Halbach Arrays
Hvad er Halbach arrays? Hvorfor vil du bruge en? I denne artikel undersøger vi blot nogle få af de interessante måder at oprette og bruge disse unikke magnetkonfigurationer på.
Hvad er en Halbach Array?
en enkelt magnet vises til venstre, med Nordpolen vendt opad overalt. Feltstyrken, angivet med farveskalaen, er lige så stærk på toppen og bunden af magneten. I modsætning hertil har Halbach-arrayet vist til højre et meget stærkt felt øverst og et ret svagt felt i bunden.
et Halbach-array er et specielt arrangement af permanente magneter, der gør magnetfeltet på den ene side af arrayet stærkere, mens feltet annulleres til næsten nul på den anden side. Dette er meget forskelligt fra magnetfeltet omkring en enkelt magnet. Med en enkelt magnet har du et magnetfelt med samme styrke på hver side af magneten, som vist til højre.
den enkelte magnet vises her som 5 terninger som Halbach-arrayet, men med alle nordpolerne pegende opad. Magnetisk er dette det samme som en enkelt lang magnet.
effekten blev oprindeligt opdaget af John C. Mallinson i 1973, og disse “ensidige strømningsstrukturer” blev oprindeligt beskrevet af ham som en nysgerrighed (IEEE paper link). I 1980 ‘ erne opfandt fysikeren Klaus Halbach uafhængigt Halbach-arrayet for at fokusere partikelstråler, elektroner og lasere.
Hvorfor vil du have en? Hvor bruges de faktisk?
: Selvom ensidige strømfordelinger kan virke noget abstrakte, har de et overraskende antal applikationer, der spænder fra køleskabsmagneten til industrielle applikationer såsom børsteløs motor og magnetisk kobling. Klaus Halbach opfandt dem oprindeligt til brug som vingglermagneter, der blev brugt i partikelacceleratorer og frie elektronlasere.
Halbach-arrays er også en nøglekomponent i Induktrack maglev-togsystemet, hvor Halbach-arrays afviser sløjfer af tråd, der danner sporet, efter at toget er accelereret til hastighed og løfter toget.
Byg et eksempel-lige Halbach array
her viser vi konstruktionen af et lige Halbach-array ved hjælp af vores b888-2PA-N52 og B888-2PE-N52 magneter. Disse magneter er” kuber ” med et hul gennem midten for at tillade en lang gevindstang at holde dem sammen. Dette gør dem meget lettere at samle end en almindelig b888 magnet.
– 2PA – magneterne har hullet parallelt med magnetiseringsretningen. Nord-og sydpolen er på ansigter, hvor der er et hul. – 2PE-magneterne har hullet vinkelret på magnetiseringsretningen. Nord-og sydpolen er placeret på modsatte ansigter, der ikke har noget hul.
videoen nedenfor viser, hvordan man samler en række 5 Magneter.
som vist i videoen nedenfor kan du tydeligt se, at den ene side af denne række magneter er meget stærkere end den anden.
hvordan ser magnetfeltet ud?
til højre viser vi magnetfeltet omkring det nyoprettede Halbach-array ved hjælp af både en endelig elementanalysesimulering (farvebilledet) og ved hjælp af vores mv43-visningsfilm. Filmen viser en lys linje, hvor polariteten overgår mellem en retning og en anden.
Tjek en fælles køleskab magnet!
måske er det mest almindelige eksempel på et Halbach-array den fleksible Køleskabsmagnet. Disse tynde, fleksible magneter er ofte trykt på til brug som køleskabsmagneter eller på bagsiden af biler. De er meget, meget svagere end en neodymmagnet (kun 2-3% af styrken), men er billige og nyttige i denne applikation.
mens K&J Magnetics sælger ikke disse typer magneter, vi troede et hurtigt kig er umagen værd i en artikel om Halbach arrays! Når alt kommer til alt er de sandsynligvis det mest almindelige eksempel på et Halbach-array i vores daglige liv. På billedet nedenfor viser vores mv43 grønne film de skiftende magnetfelter.
