Wat zijn de voordelen van de Halbach Array?

De Halbach array is een opstelling van permanente magneten die een sterk eenzijdig magnetisch veld creëert. Deze unieke eigenschap maakt Halbach arrays ideaal voor toepassingen zoals borstelloze motoren, magnetische lagers, Maglev treinen en deeltjesversnellers.

In deze post, als professioneel Fabrikant array HalbachIk loop met je door de Belangrijkste voordelen van het gebruik van een Halbach array ten opzichte van een conventionele magneetopstelling. Aan het eind zul je precies begrijpen waarom deze arrays steeds populairder worden in verschillende industrieën.

Wat is een Halbach Array?

Om te beginnen, wat is een Halbach array precies?

Eenvoudig gezegd is een Halbach-array een speciale lay-out van magneten waarbij elke magneet een hoek van 90 graden maakt ten opzichte van de volgende magneet in de array. Dit is hoe het er visueel uitziet:

Je kunt de magneten in een lijn plaatsen zoals hierboven, of ze in een cirkel buigen om een "Halbach cilinder" te maken. Maar in alle gevallen is het belangrijkste dat een Halbach array uniek maakt de roterende magnetische oriëntatie van elke magneet.

Deze rotatie is zeer opzettelijk - het heeft het opmerkelijke effect dat het magnetische veld naar slechts één kant van de array wordt geleid. En het veld van de andere kant bijna volledig opheft.

Laat het me uitleggen...

Wat zijn de voordelen van de Halbach Array?

Voordeel #1: Een sterk eenzijdig magnetisch veld

Bij de meeste permanente magneetopstellingen komt er evenveel magnetisch veld van zowel de noord- als de zuidpool.

Stel bijvoorbeeld dat je een eenvoudige configuratie met twee magneten hebt met een regelmatige "noord trekt zuid aan"-uitlijning:

De magnetische veldlijnen lopen bij elke magneet gelijkmatig van de noordpool naar de zuidpool.

Als je aan weerszijden van deze magneten een ijzeren plaat zou toevoegen, zouden beide platen een identieke sterke aantrekkingskracht ondervinden die ze naar de magneten toe trekt.

Maar met een Halbach array gebeurt er iets opmerkelijks.

Door de rotaties van de magneten wordt het veld naar de "werkende kant" geleid, terwijl het veld aan de "niet-werkende kant" wordt opgeheven:

Dus als je een ijzeren plaat naar de niet-werkende kant zou brengen, zou er nauwelijks enige aantrekkingskracht van uitgaan!

Maar aan de werkende kant wordt het veld enorm versterkt. Hierdoor kan het een kracht uitoefenen die vele malen sterker is in vergelijking met een conventionele magneetopstelling.

Dit eenzijdige veld maakt Halbach arrays perfect voor toepassingen zoals magnetische lagers en Maglev treinbanen waar je maar in één richting kracht nodig hebt.

Het verhoogt ook aanzienlijk het koppel in borstelloze motoren in vergelijking met een gewone magneetrotor. Omdat je bijna al het veld kunt concentreren op interactie met de motorwikkelingen.

Maar die intense eenzijdige flux heeft nog een leuk voordeel...

Voordeel #2: Superlichte constructie

Neem je standaard permanente magneetmotor:

Je rotormagneten produceren een veld over een luchtspleet. Maar om de flux terug te geleiden, heb je ook een ferromagnetische stalen plaat nodig (het zogenaamde "rugijzer").

Zonder dit rugijzer zou het grootste deel van het veld van de magneten recht naar buiten lekken in de luchtspleet in plaats van deze te doorkruisen. En zou je weinig bruikbaar koppel krijgen.

Maar met een Halbach arrayrotor kun je het achterijzer helemaal weglaten.

Aangezien bijna 100% van het veld van de rotor al door de luchtspleet naar de stator loopt dankzij de rotaties van de array. Er is geen stalen fluxgeleiding nodig.

Door dit overbodige stalen gewicht te verwijderen, kun je een ultralichte PM motor of generator maken.

Kijk maar eens naar dit indrukwekkende prototype van onderzoekers van de Universiteit van Toronto:

Deze motor van 3 kW maakt gebruik van een Halbach array rotor en heeft geen enkel back iron. Toch levert hij een hoog koppel voor zijn grootte, met een totale massa van slechts 1,3 kg!

Een dergelijke vermogen-gewichtsverhouding is absoluut ongelooflijk. En dat is volledig te danken aan de Halbach array, waardoor er geen geleidingsstaal nodig is.

Dit gewichtsverlies van de rotor levert ook enkele subtielere voordelen op:

• Lagere traagheid - lichtere rotors komen ongelooflijk snel op snelheid
• Lagere lagerbelastingen - lichtere rotors oefenen minder kracht uit op de motorlagers

Hierdoor kunnen lichte Halbach machines zoals deze hoge toerentallen bereiken die veel hoger liggen dan wat standaard motoren aankunnen.

Voordeel #3: Perfecte veldlokalisatie

Een ander mooi voordeel van Halbach arrays is hun perfecte veldlokalisatie.

