Millised on Halbach Array eelised?

Halbachi massiivi puhul on tegemist püsimagnetite paigutusega, mis loob tugeva ühepoolse magnetvälja. See ainulaadne võime muudab Halbachi massiivid ideaalseks selliste rakenduste jaoks nagu harjadeta mootorid, magnetlaagrid, Maglev-rongid ja osakeste kiirendid.

Selles ametikohas, kui professionaalne Halbachi massiivi tootja, ma käin teiega läbi Halbachi massiivi kasutamise peamised eelised võrreldes tavapärase magnetvälja paigutusega. Lõpuks mõistate täpselt, miks need massiivid muutuvad üha populaarsemaks kõigis tööstusharudes.

Mis on Halbach Array?

Kõigepealt, mis täpselt on Halbachi massiivi?

Lihtsustatult öeldes on Halbachi massiivi puhul tegemist spetsiaalse magnetite paigutusega, kus iga magnet on orienteeritud 90 kraadi all massiivi järgmise magneti suhtes. Visuaalselt näeb see välja järgmiselt:

Võite paigutada magnetid reas nagu eespool, või painutada need ringi, et luua "Halbachi silinder". Kuid igal juhul on peamine asi, mis teeb Halbachi massiivi ainulaadseks, see, et pöörlev magnetiline orientatsioon iga magneti kohta.

See pööramine on väga tahtlik - sellel on märkimisväärne mõju, mis suunab magnetvälja vaid ühele poolele massiivi. Ja tühistab peaaegu täielikult teise külje välja.

Lubage mul selgitada...

Millised on Halbach Array eelised?

Hüvitis #1: Tugev ühepoolne magnetväli

Enamiku püsimagnetite paigutuste puhul on nii põhja- kui ka lõunapooluse magnetväli võrdne.

Oletame näiteks, et teil on lihtne kahe magnetiga konfiguratsioon, mille korralik "põhja tõmbab lõuna" joondus:

Magnetvälja jooned voolavad iga magneti põhjapoolusest võrdselt välja ja lõunapoolusesse.

Kui te lisaksite nende magnetite kummalegi küljele rauaplaadi, oleks mõlemal plaadil sama tugev tõmbejõud, mis tõmbaks neid magnetite poole.

Kuid Halbachi massiivi puhul juhtub midagi tähelepanuväärset.

Magnetite pöörlemine suunab välja "töötava poole" suunas, tühistades samal ajal välja "mittetöötava poole":

Nii et kui te viiksite rauaplaadi mitte töötavale küljele, siis vaevalt, et see üldse mingit atraktiivset tõmmet tunneks!

Kuid tööalal on see valdkond oluliselt intensiivistunud. See võimaldab avaldada tavapäraste magnetite paigutusega võrreldes mitu korda tugevamat jõudu.

See ühepoolne väli muudab Halbachi massiivid ideaalseks selliste rakenduste jaoks nagu magnetlaagrid ja Maglev-raudtee, kus on vaja jõudu ainult ühes suunas.

Samuti suurendab see oluliselt harjadeta mootorite pöördemomenti võrreldes tavalise magnetrootoriga. Kuna saab koondada peaaegu kogu välja mootori mähistega suhtlemiseks.

Kuid selle intensiivse ühepoolse vooluga kaasneb veel üks tore eelis...

Kasu #2: ülikerge konstruktsioon

Vaadake tavalist püsimagnetmootorit:

Teie rootorimagnetid toodavad välja üle õhuvahe. Kuid voolu tagasi juhtimiseks on teil vaja ka ferromagnetilist terasplaati (mida nimetatakse "tagarauaks").

Ilma selle tagumise rauata lekiks suurem osa magnetite väljast otse õhulõhede, selle asemel et seda ületada. Ja te saaksite vähe kasulikku pöördemomenti.

Kuid Halbachi massiivi rootoriga saate tagumise raua täielikult ära jätta.

Kuna peaaegu 100% rootori väljast läbib tänu massiivi pööretele juba õhulõhe staatori suunas. Terasvoo juhtimist ei ole vaja.

Selle üleliigse terasmassi eemaldamisega saate luua ülikerge PM-mootori või -generaatori.

Vaadake vaid seda Toronto Ülikooli teadlaste muljetavaldavat prototüüpi:

See 3 kW mootor kasutab Halbachi massiivi rootorit ja sellel puudub igasugune tagaraua. Ometi annab see oma suuruse kohta suure pöördemomendi, mille kogumass on vaid 1,3 kg!

Selline võimsuse ja kaalu suhe on täiesti uskumatu. Ja see on täielikult tänu Halbachi massiivile, mis kõrvaldab vajaduse juhtterase järele.

See rootori kaalukaotus annab ka mõningaid väiksemaid eeliseid:

• Madalam inertsus - kergemad rootorid saavutavad kiiruse uskumatult kiiresti
• Vähendatud laagrikoormused - kergemad rootorid avaldavad vähem jõudu mootori laagritele

See võimaldab kergetel Halbachi masinatel, nagu see siin, saavutada kõrgeid pöörlemissagedusi, mis ületavad kaugelt seda, millega tavalised mootorid suudavad toime tulla.

Kasu #3: Täiuslik põllu lokaliseerimine

Teine Halbachi massiivi eelis on selle täiuslik väljalokaliseerimine.

Nagu ma juba varem käsitlesin, on Halbachi massiivi magneti või mootori mittetöötava poole väli peaaegu null. Ja see läheb üle intensiivselt tugevaks väljaks vaid mõne millimeetri ulatuses töötava külje peal.

