مغناطيسات القطاعات: الأنواع والخصائص والتطبيقات والتطورات

المغناطيسات المقطعية، وهي نوع متخصص من المغناطيسات الدائمة، مصممة بهيكل مجزأ أو مقسم. تتميز هذه المغناطيسات بمزايا فريدة في تطبيقات متنوعة بفضل توزيعاتها الدقيقة للمجال المغناطيسي وأشكالها القابلة للتخصيص. تقدم هذه المقالة نظرة عامة شاملة على المغناطيسات المقطعية، بما في ذلك أنواعها المختلفة، وخصائصها الأساسية، وتطبيقاتها الواسعة في مختلف الصناعات، والتطورات الحديثة في تصميمها وتصنيعها.

1. المقدمة

تُعد المغناطيسات الدائمة مكونات أساسية في العديد من التطبيقات التكنولوجية والصناعية، حيث تُحوّل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية أو العكس. ومن بينها، حظيت المغناطيسات المقطعية باهتمام كبير لقدرتها على تلبية متطلبات مغناطيسية محددة لا يُمكن تحقيقها بسهولة باستخدام المغناطيسات الصلبة التقليدية. تُصنع المغناطيسات المقطعية بتقسيم مغناطيس كامل إلى عدة قطاعات، والتي يُمكن ترتيبها في تكوينات مختلفة لتوليد المجالات المغناطيسية المطلوبة. يتيح هذا التقسيم مرونة أكبر في التصميم والتطبيق، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من المهام المعقدة والمتخصصة.

2. أنواع مغناطيسات القطاعات

2.1 المغناطيسات المقسمة شعاعيًا

تُقسّم المغناطيسات المجزأة شعاعيًا إلى قطاعات على طول الاتجاه الشعاعي. تُستخدم هذه المغناطيسات عادةً في التطبيقات التي تتطلب مجالًا مغناطيسيًا شعاعيًا، كما هو الحال في بعض أنواع المحركات والمولدات الكهربائية. على سبيل المثال، في محرك شعاعي ذي مغناطيس دائم التدفق، تُرتّب مغناطيسات مجزأة شعاعيًا على الدوار. يُساهم كل قطاع في المجال المغناطيسي الشعاعي الإجمالي، والذي يتفاعل مع لفات الجزء الثابت لإنتاج عزم الدوران. يختلف عدد القطاعات حسب متطلبات التصميم، وعادةً ما تُرتّب الأقطاب المغناطيسية للقطاعات المتجاورة بنمط متناوب لإنشاء مجال مغناطيسي سلس ومستمر.

2.2 المغناطيسات المجزأة محوريًا

تُقسّم المغناطيسات المجزأة محوريًا على طول الاتجاه المحوري. وتُستخدم غالبًا في التطبيقات التي تتطلب توزيعًا محوريًا للمجال المغناطيسي. على سبيل المثال، في المحامل المغناطيسية، تُستخدم المغناطيسات المجزأة محوريًا لتوليد قوة مغناطيسية تدعم وترفع عمودًا دوارًا. ومن خلال التحكم الدقيق في اتجاه المغناطيسية وترتيب كل قطعة، يمكن إنشاء تدرج في المجال المغناطيسي المحوري، مما يوفر قوى الرفع والتثبيت اللازمة. كما يتيح هذا النوع من التجزئة سهولة تعديل شدة المجال المغناطيسي عن طريق إضافة أو إزالة القطع.

2.3 المغناطيسات المقسمة محيطيًا

تُقسّم المغناطيسات المُجزّأة محيطيًا إلى قطاعات حول المحيط. تُفيد هذه المغناطيسات في التطبيقات التي تتطلب مجالًا مغناطيسيًا محيطيًا، كما هو الحال في بعض أنواع المُقرّنات المغناطيسية. في المُقرّن المغناطيسي، تتفاعل المغناطيسات المُجزّأة محيطيًا على جانبي التشغيل والتحريك من خلال قوة مغناطيسية غير تلامسية، ناقلةً عزم الدوران من جانب إلى آخر. يُمكّن هذا التجزؤ من تحسين قوة الاقتران المغناطيسي وتقليل خسائر التيار الدوامي، مما يُحسّن الكفاءة الكلية للمُقرّن.

3. خصائص مغناطيسات القطع

3.1 توزيع المجال المغناطيسي

من أهم خصائص مغناطيسات القطع قدرتها على توليد توزيعات محددة للمجال المغناطيسي. من خلال تعديل عدد وحجم وشكل واتجاه مغنطة كل قطعة، يمكن للمهندسين تخصيص المجال المغناطيسي لتلبية متطلبات التطبيقات المختلفة. على سبيل المثال، في جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، يمكن تصميم مغناطيسات القطع لتوليد مجال مغناطيسي قوي وموحد للغاية ضمن حجم التصوير، وهو أمر بالغ الأهمية للحصول على صور طبية دقيقة. يسمح الهيكل المجزأ بضبط المجال المغناطيسي بدقة، مما يقلل من عدم تجانس المجال الذي قد يؤدي إلى تشويه الصور.

