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Halbach-Arrays

Was sind Halbach-Arrays? Warum möchten Sie eine verwenden? In diesem Artikel untersuchen wir nur einige der interessanten Möglichkeiten, diese einzigartigen Magnetkonfigurationen zu erstellen und zu verwenden.

Was ist ein Halbach-Array?

Ein einzelner Magnet ist links dargestellt, wobei der Nordpol durchgehend nach oben zeigt. Die Feldstärke, die durch die Farbskala angezeigt wird, ist auf der Ober- und Unterseite des Magneten gleich stark. Im Gegensatz dazu hat das rechts gezeigte Halbach-Array oben ein sehr starkes Feld und unten ein ziemlich schwaches Feld.

Ein Halbach-Array ist eine spezielle Anordnung von Permanentmagneten, die das Magnetfeld auf einer Seite des Arrays stärker macht, während das Feld auf der anderen Seite gegen Null geht. Dies unterscheidet sich stark vom Magnetfeld um einen einzelnen Magneten. Mit einem einzelnen Magneten haben Sie ein gleich starkes Magnetfeld auf beiden Seiten des Magneten, wie rechts gezeigt.

Der einzelne Magnet ist hier als 5 Würfel wie das Halbach-Array dargestellt, jedoch mit allen Nordpolen nach oben. Magnetisch ist dies dasselbe wie ein einzelner langer Magnet.

Der Effekt wurde ursprünglich 1973 von John C. Mallinson entdeckt, und diese „einseitigen Fluss“ -Strukturen wurden ursprünglich von ihm als Kuriosität beschrieben (IEEE Paper Link). In den 1980er Jahren erfand der Physiker Klaus Halbach selbstständig das Halbach-Array, um Teilchenstrahlen, Elektronen und Laser zu fokussieren.

Warum willst du eins? Wo werden sie tatsächlich verwendet?

Aus Wikipedia: Obwohl einseitige Flussverteilungen etwas abstrakt erscheinen mögen, haben sie eine überraschende Anzahl von Anwendungen, die vom Kühlschrankmagneten bis zu industriellen Anwendungen wie dem bürstenlosen Motor und der Magnetkupplung reichen. Klaus Halbach erfand sie ursprünglich als Wiggler-Magnete für Teilchenbeschleuniger und Freie-Elektronen-Laser.

Halbach-Arrays sind auch eine Schlüsselkomponente des Inductrack-Magnetschwebebahnsystems, bei dem die Halbach-Arrays Drahtschleifen abstoßen, die das Gleis bilden, nachdem der Zug auf Geschwindigkeit beschleunigt wurde, wodurch der Zug angehoben wird.

Erstellen Sie ein Beispiel – gerades Halbach-Array

Hier zeigen wir den Aufbau eines geraden Halbach-Arrays mit unseren Magneten B888-2PA-N52 und B888-2PE-N52. Diese Magnete sind ½ „Würfel mit einem Loch durch die Mitte, damit eine lange Gewindestange sie zusammenhält. Dies macht sie viel einfacher zu montieren als ein einfacher B888-Magnet.

Die -2PA- Magnete haben das Loch parallel zur Magnetisierungsrichtung. Der Nord- und Südpol befinden sich an Stellen, an denen sich ein Loch befindet. Die -2PE- Magnete haben das Loch senkrecht zur Magnetisierungsrichtung. Der Nord- und Südpol befinden sich auf gegenüberliegenden Flächen, die kein Loch haben.

Das Video unten zeigt, wie man ein Array von 5 Magneten zusammenbaut.

Wie im Video unten gezeigt, können Sie deutlich sehen, dass eine Seite dieser Magnetanordnung viel stärker ist als die andere.

Wie sieht das Magnetfeld aus?

Rechts zeigen wir das Magnetfeld um das neu hergestellte Halbach-Array sowohl mit einer Finite-Elemente-Analyse-Simulation (das Farbbild) als auch mit unserem MV43-Betrachtungsfilm. Der Film zeigt eine helle Linie, in der die Polarität zwischen einer Richtung und einer anderen übergeht.

Schauen Sie sich einen gängigen Kühlschrankmagneten an!

Das vielleicht am häufigsten gesehene Beispiel für ein Halbach-Array ist der flexible Kühlschrankmagnet. Diese dünnen, flexiblen Magnete werden oft als Kühlschrankmagnete oder auf der Rückseite von Autos aufgedruckt. Sie sind viel, viel schwächer als ein Neodym-Magnet (nur 2-3% der Stärke), sind aber in dieser Anwendung kostengünstig und nützlich.

Während K&J Magnetics diese Art von Magneten nicht verkauft, dachten wir, ein kurzer Blick lohnt sich in einem Artikel über Halbach Arrays! Schließlich sind sie wahrscheinlich das häufigste Beispiel für ein Halbach-Array in unserem täglichen Leben. Im Bild unten zeigt unser grüner Film MV43 die magnetischen Wechselfelder.

