliklerdir.

Yönlendirilmemiş elektrik çeliklerinin, yönlendirilmiş elektrik çeliklerine göre güç kayıpları fazladır, manyetik geçirgenlikleri düşüktür ve daha ekonomiktirler. 

Yönlenmemiş (izotropik) yassı haddelenmiş ürünler %0,5'ten 3,5'e kadar Si içerenler yarı mamul ve tam mamul şartlara uygundur. Tam mamul yönlenmemiş silisli çeliklerin büyük bir çoğunluğu ya tam genişlikte (8602 dan 1230 mm'ye) ya da bazıları kesilerek satılırlar. Tam mamul elektriksel çelikler tabaka kümelerindeki eddy akımlarını azaltmak için tavlandıktan sonra organik veya inorganik malzemelerle kaplanır.

Yarı mamul seviye; yarı mamullerin karbon seviyesi genel olarak düşüktür genellikle 0,30'un altındadır. Buna rağmen, yarı mamul ürün genel olarak yeterli derecede dekarbürize edilemez. Bu yüzden potansiyel manyetik kaliteyi geliştirmek ve manyetik yaşlanmadan kaçınmak için dekarbürizasyon ve tavlama kullanıcı tarafından yapılmalıdır. Bu tür tavlamalar genellikle 790 ile 9400 C sıcaklıkları arasında uygun bir dekarbürizasyon atmosferinde yaklaşık 1 saat süreyle yapılır. Metaldeki aşırı oksitlenmeyi önleyip dekarbürizasyonu teşvik etmek için dekarbürizasyon atmosferi yeterli seviyede nem içermelidir.

Yarı mamul ürünler genellikle yüzey yalıtımı kaplaması yapılmadan veya sadece ince sıkı bir yapışkan oksitle yalıtma direnci sağlarlar. Tam mamul seviyedekiler karbonu azaltmak için yaklaşık 8250C’de nemli hidrojen ortamında üretici tarafından tavlanır. Üretici tarafından yapılan son tavlama işlemi, yüksek bir sıcaklıkta (11000C’den yukarıda sürekli şeritler için) tane büyümesinin engellenmesi ve manyetik özelliklerin geliştirilmesi için yapılır. Arzu edilen manyetik özellikler böylece üretim sırasında elde edilir ve genellikler alıcı tarafından ek ısıl işlemlere gerek kalmaz. Bu ürünlerin öncelikli amacı ticari güç frekansı (50-60 Hz) uygulamalarında, belirli bir akımda maksimum watt kaybı sınırları (tipik olarak 1,5T ) için satılır. Yönlendirilmemiş silisli çelikler silisyum içeriği ve ticari olarak kullanımı açısından üç ayrı sınıfta incelenebilirler.

Silisyumun Çeliğe Etkileri

Manyetik alanda aşırı enerji kayıpları olmadan yapılan çalışmaların yanında, silisyum alaşımı katılmış çelikler aşağıda yer alan çeşitli metalografik, fiziksel ve mekanik özelliklere sahiptirler.

a. Demir ve Si alaşımları içerdiği %Si miktarı 2,25’e yakın olan bir metalografik gama ilmeği oluştururlar. 

b. %4 Si içeriğine kadar katılan her %1’lik Si için manyetik dönüşüm sıcaklığı (A₂) 9 ^оC azalır. %4 Si içeriğinde manyetik dönüşüm yaklaşık 730 ^оC’de gerçekleşir. 

c. Eklenen her %1’lik Si, çeliğin elektrik direncini 11.4 mΩ/cm3 arttırır. 

d. Çeliğe Si eklenmesiyle alaşımın yoğunluğu düşer. 

e. Düşük karbonlu çeliğe Si eklenmesi yaşlanma eğilimini düşürür (artan zaman ve sıcaklıkla manyetik özelliklere zarar verir), diğer faktörleri ise normal ve kontrol edilebilir yapar. Manyetik yaşlanma teorisi hala tartışılmakta fakat artan silisyum oranıyla yaşlanma eğilimindeki düşüşün çözülebilir nitrojen limitindeki artış ve bileşimlerin karbür ve nitrür olarak çökelmesinde azalış nedeniyle olduğu genel olarak kabul görmüştür. 

f. Kırılganlık ya da süneksizlik Si yüzdesinin artmasıyla artar. Bu kırılganlık ticari olarak üretilen silisli çeliklerde en önemli belirleyici faktördür. Eğer kırılganlık fazla olmasa daha yüksek silisyum içeren çelikler üretilebilirdi.

