كيف تقلل المواد المغناطيسية اللينة فاقد الطاقة في المحركات؟

تحتاج المحركات الكهربائية إلى مواد مغناطيسية لينة لأن المجال داخلها يتولد ويتغير وينعكس باستمرار. يوفر القلب المصنوع منها مسارا سهلا للفيض المغناطيسي، فيوجه مجال الملفات والمغانط الدائمة نحو الفجوة الهوائية التي ينشأ عندها العزم. كما تفقد المادة معظم مغنطتها بسهولة عند تغير المجال، فتقل الطاقة التي تتحول إلى حرارة في كل دورة كهربائية.

ماذا يفعل القلب المغناطيسي؟

يصنع التيار المار في ملف مجالا مغناطيسيا. ينتشر جزء كبير من المجال في الهواء، ولذلك يحتاج تكوين فيض مفيد إلى تيار أكبر. تستجيب المواد الغنية بالحديد بمحاذاة نطاقات مغناطيسية مجهرية، وتوفر مسارا أقل ممانعة بكثير من الهواء. وبذلك تجمع الحقل داخل الدائرة المقصودة.

تنشأ القوة المفيدة في المحرك عند تفاعل مجال العضو الثابت مع مجال الدوار عبر فجوة هوائية صغيرة. تحمل أسنان العضو الثابت الفيض نحو الفجوة، بينما يعيده الجزء الخلفي من القلب. وقد يحتوي الدوار أيضا على فولاذ مغناطيسي لين حول الموصلات أو المغانط الدائمة. يسمح التوجيه الأفضل بعزم أكبر للتيار نفسه، أو بتيار نحاسي أقل لتحقيق العزم المطلوب.

ماذا تعني كلمة «لينة»؟

تصف الكلمة السلوك المغناطيسي لا صلابة المادة باللمس. تتمغنط المادة اللينة بسهولة وتنعكس مغنطتها أو تختفي تحت مجال معاكس صغير نسبيا. أما المادة المغناطيسية الصلبة فتقاوم الانعكاس وتحتفظ بالمغنطة، ولذلك تُستخدم في المغانط الدائمة.

يحتاج محرك المغناطيس الدائم إلى السلوكين معا: مادة صلبة تحافظ على مجال الدوار، وأخرى لينة تحمل الفيض المتغير. وقد تستغني محركات الحث والممانعة عن المغانط الدائمة، لكنها تظل معتمدة على القلوب المغناطيسية اللينة.

كيف تتحول المغنطة إلى فقد حراري؟

تضم المادة الحديدية المغناطيسية مناطق تسمى النطاقات، تتجه فيها العزوم المغناطيسية الذرية اتجاهات متقاربة. يحرك المجال جدران هذه النطاقات ويدير المغنطة نحوه. تقاوم العيوب وحدود الحبيبات والإجهاد والشوائب هذه الحركة. وعند انعكاس المجال تُستهلك طاقة لتجاوز تلك العوائق ثم تظهر في صورة حرارة.

يرسم تغير كثافة الفيض مع المجال المطبق حلقة تسمى حلقة التخلف المغناطيسي. تمثل مساحتها الطاقة المفقودة في كل دورة مغنطة. لذلك يحتاج القلب الذي يعكس مجاله مرات كثيرة إلى حلقة ضيقة وقوة قسرية منخفضة. ويتأثر ذلك بتركيب السبيكة والمعالجة الحرارية وحجم الحبيبات والإجهاد المتبقي وأضرار التصنيع.

لماذا يسخن القلب المعدني المصمت؟

يولد المجال المغناطيسي المتغير جهدا داخل أي موصل. وبما أن الفولاذ الكهربائي يوصل التيار، يدفع الجهد تيارات مغلقة تدور داخله. تبدد هذه التيارات الدوامية الطاقة عبر المقاومة الكهربائية وتنتج حرارة لا تضيف عزما مفيدا.

يقلص تقسيم القلب إلى صفائح رقيقة معزولة حجم كل حلقة تيار ويرفع مقاومتها. توجّه الصفائح بحيث يمر الفيض المطلوب بسهولة في مستواها، بينما ينقطع التيار غير المرغوب بين الطبقات. ومع ارتفاع التردد تصبح الصفائح الأرق أو المواد الأعلى مقاومة أكثر أهمية.

من أين يأتي فاقد القلب؟

• فاقد التخلف: الطاقة اللازمة لعكس النطاقات في كل دورة. يزداد مع التردد ويتأثر بالقوة القسرية وأعلى كثافة للفيض.
• فاقد التيارات الدوامية: التسخين الناتج من التيارات المستحثة. يرتفع بسرعة مع التردد وكثافة الفيض وسماكة الصفيحة والموصلية الكهربائية.
• الفاقد الزائد: خسائر ديناميكية إضافية ترتبط بحركة معقدة لجدران النطاقات ولا تفسرها أبسط نماذج التخلف والتيار الدوامي بالكامل.

