Quais são os benefícios da matriz de Halbach?

A matriz de Halbach é um arranjo de ímanes permanentes que cria um forte campo magnético unilateral. Esta capacidade única torna as matrizes de Halbach ideais para aplicações como motores sem escovas, rolamentos magnéticos, comboios Maglev e aceleradores de partículas.

Neste post, como profissional Fabricante de matrizes de Halbachvou mostrar-vos o caminho a seguir principais vantagens da utilização de uma matriz de Halbach em relação a uma disposição convencional de ímanes. No final, compreenderá exatamente porque é que estas matrizes estão a tornar-se cada vez mais populares em todas as indústrias.

O que é uma matriz de Halbach?

Antes de mais, o que é exatamente uma matriz Halbach?

Simplificando, uma matriz Halbach é uma disposição especial de ímanes em que cada íman está orientado a 90 graus em relação ao íman seguinte na matriz. Eis o que isto parece visualmente:

Pode dispor os ímanes em linha, como acima, ou dobrá-los em círculo para criar um "cilindro de Halbach". Mas em todos os casos, o fator chave que torna uma matriz de Halbach única é a orientação magnética rotativa de cada íman.

Esta rotação é muito intencional - tem o efeito notável de orientar o campo magnético apenas para um lado do conjunto. E anula quase completamente o campo do outro lado.

Deixe-me explicar...

Quais são os benefícios da matriz de Halbach?

Vantagem #1: Um forte campo magnético unilateral

Com a maioria das disposições de ímanes permanentes, terá quantidades iguais de campo magnético a sair dos pólos norte e sul.

Por exemplo, digamos que tem uma configuração simples de dois ímanes com um alinhamento regular "norte atrai sul":

As linhas do campo magnético saem igualmente do pólo norte e entram no pólo sul de cada íman.

Se adicionarmos uma placa de ferro a cada um dos lados destes ímanes, ambas as placas sofrerão uma força atractiva forte idêntica que as puxará para os ímanes.

Mas com uma matriz Halbach, acontece algo notável.

As rotações dos ímanes orientam o campo para o "lado de trabalho", ao mesmo tempo que anulam o campo no "lado de não trabalho":

Assim, se aproximássemos uma placa de ferro do lado que não está a funcionar, ela quase não sentiria qualquer atração!

No entanto, do lado do trabalho, o campo é muito intensificado. Permitindo-lhe exercer uma força muitas vezes mais forte em comparação com uma disposição de ímanes convencional.

Este campo unilateral torna as matrizes Halbach perfeitas para aplicações como rolamentos magnéticos e carris de comboios Maglev, onde só é necessária força numa direção.

Também aumenta significativamente o binário nos motores sem escovas em comparação com um rotor magnético normal. Uma vez que se pode concentrar quase todo o campo para interagir com os enrolamentos do motor.

Mas este intenso fluxo unilateral tem outra vantagem agradável...

Vantagem #2: Construção super leve

Considere o seu motor de ímanes permanentes normal:

Os ímanes do rotor produzem um campo através de um espaço de ar. Mas para guiar o fluxo de volta, também precisa de uma placa de aço ferromagnético (chamada "ferro traseiro").

Sem este ferro de apoio, a maior parte do campo dos ímanes iria escapar diretamente para o espaço de ar em vez de o atravessar. E obter-se-ia pouco binário útil.

Mas com um rotor de matriz Halbach, é possível eliminar totalmente o ferro traseiro.

Uma vez que quase 100% do campo do rotor já atravessa o espaço de ar em direção ao estator graças às rotações do conjunto. Não há necessidade de um guia de fluxo de aço.

Ao remover este peso de aço redundante, é possível criar um motor ou gerador PM ultra-leve.

Basta olhar para este impressionante protótipo dos investigadores da Universidade de Toronto:

Este motor de 3 kW utiliza um rotor de matriz Halbach e não tem qualquer ferro traseiro. No entanto, produz um binário elevado para o seu tamanho, com uma massa total de apenas 1,3 kg!

Este tipo de relação peso/potência é absolutamente incrível. E isso deve-se inteiramente à matriz Halbach, que elimina a necessidade de aço de orientação.

Esta perda de peso do rotor também produz alguns benefícios mais subtis:

• Baixa inércia - os rotores mais leves ganham velocidade incrivelmente rápido
• Cargas de rolamento reduzidas - os rotores mais leves exercem menos força sobre os rolamentos do motor

Permitindo que máquinas Halbach leves como esta atinjam altas RPMs muito além do que os motores padrão poderiam suportar.

Vantagem #3: Localização perfeita do campo

Outra vantagem interessante das matrizes de Halbach é a sua perfeita localização de campo.

Tal como referi anteriormente, o campo no lado não funcional de um íman ou motor de matriz Halbach é quase nulo. E passa para um campo intensamente forte em apenas alguns milímetros na face de trabalho.