Yassı-düz haddelenmiş elektriksel çelikler özel kimyasal kompozisyonlardan çok manyetik özellik ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla üretilmişlerdir. Manyetik özellik en önemli parametredir ve kimyasal kompozisyona bağlı olduğu kadar üretim yöntemine de bağlıdır. Silisyum elektriksel çelikler için en önemli alaşım elementidir. İlave edilir çünkü çeliğin özdirencini arttırır ve bu yolla çekirdek (iron) kaybının bir bileşeni olan eddy akımı kaybını azaltır. Silisyum, çeliğin tane yapısını etkiler ve böylece yönlenmemiş elektriksel çeliklerde bir şekilde histerisis bileşenini azaltarak çekirdek(iron) kaybını azaltır. Ürün tipine bağlı olarak elektriksel çeliğe ilave edilen diğer elementler alüminyum ve mangandır. Bunların her biri özdirenç gibi herhangi bir fiziksel etkiden çok metalurjik etkileri açısından eklenirler. Bu alaşım elementlerinden her biri çeliğin tane yapısını iyi bir şekilde etkiler, böylece çekirdek kaybının bir bileşeni olan histerisisi düşürmeye yardımcı olur. Diğer elementler elektriksel çeliklerde mevcuttur fakat bunlar sadece artık formda bulunan empüriteler şeklindedir. Karbon ergitmeden son ürüne kadar miktarı değişen tek elementtir. Haddeleme prosesi sırasında özel ısıl işlemler tam mamulün karbon içeriğini çok düşük değerlere düşürür. Karbon müşteri tarafından tavlama işlemi sırasında yarı-mamül seviyesinde yapıdan ayrılır(örneğin; motor üreticisi) . Eğer taneleri yönlemiş bir çelik varsa üreticide, kükürt ve nitrojen gibi empüriteler son kristal oryantasyonu geliştirmeye yardımcı olmaları açısından başlangıç aşamasında istenirler fakat son tavlamada yapıdan kaldırılırlar.

Yassı haddelenmiş silisli-demir saclar ve çubuklar düşük orandan kükürt içerirler, genel olarak %0,025 daha iyi kalitelerde %0,01’dir. Mangan miktarı yaklaşık %0,70 ‘e kadar çıkabilir. Krom, molibden, nikel, bakır ve fosfor gibi artık elementler de kalabilir. Silisyumdan sonra en büyük alaşımlama katkısı %0,6’ya kadar Al (opsiyonel).

Düşük Silisyumlu Çelikler

Yaklaşık olarak % 0.5 – 1.5 Si içerirler. Bu tür çelikler genellikle elektrik bobinlerinde ve motorların sabit gövdelerinde kullanılırlar. Yüksek hassasiyet ve mekanik mukavemet istenen büyük makinelerin manyetik kutupları bu saclardan üretilir. Bu tip saclar sadece doğru akımda kullanıldığı için çekirdek kaybı önemli değildir.

Armatür sacları takriben %0.5 – 0.6 Si içerirler. Bu saclar geçirgenlik istenen, çekirdek kayıplarının pek önemli olmadığı yerlerde, küçük motorlarda ve dinamolarda kullanılırlar. Yumuşak ve haddeleme özelliği iyi olan malzemelerdir.

Orta Silisyumlu Çelikler

Yaklaşık olarak %2.5 – 3.5 Si içerirler. Bu tip çelikler ortalama yüksek verim jeneratör ve motorlarında, orta büyüklükte aralı hizmet transformatörlerinde, reaktörlerde ve motorlarda kullanılırlar.

Motor saclarının silisyum içeriği %2.75’tir. Çekirdek kaybı az, haddeleme özelliği iyi ve düşük akı yoğunluklarında geçirgenlikleri yüksektir. Yüksek verimli motor, jeneratör, küçük ve orta boy transformatör, elektrik motoru yapımında ve genel olarak düşük çekirdek kaybı istenen yerlerde kullanılır.

Yüksek Silisyumlu Çelikler 

Bu tür çeliklerde Si içeriği %3.75-7 arasındadır. Güç transformatörlerinde, yüksek verim motorlarında, jeneratörlerde ve haberleşme aletlerinde kullanılırlar.

Transformatör saçlarının haddeleme özelliği iyi, manyetik özellikleri zamanla değişmezdir. Silisyum oranı ile çekirdek kaybı ve sünekliği değişir. Bu oran azalırken çekirdek kaybı ve sünekliği azalır, indüksiyon geçirgenliği ve elektrik direnci artar. ASTM sınıflandırmasına göre Transformer – 72 (%3.8 Si), 65 (%3.8Si), 52 (%4.50Si) sacları transformatör saclarıdır.
 

Elektriksel çeliklerin elektrikli makinelerde kullanımında üç ana karakteristik önemlidir.

1. Watt kaybı 
2. Manyetik Geçirgenlik 
3. Isıl iletkenlik

Elektriksel Çeliklerde Güç Kayıpları

Bir elektrik makinesindeki kayıplar; 

• Histerisis kaybı 
• Eddy akımı kaybı 
• Tabakalararası kayıp 
• Rotasyonal kayıp

Histerisis ve eddy akımı kaybı çeliğin kendi özelliğidir, arta kalanlar ise çekirdeğin elektrikli makinede kullanılış şekli ile alakalıdır.

Histerisiz Kaybı Fiziksel olarak malzemenin mıknatıslanması sırasında atomların yön değiştirmeleri, akı değişimi nedeniyle olur. Bu kayıp çekirdek içinde dahili ısı olarak açığa çıkar. Histerisis kaybı artan akış yoğunluğuyla ve manyetikliğin değişim sıklığına göre hızlı bir şekilde artar. H’nin aldığı değerler için B’nin farklı değerler alması olayına histerisiz, bu akı yoğunluğu değişiminin çekirdek içinde dahili ısı olarak açığa çıkmasına da histerisiz kaybı denir.

Girdap Akımı Kayıpları Nasıl Oluşur?

