哈尔巴赫阵列

哈尔巴赫阵列有哪些优势?

哈尔巴赫阵列是一种永磁体排列方式,可产生强大的单侧磁场。这种独特的性能使哈尔巴赫阵列成为无刷电机、磁轴承、磁悬浮列车和粒子加速器等应用的理想选择。

在这个岗位上,作为一名专业人员 哈尔巴赫阵列制造商我将带您了解 使用哈尔巴赫阵列的主要优点 与传统的磁铁布局相比,这些阵列具有更高的性能。到最后,你就会明白为什么这些阵列在各行各业越来越受欢迎了。

什么是哈尔巴赫阵列?

首先,什么是哈尔巴赫阵列?

简单地说,哈尔巴赫阵列是一种特殊的磁铁布局,每块磁铁的方向都与阵列中的下一块磁铁成 90 度。下面是其直观效果:

哈尔巴赫阵列图

您可以像上面一样将磁铁排列成一条线,也可以将它们弯成一个圆圈,形成一个 "哈尔巴赫圆柱体"。但无论如何,使哈尔巴赫阵列独一无二的关键在于 旋转磁场方向 每块磁铁的

这种旋转是非常有意的--它具有将磁场引导到阵列一侧的显著效果。几乎完全抵消了另一侧的磁场。

让我来解释一下...

哈尔巴赫阵列有哪些优势?

效益 #1:单面强磁场

在大多数永磁体布局中,南北两极会产生等量的磁场。

例如,假设您有一个简单的双磁铁配置,具有常规的 "北吸南 "排列:

标准磁铁排列

磁场线从每块磁铁的北极平均流出,再流入南极。

如果在这些磁铁的任何一侧添加一块铁板,两块铁板都会受到同样强大的吸引力,将它们拉向磁铁。

但是,有了哈尔巴赫阵列,非凡的事情就会发生。

磁铁的旋转将磁场引向 "工作侧",同时抵消 "非工作侧 "的磁场:

因此,如果把铁板放到不工作的一侧,它几乎不会受到任何吸引力!

然而,在工作方面,磁场却大大加强了。与传统的磁铁布局相比,它所产生的力要强大许多倍。

这种单面磁场使哈尔巴赫阵列成为磁轴承和磁悬浮列车轨道等应用的完美选择,因为在这些应用中只需要一个方向的力。

与普通磁铁转子相比,它还能大大提高无刷电机的扭矩。因为你可以集中几乎所有的磁场与电机绕组相互作用。

不过,这种强烈的单向流动性还有另一个好处

优点 #2:超轻结构

考虑一下标准永磁电机:

标准永磁电机

转子磁铁在气隙中产生磁场。但为了引导磁通返回,还需要一块铁磁性钢板(称为 "背铁")。

如果没有这块背铁,磁铁的大部分磁场将直接泄漏到气隙中,而不是穿过气隙。这样就不会产生什么有用的扭矩。

但如果使用哈尔巴赫阵列转子,就可以完全抛弃背铁。

由于阵列的旋转,几乎 100% 的转子磁场已经穿过气隙到达定子。因此不需要钢制磁通导向装置。

去掉多余的钢重,就能制造出超轻型永磁电机或发电机。

看看多伦多大学研究人员制作的这个令人印象深刻的原型就知道了:

这个 3 千瓦的电机采用哈尔巴赫阵列转子,没有任何背铁。就其体积而言,它能输出高扭矩,总重量仅为 1.3 千克!