Esta localização compacta torna as matrizes Halbach perfeitas para aplicações em que são necessárias áreas muito concentradas de campo elevado.

Alguns bons exemplos são:

Aceleradores de partículas

As matrizes de Halbach foram originalmente desenvolvidas para focar feixes de partículas dentro de túneis de aceleradores.

A área de campo compacta fornecida pelos "wigglers" de Halbach proporciona os pontapés magnéticos ideais para acelerar protões ou electrões em curvas apertadas. Tudo isso enquanto evita a interferência de campos dispersos.

Scanners de ressonância magnética

Os scanners de RMN para investigação utilizam frequentemente cilindros Halbach nas suas bobinas de imagem.

Isto proporciona uma exposição máxima do campo magnético ao espaço do doente, evitando a interferência de campos externos aleatórios. E, ao contrário dos electroímanes normais, o design permanente Halbach nunca necessita de energia ou refrigeração.

Comboios Maglev

Várias empresas estão a desenvolver sistemas de matriz Halbach Comboios Maglev para aplicações de trânsito pessoal de alta velocidade.

O design do campo de Halbach permite uma guia compacta que localiza a atração magnética a apenas alguns centímetros acima da superfície da via. Isto permite que os comboios Maglev flutuem rapidamente sobre a sua rota. Ao mesmo tempo que evita problemas de interferência magnética com as infra-estruturas ao longo do percurso.

Como pode ver, quando a sua aplicação exige campos magnéticos altamente focados, as matrizes Halbach são a solução perfeita.

A intensidade e a concentração direcional não podem ser igualadas por disposições de ímanes normais.

Benefício #4: Maior eficiência e tempo de vida

Ao concentrar o fluxo magnético numa única área, as matrizes de Halbach geram uma determinada intensidade de campo utilizando uma fração do material magnético.

O que os torna muito mais eficientes do ponto de vista magnético em comparação com os modelos normais de rotores multipolares.

Os investigadores mediram um campo até 96% maior de uma matriz Halbach em comparação com um desenho convencional utilizando exatamente o mesmo volume e material magnético.

Esta utilização reduzida de ímanes tem alguns efeitos secundários interessantes:

Custo mais baixo - Utiliza menos material magnético total para o mesmo desempenho

Aumento do tempo de vida - Menos tensão em cada segmento do íman significa menor desmagnetização ao longo do tempo

Assim, para além dos ganhos de desempenho, as máquinas Halbach duram muitas vezes mais do que os rotores magnéticos e sistemas de rolamentos convencionais. O que aumenta ainda mais sua proposta de valor de vida útil.

Vantagem #5: Tensões sinusoidais e binário de atolamento reduzido

As matrizes de Halbach nos rotores dos motores criam padrões de tensão sinusoidais perfeitamente suaves no estator à medida que giram.

Isto proporciona condições óptimas para um funcionamento de velocidade variável de elevada eficiência. Evitando perdas de alta frequência associadas a sistemas não sinusoidais.

E uma vez que o campo magnético é altamente uniforme de pólo a pólo, os motores Halbach não registam praticamente nenhum binário de desvio ou de "engrenagem".

Permitindo um funcionamento suave e eficiente em toda a sua gama de velocidades.

Quando é que se deve utilizar matrizes de Halbach?

As vantagens únicas das matrizes Halbach tornam-nas perfeitas para aplicações como:

• Motores eléctricos ultra-leves
• Bobinas compactas para scanners de ressonância magnética
• Propulsão eficiente do comboio Maglev
• Aceleradores de partículas de última geração
• Rolamentos magnéticos de precisão

Essencialmente qualquer aplicação em que seja necessário:

• Campos magnéticos fortes
• Controlo e localização perfeitos do campo
• Elevada relação potência/peso

Outros casos em que as matrizes Halbach proporcionam grandes benefícios são as experiências de modelação em laboratórios de física e engenharia eléctrica.

A intensidade e a precisão direcional ajudam a simular condições impossíveis de alcançar com ímanes normais.

Dito isto, para aplicações simples, como manter as portas abertas, as tiras magnéticas padrão ainda são provavelmente as melhores. A precisão e intensidade extra das matrizes Halbach não são necessárias nestes casos de utilização básica.

Em conclusão

Espero que este guia lhe dê uma ideia dos enormes benefícios que os sistemas magnéticos de matriz Halbach proporcionam em tantos domínios de ponta. As suas propriedades únicas estão a permitir avanços no transporte de alta velocidade, investigação científica de ponta e aplicações industriais revolucionárias.

E graças à melhoria da disponibilidade e das técnicas de fabrico de materiais magnéticos de elevada resistência, é certo que na próxima década as matrizes de Halbach vão aumentar rapidamente a sua popularidade em todas as indústrias.