Ein flexibler Kühlschrankmagnet mit MV43-Betrachtungsfilm, der das gestreifte Magnetisierungsarray zeigt

Im folgenden Video zeigen wir kurz, wie dieser flexible Magnet auf der einen Seite gut haftet, auf der anderen jedoch überhaupt nicht.

Vielleicht möchten Sie manchmal kein Halbach-Array

Wir werden oft nach Halbach-Magneten gefragt, weil sie einfach nur ordentlich sind. Es ist interessant, wie die Magnetfelder interagieren, und einige Leute denken, dass sie die stärkste Konfiguration haben müssen.

Wenn Sie jedoch am meisten an der Zugkraft eines Magneten interessiert sind, ist ein Halbach-Array möglicherweise nicht die beste Lösung. Wenn Sie die meiste Zugkraft zu einer Stahloberfläche wünschen, gibt es stärkere Wahlen. Denken Sie daran, diese Arrays wurden ursprünglich entwickelt, um ein wirklich starkes, magnetisches Wechselfeld auf einer Seite zu erzeugen, um einen Elektronenstrahl zu lenken, und nicht, um einen stärkeren Weg zu finden, an einer Stahloberfläche zu haften!

In Bezug auf Zugkraft und Feldstärke vergleichen wir:

1. Halbach Array von fünf ½ „Würfeln (mit den gleichen B888-2PA-N52 und B888-2PE-N52 Magneten)
2. Array von fünf ½“Würfeln, alle mit Norden nach oben (dies wirkt wie ein großer Magnet)
3. Array von fünf ½“ Würfeln, wechselnde Polarität (erster Magnet hat Norden nach oben, zweiter Magnet hat Süden nach oben, dritter Magnet hat Norden nach oben, etc.)
4. Ein ähnlich großer Montagemagnet mit einem einzelnen Magneten und einem Stahlbecher / -kanal, um das Magnetfeld von der Rückseite des Magneten umzulenken (ein MMR-A-Y8 ist dem Array, das wir untersucht haben, am ähnlichsten)

In der Grafik rechts zeigen wir die Ergebnisse dieser experimentellen Tests. Wir haben jede dieser vier Magnetaufbauten auf unserem Prüfstand Pull Force, Case 1 verwendet, wo wir die Zugkraft des Magneten messen, der an einer großen, dicken, flachen Stahloberfläche haftet.

Das Halbach-Array zog (auf der starken Seite) mit etwa 72 Pfund Kraft. Obwohl stark, ist ein Satz von 5 Magneten, die mit allen Nordpolen nach oben angeordnet sind, mit 77 Pfund etwas stärker.

Durch die Anordnung der Magnetisierungsrichtungen in einem alternierenden (Nord-Süd-Nord-Süd) Muster fanden wir noch mehr Kraftmessungen bei 88 lb.

Wenn Sie an einer Stahloberfläche kleben möchten, gibt es eine noch bessere Option: den Montagemagneten. Montagemagnete verwenden einen Stahlkanal oder eine Stahlschale, um das Magnetfeld von der Rückseite eines einzelnen Magneten umzuleiten, was die Zugfestigkeit, die Sie vom Magneten allein erwarten können, ungefähr verdoppelt. Unser MMR-A-Y8 Magnet gemessen 84 Pfund. Da der Magnet dünner ist, erweist sich dies als die kostengünstigste Lösung. Es bietet eine ähnliche Stärke mit einem viel kleineren Magneten.

Halbach Zylinder und Ringe

Einige mögliche Szenarien von Halbach-Arrays in Ringmagneten finden Sie auf der Wikipedia-Halbach-Array-Seite

Halbach-Arrays können auch in anderen Formen konfiguriert werden. Auf diese Weise kann ein Ringmagnet mit mehrpoliger Magnetisierung oder ein Ring aus kleineren Bogensegmenten verwendet werden. Verschiedene Magnetkonfigurationen ergeben unterschiedliche Richtungen und Stärken des Magnetfelds innerhalb des Lochs, wie in diesem Bild von Wikipedia rechts gezeigt.

K&J Magnetics bietet Bogensegmentmagnete in 4 möglichen Richtungen an:

http://www.kjmagnetics.com/magdir.asp#arcs

Mit unseren lager- oder kundenspezifischen Magneten können Sie eine Konfiguration wie in k = 1 oder k = 4 konstruieren. Es tut uns leid, aber wir bieten keine Bogensegmente mit einer Magnetisierungsrichtung an, die die von k = 2 oder k = 3 vorgeschlagene Konstruktion unterstützen.

In jedem Fall ziehen sich Magnete in diesen Orientierungen möglicherweise nicht einfach an. Tatsächlich können sie sich mit einer starken Kraft abstoßen, was die Montage zu einer Herausforderung macht, die Befestigungen, Klebstoffe und eine gute Portion Geduld und Sorgfalt erfordert.