Alternatif akım ya da zamanla değişen alanların söz konusu olduğu durumlarda malzemede ortaya çıkan ısı(joule) kayıplarıdır. Değişken bir alan içinde bulunan iletkenlerde ve ferromanyetik malzemelerin moleküllerinde bir gerilim endüklenir. Endüklenen bu gerilimler sonucu oluşan akımlar moleküller arasında çevrimini tamamlamaya çalışır ve böylece ferromanyetik malzeme, birçok kısa devre olmuş sargılar gibi davranır. Meydana gelen girdap akımları, manyetik alan frekansında olacağından elektronların birbirine sürtünmesiyle moleküller ısınır. Isı kaynağı oluşturan bu kısımlardan cidarlara doğru bir ısı akışı meydana gelir ve cisim ısınır dolayısıyla ısı kayıpları ortaya çıkar. Elektrik akımları manyetik bir çekirdeği (hücreyi) çevreleyen iletkenlerin üzerinde yüzer ve manyetik akıntı elektrik akımı meydana getirir yani manyetik akıntıyı yükler. Eğer manyetik akı zengin ise, akıntı hatlarını çevreleyen iletken yollardan herhangi birinde voltaj meydana getirir. Bu iletken yollardan bazıları çekirdek(iron) yapısının içinde bulunur. Yollar boyunca voltaj çekirdek (iron) malzemenin içinde dairesel akımlar yaratır. Bu akımlar eddy akımları olarak bilinir. Eddy akımlarının büyüklüğü frekansın boyutu, manyetik akışın yoğunluğuna, ve (iron) malzemenin spesifik rezistansı ve kalınlığına bağlıdır. Eğer manyetik çekirdek(iron) malzemenin kalınlığı büyük ise, eddy akımları sınırlanamayacak ve bu yüksek enerji kaybıyla sonuçlanacaktır. Bu kayıp da ısı gibi sınırlanabilir ve bu da çekirdeğin sıcaklığını oldukça arttırır.

Girdap akımlarının izledikleri yolları tam olarak belirlemek mümkün olmadığı gibi izledikleri yol da düzgün değildir. Girdap akımları sadece malzemenin ısınmasına değil, aynı zamanda kendisini oluşturan alana ters yönde olacağından magnetik alanın da zayıflamasına neden olurlar.

Tabakalararası Kayıp

Eddy akımı kayıplarına ek olarak her tabakada meydana gelir ve buna ek olarak bir güç kaybı, tabakalar arası kayıp olarak bilinir. Tabakalardan biri diğerine göre tamamen yalıtılana dek devam eder. Yalıtımın miktarı, manyetik hücrenin boyutlarına, hücreye uygulanan mekanik basınca, akı yoğunluğuna ve frekansına karşı bu bileşeni ihmal edilebilir kayıplardan bile koruyacak kadar yeterli olmalıdır.

Tabakaların köşelerindeki aşırı çapaklanma tabakalararası kaybı arttıracaktır. Hücreye çok fazla eksenel basınç uygulandığında kayıp da artabilir.

Rotasyonal Kayıp

Rotasyonal kayıp stator hücreye aşırı radyal bir basınç uygulandığında ortaya çıkan eddy akım kayıplarının özel bir türüdür. Bunun indüksiyon makinelerindeki sabit bobinlerde önemli bir rolü vardır. Eğer stator (sabit) hücre üzerindeki radyal basınç aşırı derecede yüksekse, yerel ve sirkülasyon yapan eddy akımları her bir tabakadan ve her stator dişinin tepesinden geçer ve belirgin bir şekilde elektrik motorunun hareketsiz kısmındaki(stator) hücre kaybını arttırır.

Manyetik Geçirgenlik 

Hava boşluğunu bir taraftan diğer bir tarafa geçecek şekilde bir manyetik kuvvet uygulandığında manyetik alan üretilir. Eğer bu hava boşluğu ferromanyetik bir malzeme ile doldurulursa ve aynı manyetik kuvvet sürdürülürse bu durum manyetik akıdaki büyük artışla sonuçlanır. Ferromanyetik malzemede gelişen bu akıyı hava boşluğunda gelişen akıya oranladığımızda ferromanyetik malzemenin geçirgenliğini elde ederiz.

Ferromanyetik malzemeler için geçirgenlik bir sabit değildir, uygulanan manyetik kuvvet ve akı yoğunluğuna göre değişir. Manyetik kuvvet lineer olarak artarsa, çelikteki akı yoğunluğu önce yavaşça artar sonra bu artış çok hızlanır, sonra çelik akı açısından doyuma yaklaştıkça kademe kademe bu hız yavaşlamaya başlar.

Manyetik kuvvet azaldıkça ve bozulursa (ya da ters yönde ise) akı azalır fakat artış yolu takip ederek azalamaz. Böyle, manyetik güçteki tek bir ters çevrimli bir durum bile akı yoğunluğumanyetik kuvvet grafiğinde bir eğri oluşturur ve genellikle bu eğriye malzemenin histerisiz eğrisi denir. Eğrinin bulunduğu alan çelikteki histerisiz kaybı ile orantılıdır. Şekil farklı çelik tipleri için bir dizi histerisiz eğrilerini ve elektriksel çeliklerin oldukça düşük manyetik kuvvetlerde ve yüksek akı yoğunluklarında uzlaştıklarını gösterir.

