مصفوفة هالباخ هي ترتيب مغناطيسي خاص. قبل استكشاف هذا التركيب، دعونا أولاً نلقي نظرة على كيفية توزيع خطوط المجال المغناطيسي في عدة أنواع شائعة من المغناطيس الدائم.
من هذه الصورة، ليس من الصعب أن نرى أن اتجاه وترتيب المغناطيسات يؤثر بشكل مباشر على توزيع خطوط المجال المغناطيسي – أي نمط المجال المغناطيسي حول المغناطيسات.
مفهوم مصفوفة هالباخ
مصفوفة هالباخ هي بنية مغناطيسية خاصة. في عام 1979، اكتشف الفيزيائي الأمريكي كلاوس هالباخ هذا الترتيب الفريد للمغناطيس الدائم، وقام بتطويره تدريجيًا. والنتيجة النهائية هي ما نسميه الآن… مصفوفة هالباخوهو ما يعتبر تكوينًا مثاليًا تقريبًا في الهندسة. يستخدم ترتيبًا محددًا من الكتل الممغنطة لتقوية المجال المغناطيسي على جانب واحد مع إضعافه على الجانب الآخر، بهدف إنتاج أقوى مجال مغناطيسي ممكن باستخدام أقل عدد ممكن من المغناطيسات.
تتكون هذه المصفوفة من مغناطيسات دائمة من العناصر الأرضية النادرة. ومن خلال ترتيب هذه المغناطيسات باتجاهات مغنطة مختلفة وفقًا لنمط محدد، تتركز خطوط المجال المغناطيسي على جانب واحد من المصفوفة وتُخفَّض على الجانب المقابل، مما يخلق كفاءة عالية. المجال المغناطيسي أحادي الجانب.
تُعد هذه الخاصية ذات قيمة بالغة في الهندسة. وبفضل خصائص توزيع المجال المغناطيسي الممتازة، تُستخدم مصفوفة هالباخ على نطاق واسع في تطبيقات صناعية متنوعة، بما في ذلك الرنين المغناطيسي النووي، وأنظمة الرفع المغناطيسي، والمحركات المغناطيسية الدائمة المتخصصة.
على اليسار يوجد مغناطيس منفرد قطبه الشمالي متجه للأعلى. من خلال توزيع الألوان، نلاحظ أن المجال المغناطيسي يتركز في أعلى المغناطيس وأسفله. على اليمين يوجد مصفوفة هالباخ، التي تُنتج مجالًا مغناطيسيًا قويًا في الأعلى ومجالًا أضعف بكثير في الأسفل.
في ظل نفس الحجم الإجمالي للمغناطيس، تكون شدة المجال المغناطيسي على الجانب القوي من مصفوفة هالباخ تقريبًا √2 (حوالي 1.4 مرة) أقوى من المغناطيس الأحادي التقليدي. ويكون هذا التحسن ملحوظًا بشكل خاص عندما يكون سمك المغناطيس في اتجاه التمغنط بين 4-16 مم.
لعلّ المثال الأكثر شيوعًا لمصفوفة هالباخ هو مغناطيس ثلاجة مرن. تستخدم هذه الصفائح المغناطيسية الرقيقة والناعمة – والتي غالبًا ما تُطبع عليها أنماط وتُلصق على الثلاجات أو أسطح السيارات – ترتيب هالباخ بسيطًا لتحسين الالتصاق. ورغم أنها ضعيفة جدًا (حوالي 2-3% فقط من قوة مغناطيس النيوديميوم والحديد والبورون)، إلا أنها شائعة الاستخدام نظرًا لانخفاض تكلفتها ومرونتها وسهولة استخدامها.
أشكال وتطبيقات مصفوفة هالباخ
المصفوفة الخطية
يُعدّ النوع الخطي الشكل الأساسي لمصفوفة هالباخ. ويمكن اعتباره مزيجًا من ترتيبات التمغنط الشعاعي والمماسي، كما هو موضح في الشكل أدناه.
