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海爾貝克陣列 Halbach Array

2022年08月30日 13:15:48      來源:上海天端實業(yè)有限公司 >> 進入該公司展臺      閱讀量:12

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磁體的放置方向和排列方式形式會直接影響磁力線分布的形式,也就是會影響磁體周圍磁場分布的形式。海爾貝克陣列是工程上的近似理想結(jié)構(gòu),它利用特殊的磁體排列,增強單位方向上的場強,目標(biāo)是用最少量的磁體產(chǎn)生的磁場。今天向大家介紹海爾貝克陣列的原理、主要形式與應(yīng)用場景,以及如何制造海爾貝克陣列。



海爾貝克陣列是一種磁體排列結(jié)構(gòu),在了解這種結(jié)構(gòu)之前,我們先來看看一些常見的永磁體的磁力線分布。


海爾貝克陣列 Halbach Array(圖1)


從這張圖上我們不難發(fā)現(xiàn),磁體的放置方向和排列方式會直接影響磁力線分布的,也就是會影響磁體周圍磁場分布的形式。
海爾貝克陣列的概念

海爾貝克陣列(Halbach Array、Halbach permanent magnet)是一種磁體結(jié)構(gòu),1979年美國學(xué)者Klaus Halbach做電子加速實驗時發(fā)現(xiàn)了這種特殊的永磁鐵結(jié)構(gòu)并逐步完善,最終形成了所謂的“Halbach”磁鐵,它是工程上的近似理想結(jié)構(gòu), 它利用特殊的磁體單元的排列,增強單位方向上的場強,目標(biāo)是用最少量的磁體產(chǎn)生的磁場。

這種陣列*由稀土永磁材料構(gòu)成,通過將不同充磁方向的永磁體按照一定規(guī)律排列,能夠在磁體一側(cè)匯聚磁力線,而在另一側(cè)削弱磁力線,從而獲得比較理想的單邊磁場。這在工程上有非常重要的意義,海爾別克陣列以出色的磁場分布特性,被廣泛應(yīng)用于諸如核磁共振、磁懸浮、永磁特種電機等工業(yè)領(lǐng)域。

海爾貝克陣列 Halbach Array(圖2)

左側(cè)是一個單一磁鐵,北極全部向上,從顏色中可以看出磁場的強度位于磁鐵的底部和頂部。右側(cè)是一個海爾貝克陣列,磁鐵頂部的磁場較高,而底部則相對薄弱。(同等體量下海爾貝克陣列磁鐵組的強側(cè)表面磁場強度約為傳統(tǒng)單顆磁鐵的√2倍(即1.4倍),尤其在磁鐵充磁方向厚度在4~16mm時)

見的海爾貝克陣列的例子可能要數(shù)柔性的冰箱貼了。這些薄薄的、柔軟的磁鐵通常被印刷好貼在冰箱上或者是汽車的后面,盡管相對于釹鐵硼來說,它們的磁性很弱(僅有2%-3%的強度),但是其價格低廉及實用性使它被廣泛的應(yīng)用。

海爾貝克陣列 Halbach Array(圖3)
海爾貝克陣列的形式與應(yīng)用

  • 直線陣列

直線型是最基礎(chǔ)的Halbach陣列組成形式,這種陣列磁體可視為一種徑向陣列與切向陣列的結(jié)合,如下圖。
海爾貝克陣列 Halbach Array(圖4)
直線型Halbach陣列目前主要應(yīng)用于直線電機。磁懸浮列車的懸浮原理是運動磁體和它在導(dǎo)體中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生懸浮力,同時伴有磁阻力,提高浮力與阻力比是改善懸浮系統(tǒng)性能的關(guān)鍵,這就要求車載磁體重量輕、磁場強、磁場均勻、可靠性高。采用Halbach陣列水平安裝在車體,與軌道的繞組作用產(chǎn)生推進力,以較少的磁體用量達(dá)到磁場,而另一側(cè)磁場較少,可以乘客避免暴露在強磁場之中。
  • 環(huán)形陣列

環(huán)形Halbach陣列可視為將直線型Halbach陣列首尾相接組合而形成圓環(huán)形狀。

海爾貝克陣列 Halbach Array(圖5)

在永磁電機中,使用Halbach陣列結(jié)構(gòu)的永磁電機較傳統(tǒng)永磁電機具有更接近正弦分布的氣隙磁場,在永磁材料用量相同的情況下,Halbach永磁電機氣隙磁密度更大,鐵損較小。此外Halbach圓環(huán)陣列還廣泛應(yīng)用于永磁軸承、磁制冷設(shè)備和磁共振等設(shè)備中。

海爾貝克陣列的制作和生產(chǎn)方法

方法1:根據(jù)陣列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使用磁體膠將預(yù)先已充磁的磁體段粘連在一起,因各磁體段之間的互斥力很強,所以在粘連的時候要使用模具進行夾緊。該方法制造效率較低,但較容易實現(xiàn),比較適合實驗室研究階段使用。

方法2首先利用充?;驂耗5姆椒ㄖ圃煲粋€完整的磁體,然后在一個特制的夾具中進行充磁,采用該方法加工出的陣列結(jié)構(gòu)和下圖類似,這種方法加工效率高,比較容易實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。但需要專門設(shè)計充磁夾具和制定充磁工藝。

海爾貝克陣列 Halbach Array(圖6)

方法3:利用特定形狀的繞組陣列來實現(xiàn)Halbach型磁場分布,如下圖。

海爾貝克陣列 Halbach Array(圖7)



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