3.2 منتج الطاقة المغناطيسية

يُعدّ حاصل الطاقة المغناطيسية (BH)max معيارًا رئيسيًا يقيس سعة تخزين الطاقة للمغناطيس. يمكن لمغناطيسات القطع تحقيق نواتج طاقة مغناطيسية عالية تُشبه نواتج المغناطيسات الصلبة المصنوعة من نفس المادة. ومع ذلك، قد يؤدي التجزئة أحيانًا إلى انخفاض طفيف في ناتج الطاقة الإجمالي بسبب وجود فجوات بين القطع. ومع ذلك، من خلال التصميم الدقيق والتحسين، يمكن تقليل هذا الانخفاض، ولا تزال مغناطيسات القطع قادرة على توفير طاقة مغناطيسية كافية للعديد من التطبيقات.

3.3 الإكراه

الإكراه هو قدرة المغناطيس على مقاومة إزالة المغناطيسية. المغناطيسات المقطعية، كغيرها من المغناطيسات الدائمة، تتمتع بمستوى معين من الإكراه يعتمد على المادة المستخدمة. غالبًا ما تُختار مواد عالية الإكراه، مثل النيوديميوم والحديد والبورون (NdFeB)، لمغناطيسات المقطع لضمان الحفاظ على خصائصها المغناطيسية حتى في وجود مجالات مغناطيسية خارجية أو إجهاد ميكانيكي. لا يؤثر التقطيع نفسه بشكل كبير على إكراه المغناطيس، طالما أن القطع مُصنّعة ومُجمّعة بشكل صحيح.

3.4 استقرار درجة الحرارة

يُعدّ استقرار درجة حرارة مغناطيسات القطع أمرًا بالغ الأهمية، خاصةً في التطبيقات التي تتعرض فيها لدرجات حرارة متفاوتة. تختلف معاملات المغنطة الحرارية للمواد المغناطيسية المختلفة، والتي تُحدد كيفية تغير خصائصها المغناطيسية مع درجة الحرارة. على سبيل المثال، تتميز مغناطيسات NdFeB بثبات حراري ضعيف نسبيًا مقارنةً ببعض المواد الأخرى، مثل الساماريوم - الكوبالت (SmCo). ومع ذلك، يمكن تحسين استقرار درجة حرارة مغناطيسات القطع بإضافة عناصر محددة أو باستخدام عمليات تصنيع خاصة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن أن يُساعد التقطيع أيضًا في معالجة المشكلات المتعلقة بدرجة الحرارة من خلال تحسين تبديد الحرارة في بعض التصاميم.

4. تطبيقات مغناطيسات القطاعات

4.1 المحركات والمولدات الكهربائية

تُستخدم المغناطيسات المقطعية على نطاق واسع في المحركات والمولدات الكهربائية، سواءً في التطبيقات الصناعية أو في السيارات. في المركبات الكهربائية، تُستخدم مغناطيسات NdFeB المقطعة شعاعيًا بشكل شائع في محركات الجر. يسمح الهيكل المقطعي باستخدام أكثر كفاءة للمادة المغناطيسية، مما يقلل حجم ووزن المحرك مع زيادة كثافة طاقته. في توربينات الرياح، تُستخدم المغناطيسات المقطعية في المولدات لتحويل الطاقة الدورانية لشفرات التوربين إلى طاقة كهربائية. تساعد القدرة على تخصيص توزيع المجال المغناطيسي من خلال التجزئة على تحسين كفاءة المولدات وأدائها، خاصةً عند سرعات الرياح المنخفضة.

4.2 المحامل المغناطيسية

تستخدم المحامل المغناطيسية مغناطيسات مقطعية لدعم ورفع أعمدة الدوران دون تلامس مادي. تُستخدم المغناطيسات المقطعية المحورية عادةً في هذه الأنظمة لإنشاء مجال مغناطيسي محوري يوفر قوة الرفع. تُقلل طبيعة المحامل المغناطيسية غير التلامسية الاحتكاك والتآكل، مما يؤدي إلى سرعات أعلى وعمر خدمة أطول ومتطلبات صيانة أقل. تُستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات عالية السرعة، مثل الآلات التوربينية، والمغازل الدقيقة، وأنظمة تخزين طاقة دولاب الموازنة.