مصفوفة هالباخ الخطية
تُستخدم مصفوفة هالباخ الخطية بشكل أساسي في المحركات الخطية.
يعتمد مبدأ الرفع المغناطيسي في قطار ماجليف على تفاعل المغناطيسات المتحركة مع المجال المغناطيسي الناتج عن التيارات المستحثة في الموصلات، مما يُنتج قوة رفع (قوة الرفع المغناطيسي) وقوة سحب مغناطيسية. ويكمن مفتاح تحسين أداء نظام التعليق في زيادة نسبة الرفع إلى السحب إلى أقصى حد. ويتطلب ذلك أن تكون المغناطيسات الموجودة على متن القطار خفيفة الوزن، وأن تتمتع بمجال مغناطيسي قوي ومتجانس، وأن تضمن موثوقية عالية.
يتم تركيب مصفوفة هالباخ في مركبات ماجليف أفقيًا في منتصف هيكل السيارة. يُولد هذا النظام قوة الدفع من خلال التفاعل مع الملفات الموجودة على طول السكة. ويُعزز هذا التصميم المجال المغناطيسي على جانب السكة، بينما يُقلله على الجانب الآخر، مما يُقلل من تعرض الركاب للمجال المغناطيسي، ويُتيح استخدام عدد أقل من المغناطيسات لتحقيق أداء قوي.
مصفوفة هالباخ الحلقية
يمكن اعتبار مصفوفة هالباخ الحلقية بمثابة التكوين الدائري يتم تشكيلها عن طريق توصيل نهايات مصفوفة هالباخ الخطية، مما ينتج عنه مجال مغناطيسي محيطي مستمر.
مصفوفة هالباخ في محركات المغناطيس الدائم
في المحركات ذات المغناطيس الدائم، المجال المغناطيسي للفجوة الهوائية يتميز محرك مصفوفة هالباخ بتوزيع أقرب إلى التوزيع الجيبي مقارنةً بمحرك المغناطيس الدائم التقليدي. وباستخدام نفس كمية مادة المغناطيس الدائم، يحقق محرك مصفوفة هالباخ كثافة تدفق مغناطيسي أعلى في الفجوة الهوائية و انخفاض فقدان الحديد.
فضلاً عن ذلك، مصفوفات حلقات هالباخ تُستخدم على نطاق واسع في محامل المغناطيس الدائم، وأنظمة التبريد المغناطيسي، ومعدات الرنين المغناطيسي نظرًا لتوزيع المجال الفعال وخصائصها المغناطيسية أحادية الجانب.
تصنيع وإنتاج مصفوفات هالباخ
الطريقة الأولى: تجميع القطع
وفقًا للبنية الطوبولوجية للمصفوفة، يتم لصق أجزاء المغناطيس الممغنطة مسبقًا معًا. نظرًا لقوة قوى التنافر يجب استخدام قالب أو أداة تثبيت بين الأجزاء لتثبيتها في مكانها أثناء التجميع. على الرغم من أن هذه الطريقة انخفاض كفاءة التصنيعإنه بسيط وسهل التنفيذ، مما يجعله مناسبًا لـ البحث المختبري والنماذج الأولية.
الطريقة الثانية: مغناطيس متكامل مع مغنطة لاحقة
يتم تشكيل المغناطيس الكامل أولاً بواسطة ملء أو ضغط في قالبثم يتم مغنطتها في جهاز مصمم خصيصًا. بنية المصفوفة الناتجة مشابهة للرسم التوضيحي أدناه. توفر هذه الطريقة كفاءة إنتاج أعلى وهو مناسب تمامًا لـ إنتاج متسلسل. ومع ذلك، يتطلب الأمر تصميمًا دقيقًا لجهاز التمغنط وعملية تمغنط محددة جيدًا.
الطريقة الثالثة: يتم تحقيق توزيع المجال المغناطيسي من نوع هالباخ باستخدام مصفوفة لفائف ذات شكل محدد، كما هو موضح في الصورة أدناه.
