Un array di Halbach è una speciale disposizione di magneti. Prima di esplorare questa struttura, diamo un’occhiata a come le linee di campo magnetico sono distribuite in diversi tipi comuni di magneti permanenti.
Da questa immagine non è difficile vedere che l’orientamento e la disposizione dei magneti influenzano direttamente la distribuzione delle linee del campo magnetico, ovvero il modello del campo magnetico attorno ai magneti.
Il concetto di matrice Halbach
Un array di Halbach è una speciale struttura magnetica. Nel 1979, il fisico americano Klaus Halbach scoprì e perfezionò gradualmente questa disposizione unica di magneti permanenti. Il risultato finale è quello che oggi chiamiamo… matrice di Halbach, considerata una configurazione quasi ideale in ingegneria. Utilizza una disposizione specifica di blocchi magnetizzati per rafforzare il campo magnetico da un lato e indebolirlo dall’altro, con l’obiettivo di produrre il campo magnetico più potente possibile utilizzando il minor numero di magneti.
Questo array è composto da magneti permanenti in terre rare. Disponendo questi magneti con diverse direzioni di magnetizzazione secondo uno schema definito, le linee di campo magnetico vengono concentrate su un lato dell’array e soppresse sul lato opposto, creando un’elevata efficienza. campo magnetico unilaterale.
Questa proprietà è estremamente preziosa in ingegneria. Grazie alle sue eccellenti caratteristiche di distribuzione del campo magnetico, la matrice Halbach è ampiamente utilizzata in varie applicazioni industriali, tra cui la risonanza magnetica nucleare (NMR), i sistemi a levitazione magnetica e i motori a magneti permanenti specializzati.
A sinistra c’è un singolo magnete con il polo nord rivolto verso l’alto. Dalla distribuzione dei colori, possiamo vedere che il campo magnetico è concentrato sia nella parte superiore che inferiore del magnete. A destra c’è un array di Halbach, che produce un campo magnetico intenso sul lato superiore e un campo molto più debole su quello inferiore.
Sotto lo stesso volume magnetico complessivo, l’intensità del campo magnetico sul lato forte di un array Halbach è approssimativamente √2 (circa 1,4 volte) più forte di quello di un singolo magnete tradizionale. Questo miglioramento è particolarmente evidente quando lo spessore del magnete nella direzione di magnetizzazione è compreso tra 4–16 millimetri.
Forse l’esempio più familiare di un array Halbach è l’ magnete flessibile per frigorifero. Questi fogli magnetici sottili e morbidi, spesso stampati con motivi e applicati alle superfici di frigoriferi o automobili, utilizzano una semplice disposizione di Halbach per migliorare l’adesione. Sebbene siano molto deboli (solo circa il 2-3% della forza dei magneti al neodimio), sono ampiamente utilizzati perché economici, flessibili e pratici.
Forme e applicazioni dell’array di Halbach
Array lineare
Il tipo lineare è la forma più fondamentale di un array di Halbach. Può essere visto come una combinazione di configurazioni di magnetizzazione radiale e tangenziale, come mostrato nella figura seguente.
Array di Halbach lineare
L’array lineare di Halbach è utilizzato principalmente in motori lineari.
Il principio di levitazione di un treno a levitazione magnetica si basa sull’interazione dei magneti mobili con il campo magnetico generato dalle correnti indotte nei conduttori, producendo sia portanza (forza di levitazione) che resistenza magnetica. La chiave per migliorare le prestazioni del sistema di sospensioni è massimizzare il rapporto portanza/resistenza. Ciò richiede che i magneti di bordo siano leggeri, abbiano un campo magnetico forte e uniforme e garantiscano un’elevata affidabilità.
Nei veicoli a levitazione magnetica, è installato l’array Halbach orizzontalmente al centro della carrozzeria del veicolo. Genera propulsione interagendo con le bobine situate lungo il binario. Questa configurazione massimizza il campo magnetico sul lato del binario e lo riduce al minimo sul lato opposto, riducendo l’esposizione magnetica dei passeggeri e utilizzando meno magneti per ottenere prestazioni elevate.
Array di Halbach ad anello (anulare)
L’array Halbach ad anello può essere considerato come un configurazione circolare formato collegando le estremità di una matrice Halbach lineare, producendo un campo magnetico circonferenziale continuo.
Array di Halbach nei motori a magneti permanenti
Nei motori a magneti permanenti, il campo magnetico dell’intercapedine d’aria di un motore array Halbach è più vicino a una distribuzione sinusoidale rispetto a quella di un tradizionale motore a magneti permanenti. Con la stessa quantità di materiale magnetico permanente, un motore array Halbach raggiunge maggiore densità di flusso magnetico nel traferro E minori perdite di ferro.
Inoltre, Array di anelli di Halbach sono ampiamente utilizzati nei cuscinetti a magneti permanenti, nei sistemi di refrigerazione magnetica e nelle apparecchiature a risonanza magnetica grazie alla loro efficiente distribuzione del campo e alle proprietà magnetiche unilaterali.
Fabbricazione e produzione di array Halbach
Metodo 1: assemblaggio dei segmenti
Secondo la struttura topologica dell’array, i segmenti magnetici pre-magnetizzati sono incollati insieme. A causa della forte forze repulsive tra i segmenti, è necessario utilizzare uno stampo o un dispositivo di fissaggio per tenerli in posizione durante l’assemblaggio. Sebbene questo metodo abbia bassa efficienza produttiva, è semplice e facile da implementare, rendendolo adatto per ricerca di laboratorio e prototipazione.
Metodo 2: Magnete integrale con post-magnetizzazione
Un magnete completo si forma innanzitutto tramite riempimento o pressatura in uno stampoe quindi magnetizzati in un dispositivo appositamente progettato. La struttura dell’array risultante è simile all’illustrazione seguente. Questo metodo offre maggiore efficienza produttiva ed è molto adatto per produzione di massa. Tuttavia, richiede una progettazione attenta del dispositivo di magnetizzazione e un processo di magnetizzazione ben definito.
Metodo 3: La distribuzione del campo magnetico di tipo Halbach viene realizzata utilizzando una serie di avvolgimenti con una forma specifica, come mostrato nella figura sottostante.