Selline kompaktne lokaliseerimine muudab Halbachi massiivid ideaalseks rakenduste jaoks, kus on vaja väga kontsentreeritud kõrge väljaga alasid.

Mõned head näited on:

Osakeste kiirendid

Halbachi massiivid töötati algselt välja osakeste kiirtele keskendamiseks kiirenditunnelites.

Halbachi "vingerdajate" pakutav kompaktne väljapind annab ideaalsed magnetilised löögid, et kiirendada prootonid või elektronid ümber kitsaste kurvide. Ja seda kõike, vältides samal ajal häireid hajaväljadest.

MRT-skannerid

Uurimisotstarbelised magnetresonantstomograafid kasutavad sageli Halbachi silindreid oma kuvamismähiste sees.

See tagab maksimaalse magnetvälja kokkupuute patsiendilõhega, vältides samal ajal juhuslikest välisväljadest tulenevaid häireid. Ja erinevalt tavalistest elektromagnetitest ei vaja Halbachi püsikonstruktsioon kunagi energiat ega jahutust.

Maglev Rongid

Mitmed ettevõtted arendavad Halbachi massiivil põhinevaid Maglev-rongid kiirete isiklike transiidirakenduste jaoks.

Halbachi välja konstruktsioon võimaldab kompaktset juhtsiini, mis lokaliseerib magnetilise tõmbevõime vaid mõne sentimeetri kaugusele rööbastee pinnast. See võimaldab Maglev-rongidel kiirelt oma marsruudil hõljuda. Samal ajal välditakse magnetilisi häireid marsruudil asuva infrastruktuuriga.

Nagu näete, on Halbachi massiivid ideaalne lahendus, kui teie rakendus nõuab väga fokuseeritud magnetvälju.

Intensiivsus ja suunaline kontsentratsioon ei ole võrreldav tavaliste magnetite paigutustega.

Kasu #4: suurem tõhusus ja eluiga

Keskendades magnetvoo ühte piirkonda, tekitavad Halbachi massiivid teatud väljatugevuse, kasutades osa magnetmaterjalist.

See muudab need magnetiliselt palju tõhusamaks kui tavalised mitmepooluselised rootorkonstruktsioonid.

Teadlased mõõtsid kuni 96% võrra suurema välja Halbachi massiivi puhul võrreldes tavapärase konstruktsiooniga, mis kasutas täpselt sama magnetimahtu ja -materjali.

Sellisel vähendatud magnetikasutusel on mõned toredad kõrvalmõjud:

Madalamad kulud - Kasutage sama jõudluse saavutamiseks vähem magnetmaterjali

Suurenenud eluiga - Väiksem pinge igale magnetisegmendile tähendab väiksemat demagnetiseerumist aja jooksul.

Seega lisaks jõudluse kasvule kestavad Halbachi masinad sageli kauem kui tavalised magnetrootorid ja laagrisüsteemid. See suurendab veelgi nende eluea väärtust.

Kasu #5: Siinusjoonelised pinged ja vähendatud pöördemoment

Mootori rootorites olevad Halbachi massiivid loovad pöörlemisel staatoris täiesti ühtlase sinusoidse pingemustri.

See annab optimaalsed tingimused suure tõhususega muutuva kiirusega tööks. Mitte-sinusoidsete süsteemidega seotud kõrgema sagedusega kadude vältimine.

Ja kuna magnetväli on väga ühtlane pooluselt-poolusele, ei esine Halbachi mootorites praktiliselt mingit pidurdus- või "hammasratta" pöördemomenti.

Võimaldades sujuvat ja tõhusat tööd kogu nende kiirusvahemiku ulatuses.

Millal peaksite kasutama Halbachi massiive?

Halbachi massiivi unikaalsed eelised muudavad selle ideaalseks selliste rakenduste jaoks nagu:

• Ülikerged elektrimootorid
• Kompaktsed magnetresonantstomograafi mähised
• Tõhus maglev-rongi liikumapanek
• Järgmise põlvkonna osakeste kiirendid
• Täppismagnetlaagrid

Põhimõtteliselt iga rakendus, kus on vaja:

• Tugevad magnetväljad
• Täiuslik välijuhtimine ja lokaliseerimine
• Suur võimsuse ja kaalu suhe

Teised juhtumid, kus Halbachi massiivid pakuvad suurt kasu, on füüsika- ja elektrotehnika laboratooriumide modelleerimiskatsed.

Intensiivsus ja suunatäpsus aitavad simuleerida tingimusi, mida tavaliste magnetitega on võimatu saavutada.

Kõik see tähendab, et lihtsate rakenduste jaoks, nagu uste lahti hoidmine, on tavalised magnetribad tõenäoliselt ikkagi parimad. Halbachi massiividega kaasnevat lisatäpsust ja intensiivsust ei ole sellistel põhilistel kasutusjuhtudel vaja.

Kokkuvõttes

Ma loodan, et see juhend annab teile aimu, millist suurt kasu pakuvad Halbachi massiivmagnetisüsteemid paljudes tipptasemel valdkondades. Nende ainulaadsed omadused võimaldavad läbimurdeid kiire transpordi, tipptasemel teadusuuringute ja revolutsiooniliste tööstuslike rakenduste vallas.

Ja tänu suure tugevusega magnetmaterjalide paremale kättesaadavusele ja tootmistehnoloogiale näeme kindlasti, et Halbachi massiivid muutuvad eeloleval kümnendil kiiresti populaarsemaks kõigis tööstusharudes.