4.3 الوصلات المغناطيسية

تنقل القارنات المغناطيسية عزم الدوران بين مكونين دوارين عبر مجال مغناطيسي، مما يُغني عن التوصيل الميكانيكي. تُستخدم مغناطيسات مُجزأة محيطيًا في هذه القارنات لتحسين الاقتران المغناطيسي وتقليل خسائر التيار الدوامي. تُستخدم القارنات المغناطيسية عادةً في التطبيقات التي تتطلب مانع تسرب مُحكم، مثل المضخات والضواغط المستخدمة في الصناعات الكيميائية والدوائية. كما أنها توفر ميزة الحماية من الحمل الزائد، حيث ينزلق القارن المغناطيسي عندما يتجاوز عزم الدوران حدًا معينًا، مما يمنع تلف المعدات.

4.4 الأجهزة الطبية

في المجال الطبي، تلعب المغناطيسات القطاعية دورًا هامًا في مختلف الأجهزة. وكما ذكرنا سابقًا، تُستخدم المغناطيسات القطاعية في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي لتوليد المجال المغناطيسي القوي والمنتظم اللازم للتصوير. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم المغناطيسات القطاعية في أنظمة توصيل الأدوية المغناطيسية. تستخدم هذه الأنظمة جزيئات مغناطيسية مغلفة بالأدوية، تُوجَّه إلى مواقع مستهدفة محددة في الجسم باستخدام مجال مغناطيسي خارجي تولِّده المغناطيسات القطاعية. يمكن أن يُحسِّن هذا النهج المُوجَّه لتوصيل الأدوية فعالية العلاجات مع تقليل الآثار الجانبية.

5. التطورات في مغناطيسات القطاعات

5.1 تقنيات التصنيع المتقدمة

لقد حسّنت التطورات الحديثة في تقنيات التصنيع جودة وأداء مغناطيسات القطع بشكل ملحوظ. برز التصنيع الإضافي، مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد، كطريقة واعدة لإنتاج مغناطيسات القطع بأشكال معقدة وخصائص مغناطيسية مخصصة. تتيح هذه التقنية التصنيع المباشر لمغناطيسات القطع من مساحيق مغناطيسية، مما يلغي الحاجة إلى عمليات التصنيع التقليدية ويقلل من هدر المواد. بالإضافة إلى ذلك، طُوّرت تقنيات جديدة للتلبيد والترابط لتحسين قوة الترابط بين القطع، مما يضمن سلامة هيكل المغناطيس.

5.2 تطوير المواد

ساهم تطوير مواد مغناطيسية جديدة ذات خصائص مُحسّنة في تطوير مغناطيسات القطع. ويستكشف الباحثون باستمرار سبائك ومواد مركبة جديدة توفر قوة إجبارية أعلى، واستقرارًا حراريًا أفضل، وتكلفة أقل. على سبيل المثال، أظهر تطوير المواد المغناطيسية النانوية البلورية إمكانات كبيرة في تحسين الأداء المغناطيسي لمغناطيسات القطع. تتميز هذه المواد ببنية دقيقة الحبيبات، مما يُحسّن الخصائص المغناطيسية ويُقلل من خسائر التيار الدوامي.

5.3 التصميم والمحاكاة بمساعدة الحاسوب

أصبحت أدوات التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) والمحاكاة أساسية في تصميم وتحسين مغناطيسات القطع. تتيح هذه الأدوات للمهندسين نمذجة توزيع المجال المغناطيسي، وحساب الخواص المغناطيسية، والتنبؤ بأداء مغناطيسات القطع قبل التصنيع الفعلي. باستخدام برامج التصميم بمساعدة الحاسوب والمحاكاة، يمكن للمهندسين تقييم خيارات التصميم المختلفة بسرعة، وتحسين نمط التجزئة، وتقليل وقت وتكلفة تطوير مغناطيسات القطع.

6. الخاتمة

تتميز مغناطيسات القطع، ببنيتها المجزأة الفريدة، بمجموعة واسعة من المزايا من حيث تخصيص المجال المغناطيسي، ومرونة التصميم، والأداء المخصص للتطبيقات. وقد وجدت تطبيقات واسعة في المحركات الكهربائية، والمحامل المغناطيسية، والمقرنات المغناطيسية، والأجهزة الطبية، وغيرها. وقد أدت التطورات الحديثة في تقنيات التصنيع، وتطوير المواد، والتصميم بمساعدة الحاسوب إلى تحسين جودة وأداء مغناطيسات القطع، مما أتاح آفاقًا جديدة لاستخدامها في التقنيات الناشئة. ومع استمرار البحث والتطوير، من المتوقع أن تلعب مغناطيسات القطع دورًا متزايد الأهمية في تشكيل مستقبل مختلف الصناعات، ودفع عجلة الابتكار والكفاءة في التطبيقات القائمة على المغناطيس.