Isıl İletkenlik Elektriksel çeliklerde iyi ısı iletkenliği önemlidir çünkü çelikteki kayıplar bir ısı meydana getirir hücrenin bu kısımlarla iletilmek zorunda olan kısımları soğutucu ile (genellikle hava) temas halindedir. Isıl iletkenliği ölçmek kolay değildir, fakat elektriksel iletkenliğe oldukça yakındır ve bağlıdır. Isıl iletkenliğin, elektriksel iletkenliğe oranı yaklaşık olarak sabittir. (yaklaşık 3 civarında bir oran).

Isıliletkenlik / elektrikseliletkenlik = 3 (sabit)

Bunun sonucunda, çeliğin direncini ölçmek ısıl iletkenliği hakkında da bilgi verir. Çeliğin direncinin büyük bir bölümü, çelikte bulunan silisyum yüzdesiyle doğrudan ilişkilidir. Şunu hatırlamalıyız ki, silisyum yüzdesi düşük veya silisyum ihtiva etmeyen çeliklerin dirençleri yüksek miktarda silisyum ihtiva edenlerden daha düşüktür. Tipik elektriksel çelikler için bu bilgileri ısıl iletkenlik cinsinden yazarsak;

1. Laminasyon düzlemine paralel, 

Yönlenmiş çelik 27W/mK 
%1,3 Si’li çelik 45W/Mk 
Silisyumsuz çelik 66W/Mk

2. Laminasyon düzlemine dik durumda ısıl empedans değerleri paralel durumdakine göre %2-3 oranında azalır.
 

Elektirikli makine tasarımcılarının ortak görüşünden; elektriksel bir makine için kullanılacak olan ideal çelik, düşük bir kayıba sahip olmalı yüksek geçirgenlik ve yüksek iletkenliğe sahip olmalıdır. Ne yazık ki silisyumun elektriksel çeliklerde ana alaşım elementi olarak kullanılması kayıpları azaltıp, geçirgenlik ve iletkenliği arttırsa da üretim maliyetini arttırıyor.

Elektirksel çelik üreticilerinin, farklı kayıp ve geçirgenlik özelliklerine sahip farklı tip ve kalitelerde çelik üretebilmek için hem çeliğin kimyasal bileşimi hem de üretim yöntemiyle ilgili kabul edilebilir fiyatlarda uzlaşmaya varmaları gereklidir. Son yıllarda düşük kayıpları geliştirebilmek için çok düşük karbonlu çelikler üretebilmek için ve çok düşük sülfür içeriklerine ulaşabilmek için araştırmalar yapılıyor.

Kayıpları Etkileyen Üretim Prosesleri

Çoğu çelik üretim prosesinin çelik kayıpları üzerinde bazı etkileri vardır, fakat alaşımlama dışında en önemli olanları;

1. Tavlama 
2. Yüzey kaplama veya indükleme 
3. Tabaka kalınlıkları

Tavlama

Elektriksel çelik üreticileri haddeleme proseslerini iyi yönde manyetik özelliklere sahip malzeme üretebilmek için ve üretilen çelik tipi için gereken özellikleri sağlayabilmek için organize ederler. Yine de eğer bu malzemelerin üreticisi zarar verebilecek olan faktörlerin kontrolünün yapılmasını kanıksamamışsa, bu malzemelerden optimum düzeyde özellikler beklenemez. Bu zararlı faktörler, malzemenin işlenmesiyle oluşan gerilimler, çatlak(ilerleyen) distorsiyon( slitter distortion) , bası distorsiyonu(punching distortion), kenar,köşe çapakları, tabakaların tavlanması sırasında tamamlanmamış karbonsuzlaşma, aşırı oksitlenme bunlardan bazılarının isimleridir. Şunu bilmek önemlidir ki en iyi manyetik kalite çekirdeklerin veya tabakaların uygun ve hakkını verecek şekilde tavlanmasıyla mümkündür. Bu da gerilim içermeyen iyi bir şekilde dekarbürize edilmiş ve aşırı derecede oksitlenmemiş bir yapıyı anlatır. Tabakaların toplu halde de gerilim içermemesi gereklidir. Müşterinin yapacağı tavlamayı genellikle iki geniş sınıfa ayırmak mümkündür. Bir gerilim giderme tavlaması tam mamül seviyesinde manyetik özelliklerin kazanımı için normal olarak kullanılan bir ısıl işlemdir. Bir ‘kalite değerlendirme tavlaması’ sadece tabakalarda meydana gelen gerilimi gidermekle kalmaz aynı zamanda karbonsuzlaştırır ve tane büyümesine de katkıda bulunur.

Hem gerilim giderme hem de kalite değerlendirme tavlaması çoğunlukla sürekli metodlarla yapılır. Sürekli tavlama fırınları yüksek hacimdeki üretimlere uygun dizayn edilmiş ve uygun kontrollü gaz atmosferi sağlanarak çelik oksidasyondan korunur ve manyetik özellikler geliştirilir. Sürekli fırınlar genellikle aşağıdaki kısımlardan oluşur.

