海爾貝克陣列 Halbach Array


海爾貝克陣列 Halbach Array

海爾貝克陣列是一種磁體排列結構,在瞭解這種結構之前,我們先來看看一些常見的永磁體的磁力線分佈。

海爾貝克陣列 Halbach Array


從這張圖上我們不難發現,磁體的放置方向和排列方式會直接影響磁力線分佈的,也就是會影響磁體周圍磁場分佈的形式。

海爾貝克陣列的概念

海爾貝克陣列(Halbach Array、Halbach permanent magnet)是一種磁體結構,1979年美國學者Klaus Halbach做電子加速實驗時發現了這種特殊的永磁鐵結構並逐步完善,最終形成了所謂的“Halbach”磁鐵,它是工程上的近似理想結構, 它利用特殊的磁體單元的排列,增強單位方向上的場強,目標是用最少量的磁體產生最強的磁場。

這種陣列完全由稀土永磁材料構成,通過將不同充磁方向的永磁體按照一定規律排列,能夠在磁體一側匯聚磁力線,而在另一側削弱磁力線,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佈特性,被廣泛應用於諸如核磁共振、磁懸浮、永磁特種電機等工業領域。

海爾貝克陣列 Halbach Array

左側是一個單一磁鐵,北極全部向上,從顏色中可以看出磁場的強度位於磁鐵的底部和頂部。右側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表面磁場強度約為傳統單顆磁鐵的√2倍(即1.4倍),尤其在磁鐵充磁方向厚度在4~16mm時)

最常見的海爾貝克陣列的例子可能要數柔性的冰箱貼了。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後面,儘管相對於釹鐵硼來說,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用。

海爾貝克陣列 Halbach Array

海爾貝克陣列的形式與應用

  • 直線陣列

直線型是最基礎的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合,如下圖。

海爾貝克陣列 Halbach Array

直線型Halbach陣列目前主要應用於直線電機。磁懸浮列車的懸浮原理是運動磁體和它在導體中感應電流產生的磁場相互作用產生懸浮力,同時伴有磁阻力,提高浮力與阻力比是改善懸浮系統性能的關鍵,這就要求車載磁體重量輕、磁場強、磁場均勻、可靠性高。採用Halbach陣列水平安裝在車體中央,與軌道中央的繞組作用產生推進力,以較少的磁體用量達到磁場最大化,而另一側磁場較少,可以乘客避免暴露在強磁場之中。

  • 環形陣列

環形Halbach陣列可視為將直線型Halbach陣列首尾相接組合而形成圓環形狀。

海爾貝克陣列 Halbach Array

海爾貝克陣列 Halbach Array

在永磁電機中,使用Halbach陣列結構的永磁電機較傳統永磁電機具有更接近正弦分佈的氣隙磁場,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圓環陣列還廣泛應用於永磁軸承、磁製冷設備和磁共振等設備中。

海爾貝克陣列的製作和生產方法

方法1:根據陣列的拓撲結構,使用磁體膠將預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,比較適合實驗室研究階段使用。

方法2:首先利用充模或壓模的方法制造一個完整的磁體,然後在一個特製的夾具中進行充磁,採用該方法加工出的陣列結構和下圖類似,這種方法加工效率高,比較容易實現批量化生產。但需要專門設計充磁夾具和制定充磁工藝。

海爾貝克陣列 Halbach Array

方法3:利用特定形狀的繞組陣列來實現Halbach型磁場分佈,如下圖。

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