يقيس المهندسون الفقد الكلي عند أشكال موجية ودرجات حرارة تشبه التطبيق. فقد تتغير نتيجة مادة معلنة عند تردد واحد جذريا تحت المجال غير الجيبي الذي يصنعه عاكس القدرة في محرك سريع.

لماذا يمثل التشبع حدا صلبا؟

كلما ارتفع المجال اصطف مزيد من النطاقات. تصل المادة في النهاية إلى التشبع، حيث لا يضيف ارتفاع التيار إلا زيادة صغيرة في كثافة الفيض. بعد ذلك يرتفع فاقد النحاس بسرعة، بينما لا يتحسن العزم إلا قليلا. وقد يشوه التشبع الموضعي المجال ويزيد الضوضاء والحرارة.

تسمح كثافة التشبع المرتفعة بأسنان ومسارات أرفع أو بعزم أكبر من حجم محدد. لكن المواد المنخفضة الفقد جدا قد تحمل فيضا أقل أو تكون أضعف ميكانيكيا. لذلك يتكامل اختيار المادة مع عرض الأسنان وطول الفجوة والتيار والتبريد والسرعة.

ما المواد التي تدخل في القلوب؟

كيف يفتح المسحوق أشكالا جديدة؟

تتفوق الصفائح عندما يسير الفيض داخل مستوياتها. لكنها تصبح مقيدة عندما يحتاج المحرك إلى مجال يتحرك في ثلاثة أبعاد. تبدأ المركبات المغناطيسية اللينة بحبيبات غنية بالحديد يحيط بها غلاف عازل كهربائيا. يسمح ضغطها أو دمجها بصنع أسنان مدمجة ومسارات منحنية وخصائص تناسب المحركات محورية الفيض، فيما تقطع حدود الحبيبات حلقات التيار.

تكمن الصعوبة في الحفاظ على العزل مع جعل القطعة كثيفة وقوية. تقلل زيادة المادة غير المغناطيسية حجم الحديد وقد تخفض النفاذية، بينما يسمح العزل الضعيف بالتيارات الدوامية. وقد يتلف الضغط أو الحرارة الغلاف، وتضعف المسامية القطعة وتقطع مسار الفيض.

كيف يغير التصنيع خواص المادة؟

يترك قص الصفائح إجهادا وأضرارا عند الحواف، ويترك ضغط المسحوق إجهادا متبقيا. كما تغير عمليات التشغيل واللحام والمعالجة الحرارية والوصل حركة جدران النطاقات. لذلك لا تبقى خواص العينة المخبرية كما هي تلقائيا بعد تحويلها إلى عضو ثابت أو دوار.

يحتاج المصمم إلى قياسات بعد تصنيع ممثل للواقع، تشمل الفقد مع التردد والفيض، والنفاذية والتشبع والقوة الميكانيكية والتوصيل الحراري والتعب وثبات الأبعاد والسلوك عند حرارة التشغيل. وقد تتفوق مادة أقل إبهارا على الورق لأنها قابلة للإنتاج المتكرر.

مثال حديث لمعالجة المسحوق

عرضت نيو تقنية عملية مخبرية استخدمت أداة احتكاك دوارة لدمج مسحوق حديد وسيليكون مؤكسد مسبقا. أنتجت التجربة أقراصا كثيفة مع بقاء طبقة أكسيد دقيقة بين الحبيبات، وجمعت الاستجابة المغناطيسية مع مقاومة شد مرتفعة: أداة دوارة تحول مسحوق الحديد إلى مادة قوية للمحركات.

تكمن أهمية النتيجة في احتمال قطع الغلاف بين الحبيبات لمسارات التيار مع منح الجسم الكثيف قوة بنيوية. لكنها لا تثبت محركا أفضل بعد. ما زالت الحاجة قائمة إلى أشكال بالحجم الفعلي وقياسات فقد عبر التردد ودفعات متكررة وكلفة تصنيع ومحرك عامل يقارن بالفولاذ المصفح.

الصورة التي تستحق التذكر

القلب مسار مغناطيسي يعاد استخدامه في كل دورة للمحرك. يجب أن يستقبل الفيض بسهولة ويحمل كمية كافية منه دون تشبع ويعكس مغنطته بخسارة قليلة ويقاوم التيارات المستحثة. تحقق المواد المغناطيسية اللينة ذلك، بينما تحدد الصفائح وعزل الحبيبات وتركيب السبيكة والتصنيع مقدار الطاقة الذي يتحول إلى حركة بدلا من حرارة.