1. Yağlayıcıların yandığı kısım 
2. Dekarbürizasyon ve tane büyümesi için yüksek ısı zonları ve 
3. Soğutma kısımları aynı zamanda yalıtıcı yüzey oksidi oluşumu için hazırlık

Çekirdek Hücre Malzemelerin Yüzey Yalıtımı

Eddy akımları kayıplarının sınırlaması, uygun dirençli elektrikli çeliklerle, uygun veriler, yeterli derecede ince tabakalar ve tabakaların etkili elektriksel yalıtımını gerektirir. Eddy akımları tabakaların sadece birinin içinden geçmez, bir hücre gibi bütün çekirdeğin içinden geçerek, tabaka yüzeylerinden bir taraftan diğer bir tarafa akıp gidecektir. Manyetik bir hücreyi basitçe lamine ederken, eğer tabakaların yüzeyi uygun bir şekilde yalıtılmadıysa ve pürüzler, çapaklar çok küçük değilse manyetik hücre bütün hücreyi sirküle ederek gelen fazla akımı engelleyemez.

Tabaka yüzey yalıtımı direnci, tabakalar arası güç kaybı, toplam güç kaybının genellikle %1- 2’si gibi küçük bir oranına düşürüldüğünde oldukça uygun olarak düşünülebilir. Ne kadar büyüklükteki yalıtım uygun ve hangi yüzey yalıtımı daha uygun gibi sorular bazı kompleks sorulardır. Bu soruların cevabı ise aparatın sadece arzu edilen verimliliğine bağlı değil aynı zamanda bir çok dizayn ve üretim faktörlerine bağlı olup bunların her biri tabakalar arası güç kaybının büyüklüğünü de etkilemektedir. Çok küçük beygirli motorlar gibi küçük elektrikli aletler yüzey yalıtımı gerektirmeyebilir bundan ötesi çelik yapımında veya gerilim giderme tavlamasında doğal oksit filmi üretmeleri sağlanabilir. Fakat yalıtıma başka nedenlerden dolayı da ihtiyaç duyulabilir, örneğin korozif ortama maruz kalan aletlerin hücrelerine, oksit filmin bozulmasını ya da bundan kaynaklanan düşük direnci önlemek için yalıtıcı kaplama yapılabilir.

Yalıtıcı kaplamalar birinci alternatif olarak çeliğin zımbalanabilirliğini (preslenebilirliğini) arttırdığı için kullanılırlar ve kullanım gerekçeleri doğrudur çünkü onlar kalıp ömrünü uzatır ve zımbalama maliyetini düşürürler. Yarı mamül yönlenmemiş elektriksel çeliklerde tabaka yapışmalarını azalttığından yapışmayan kaplamalar kullanılabilir. Kaplamalardaki yenilikler ve gelişmeler sıradan yapışmayan kaplamalara göre daha yüksek sıcaklıklarda tavlama yapılmasına olanak verir, bu da manyetik kaliteyi geliştirip, üretkenliğin artmasıyla sonuçlanır. Tabakalarda kullanılan kaplamanın tipi önemlidir çünkü farklı kaplamaların ısıl işleme olan dirençleri de farklıdır. Örneğin; kaplamanın erkenden bitmesi, yüzeyden gitmesi v.b.

Silisli Çeliklere Uygulanan İzolasyon Tipleri

C-O: Bu tanımlama sadece yassı haddelenmiş silisli çeliğin yüzeyinde oluşan doğal oksit yüzeyidir. Genellikle küçük hücrelerde ve gerilim giderme tavlaması sıcaklıklarına dayanır ve ince fakat etkili tabaka yalıtımı sağlar.

C-2: Bu tanımlama inorganik bir yalıtımı anlatan, tane-yönlenmiş silisli çeliğin yüksek sıcaklıkta hidrojen tavlaması sırasında, çeliğin yüzeyine uygulanmış MgO ve silikat kaplaması reaksiyonunun bir sonucu olarak oluşan camsı filmdir. Bu yalıtım havada-soğutulmuş veya yağa daldırılmış hücreler içindir. Normal gerilim giderme tavlaması sıcaklıklarına dayanacak, transformatör hücrelerinin dağılımında kullanıldığı gibi yeterli tabakalar arası dirence de sahiptir. Kaplamanın aşındırıcı doğasından dolayı ezilmiş, basılmış, kalıplanmış tabakalara uygun değildir.

C-3: Bu yalıtım vernikli kaplamaları içerdiğinden havada soğutulmuş veya yağa daldırılmış hücreler içindir. Tabakalar arası direnç bu kaplama sayesinde sağlanır ve kalıp yağlayıcısı olarak kullanılan C-1 kaplamasından daha üstündür. C-3 kaplaması bir de preslenebilirliği arttırır. Normal işlem sıcaklıklarına dayanır fakat gerilim giderme tavlaması sıcaklıklarına dayanamaz.

C-4: Orta derecede yalıtım direnci gerektiren havada soğutulmuş veya yağa daldırılmış hücreler içindir. Bu kaplama kimyasal muamele edilmiş veya fosfatlanmış yüzeyden oluşur. Gerilim giderme tavlaması sıcaklıklarına kadar dayanıklıdır ve preslenebilirliği arttırır.

C-5: Bu yalıtım C-4 ile aynı ve inorganiktir fakat tabakalararası direnci arttırmak için buna seramik dolgular eklenmiştir. Genellikle taneleri yönlemiş silisli çeliklerde C-2 kaplamasının üzerine uygulanır. Havada soğutulmuş veya yağa daldırılmış hücreleri ve yüksek voltajlarda dönen kesilmiş tabakalarda kullanılır. Aynı zamanda yüksek seviyede tabakalararası direnç gerektiren durumlarda da uygulama imkanı bulur. C-2 gibi . nötr veya hassas redükleyici atmosferde gerilim giderme tavlaması sıcaklıklarına kadar dayanıklıdır.

