ما مدى تأثير درجة الحرارة على الخواص المغناطيسية لنيوديميوم الحديد والبورون؟ كيف يُمكن تجنب فقدان المغناطيسية بشكل دائم عند درجات الحرارة العالية؟

1. تأثير درجة الحرارة على الخواص المغناطيسية

تتميز مغناطيسات النيوديميوم والحديد والبورون (NdFeB) بقوتها المغناطيسية الاستثنائية ولكنها حساسة للغاية لتغيرات درجات الحرارة. تنشأ هذه الحساسية من بنيتها الفيزيائية الجوهرية وديناميكيات المجال المغناطيسي:

• تعطيل المجال المغناطيسي :على المستوى الذري، يتم توليد المغناطيسية عن طريق الدوران المتوازي للإلكترونات حول النوى، مما يؤدي إلى إنشاء مجالات مغناطيسية مجهرية. مع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد التحريك الحراري، مما يؤدي إلى اختلال محاذاة هذه المجالات. ويؤدي هذا إلى تعطيل المجال المغناطيسي المحلي، مما يؤدي إلى انخفاض تدريجي في المغناطيسية الشاملة.
• انخفاض الإكراه :القسرية، مقاومة المغناطيس لإزالة المغناطيسية، تنخفض بشكل حاد فوق 100°C. على سبيل المثال، تفقد مغناطيسات NdFeB القياسية (الدرجة N) قوتها القسرية بسرعة بعد تجاوز هذه العتبة، مما يزيد من خطر إزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه.
• تقليل المغناطيسية المتبقية :تتناقص المغناطيسية المتبقية (Br)، والتي تمثل القوة المحتفظ بها للمغناطيس بعد إزالة المجال الخارجي، بنسبة 0.11% تقريبًا لكل °C. إن هذا الانحدار الخطي قابل للعكس إذا ظلت درجات الحرارة أقل من المستويات الحرجة، ولكن التعرض الطويل للحرارة المرتفعة يمكن أن يسبب ضررا دائما.
• حد درجة حرارة كوري :تشير درجة حرارة كوري (Tc) إلى النقطة التي يفقد فيها المغناطيس كل مغناطيسيته بسبب الاضطراب الحراري الكامل للمجالات المغناطيسية. بالنسبة لـ NdFeB، يتراوح Tc من 310°ج إلى 400°ج- حسب التركيب. ومع ذلك، فإن الحدود التشغيلية العملية أقل بكثير، حيث يحدث تدهور كبير في الأداء قبل وقت طويل من الوصول إلى Tc.

دعم البيانات :

• A 1°يؤدي ارتفاع C إلى تقليل كثافة الطاقة المغناطيسية (BHmax) بنسبة 0.1%، مع انخفاض القوة القسرية بشكل أكثر حدة فوق 100°C.
• تتمتع المغناطيسات القياسية من الدرجة N بدرجة حرارة تشغيل قصوى تبلغ 80°ج، في حين أن الدرجات عالية الأداء مثل AH يمكنها تحمل ما يصل إلى 230°ج في البيئات الخاضعة للرقابة.

2. إزالة المغناطيسية غير القابلة للعكس: الأسباب والآليات

تحدث عملية إزالة المغناطيسية بشكل لا رجعة فيه عندما تؤدي الطاقة الحرارية إلى تعطيل البنية المغناطيسية بشكل دائم، مما يجعل المغناطيس غير قادر على استعادة خصائصه الأصلية حتى بعد التبريد. وتشمل الآليات الرئيسية ما يلي::

• فقدان تثبيت جدار المجال :تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تقليل الحواجز الطاقية التي "تثبت" جدران المجال في مكانها، مما يسمح لها بالتحرك بحرية وإعادة تنظيمها بشكل عشوائي.
• انتقالات الطور :يمكن للحرارة الزائدة أن تسبب تغييرات هيكلية في الشبكة البلورية Nd₂Fe₁₄B، مما يؤدي إلى تغيير التباين المغناطيسي (تفضيل المغناطيسية على طول محور معين).
• الهروب الحراري :في المحركات الكهربائية، يمكن للحرارة المتولدة أثناء التشغيل أن تخلق حلقة تغذية مرتدة حيث تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تقليل القوة القسرية، مما يؤدي إلى المزيد من إزالة المغناطيسية وتوليد الحرارة الإضافية.

