哈尔巴赫阵列磁铁

探索哈尔巴赫阵列技术,该技术可增强一侧的磁场强度,同时抵消另一侧的磁场强度,从而有效地用于电机、悬浮和数据存储系统。这种创新的磁铁配置可提高效率并实现集中磁场控制,为先进的磁性应用提供实用的解决方案。

哈尔巴赫阵列是一种著名的磁性组件,具有很强的磁性。我们公司在生产哈尔巴赫阵列方面拥有丰富的经验。

我们的哈尔巴赫阵列磁铁

组装后的平面哈尔巴赫阵列

什么是哈尔巴赫阵列?

哈尔巴赫阵列是一种高效排列磁铁的结构。它由多块高级磁铁组成,以交替的方式放置在一个平面上。每块磁铁的磁场都指向阵列的中间,在那里它们结合在一起,产生出令人难以置信的强大磁力。

在深入研究这种结构之前,我们先来看看一些常见永磁体的磁场线分布。

从这些图片中可以看出,磁铁的方向和排列直接影响磁场线的分布,从而决定了磁铁周围的磁场分布形式。

  • 左图显示的是一个磁铁组,所有磁铁都是北极。颜色表示磁铁顶部和底部的磁场强度较高。
  • 右图显示的是哈尔巴赫阵列,磁场在磁铁顶部较强,底部较弱。

在相同体积内,哈尔巴赫阵列磁体组的侧表面磁场强度约为传统单块磁体的 1.4 倍,尤其是当磁体厚度在 4-16 毫米之间时。

哈尔巴赫阵列最常见的例子是柔性冰箱磁铁。这些又薄又软的磁铁通常放置在冰箱或汽车上。虽然与钕铁硼相比,它们的磁性相对较弱(强度仅为 2%-3%),但其低廉的价格和实用性使其得到广泛应用。

哈尔巴赫阵列结构

哈尔巴赫有许多不同的结构,但无论形状如何,磁力都集中在一个表面上。

环形哈尔巴赫阵列/哈尔巴赫阵列环

哈尔巴赫阵列是一种环形结构,它将线性哈尔巴赫阵列首尾相接地组合在一起。

与传统永磁电机相比,在永磁电机中使用哈尔巴赫阵列结构时,可产生更正弦的气隙磁场。因此,在使用相同数量永磁材料的情况下,气隙磁场密度更大,铁损更低。

哈尔巴赫环阵列还常用于永磁轴承、制冷设备和磁共振设备。

线性哈尔巴赫阵列

直线型是哈尔巴赫阵列的最基本形式。这种磁体阵列可以看作是径向阵列和切向阵列的组合,如下图所示。

线性哈尔巴赫阵列主要用于线性电机。磁悬浮列车的悬浮原理基于运动磁体与导体中感应电流产生的磁场之间的相互作用,从而产生悬浮力和磁阻。

提高浮力-阻力比对于增强悬浮系统的性能至关重要。这就需要一个具有强大、均匀和可靠磁场的轻质车载磁铁。为此,在车体中央水平安装了一个哈尔巴赫阵列,通过轨道中央的绕组产生推动力。

磁铁越少,磁场越强,反之则越弱。这有助于防止乘客受到强磁场的影响。

弧形哈尔巴赫

以物理学家克劳斯-哈尔巴赫(Klaus Halbach)的名字命名的哈尔巴赫弧是一种磁性组件,它将永久磁铁排列在一起,使磁场集中在一侧,同时抵消另一侧的磁场。这种配置有利于磁性履带机器人,增强了它们在垂直或上下颠倒的金属表面上牢固抓取和移动的能力,而无需外部电源。这些机器人的一个主要特点是能够通过最大限度地利用磁力,在船体、储罐和大型机械等具有挑战性的环境中高效地执行检查和维护任务。

设计人员可根据具体应用,定制哈尔巴赫弧的形状和尺寸,从而优化磁性履带机器人的功能和灵活性。哈尔巴赫弧在提高机器人能效方面起到了关键作用,从而推动了机器人技术的发展。这使得机器人能够在偏远或危险的地方长时间工作。哈尔巴赫电弧在集中磁场方面的创新应用,增强了机器人进入对人类来说困难或危险区域工作的能力。这展示了这种磁性组件在机器人技术中的重大影响。

弧形哈尔巴赫模拟

特殊形状

这种结构非常独特,需要使用两种特殊等级的磁铁:N52 和 N48SH。它结合了 N52 和 N48SH,前者可实现最大磁化,后者则具有热稳定性。N52 级磁铁具有高磁场强度,可用于不受热的部分,而 N48SH 级磁铁可用于易受高温影响的部分,以防止磁性丧失。

这种配置可确保磁性结构高效运行,其中 N52 磁体可在安全的情况下提供紧凑的功率,而 N48SH 磁体则可抵御高温。因此,即使在多变的热环境中,磁性系统也能提供强大的性能,而没有退磁的风险。

特殊形状的哈尔巴赫木块

与传统永磁电机相比,永磁电机中的哈尔巴赫阵列结构能产生更正弦的气隙磁场。因此,在使用相同数量永磁材料的情况下,气隙磁场密度更大,铁损耗更低。哈尔巴赫环阵列还用于永磁轴承、制冷和磁共振设备。

halbach 阵列永磁电机

同质性

如果需要始终如一的均匀设置,环形哈尔巴赫阵列可能不是最合适的选择。科学家通常要求哈尔巴赫阵列的均匀度达到 300ppm,这在理论上是可行的,但由于磁偏角和磁组件能力的限制,在实践中很难实现。在这种情况下,建议考虑采用磁轭设计。这种设计通常能为 NMR(核磁共振)仪器创造均匀的磁场。

模拟

模拟与现实
模拟小型哈尔巴赫阵列时,结果与实际值之间的误差约为 +5% 至 -10%。然而,对于较大尺寸的阵列,误差可高达 -25 % 或 -30 %。

根据我们的经验,即使同时生产哈尔巴赫阵列,要确保相似的磁场也很困难。

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