Массив Хальбаха — это особая конфигурация магнитов. Прежде чем рассматривать эту структуру, давайте сначала посмотрим, как распределяются линии магнитного поля в нескольких распространенных типах постоянных магнитов.
Из этого рисунка нетрудно заметить, что ориентация и расположение магнитов напрямую влияют на распределение линий магнитного поля, то есть на картину магнитного поля вокруг магнитов.
Концепция массива Гальбаха
Массив Гальбаха — это особая магнитная структура. В 1979 году американский физик Клаус Гальбах открыл и постепенно усовершенствовал это уникальное расположение постоянных магнитов. Конечным результатом стало то, что мы сейчас называем… Массив ГальбахаЭта конфигурация считается практически идеальной в инженерной практике. Она использует специфическое расположение намагниченных блоков для усиления магнитного поля с одной стороны и ослабления его с другой, с целью создания максимально сильного магнитного поля при минимальном количестве магнитов.
Эта система состоит из постоянных магнитов из редкоземельных элементов. Располагая эти магниты с различными направлениями намагничивания в соответствии с заданной схемой, линии магнитного поля концентрируются на одной стороне системы и подавляются на противоположной, создавая высокоэффективную систему. одностороннее магнитное поле.
Это свойство чрезвычайно ценно в технике. Благодаря превосходным характеристикам распределения магнитного поля, матрица Хальбаха широко используется в различных промышленных приложениях, включая ядерный магнитный резонанс (ЯМР), системы магнитной левитации и специализированные двигатели с постоянными магнитами.
Слева — отдельный магнит с северным полюсом, направленным вверх. По цветовому распределению видно, что магнитное поле сконцентрировано как в верхней, так и в нижней части магнита. Справа — массив Хальбаха, создающий сильное магнитное поле в верхней части и гораздо более слабое — в нижней.
При одинаковом общем объеме магнитов напряженность магнитного поля на сильной стороне массива Гальбаха составляет приблизительно √2 (примерно в 1,4 раза) Это усиление сильнее, чем у традиционного одиночного магнита. Особенно заметно это усиление, когда толщина магнита в направлении намагничивания находится в диапазоне от… 4–16 мм.
Пожалуй, наиболее известным примером массива Гальбаха является… гибкий магнит на холодильник. Эти тонкие и мягкие магнитные листы — часто с нанесенными на них узорами и прикрепляемые к холодильникам или поверхностям автомобилей — используют простую схему Хальбаха для улучшения адгезии. Хотя они очень слабые (всего около 2–3% от силы магнитов NdFeB), они широко используются, поскольку недороги, гибки и практичны.
Формы и области применения массива Хальбаха
Линейный массив
Линейный тип — это наиболее фундаментальная форма массива Гальбаха. Его можно рассматривать как комбинацию радиального и тангенциального расположения намагниченности, как показано на рисунке ниже.
Линейный массив Гальбаха
Линейная матрица Гальбаха в основном используется в линейные двигатели.
Принцип левитации поезда на магнитной подушке заключается в том, что движущиеся магниты взаимодействуют с магнитным полем, создаваемым индуцированными токами в проводниках, что приводит к возникновению как подъемной силы (силы левитации), так и магнитного сопротивления. Ключ к повышению эффективности системы подвески — максимизация отношения подъемной силы к силе сопротивления. Для этого необходимо, чтобы бортовые магниты были легкими, обладали сильным и однородным магнитным полем и обеспечивали высокую надежность.
В магнитолевитационных транспортных средствах устанавливается матрица Хальбаха. горизонтально в центре кузова автомобиля. Движение обеспечивается за счет взаимодействия с катушками, расположенными вдоль рельсов. Такая конструкция максимизирует магнитное поле со стороны рельсов и минимизирует его с противоположной стороны, уменьшая воздействие магнитного поля на пассажиров и используя меньшее количество магнитов для достижения высокой производительности.
Кольцевая (кольцевая) решетка Гальбаха
Кольцевая матрица Гальбаха может рассматриваться как круговая конфигурация образуется путем соединения концов линейной решетки Гальбаха, создавая непрерывное окружное магнитное поле.
Массив Хальбаха в двигателях с постоянными магнитами
В двигателях с постоянными магнитами магнитное поле воздушного зазора Распределение энергии в двигателе с массивом Хальбаха ближе к синусоидальному по сравнению с традиционным двигателем с постоянными магнитами. При одинаковом количестве материала постоянных магнитов двигатель с массивом Хальбаха достигает следующих результатов: более высокая плотность магнитного потока в воздушном зазоре и более низкие потери железа.
Кроме того, массивы колец Гальбаха Благодаря эффективному распределению магнитного поля и односторонним магнитным свойствам, они широко используются в подшипниках с постоянными магнитами, системах магнитного охлаждения и оборудовании для магнитно-резонансной томографии.
Изготовление и производство массивов Гальбаха
Метод 1: Сборка сегментов
В соответствии с топологической структурой массива, предварительно намагниченные сегменты магнитов склеиваются между собой. Из-за сильного намагничивания отталкивающие силы Между сегментами необходимо использовать пресс-форму или зажимное приспособление для фиксации их на месте во время сборки. Хотя этот метод имеет свои преимущества, он также имеет свои особенности. низкая эффективность производстваОн прост и легок в реализации, что делает его подходящим для лабораторные исследования и прототипирование.
Метод 2: Интегральный намагничивание с последующим намагничиванием
Сначала формируется полноценный магнит путем заполнение или прессование в формеа затем намагничиваются в специально разработанном приспособлении. Полученная структура массива аналогична изображению ниже. Этот метод обеспечивает повышение эффективности производства и хорошо подходит для массовое производство. Однако это требует тщательной разработки устройства для намагничивания и четко определенного процесса намагничивания.
Метод 3: Распределение магнитного поля по типу Хальбаха реализуется с помощью обмотки определенной формы, как показано на рисунке ниже.