دراسة الحالة :
في المحركات المغناطيسية الدائمة (PMMs) المستخدمة في المركبات الكهربائية (EVs)، تتجاوز درجات الحرارة 150°يمكن أن يؤدي C إلى فقدان مغناطيسات NdFeB 5–10% من كثافة تدفقها بشكل لا رجعة فيه. ويؤدي هذا إلى تقليل عزم الدوران الناتج بنسبة تصل إلى 20%، مما يؤثر سلبًا على أداء السيارة.

3. استراتيجيات لتجنب إزالة المغناطيسية بسبب درجات الحرارة العالية

A. اختيار المواد وتحسين الدرجة

يتم تصنيف مغناطيسات NdFeB إلى درجات (N، M، H، SH، UH، EH، AH) بناءً على درجات حرارة التشغيل القصوى:

ابتكار :

• الديسبروسيوم (Dy) المنشط :إضافة Dy إلى NdFeB يزيد من القوة القسرية عن طريق 10–15% لكل وزن بنسبة مئوية، مما يتيح التشغيل عند 200°C+. ومع ذلك، فإن Dy نادر ومكلف، مما يدفع الأبحاث إلى استخدام المغناطيسات الممزوجة بالتدرج حيث يتركز Dy بالقرب من السطح.
• انتشار حدود الحبوب (GBD) :تعمل هذه التقنية على نشر العناصر الأرضية النادرة الثقيلة (HREs) مثل Dy/Tb على طول حدود الحبوب، مما يعزز القوة القسرية دون التضحية بالمخلفات. تحقق المغناطيسات المعالجة بـ GBD 20–قوة إكراه أعلى بنسبة 30% من الطرق التقليدية.

B. أنظمة الإدارة الحرارية

يعد التبريد الفعال أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على درجات حرارة المغناطيس أقل من العتبات الحرجة:

• التبريد السائل :يمكن لسائل التبريد المتداول (على سبيل المثال، مخاليط الماء والجليكول) عبر أغلفة المحرك أو مجموعات المغناطيس تبديد الحرارة بكفاءة. على سبيل المثال، تيسلا’يستخدم محرك الطراز 3 جزءًا ثابتًا مبردًا بالسائل للحفاظ على درجات حرارة المغناطيس أقل من 120°C.
• تبريد الهواء القسري :إن تدفق الهواء عالي السرعة من المراوح أو المنفاخات مناسب للتطبيقات ذات الطاقة المنخفضة. تجمع بعض المحركات الصناعية بين تبريد الهواء ومبددات الحرارة لتعزيز مساحة السطح لتبديد الحرارة.
• مواد تغير الطور (PCMs) :تمتص المواد متغيرة الطور مثل شمع البارافين الحرارة الكامنة أثناء التحولات الطورية (من الصلب إلى السائل)، مما يوفر التخزين الحراري. يمكن أن يؤدي دمج PCMs في تغليف المغناطيس إلى تأخير ارتفاع درجة الحرارة عن طريق 5–10°C.

C. تصميم الدوائر المغناطيسية

يؤدي تحسين الدائرة المغناطيسية إلى تقليل الضغط الحراري على المغناطيس:

• زيادة فجوة الهواء :تؤدي الفجوة الهوائية الأكبر بين الدوار والجزء الثابت إلى تقليل كثافة التدفق في المغناطيس، مما يقلل من خطر إزالة المغناطيسية. ومع ذلك، قد يتطلب هذا مغناطيسات أقوى للتعويض عن انخفاض الكفاءة.
• المغناطيسات المجزأة :إن تقسيم المغناطيسات الكبيرة إلى أجزاء أصغر يقلل من التسخين الموضعي. على سبيل المثال، تعمل المغناطيسات الدوارة المجزأة في توربينات الرياح على تقليل التدرجات الحرارية وتركيزات الضغوط.
• المواد عالية التشبع :إن استخدام مواد مغناطيسية ناعمة ذات كثافة تدفق تشبع عالية (على سبيل المثال، سبائك الحديد والكوبالت) في الجزء الثابت يقلل من مجال إزالة المغناطيسية المؤثر على مغناطيسات الدوار.

