海尔贝克阵列HalbachArray
海尔贝克阵列是⼀种磁体排列结构,在了解这种结构之前,我们先来看看⼀些常见的永磁体的磁⼒线分布。
从这张图上我们不难发现,磁体的放置⽅向和排列⽅式会直接影响磁⼒线分布的,也就是会影响磁体周围磁场分布的形式。
海尔贝克阵列的概念
海尔贝克阵列(Halbach Array、Halbach permanent magnet)是⼀种磁体结构,1979年美国学者Klaus Halbach做电⼦加速实验时发现了这种特殊的永磁铁结构并逐步完善,最终形成了所谓的“Halbach”磁铁,它是⼯程上的近似理想结构,它利⽤特殊的磁体单元的排列,增强单位⽅向上的场强,⽬标是⽤最少量的磁体产⽣最强的磁场。
这种阵列完全由稀⼟永磁材料构成,通过将不同充磁⽅向的永磁体按照⼀定规律排列,能够在磁体⼀侧汇聚磁⼒线,⽽在另⼀侧削弱磁⼒线,从⽽获得⽐较理想的单边磁场。这在⼯程上有⾮常重要的意义,海尔别克阵列以出⾊的磁场分布特性,被⼴泛应⽤于诸如核磁共振、磁悬浮、永磁特种电机等⼯业领域。
左侧是⼀个单⼀磁铁,北极全部向上,从颜⾊中可以看出磁场的强度位于磁铁的底部和顶部。右侧是⼀个海尔贝克阵列,磁铁顶部的磁场较⾼,⽽底部则相对薄弱。(同等体量下海尔贝克阵列磁铁组的强侧表⾯磁场强度约为传统单颗磁铁的√2倍(即1.4倍),尤其在磁铁充磁⽅向厚度在4~16mm时)
小别克最常见的海尔贝克阵列的例⼦可能要数柔性的冰箱贴了。这些薄薄的、柔软的磁铁通常被印刷好贴在冰箱上或者是汽车的后⾯,尽管相对于钕铁硼来说,它们的磁性很弱(仅有2%-3%的强度),但是其价格低廉及实⽤性使它被⼴泛的应⽤。
海尔贝克阵列的形式与应⽤
•直线阵列
直线型是最基础的Halbach阵列组成形式,这种阵列磁体可视为⼀种径向阵列与切向阵列的结合,如下图。
直线型Halbach阵列⽬前主要应⽤于直线电机。磁悬浮列车的悬浮原理是运动磁体和它在导体中感应电流产⽣的磁场相互作⽤产⽣悬浮⼒,同时伴有磁阻⼒,提⾼浮⼒与阻⼒⽐是改善悬浮系统性能的关键,这就要求车载磁体重量轻、磁场强、磁场均匀、可靠性⾼。采⽤Halbach阵列⽔平安装在车体中央,与轨道中央的绕组作⽤产⽣推进⼒,以较少的磁体⽤量达到磁场最⼤化,⽽另⼀侧磁场较少,可以乘客避免暴露在强磁场之中。
•环形阵列
•环形阵列
环形Halbach阵列可视为将直线型Halbach阵列⾸尾相接组合⽽形成圆环形状。
在永磁电机中,使⽤Halbach阵列结构的永磁电机较传统永磁电机具有更接近正弦分布的⽓隙磁场,在永磁材料⽤量相同的情况下,Halbach永磁电机⽓隙磁密度更⼤,铁损较⼩。此外Halbach圆环阵列还⼴泛应⽤于永磁轴承、磁制冷设备和磁共振等设备中。
海尔贝克阵列的制作和⽣产⽅法
⽅法1:根据阵列的拓扑结构,使⽤磁体胶将预先已充磁的磁体段粘连在⼀起,因各磁体段之间的互斥⼒很强,所以在粘连的时候要使⽤模具进⾏夹紧。该⽅法制造效率较低,但较容易实现,⽐较适合实验室研究阶段使⽤。
⽅法2:⾸先利⽤充模或压模的⽅法制造⼀个完整的磁体,然后在⼀个特制的夹具中进⾏充磁,采⽤该⽅法加⼯出的阵列结构和下图类似,这种⽅法加⼯效率⾼,⽐较容易实现批量化⽣产。但需要专门设计充磁夹具和制定充磁⼯艺。
⽅法3:利⽤特定形状的绕组阵列来实现Halbach型磁场分布,如下图。