Tabaka Kalınlıkları

Eddy akımı kayıpları lineer olarak tabaka kalınlığını arttırırlar. Hatta belirli bir çelik için kayıp 2 ise kalınlık da 2 artar denilir, fakat bu basit bir indirgemedir. Şekil 3.27 eddy akımı kayıplarının çeşitli kalınlıklardaki tabakaların kalınlıklarına etkileri gösterilmiştir. Teoride, değerleri verilmiş bir çelik için indüklenmiş voltaj, kesit alan oranı arttıkça artar. Teorik olarak, tabakalar inceldikçe özellikler de iyi yönde gelişir. Pratikte ne de olsa daha ince tabakalar hem çelik üreticisi hem de motor üreticisi için pahalıya mal olmaktadır. 0.5 mm’den ince tabakaların işlenmesi zor ve tabakalaşma ve çekirdek hücre üretimi sırasında zarar görmeye meyillidir. Bu nedenle endüstriyel motorları çok azı bundan daha ince tabakalara sahiptir buna rağmen daha ince tabakalar yüksek sıklıkta ve başka özel amaçlı makineler için de kullanılır.

Tamircilerin parmak bastıkları nokta, tabakalar inceldikçe, eski izleri silmek için daha çok çaba ve dikkat gerekiyor. Bu kaplamasız (finger plate), üretilen hücreler için kısmen doğru bir saptamadır.

ABD’de ki motorlarda tipik olarak 0,47–0,64 mm arasında ki tabaka kalınlıkları kullanılır, fakat bu bir üreticiden diğerine göre değişir. Avrupa’da ikien çok bilinen tabaka kalınlığı hem küçük hem de büyük beygirli motorlarda 0,5 mm ve 0,65 mm’dir.

Çeliğin kalınlığını değiştirmek motor üreticisi için büyük bir masraftır. Zımba kalıpları belli bir tabaka kalınlığına göre ayarlanmıştır bundan dolayı eğer tabaka kalınlığı değişirse bunlar da yer değiştirmelidir. Zımba kalıplarının kullanımı malzeme kalınlığı belirlenmesinde etkin kılınırsa, bu çapak boyunu kötü bir şekilde etkileyecek ve kalıpların zımbalama sırasında yapışmasına veya kırılmasına neden olabilecektir. Bu yüzden çoğu motor veya tabaka üreticisi herhangi bir özel tabaka çapında ve tek bir tabaka kalınlığında standardize olurlar.

Girdap Akımlarına Etki Eden Diğer Faktörler

Levhaların kesilmesi ve işlenmesi esnasında levha kesim ve işleme yerlerinde sertleşme meydana gelir. Bu yüzden girdap akım kayıpları artar. Bunun gibi levhalar arasında bulunan izole edici tabakanın muhtelif yerlerinde sürtünme ve hatalı baskı kuvveti neticesinde zedelenme ve delinme, levhaların girdap akımları için kısa devre olmasına neden olurlar. Tüm yukarıda sıralanan nedenlerden dolayı formüllerle hesaplanan kayıplardan daha büyük girdap akım kayıpları söz konusu olur. Kısa devre oluşmaması durumunda işleme ve kesme sonucunda oluşan kayıplar, teorik olarak hesaplanandan yaklaşık %50 daha büyüktür. Bu nedenle işleme faktörü tanımlanır. Bu katsayı işlemede gösterilecek titizliğe bağlıdır. Kötü işleme durumu için yaklaşık olarak 2 alınabilir. Kısa devrelerin oluşmasında ise bu katsayı 5’e kadar çıkabilir.

Anormal Kayıplar

Klasik girdap akımı kaybı madde boyunca sabit ve tek olan geçirgenlikle doğrusal bir B-H ilişkisi olduğunu varsayar. Böylece, dalga şekli sinüs eğrisi olarak uygulanan bir alan için tüm diğer niceliklerin dalga şekli de sinüs eğrisidir ve ince bir levha içindeki girdap akımı kayıpları Maxwell eşitlikleri yardımıyla hesaplanır.

Bu eşitliklere göre, girdap akımları nedeniyle devir başına düşen enerji kaybı frekansın doğrusal bir fonksiyonudur. Histeresis nedeniyle olan devir başına enerji kaybı frekanstan bağımsızdır. Geleneksel olarak, histeresis ve girdap akımı kayıpları farklı frekanslarda verilen bir akı yoğunluğu için güç kaybı ölçümlerini alarak ve devir başına düşen toplam güç kaybının frekansa karşı eğimi grafiğe geçirilerek deneysel olarak ayrılabilir. Bu eğriyi sıfır frekansa genişletmek histeresis kaybını verir.