D. الطلاءات الواقية والتغليف

تحمي الطلاءات المغناطيس من العوامل البيئية التي تؤدي إلى تفاقم التدهور الحراري:

• النيكل والنحاس والنيكل (ني-النحاس-ني) :يوفر هذا الطلاء ثلاثي الطبقات مقاومة للتآكل والاستقرار الحراري، ويتحمل درجات حرارة تصل إلى 200°C.
• راتنجات الإيبوكسي :تغلف الإيبوكسيات عالية الحرارة (على سبيل المثال، القائمة على البولي إيميد) المغناطيسات، وتعمل كعوازل حرارية وحماة ميكانيكية. تحتوي بعض الإيبوكسي على حشوات موصلة للحرارة (على سبيل المثال، أكسيد الألومنيوم) لتعزيز تبديد الحرارة.
• الطلاءات الخزفية :توفر الطلاءات الخزفية المتقدمة مثل الزركونيا المستقرة باليتريا (YSZ) استقرارًا حراريًا فائقًا (حتى 1،600°ج) والعزل الكهربائي، مما يجعلها مثالية لتطبيقات الفضاء الجوي.

E. طوبولوجيات المحركات المتقدمة

تصميمات المحركات الجديدة تقلل من توليد الحرارة والضغط المغناطيسي:

• محركات التدفق المحوري :تقوم هذه المحركات بتوزيع التدفق على طول الاتجاه المحوري، مما يقلل من التدرجات الحرارية الشعاعية. تستخدم شركات مثل YASA (التي أصبحت الآن جزءًا من مرسيدس بنز) طوبولوجيات التدفق المحوري في السيارات الكهربائية لتحقيق كفاءة قصوى تبلغ 97%.
• محركات الممانعة المبدلة (SRMs) :تقوم SRMs بالتخلص من المغناطيسات الدائمة تمامًا، وتعتمد بدلاً من ذلك على المغناطيسية المستحثة في المواد المغناطيسية اللينة. على الرغم من أنها أقل كفاءة من PMMs، فإن SRMs محصنة ضد إزالة المغناطيسية وتعمل بشكل موثوق في درجات حرارة تتجاوز 250°C.
• أنظمة المغناطيس الهجينة :إن الجمع بين NdFeB ومغناطيسات الفريت في تكوين مجموعة هالباخ ​​يعزز من نسبة بقايا NdFeB العالية والاستقرار الحراري للفيريت. يقلل هذا النهج الهجين من التكلفة ومخاطر إزالة المغناطيسية في السيارات الكهربائية المتاحة في السوق.

4. الاتجاهات المستقبلية

يركز البحث على تطوير الجيل القادم من المغناطيسات التي تجمع بين استقرار درجات الحرارة العالية والفعالية من حيث التكلفة:

• مغناطيسات نتريد الحديد (Fe₁₆N₂) :تظهر هذه المغناطيسات درجة حرارة كوري تبلغ 500°C+ ومنتجات الطاقة النظرية التي تتجاوز 100 MGOe. ومع ذلك، فإن التحديات في تصنيع مراحل Fe₁₆N₂ المستقرة أدت إلى تأخير التسويق التجاري.
• مغناطيسات المنغنيز والألومنيوم والكربون (Mn-Al-C) :توفر مغناطيسات Mn-Al-C درجة حرارة كوري تبلغ 650°C والقدرة القسرية مماثلة لـ NdFeB في درجات الحرارة المرتفعة. لا يزال توسيع نطاق الإنتاج يشكل عقبة بسبب عمليات التصنيع المعقدة.
• مغناطيسات NdFeB المعاد تدويرها :إن إعادة تدوير المغناطيسات التي انتهى عمرها الافتراضي يقلل من الاعتماد على تعدين المعادن النادرة. يمكن لعمليات الهيدروميتالورجية المتقدمة التعافي >95% من Nd وDy والعناصر الهامة الأخرى، مما يتيح إنتاج مغناطيسات عالية الأداء في 30–تكلفة أقل بنسبة 50%.

5. خاتمة

تمارس درجة الحرارة تأثيرًا عميقًا على مغناطيسات NdFeB، حيث تؤدي حتى الزيادات المتواضعة إلى خسائر عكسية وغير قابلة للعكس في الأداء. من خلال اختيار درجات المغناطيس المناسبة، وتنفيذ الإدارة الحرارية القوية، وتحسين الدوائر المغناطيسية، واستكشاف المواد المتقدمة، يمكن للمهندسين التخفيف من مخاطر إزالة المغناطيسية وإطالة العمر التشغيلي للمغناطيسات عالية الأداء. ومع استمرار نمو الصناعات مثل المركبات الكهربائية والطاقة المتجددة، ستكون هذه الاستراتيجيات حاسمة لضمان موثوقية وكفاءة الأنظمة المعتمدة على المغناطيس في البيئات الحرارية المتطلبة بشكل متزايد.