这种功率重量比绝对令人难以置信。这完全归功于哈尔巴赫阵列,它消除了对导向钢的需求。

转子重量的减轻还带来了一些更微妙的好处:

  • 降低惯性 - 更轻的转子速度快得惊人
  • 降低轴承载荷 - 更轻的转子对电机轴承的作用力更小

像这样轻巧的哈尔巴赫机器可以达到很高的转速,远远超过标准电机所能承受的转速。

优点 #3:完美的场定位

哈尔巴赫阵列的另一个优点是其完美的场定位。

如前所述,哈尔巴赫阵列磁铁或电机非工作面的磁场几乎为零。而在工作面上,只需几毫米就能过渡到极强的磁场。

这种紧凑的定位方式使 Halbach 阵列非常适合需要非常集中的高场区域的应用。

一些很好的例子是

粒子加速器

哈尔巴赫阵列最初是为聚焦加速器隧道内的粒子束而开发的。

哈尔巴赫 "摇摆器 "提供的紧凑磁场区域为质子或电子在狭小的弯曲处加速提供了理想的磁动力。同时还能避免杂散磁场的干扰。

磁共振成像扫描仪

研究级磁共振成像扫描仪通常在成像线圈内使用哈尔巴赫圆柱体。

这样就能最大限度地将磁场暴露在患者间隙中,同时避免随机外部磁场的干扰。与标准电磁铁不同,永久性哈尔巴赫设计无需电源或冷却。

磁悬浮列车

多家公司正在开发基于哈尔巴赫阵列的 磁悬浮列车 用于高速个人交通应用。

哈尔巴赫磁场的设计使得导轨结构紧凑,磁场吸引范围仅在轨道表面上方几厘米处。这样,磁悬浮列车就能在轨道上快速行驶。同时避免了对沿线基础设施的磁场干扰问题。

正如您所看到的,当您的应用需要高度集中的磁场时,哈尔巴赫阵列是完美的解决方案。

其强度和方向集中度是标准磁铁布局无法比拟的。

效益 #4:提高效率和使用寿命

通过将磁通量集中到一个区域,哈尔巴赫阵列只需使用一小部分磁体材料就能产生一定的磁场强度。

与标准多极转子设计相比,它们的磁效率要高得多。

与采用相同磁体体积和材料的传统设计相比,研究人员测得的哈尔巴赫阵列磁场强度最高可达 96%。

磁铁用量的减少有一些很好的副作用:

降低成本 - 在性能相同的情况下,使用的磁铁材料总量更少

延长使用寿命 - 每块磁铁上的应力较小,这意味着随着时间的推移,退磁率较低

因此,与传统的磁铁转子和轴承系统相比,哈尔巴赫设备除性能提升外,使用寿命也更长。这进一步提升了哈尔巴赫设备的使用寿命价值。

优点 #5:正弦电压和减小齿槽转矩

电机转子中的哈尔巴赫阵列在旋转时在定子中产生完美平滑的正弦电压模式。

这为高效变速运行提供了最佳条件。避免与非正弦系统相关的高频损耗。

由于磁场在磁极与磁极之间高度均匀,因此哈尔巴赫电机几乎不会产生偏转或 "齿槽 "扭矩。

在整个转速范围内都能实现平稳高效的运行。

何时使用哈尔巴赫阵列?

哈尔巴赫阵列的独特优势使其成为以下应用的完美选择:

  • 超轻型电动马达
  • 紧凑型磁共振成像扫描仪线圈
  • 高效磁悬浮列车推进
  • 新一代粒子加速器
  • 精密磁性轴承

基本上可以满足任何应用需求:

  • 强磁场
  • 完美的现场控制和定位
  • 高功率重量比

哈尔巴赫阵列的其他主要优势还体现在物理和电气工程实验室的建模实验上。

其强度和方向精度有助于模拟标准磁铁无法实现的条件。

综上所述,对于开门等简单应用,标准磁条可能仍然是最佳选择。在这些基本应用中,并不需要哈尔巴赫阵列的额外精度和强度。

总之

我希望本指南能让您了解哈尔巴赫阵列磁体系统在众多尖端领域所带来的巨大优势。哈尔巴赫阵列磁铁系统的独特性能为高速运输、尖端科学研究和革命性工业应用带来了突破性进展。

由于高强度磁体材料的供应和制造技术不断改进,未来十年,哈尔巴赫阵列必将在各行各业迅速普及。

发表评论

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *

zh_TWChinese
滚动到顶部

立即发送咨询

联系表单演示