Girdap akımı kayıp bileşeni, ince levhalarda frekanstan bağımsız olan devir başına histeresis kaybının toplamdan çıkarılmasıyla tanımlanır. Bununla birlikte bu yapıldığında, görünür girdap akımı kaybının Eşitlik (3.18)'de hesaplanmış olan değerden daima daha büyük olduğu bulunur. Bu, anormal bir kayıp olarak adlandırılan ileri bir kayıp bileşenini verir.
Elektrik çeliklerinin üretiminde farklı işlemler kullanılıp kristal boyutları küçültülmelidir. Çeşitli kimyasal yöntemlerle çelik içindeki manyetik olmayan maddeler örneğin karbon (C) azaltılmaktadır. Üretim ve maddenin mekanik işlenmesi sırasında oluşan iç gerilmeler elde edilen ürünün tavlanmasıyla giderilmekte ve manyetik özellikler yeniden kazandırılmaktadır. Klasik girdap akımları levha haline getirilmiş elektrik çeliklerinin inceltilmesi ve maddeye Silisyum (Si) katkısıyla azaltılmaktadır. Anormal kayıplar ise kristal boyutlarının küçültülmesi, levha yüzeyinin ince bir filmle (MgO) kaplanması ve fiziksel olarak domainlerin inceltilmesi yöntemleriyle azaltılmaktadır.

Anormal kayıp, güç frekanslarında amorf maddelerinin toplam güç kaybının % 90-99'undan sorumludur. Bu, grainleri yönlendirilmiş Fe-3.2%Si için olan oranın %30-90'nı ile karşılaştırılmalıdır. Bu anormal kaybın temeli çeşitli domain etkilerine katkıda bulunmaktadır. Bunlar;

a) Domain duvarının oluşumu ve duvar açıları 
b) Dalga şekli sinüs eğrisi olmayan, tek olmayan ve tekrarlamalı olmayan duvar hareketi. 
c) Akının tam nüfuz edememesi ve domain duvarının eğilmesi, 
d) Dalga şekli sinüs eğrisi olmayan akı yoğunluğu ve akı yoğunluğunun bölgesel değişimi, 
e) Domain duvarının yeniden oluşması ve yok olması şeklinde ifade edilmektedir.
 

Farklı Geometriye Sahip Transformatör Çekirdeklerinde Akı Dağılımı

Farklı transformatör üreticileri, güç kaybı ve gürültüsü olmayan en iyi çekirdek özelliğini elde etmek için son derece değişik yöntemler uygulamaktadırlar. Son zamanlarda hem akademik hem de endüstri araştırma laboratuarları, önemli bir ölçüde-liştirilen çekirdek eklem (birleşme yeri) yöntemlerini önermektedirler. Bununla birlikte yığılma faktörünü arttıran temel problem bölgelerinin hala bu birleşme yerleri olduğu varsayılır. İkinci bir azalma için birçok çekirdek üreticisi üst üste binen bölgeler için çok-katlı yöntemleri tanıtmışlardır.

Çok-katlı yöntemde N kat için N tane levha ile köprülenir. Bununla birlikte çok-katlı çekirdek yönteminin oluşumu için artan fiyat gibi bir olumsuzluğa sahiptir. Löffler ve arkadaşlarının (1995) yaptığı çalışmada model çekirdeğin özellikleri üzerinde çok-katlı yapılandırma etkisi araştırılmıştır, g (hava aralığı uzunluğu), levha genişliği w, üst üste binme uzunluğu a gibi geometrik değişkenlerin etkisi vurgulanmaktadır. Buna ilaveten tek-katlı yapılandırma için kayıplar üzerinde olumsuz etkiye sahip çok sayıda geometrik değişkenlerin var olduğu ve N basamak sayısındaki artışın, böyle değişkenlerin çekirdeğin manyetik özellikleri üzerindeki etkilerini azalttığı gösterilmektedir.

Transformatör çekirdekleri birleştirilirken hava-aralıkları levha uçlarında doğal olarak 0-3 mm genişliğinde oluşmaktadır. Çekirdekler değişen genişlikteki paketleri içerdiğinden bu paketlerin değiştirilmiş hava aralığı bölgeleri levha düzlemine dik Φz akı bileşenlerine ve böylece aşırı girdap akımı kaybına neden olmaktadırlar. Löffler ve arkadaşlarının (1994) araştırmasındaki genel sonuçlar:

1. Kaydırılmış elektrik çeliklerinin birleşimindeki hava boşlukları, düzlemsel girdap akımları ve akı düzensizliklerine uygun iç levhalardaki akı bileşenlerine sebep olur. 
2. Kayıp artışları bağıl bir en küçük değerden geçen değişim uzunluğuna bağlıdır, 
3. En yüksek kayıp artışları 1 mm'ye ulaşan boşluk uzunluklarından meydana gelir. 
4. Kayıp artışları, boşlukların hem ortalama uzunluğuna hem de bölgesel dağılımına bağlıdır şeklinde verilmiştir.

Kaydırılmış elektrik çeliklerinin birleşimindeki hava boşlukları, düzlemsel girdap akımları ve akı düzensizliklerine uygun iç levhalardaki akı bileşenlerine sebep olur.

Kayıp artışları bağıl bir en küçük değerden geçen değişim uzunluğuna bağlıdır, En yüksek kayıp artışları 1 mm'ye ulaşan boşluk uzunluklarından meydana gelir. Kayıp artışları, boşlukların hem ortalama uzunluğuna hem de bölgesel dağılımına bağlıdır şeklinde verilmiştir.

