يُعد كل من الساماريوم كوبالت والنيوديميوم حديد بورون من المواد المعدنية. ونظرًا لموصلية المواد المعدنية الممتازة، فإن مقاومتها الكهربائية منخفضة للغاية. وهذا لا يُعد مثاليًا للآلات الدوارة كالمحركات الكهربائية، إذ يُؤدي إلى فقدان الطاقة بسبب التيارات الدوامية، مما يُسبب ارتفاع درجة حرارة الآلة الدوارة، بما في ذلك المغناطيسات. لذلك، يجب على مصممي المغناطيسات والمحركات مراعاة فقدان الطاقة بسبب التيارات الدوامية في الآلات الدوارة. سنتناول اليوم ماهية فقدان الطاقة بسبب التيارات الدوامية في المغناطيسات وكيفية تجنبه.
لفهم وتقليل خسائر التيارات الدوامية، يجب علينا أولاً فهم كيفية حدوثها. وهذا يتطلب تقديم مفهوم التأثير السطحي.
تأثير التمركز السطحي (أو تأثير تركيز التيار السطحي): عند مرور تيار متردد عبر موصل، يكون توزيع كثافة التيار غير متساوٍ عبر مقطع الموصل. مع ازدياد تردد التيار، يزداد تركيزه على السطح الموصل، بينما يقل التيار داخل الموصل. تُعرف هذه الظاهرة بتأثير التمركز السطحي. وكلما زاد التردد، ازداد تأثير التمركز السطحي.
يعود سبب ظاهرة الجلد إلى التيارات الدوامية. فبحسب قانون الحث الكهرومغناطيسي، يُولّد المجال الكهربائي المتناوب مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا. وعندما يمر تيار متناوب عبر موصل، يتولد مجال مغناطيسي متناوب داخل الموصل وحوله، مما يُحفّز تيارات دوامية على شكل دوامة داخل الموصل.
كلما اقتربنا من مركز الموصل، زادت القوة الدافعة الكهربائية المستحثة الناتجة عن المجال المغناطيسي المتناوب داخله. وكلما اشتدت التيارات الدوامية، زادت مقاومتها للتيار الأصلي، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة التيار بالقرب من مركز الموصل وارتفاعها بالقرب من سطحه.
بما أن القوة الدافعة الكهربائية المستحثة تزداد مع التردد، فإن تأثير الجلد يصبح أكثر وضوحًا مع ازدياد التردد. عندما يمر تيار عالي التردد عبر موصل، يمكن افتراض أن التيار يمر فقط عبر طبقة رقيقة جدًا على سطح الموصل. وهذا يعادل انخفاضًا في مساحة المقطع العرضي للموصل، مما يقلل بشكل كبير من معدل الاستخدام الفعال لمادة الموصل.
فقدان الطاقة الناتج عن التيارات الدوامية: نظرًا لأن المغناطيس الدائم المصنوع من الساماريوم والكوبالت والنيوديميوم والحديد والبورون يتميز بمقاومة كهربائية منخفضة للغاية، فإن التيارات الدوامية في المجالات الكهربائية المتناوبة تكون كبيرة جدًا بشكل عام. وبسبب التأثير الحراري للتيار، تتسبب التيارات الدوامية في ارتفاع درجة حرارة المغناطيس، وقد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة للغاية إلى فقدان المغناطيسية الحراري.
يرتبط مقدار فقد التيارات الدوامية بعوامل مثل تغير المجال المغناطيسي، وحركة الموصل، وشكله الهندسي، ونفاذيته، وموصليته. في الآلات الدوارة، تؤدي السرعة الدورانية العالية (المكافئة للتردد) والنفاذية العالية، إلى جانب المقاومة المنخفضة، إلى انخفاض عمق الاختراق وزيادة الفقد. في المركبات الكهربائية والمصاعد وغيرها من المجالات، تُتحكم محركات المغناطيس الدائم عادةً بواسطة مصادر طاقة عاكسة للتحكم في السرعة. كما أن وجود التوافقيات عالية الرتبة عند تردد الموجة الحاملة يزيد من فقد التيارات الدوامية في المغناطيس ويسبب إزالة المغنطة الحرارية.
تقليل فقد التيارات الدوامية في مغناطيسات النيوديميوم والحديد والبورون المتلبدة عن طريق زيادة المقاومة
من منظور تصميم المحركات، تم اقتراح العديد من الأساليب التقنية لتقليل خسائر التيار الدوامي في الآلات الدوارة التي تستخدم المغناطيس الدائم، مثل أعمدة الحماية حول المغناطيس، والمغناطيس المجزأ، والمغناطيس المعزول جانبياً.
من منظور المغناطيس نفسه، تُعدّ المغناطيسات المُلصقة إحدى أكثر الطرق فعاليةً لتقليل فقد الطاقة الناتج عن التيارات الدوامية في المحركات. فوجود المادة الرابطة ونسبتها الحجمية العالية نسبيًا يجعل مقاومة المغناطيسات المُلصقة أعلى بمقدار 10² إلى 10⁴ مرة من مقاومة المغناطيسات المُلبّدة. مع ذلك، يُحدّ هذا بشكل كبير من قدرة المحرك ودرجة حرارة تشغيله القصوى. لذا، فإنّ الطريقة الأنسب هي زيادة مقاومة المغناطيس المُلبّد نفسه.
توجد طرق عديدة لزيادة مقاومة المغناطيسات المتلبدة، مثل إضافة مساحيق ذات مقاومة عالية (مثل أكسيد الألومنيوم Al₂O₃) أو تغليفها بثاني أكسيد السيليكون SiO₂. مع ذلك، تؤثر هذه الطرق على الخصائص المغناطيسية للمغناطيس المتلبد إلى حد ما. لذا، من الضروري تحقيق توازن بين المقاومة والخصائص المغناطيسية أثناء تطوير المغناطيس.