ما هي المغناطيسات الدائمة للسيارات الكهربائية

تتولى المركبات الكهربائية، المعروفة أحيانًا باسم EVs، زمام المبادرة بسرعة في صناعة السيارات. وتأتي المركبات الكهربائية في طليعة هذا التحول حيث تعالج مراكز درجات الحرارة في العالم هذا الأمر والطلب على وسائل نقل أكثر بأسعار معقولة ونظافة وصديقة للبيئة. وبدون نظام التحفيز الإلكتروني، الذي يعتمد بشكل كبير على هذا النوع من المغناطيس، لما كان هذا التقدم ممكنًا. ونظرًا لتكوين محتوياتها، يشار إلى هذه المغناطيسات عادةً باسم مغناطيسات الأرض النادرة، والتي تساعد في أداء وكفاءة السيارات الكهربائية عالية الأداء.

العناصر الأساسية لأنظمة الدفع الكهربائي التي توفر المجالات المغناطيسية القوية المطلوبة لتشغيل المحرك الكهربائي هي المغناطيسات الدائمة. من خلال استخدام المغناطيسات التي تتكون من النيوديميوم والكوبالت الساماريوم، يساعد ذلك أيضًا في تقليل الوزن الإجمالي للسيارات الكهربائية وتحسين عزم الدوران والتحكم بها. وهذا يزيد من الاقتصاد في استهلاك الطاقة والمدى التشغيلي والقدرة على المناورة بالإضافة إلى تحسين التسارع.

ونتيجة لذلك، فإن استمرار اعتماد صناعة السيارات لتقنية زاب يزيد الطلب على قوة هذه المغناطيسات المتطورة. فهي تجعل من الممكن للسيارات الكهربائية الوصول إلى مستويات الأداء والاستدامة التي يتطلبها المستهلكون المعاصرون. ومن أجل إنشاء هياكل هندسية ذات عمر خدمة طويل، لا تعد مغناطيسات الأرض النادرة أحد جوانب التصميم فحسب، بل إنها أيضًا أحد أهم المكونات.

فهم المغناطيس الدائم

تعتبر المغناطيسات الدائمة من المكونات المثيرة للاهتمام، وتلعب دورًا حاسمًا في العديد من التطبيقات التكنولوجية المتطورة، بدءًا من المركبات الكهربائية وحتى الأجهزة المنزلية. لفهم أهميتها بشكل كامل، من الضروري فهم ماهيتها، وكيف تعمل، ولماذا هي مهمة.
المغناطيس الدائم هو، في أبسط تعريف له، أي مادة تنتج مجالًا مغناطيسيًا موجودًا دائمًا عند تشغيلها ذاتيًا. وتؤدي الخصائص الفيزيائية للمادة إلى هذه القدرة. تحتفظ المغناطيسات الدائمة بمغناطيسيتها بسبب محاذاة المجالات المغناطيسية داخل المادة، على النقيض من المغناطيسات الكهربائية التي تتطلب تيارًا كهربائيًا لإنتاج مجال مغناطيسي.

تُسمى البقع الصغيرة من المادة حيث تصطف لحظات الجاذبية لليوتا في نفس الاتجاه داخل نسيج جذاب بصريًا بالمساحات الجاذبة. تنتشر هذه الفجوات بشكل عشوائي في نسيج غير ممغنط نموذجي، حيث يلغي كل مجال مغناطيسي الآخر. ومع ذلك، تصطف هذه الفجوات في اتجاه معين عندما يتم مغنطة نسيج من هذا النوع، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا صافيًا. هناك عدد من التقنيات لإنجاز مثل هذه التغييرات الدائمة، مثل التسخين والتبريد بالقرب من مجال مغناطيسي أو تطبيق مجال مغناطيسي خارجي قوي.

الفئات الرئيسية الثلاث للمغناطيسات الدائمة هي المعادن النادرة والألنيكو والفريت. تعد مغناطيسات الفريت، التي تعد غير مكلفة وطويلة الأمد بسبب مزيج أكسيد الحديد ومكونات المعادن الإضافية، مثالية لمجموعة متنوعة من التطبيقات، وخاصة مغناطيسات الثلاجات ومكبرات الصوت. تتميز مغناطيسات ألنيكو بالقوة والتصنيف العالي، وتستخدم في الغالب في المحركات الكهربائية وأجهزة الاستشعار. وهي تتكون من الألومنيوم والنيكل والكوبالت.

أقوى المغناطيسات الدائمة المتاحة اليوم هي مغناطيسات الأتربة النادرة، مثل النيوديميوم والساماريوم والكوبالت، والتي تحتوي على مادة مغناطيسية. ليس لأن مكوناتها نادرة، ولكن بسبب العناصر التي تحتوي عليها، تسمى "أتربة نادرة". نظرًا لقوتها، تحظى مغناطيسات النيوديميوم بشعبية خاصة وتُستخدم في العديد من تطبيقات المجال المغناطيسي القوية، بما في ذلك معدات التصوير بالرنين المغناطيسي والمركبات الكهربائية.