en fleksibel Køleskabsmagnet med mv43-visningsfilm, der viser det stribede udvalg af magnetisering
i videoen nedenfor giver vi en hurtig demonstration af, hvordan denne Fleksible magnet klæber godt på den ene side, men slet ikke på den anden.
måske nogle gange vil du ikke have et Halbach-array
vi bliver ofte spurgt om Halbach magneter, fordi de bare er pæne. Det er interessant, hvordan magnetfelterne interagerer, og nogle mennesker regner med, at de skal have den stærkeste konfiguration, der er mulig.
hvis du er mest interesseret i trækkraften af en magnet, er et Halbach-array måske ikke den bedste løsning. Hvis du vil have mest trækkraft til en ståloverflade, er der stærkere valg. Husk, at disse arrays oprindeligt blev udtænkt for at skabe et virkelig stærkt, vekslende magnetfelt på den ene side for at styre en stråle af elektroner, ikke for at finde en stærkere måde at holde fast på en ståloverflade!
med hensyn til trækkraft og feltstyrke, lad os sammenligne:
- Halbach array af fem liter “terninger (ved hjælp af de samme b888-2PA-N52 og B888-2PE-N52 magneter)
- Array af fem kilo” terninger, alle med nord op (dette virker ligesom en stor magnet)
- Array af fem kilo” terninger, skiftevis polaritet (første magnet har NORD opad, anden magnet har syd opad, tredje magnet har NORD opad osv.)
- en Monteringsmagnet af samme størrelse med en enkelt magnet og en stålkop / kanal omkring den for at omdirigere magnetfeltet fra magnetens bagside (en MMR-a-Y8 ligner mest det array, vi har undersøgt)
i grafen til højre viser vi resultaterne af denne eksperimentelle test. Vi brugte hver af disse fire magnetopsætninger på vores Pull Force, Case 1 test rig, hvor vi måler trækkraften på magneten(E), der sidder fast på en stor, tyk, flad ståloverflade.
Halbach-arrayet trak (på den stærke side) med omkring 72 lb kraft. Mens stærk, et sæt af 5 Magneter arrangeret med alle deres nordpoler opad er lidt stærkere, på 77 lb.
ved at indstille magnetiseringsretningerne i et skiftevis (nord-syd-nord-syd) mønster fandt vi endnu mere kraftmåling ved 88 lb.
hvis det er dit mål at klæbe til en ståloverflade, er der en endnu bedre mulighed: Monteringsmagneten. Monteringsmagneter bruger en stålkanal eller kop til at omdirigere magnetfeltet fra bagsiden af en enkelt magnet, hvilket omtrent fordobler den trækstyrke, du kan forvente af magneten alene. Vores MMR-a-Y8 magnet målt 84 lb. Fordi magneten er tyndere, viser det sig at være den laveste omkostningsløsning. Det giver lignende styrke ved hjælp af en meget mindre magnet.
Halbach cylindre og ringe
nogle mulige scenarier af Halbach arrays i ringmagneter, der findes på Halbach array-siden
Halbach arrays kan også konfigureres i andre former. En ringmagnet med flerpolet magnetisering eller en ring, der består af mindre buesegmenter, kan bruges på denne måde. Forskellige magnetkonfigurationer giver forskellige retninger og styrker af magnetfeltet i hullet, som vist på dette billede.
K & J Magnetics tilbyder buesegmentmagneter i 4 mulige retninger:
http://www.kjmagnetics.com/magdir.asp#arcs
med vores lager eller brugerdefinerede magneter kan du konstruere en konfiguration som den vist i k=1 eller k=4. Beklager, men vi tilbyder ikke buesegmenter med en magnetiseringsretning, der understøtter konstruktionen foreslået af k=2 eller k=3.
under alle omstændigheder kan magneter i disse retninger ikke blot tiltrække hinanden let. Faktisk kan de afvise hinanden med en stærk kraft, hvilket gør samling til en udfordring, der kræver fiksering, klæbemidler og en god dosis tålmodighed og pleje.
