Una matriz de Halbach es una disposición especial de imanes. Antes de explorar esta estructura, veamos cómo se distribuyen las líneas de campo magnético en varios tipos comunes de imanes permanentes.
A partir de esta imagen, no es difícil ver que la orientación y disposición de los imanes afectan directamente la distribución de las líneas del campo magnético, es decir, el patrón del campo magnético alrededor de los imanes.
El concepto de la matriz de Halbach
Una matriz de Halbach es una estructura magnética especial. En 1979, el físico estadounidense Klaus Halbach descubrió y perfeccionó gradualmente esta singular disposición de imanes permanentes. El resultado final es lo que ahora llamamos… Matriz de Halbach, que se considera una configuración casi ideal en ingeniería. Utiliza una disposición específica de bloques magnetizados para fortalecer el campo magnético en un lado y debilitarlo en el otro, con el objetivo de producir el campo magnético más intenso posible utilizando la menor cantidad de imanes.
Este conjunto está compuesto por imanes permanentes de tierras raras. Al disponer estos imanes con diferentes direcciones de magnetización según un patrón definido, las líneas de campo magnético se concentran en un lado del conjunto y se suprimen en el lado opuesto, creando un sistema altamente eficiente. campo magnético unilateral.
Esta propiedad es extremadamente valiosa en ingeniería. Gracias a sus excelentes características de distribución del campo magnético, el conjunto de Halbach se utiliza ampliamente en diversas aplicaciones industriales, como la resonancia magnética nuclear (RMN), los sistemas de levitación magnética y los motores especializados de imanes permanentes.
A la izquierda se ve un imán con el polo norte hacia arriba. La distribución de colores permite observar que el campo magnético se concentra tanto en la parte superior como en la inferior del imán. A la derecha se ve una matriz de Halbach, que produce un campo magnético intenso en la parte superior y uno mucho más débil en la inferior.
Con el mismo volumen total de imán, la intensidad del campo magnético en el lado fuerte de una matriz Halbach es aproximadamente √2 (aproximadamente 1,4 veces) Más fuerte que un imán simple tradicional. Esta mejora es especialmente notable cuando el grosor del imán en la dirección de magnetización está entre 4–16 milímetros.
Quizás el ejemplo más conocido de una matriz de Halbach es el imán de refrigerador flexible. Estas láminas magnéticas delgadas y suaves, a menudo impresas con patrones y adheridas a refrigeradores o superficies de automóviles, utilizan un sencillo sistema de Halbach para mejorar la adhesión. Aunque son muy débiles (solo entre un 2 % y un 3 % de la fuerza de los imanes de NdFeB), se utilizan ampliamente por su bajo costo, flexibilidad y practicidad.
Formas y aplicaciones de la matriz de Halbach
Matriz lineal
El tipo lineal es la forma más fundamental de un arreglo de Halbach. Puede considerarse una combinación de disposiciones de magnetización radial y tangencial, como se muestra en la figura siguiente.
Matriz lineal de Halbach
La matriz lineal de Halbach se utiliza principalmente en motores lineales.
El principio de levitación de un tren de levitación magnética consiste en que los imanes móviles interactúan con el campo magnético generado por las corrientes inducidas en los conductores, lo que produce tanto sustentación (fuerza de levitación) como resistencia magnética. La clave para mejorar el rendimiento del sistema de suspensión reside en maximizar la relación sustentación-resistencia. Esto requiere que los imanes integrados sean ligeros, tengan un campo magnético potente y uniforme, y garanticen una alta fiabilidad.
En los vehículos de levitación magnética se instala el sistema Halbach horizontalmente en el centro de la carrocería del vehículo. Genera propulsión al interactuar con las bobinas ubicadas a lo largo de la vía. Esta disposición maximiza el campo magnético en el lado de la vía y lo minimiza en el lado opuesto, reduciendo la exposición magnética de los pasajeros y utilizando menos imanes para lograr un alto rendimiento.
Matriz de anillo (anular) de Halbach
La matriz Halbach de tipo anillo se puede considerar como una configuración circular formado conectando los extremos de una matriz Halbach lineal, produciendo un campo magnético circunferencial continuo.
Matriz de Halbach en motores de imanes permanentes
En los motores de imanes permanentes, la campo magnético de entrehierro La distribución de un motor de matriz Halbach se acerca más a una distribución sinusoidal que la de un motor de imán permanente tradicional. Con la misma cantidad de material de imán permanente, un motor de matriz Halbach logra… mayor densidad de flujo magnético en el entrehierro y menores pérdidas de hierro.
Además, Matrices de anillos de Halbach Se utilizan ampliamente en cojinetes de imanes permanentes, sistemas de refrigeración magnética y equipos de resonancia magnética debido a su eficiente distribución de campo y sus propiedades magnéticas unilaterales.
Fabricación y producción de matrices Halbach
Método 1: Ensamblaje de segmentos
Según la estructura topológica del conjunto, los segmentos magnéticos premagnetizados se unen entre sí. Debido a la fuerte fuerzas repulsivas Entre los segmentos, se debe utilizar un molde o accesorio para mantenerlos en su lugar durante el ensamblaje. Si bien este método tiene baja eficiencia de fabricaciónEs simple y fácil de implementar, lo que lo hace adecuado para Investigación de laboratorio y creación de prototipos.
Método 2: Imán integral con postmagnetización
Un imán completo se forma primero mediante llenado o prensado en un moldey luego se magnetizan en un dispositivo especialmente diseñado. La estructura de la matriz resultante es similar a la ilustración a continuación. Este método ofrece mayor eficiencia de producción y es muy adecuado para producción en masa. Sin embargo, se requiere un diseño cuidadoso del dispositivo de magnetización y un proceso de magnetización bien definido.
Método 3: La distribución del campo magnético tipo Halbach se realiza mediante el uso de una matriz de bobinados con una forma específica, como se muestra en la siguiente imagen.