Transformatördeki güç kayıpları çeliğin kalitesini arttırarak veya daha iyi yapım teknikleri kullanılarak azaltılabilir. Grainleri yönlendirilmiş Si-Fe kullanımı transformatör verimliliğini arttırmada temel bir etkiye sahiptir, fakat tek olumsuz yönü gerilme duyarlılığına sahip olmasıdır. Bir transformatör çekirdeğinin verimliliği birleşme yerlerinin yapılandırılmasına bağlıdır. Bu bölgelerde akı, çeliğin dönme yönünden sapabilir ya da biçim değiştirebilir. Böylece yüksek kayıplı bölgeler oluşur. Önceleri, sadece toplam kayıplar incelendiğinden birleşme yerlerindeki akı dağılımı ve bölgesel kayıplar hakkında fazla bir bilgi elde edilememiştir. Jones ve Moses'm (1974) çalışmasında, Gupta'nın 45° açılı kısmen üst üste binen dizilimli bir transformatörün verimliliğinin uç uca ve üst üste gelen birleşimle yapılan benzer bir transformatörden % 7 daha fazla olduğunu ve Brechna'nın da farklı birleşme noktalarını karşılaştırdığı ve 45° açılı kısmen üst üste binen dizilimin uç uca ve üst üste gelen birleşiminkiyle olandan % 8 - % 10 daha verimli olduğunu bulmuşlardır. Bununla birlikte 90°'den farklı uç uca birleşimleri kullanan bir transformatörün ekonomik olup olmadığı konusunda şüphe olduğunu açıklamıştır.

"Büyük çekirdeklerde 45° açılı kısmen üst üste binen dizilimin uç uca ve üst üste gelen birleşimle yapılandan daha verimli olduğu bilinmesine rağmen iki birleşme türünde akı dağılımının ve kaybının karşılaştırılması önceden yapılmamıştır. Jones ve Moses'ın (1974) araştırmasındaki deneysel sonuçlar kaybın ve akı dağılımının genel şeklini göstermekten başka aşağıdakileri de ortaya çıkarmaktadır;

1. Kısmen üst üste binen dizilimin, uçuca ve üst üste gelen birleşimden 1,5 T ve 50 Hz’de mıknatıslandırılmış 15 cm’lik tabaklarda %18 daha verimlidir. 
2. En büyük bölgesel kayıp, uç uca ve üst üste gelen birleşim yerlerinde bulunan koldaki ortalama kayıptan %26 ve 450 açılı kısmen üst üste binen dizilimde bulunan koldaki ortalama kayıptan da %7 daha büyüktür. 
3. Uç uca ve üst üste gelen birleşim yerlerinde daha yüksek olan bu kaybın nedeni doymuş maddenin ve dönen akının daha büyük değerde olmasıdır.

Verilen bir H manyetik alanında, manyetik bir maddenin varlığı, u geçirgenliği nedeniyle B manyetik indüksiyonunu etkiler. Manyetik devrelerdeki manyetik akıyı belirlemek için uygun bir kavram, elektriksel direncin manyetik benzeri olan R manyetik direncidir. Ayrıca manyetik madde sonlu bir uzunluğa sahipse, bu maddenin kısımları da manyetik kutupların oluşması uygulanan alanın zıttı bir manyetik alan doğurur. Bu zıt alan zıt mıknatıslanma alanı olarak adlandırılır ve şiddeti maddenin M mıknatıslanmasına ve geometrisine bağlıdır.

M mıknatıslanmasının H manyetik alanının manyetik dipolmomentin varlığı nedeniyle sonlu boyutlarda mıknatıslanmış bir madde içinde zıt yönleri göstermekte olduğu için, madde içinde her ne zaman manyetik kutuplar oluşursa var olan H, zıt mıknatıslanma alanım tanımlamak mümkündür. Bu zıt mıknatıslanma alanı, uygulanan alan sıfıra düşürüldüğünde sonlu uzunluktaki örnekler üzerindeki histeresis ölçümlerinden bulunabilir. Fakat ölçülen alan artık (kalan) mıknatıslanma nedeniyle negatiftir. Zıt mıknatıslanma alanı sadece iki faktöre bağlıdır. Bunlar maddedeki mıknatıslanma ve örneğin şeklidir. Zıt mıknatıslanma alanı, mıknatıslanma ile orantılıdır.

Manyetik akı yolunun bir hava boşluğuyla kesildiği durumlar uygulamada önemlidir. Çünkü sabit mıknatıs, elektrik motorları, jeneratörler ve madde analizi gibi mühendislik uygulamalarında bu olayla karşılaşılır. Burada karşılaşılan problem tek bir maddede hesaplanan akıdan daha karmaşıktır. Bununla birlikte manyetik alan için manyetik akıyla ilgili denklemlerin genelleştirilmesiyle zıt mıknatıslanma fikri, çözümü sağlamak için uygulanabilir.

Akı çizgileri demirde yoğunlaşmış daireler gibi görünmektedir. Hava boşluğu manyetik devrenin direncini artırır ve hava boşluğunda olduğu kadar demirde de akı yoğunluğu azalır. Halkadaki manyetik akı hava boşluğunda olduğunda azalmaktadır çünkü daha zayıf geçirgenliği olan hava boşluğundan eşit hacimdeki demirden geçen aynı akıyı geçirmek daha fazla enerji gerektirmektedir.