يتم قياس مستوى المغناطيس الدائم من حيث كثافة التدفق المغناطيسي المنبعث منه؛ وعادة ما يتم التعبير عن ذلك بوحدة القياس (G) أو تيسلا (T). قد تؤثر العديد من العوامل، بما في ذلك حجم المغناطيس وشكلها ومادة تصنيعه، على مدى جودة عمله.
باختصار، تعتبر المغناطيسات الدائمة ضرورية للعديد من التطورات التكنولوجية.

آلية عمل المغناطيس الدائم

تتميز المغناطيسات الدائمة أو الثابتة بخصائص خاصة لأنها تمتلك مجال جذب ثابت دون الحاجة إلى مصدر تحكم خارجي. وهذه الخاصية "التشغيل الدائم" تجعلها خيارًا مثاليًا لتزويد المحركات الكهربائية بالوقود، وخاصة في المركبات الكهربائية. إن جاذبية وتنافر هذه المواد ثابتة وصلبة، مما يجعلها فعالة للغاية للتشغيل المستمر في محرك مركبة مكهربة.

في المحرك الكهربائي، تخلق المغناطيسات الثابتة مجالاً قطبياً يتفاعل مع المجال الذي تولدها لفائف الأسلاك التي تحمل التيار الكهربائي. ويؤدي التفاعل بين مناطق المجال هذه إلى إحداث قيد يتسبب في دوران دوار المحرك وتشغيل المحرك. ثم يتم بعد ذلك تحويل هذه الحركة الدورانية إلى طاقة ميكانيكية وتدوير عجلات السيارة.

جزء من مكونات العناصر الأرضية النادرة

تُستخدم النيوديميوم والتيربيوم والديسبروسيوم كعناصر أرضية نادرة. تمنح هذه المكونات المغناطيسات جودتها ومتانتها غير العادية. ومن بينها، تعد مغناطيسات النيوديميوم، أو مغناطيسات FeNdB (المكونة من الضغط والنيوديميوم والبورون)، الأكثر كفاءة ومتاحة تجاريًا.

تسمح سماكة الطاقة العالية لمغناطيسات النيوديميوم بإنشاء مجال جاذب قوي في إطار مضغوط. هذه الخاصية مفيدة بشكل خاص في المركبات الكهربائية، حيث المساحة والوزن في أعلى مستويات الأهمية. من خلال استخدام مغناطيسات ثابتة قادرة، يمكن للمصنعين تصميم محركات مضغوطة وأخف وزناً وأكثر كفاءة، مما يساهم في الأداء العام وإطالة عمر المركبة.

تطور المركبات الكهربائية والمغناطيسات الدائمة

الكفاءة والمدى

أحد أهم الجوانب الأساسية لأداء السيارة الكهربائية هو مدى قدرتها على السير لمسافة أطول بشحنة واحدة. تلعب المغناطيسات الدائمة دورًا مهمًا في زيادة هذا المدى. من خلال إنشاء مجال مغناطيسي قوي ومتسق، فإنها تمكن المحرك من العمل بشكل أكثر فعالية، وتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية مع خسائر ضئيلة. تترجم هذه الفعالية إلى استخدام أفضل للتحكم في البطارية، مما يسمح للسيارة بالسفر لفترة أطول بين الشحنات.

علاوة على ذلك، تسمح المناطق الجذابة الصلبة التي توفرها مغناطيسات النيوديميوم بإنشاء محركات ذات عزم دوران مرتفع. يعد عزم الدوران المرتفع أمرًا أساسيًا للتسارع المبكر والقدرة على تسلق المنحدرات، وكلاهما ضروري لتجربة القيادة العامة. ونتيجة لذلك، فإن السيارات الكهربائية التي تعمل بمحركات مغناطيسية ثابتة لا تقدم مسافات أطول فحسب، بل توفر أيضًا كفاءة أفضل بكثير.

تأملات في الفضاء والوزن

في تصميم السيارة، المساحة والوزن هما عنصران أساسيان. المركبات الأخف وزناً أكثر كفاءة في استخدام الطاقة، لأنها تتطلب قدراً أقل من التحكم في الحركة. إن استخدام مغناطيسات النيوديميوم في محركات السيارات الكهربائية يحدث فرقاً كبيراً، فهو يقلل من الوزن الإجمالي للسيارة من خلال السماح بتصميم محركات أصغر حجماً وأكثر إحكاماً دون التخلي عن التحكم.

