Um arranjo de Halbach é uma configuração especial de ímãs. Antes de explorarmos essa estrutura, vamos primeiro observar como as linhas do campo magnético se distribuem em alguns tipos comuns de ímãs permanentes.
A partir dessa imagem, não é difícil perceber que a orientação e a disposição dos ímãs afetam diretamente a distribuição das linhas do campo magnético — ou seja, o padrão do campo magnético ao redor dos ímãs.
O conceito do arranjo de Halbach
Um arranjo de Halbach é uma estrutura magnética especial. Em 1979, o físico americano Klaus Halbach descobriu e gradualmente refinou esse arranjo único de ímãs permanentes. O resultado final é o que hoje chamamos de arranjo de Halbach. matriz de Halbach, que é considerada uma configuração quase ideal em engenharia. Ela utiliza um arranjo específico de blocos magnetizados para fortalecer o campo magnético de um lado enquanto o enfraquece do outro, com o objetivo de produzir o campo magnético mais forte possível usando o menor número de ímãs.
Essa matriz é composta por ímãs permanentes de terras raras. Ao dispor esses ímãs com diferentes direções de magnetização de acordo com um padrão definido, as linhas do campo magnético são concentradas em um lado da matriz e suprimidas no lado oposto, criando uma matriz altamente eficiente. campo magnético unilateral.
Essa propriedade é extremamente valiosa na engenharia. Devido às suas excelentes características de distribuição de campo magnético, o arranjo de Halbach é amplamente utilizado em diversas aplicações industriais, incluindo ressonância magnética nuclear (RMN), sistemas de levitação magnética e motores de ímã permanente especializados.
À esquerda, vemos um único ímã com o polo norte voltado para cima. Pela distribuição de cores, podemos observar que o campo magnético está concentrado tanto na parte superior quanto na inferior do ímã. À direita, temos um arranjo de Halbach, que produz um campo magnético forte na parte superior e um campo muito mais fraco na parte inferior.
Com o mesmo volume total de ímãs, a intensidade do campo magnético no lado forte de um arranjo de Halbach é aproximadamente √2 (aproximadamente 1,4 vezes) mais forte do que a de um ímã único tradicional. Esse aumento é especialmente perceptível quando a espessura do ímã na direção da magnetização está entre 4–16 mm.
Talvez o exemplo mais conhecido de um arranjo de Halbach seja o ímã de geladeira flexível. Essas finas e macias folhas magnéticas — frequentemente impressas com padrões e fixadas em geladeiras ou superfícies de carros — utilizam um arranjo Halbach simples para melhorar a adesão. Embora sejam muito fracas (apenas cerca de 2% a 3% da força dos ímãs de NdFeB), são amplamente utilizadas por serem baratas, flexíveis e práticas.
Formas e aplicações da matriz de Halbach
Matriz Linear
O tipo linear é a forma mais fundamental de um arranjo de Halbach. Ele pode ser visto como uma combinação de arranjos de magnetização radial e tangencial, conforme mostrado na figura abaixo.
Arranjo linear de Halbach
O arranjo linear de Halbach é usado principalmente em motores lineares.
O princípio de levitação de um trem maglev baseia-se na interação dos ímãs móveis com o campo magnético gerado pelas correntes induzidas nos condutores, produzindo tanto sustentação (força de levitação) quanto arrasto magnético. A chave para melhorar o desempenho do sistema de suspensão é maximizar a relação entre sustentação e arrasto. Isso exige que os ímãs a bordo sejam leves, possuam um campo magnético forte e uniforme e garantam alta confiabilidade.
Nos veículos maglev, o conjunto Halbach é instalado. horizontalmente no centro da carroceria do veículo. O sistema gera propulsão interagindo com as bobinas localizadas ao longo dos trilhos. Essa disposição maximiza o campo magnético no lado dos trilhos e o minimiza no lado oposto, reduzindo a exposição magnética dos passageiros e utilizando menos ímãs para alcançar um desempenho robusto.
Arranjo de Halbach em anel (anular)
O arranjo de Halbach em forma de anel pode ser considerado como um configuração circular Formado pela conexão das extremidades de um arranjo linear de Halbach, produzindo um campo magnético circunferencial contínuo.
Matriz de Halbach em motores de ímã permanente
Em motores de ímã permanente, o campo magnético do entreferro A distribuição de um motor de matriz Halbach se aproxima mais de uma distribuição sinusoidal em comparação com a de um motor de ímã permanente tradicional. Com a mesma quantidade de material magnético permanente, um motor de matriz Halbach atinge maior densidade de fluxo magnético no entreferro e menores perdas de ferro.
Além disso, matrizes de anéis de Halbach São amplamente utilizados em mancais de ímã permanente, sistemas de refrigeração magnética e equipamentos de ressonância magnética devido à sua eficiente distribuição de campo e propriedades magnéticas unilaterais.
Fabricação e Produção de Matrizes de Halbach
Método 1: Montagem de Segmentos
De acordo com a estrutura topológica da matriz, segmentos de ímãs pré-magnetizados são colados uns aos outros. Devido à forte forças repulsivas Entre os segmentos, é necessário usar um molde ou dispositivo de fixação para mantê-los no lugar durante a montagem. Embora esse método tenha baixa eficiência de fabricaçãoÉ simples e fácil de implementar, tornando-o adequado para pesquisa laboratorial e prototipagem.
Método 2: Ímã Integral com Pós-Magnetização
Um ímã completo é formado inicialmente por preenchimento ou prensagem em um moldee então magnetizadas em um dispositivo especialmente projetado. A estrutura de matriz resultante é semelhante à ilustração abaixo. Este método oferece maior eficiência de produção e é muito adequado para produção em massa. No entanto, isso requer um projeto cuidadoso do dispositivo de magnetização e um processo de magnetização bem definido.
Método 3: A distribuição do campo magnético do tipo Halbach é obtida utilizando uma matriz de enrolamentos com formato específico, conforme mostrado na imagem abaixo.