Zoals ik al eerder heb uitgelegd, is het veld aan de niet-werkende kant van een Halbach array magneet of motor bijna nul. En het gaat over in een intens sterk veld van slechts een paar millimeter aan de werkende zijde.

Deze compacte lokalisatie maakt Halbach arrays perfect voor toepassingen waarbij je zeer geconcentreerde gebieden met een hoog veld nodig hebt.

Enkele goede voorbeelden zijn:

Deeltjesversnellers

Halbach-arrays werden oorspronkelijk ontwikkeld om deeltjesbundels te focussen in tunnels van versnellers.

Het compacte veldoppervlak van Halbach "wigglers" biedt ideale magnetische trappen om protonen of elektronen te versnellen in krappe bochten. Dit alles terwijl storing door strooivelden wordt vermeden.

MRI-scanners

MRI-scanners voor onderzoek gebruiken vaak Halbach-cilinders in hun beeldvormingsspoelen.

Dit zorgt voor maximale blootstelling van het magnetische veld aan de patiëntspleet, terwijl interferentie van willekeurige externe velden wordt vermeden. En in tegenstelling tot standaard elektromagneten heeft het permanente Halbach-ontwerp nooit stroom of koeling nodig.

Magneettreinen

Verschillende bedrijven ontwikkelen op Halbach-arrays gebaseerde Magneettreinen voor snelle persoonlijke transporttoepassingen.

Het Halbach-veldontwerp maakt een compacte geleider mogelijk die magnetische aantrekkingskracht lokaliseert tot slechts enkele centimeters boven het spooroppervlak. Hierdoor kunnen Maglev treinen snel over hun route zweven. Tegelijkertijd worden magnetische interferentieproblemen met de infrastructuur langs de route vermeden.

Zoals u kunt zien, zijn Halbach arrays de perfecte oplossing als uw toepassing zeer gerichte magnetische velden vereist.

De intensiteit en richtingsconcentratie kunnen niet worden geëvenaard door standaard magneetopstellingen.

Voordeel #4: Verhoogde efficiëntie en levensduur

Door de magnetische flux in één gebied te concentreren, genereren Halbach-arrays een bepaalde veldsterkte met behulp van een fractie van het magneetmateriaal.

Hierdoor zijn ze magnetisch veel efficiënter in vergelijking met standaard meerpolige rotorontwerpen.

Onderzoekers maten tot 96% meer veld van een Halbach array vergeleken met een conventioneel ontwerp met exact hetzelfde magneetvolume en materiaal.

Dit verminderde magneetgebruik heeft een aantal leuke neveneffecten:

Lagere kosten - Gebruik minder magneetmateriaal voor dezelfde prestaties

Verhoogde levensduur - Minder belasting op elk magneetsegment betekent lagere demagnetisatie na verloop van tijd

Naast betere prestaties gaan Halbach machines dus vaak langer mee dan conventionele magneetrotors en lagersystemen. Dit draagt verder bij aan hun levenslange waardepropositie.

Voordeel #5: sinusvormige spanningen en verminderd coggingkoppel

Halbach-arrays in motorrotors creëren perfect gladde sinusvormige spanningspatronen in de stator terwijl ze draaien.

Dit zorgt voor optimale omstandigheden voor een zeer efficiënte werking met variabele snelheid. Vermijden van hogere frequentieverliezen die geassocieerd worden met niet-sinusvormige systemen.

En omdat het magnetische veld van pool tot pool zeer uniform is, hebben Halbach motoren vrijwel geen last van vastlopers of "cogging" koppels.

Ze zorgen voor een soepele en efficiënte werking over het hele snelheidsbereik.

Wanneer moet je Halbach-arrays gebruiken?

De unieke voordelen van Halbach arrays maken ze perfect voor toepassingen zoals:

• Ultralichte elektromotoren
• Compacte spoelen voor MRI-scanners
• Efficiënte Maglev treinaandrijving
• Deeltjesversnellers van de volgende generatie
• Magnetische precisielagers

Eigenlijk elke toepassing waarbij je:

• Sterke magnetische velden
• Perfecte veldbesturing en lokalisatie
• Hoge vermogen-gewichtsverhouding

Andere gevallen waarin Halbach arrays grote voordelen bieden, zijn modelexperimenten in natuurkunde- en elektrotechnische laboratoria.

De intensiteit en richtingsprecisie helpen om omstandigheden te simuleren die onmogelijk te bereiken zijn met standaardmagneten.

Dat gezegd hebbende, voor eenvoudige toepassingen zoals het openhouden van deuren zijn standaard magneetstrips waarschijnlijk nog steeds het beste. De extra precisie en intensiteit van Halbach-arrays zijn niet nodig in deze basistoepassingen.

Conclusie

Ik hoop dat deze gids u een idee geeft van de enorme voordelen die Halbach array magneetsystemen bieden op zo veel toonaangevende gebieden. Hun unieke eigenschappen maken doorbraken mogelijk in hogesnelheidstransport, baanbrekend wetenschappelijk onderzoek en revolutionaire industriële toepassingen.

En dankzij de verbeterde beschikbaarheid en fabricagetechnieken van magneetmaterialen met hoge sterkte zullen Halbach arrays in het komende decennium snel aan populariteit winnen in verschillende industrieën.