كما يساهم الحجم الصغير لهذه المغناطيسات في الاستخدام الأمثل للمساحة داخل السيارة. وقد يكون هذا مهمًا بشكل خاص للسيارات الكهربائية، حيث يتعين على المطورين ضبط وضع البطاريات الضخمة والمكونات الكهربائية والأنظمة الأخرى داخل مساحة محدودة. من خلال استخدام مغناطيسات ثابتة أصغر حجمًا ولكنها فعالة، يمكن للمصنعين تحسين التصميم الداخلي للسيارة، وضمان بقائها عملية ومريحة للمسافرين مع توفير كل التكنولوجيا الأساسية.

تأملات طبيعية

في حين أن استخدام مكونات الأرض النادرة في المغناطيسات الدائمة مفيد للغاية لأداء المركبات الكهربائية، فإنه يثير أيضًا مخاوف بيئية. يمكن أن يكون لتعدين هذه المكونات وتجهيزها تأثيرات بيئية كبيرة. ونتيجة لذلك، هناك بحث مستمر لإيجاد طرق أكثر اقتصادا للحصول على هذه المواد واستخدامها.

ويبحث عدد قليل من المنتجين عن مواد بديلة ويبحثون عن طرق لتقليل كمية مكونات التربة غير العادية المطلوبة في محركاتهم. وتشير هذه الجهود إلى أن المركبات الكهربائية ليست أكثر إنتاجية فحسب، بل وأكثر ملاءمة للبيئة طوال دورة حياتها بالكامل، من الجيل إلى النقل.

تطبيقات المغناطيس الدائم في المركبات الكهربائية

محركات E-Drive ذات القدمين

الاستخدام الأكثر وضوحًا للمغناطيس الدائم في المركبات الكهربائية هو في محركات الجر الكهربائية. هذه المحركات قادرة على تحويل الطاقة الكهربائية من البطارية إلى الطاقة الميكانيكية التي تحرك عجلات السيارة. يسمح استخدام مغناطيس النيوديميوم في هذه المحركات بكثافة تحكم وكفاءة عالية، مما يجعلها مثالية لكل من المركبات السياحية والمركبات الكهربائية التجارية الأكبر حجمًا.

إطارات الكبح التجديدية

تلعب المغناطيسات الدائمة أيضًا دورًا حاسمًا في أنظمة الكبح المتجددة، والتي تُستخدم في معظم المركبات الكهربائية. تلتقط هذه الأنظمة الطاقة التي قد تضيع أثناء الكبح وتحولها مرة أخرى إلى طاقة كهربائية لإعادة شحن بطارية السيارة. من خلال استخدام المغناطيس لتشكيل مقاومة أثناء الكبح، يمكن لهذه الأنظمة استعادة كمية كبيرة من الطاقة، مما يؤدي إلى زيادة مسافة السيارة.

الأطر المساعدة

بالإضافة إلى محركات الدفع الأكثر قوة، تُستخدم المغناطيسات الدائمة في أنظمة مساعدة مختلفة داخل المركبات الكهربائية. وتشمل هذه الأنظمة التحكم في التحكم الكهربائي، وضواغط تكييف الهواء وغيرها من المكونات التي تعمل بالكهرباء. وتضمن كفاءة المغناطيسات الدائمة أن هذه الأنظمة تستهلك قدرًا أقل من التحكم، مما يؤدي إلى توفير المزيد من الطاقة المتاحة للقيادة وبالتالي المساهمة في كفاءة السيارة بشكل عام.

مستقبل المغناطيسات الدائمة في المركبات الكهربائية

مع استمرار الطلب على المركبات الكهربائية في النمو، ستزداد أيضًا أهمية المغناطيسات الدائمة في تصميمها وتنفيذها. ومن المرجح أن تؤدي التطورات في ابتكار المغناطيسات، بما في ذلك تطوير مغناطيسات أقوى وأكثر مقاومة للحرارة، إلى محركات أكثر فعالية وكفاءة.

علاوة على ذلك، فإن التقدم في البحث في إعادة استخدام مكونات التربة النادرة وإيجاد خيارات ممكنة من شأنه أن يساعد في معالجة المخاوف البيئية المرتبطة باستخدامها. وهذا من شأنه أن يضمن إمكانية التمتع بفوائد المغناطيسات الدائمة في المركبات الكهربائية دون المساس بالقدرة على الصيانة.

خاتمة

في الختام، تعد المغناطيسات الدائمة من العوامل الرئيسية التي تمكن ثورة المركبات الكهربائية. إن قدرتها على إنتاج مناطق جذابة صلبة في إطار مضغوط وكفء تجعلها لا يمكن الاستغناء عنها في خطة المركبات الكهربائية الحالية. ومع تقدم التكنولوجيا، ستستمر هذه المغناطيسات في لعب دور مهم في جعل قابلية النقل الكهربائي هي المعيار لمستقبل أنظف وأكثر خضرة وأكثر اقتصادا.