Arrays Halbach
¿Qué son los arrays Halbach? ¿Por qué querrías usar uno? En este artículo, exploramos solo algunas de las formas interesantes de crear y usar estas configuraciones de imanes únicas.
¿Qué es una matriz Halbach?
Un solo imán se muestra a la izquierda, con el polo norte hacia arriba en todo. La intensidad del campo, indicada por la escala de colores, es igualmente fuerte en la parte superior e inferior del imán. En contraste, la matriz de Halbach que se muestra a la derecha tiene un campo muy fuerte en la parte superior, y un campo bastante débil en la parte inferior.
Una matriz Halbach es una disposición especial de imanes permanentes que hace que el campo magnético en un lado de la matriz sea más fuerte, mientras cancela el campo a casi cero en el otro lado. Esto es muy diferente del campo magnético alrededor de un solo imán. Con un solo imán, tiene un campo magnético de igual fuerza a cada lado del imán, como se muestra a la derecha.
El imán único se muestra aquí como 5 cubos como el conjunto Halbach, pero con todos los polos norte apuntando hacia arriba. Magnéticamente, esto es lo mismo que un solo imán largo.
El efecto fue descubierto inicialmente por John C. Mallinson en 1973, y estas estructuras de flujo unilateral fueron descritas inicialmente por él como una curiosidad (IEEE paper link). En la década de 1980, el físico Klaus Halbach inventó de forma independiente la matriz Halbach para enfocar haces de partículas, electrones y láseres.
¿Por qué querrías uno? ¿Dónde se usan realmente?
De Wikipedia: Aunque las distribuciones de flujo de un solo lado pueden parecer algo abstractas, tienen un sorprendente número de aplicaciones que van desde el imán de refrigerador hasta aplicaciones industriales como el motor sin escobillas y el acoplamiento magnético. Klaus Halbach los inventó originalmente para usarlos como imanes de movimiento utilizados en aceleradores de partículas y láseres de electrones libres.
Los arrays Halbach también son un componente clave del sistema de tren de levitación magnética Inductrack en el que los arrays Halbach repelen los bucles de alambre que forman la vía después de que el tren se haya acelerado para acelerar, levantando el tren.
Construir un ejemplo-matriz Halbach recta
Aquí mostramos la construcción de una matriz Halbach recta con nuestros imanes B888-2PA-N52 y B888-2PE-N52. Estos imanes son cubos de ½ » con un orificio en el medio para permitir que una varilla roscada larga los mantenga juntos. Esto hace que sean mucho más fáciles de montar que un imán B888 liso.
Los imanes-2PA-tienen el orificio paralelo a la dirección de magnetización. Los polos norte y sur están en caras donde hay un agujero. Los imanes – 2PE tienen el orificio perpendicular a la dirección de magnetización. Los polos norte y sur se encuentran en caras opuestas que no tienen agujero.
El siguiente vídeo muestra cómo montar un conjunto de 5 imanes.
Como se muestra en el video a continuación, puede ver claramente que un lado de esta serie de imanes es mucho más fuerte que el otro.
¿Cómo es el campo magnético?
A la derecha, mostramos el campo magnético alrededor de la nueva matriz Halbach utilizando una simulación de análisis de elementos finitos (la imagen en color) y utilizando nuestra película de visualización MV43. La película muestra una línea de color claro donde la polaridad transita entre una dirección y otra.
¡Echa un vistazo a un imán de refrigerador común!
Quizás el ejemplo más comúnmente visto de una matriz Halbach es el imán de refrigerador flexible. Estos imanes finos y flexibles a menudo se imprimen para usarlos como imanes de refrigerador o en la parte trasera de los automóviles. Son mucho, mucho más débiles que un imán de neodimio (solo 2-3% de la fuerza), pero son baratos y útiles en esta aplicación.
Mientras que K& J Magnetics no vende este tipo de imanes, pensamos que vale la pena echar un vistazo rápido en un artículo sobre arreglos Halbach. Después de todo, son probablemente el ejemplo más común de una matriz Halbach en nuestra vida diaria. En la imagen de abajo, nuestra película verde MV43 muestra los campos magnéticos alternos.
Un imán de refrigerador flexible con película de visualización MV43 que muestra la matriz de magnetización rayada
En el video a continuación, mostramos una demostración rápida de cómo este imán flexible se pega bien por un lado, pero no en absoluto por el otro.
Tal vez a veces no quieras una matriz de Halbach
A menudo nos preguntan sobre los imanes Halbach porque, bueno, son simplemente limpios. Es interesante cómo interactúan los campos magnéticos, y algunas personas piensan que tienen que tener la configuración más fuerte posible.
Si está más interesado en la fuerza de tracción de un imán, sin embargo, una matriz Halbach podría no ser la mejor solución. Si desea la mayor fuerza de tracción a una superficie de acero, hay opciones más fuertes. Recuerde, estas matrices fueron diseñadas originalmente para crear un campo magnético alterno realmente fuerte en un lado para dirigir un haz de electrones, ¡no para encontrar una forma más fuerte de pegarse a una superficie de acero!
En términos de Fuerza de Tracción y Fuerza de Campo, comparemos:
- Matriz Halbach de cinco cubos de ½ » (usando los mismos imanes B888-2PA-N52 y B888-2PE-N52)
- Matriz de cinco cubos de½», todos con norte hacia arriba (esto actúa como un imán grande)
- Matriz de cinco cubos de½», polaridad alterna (el primer imán tiene orientación norte hacia arriba, el segundo imán tiene orientación sur hacia arriba, el tercer imán tiene orientación norte hacia arriba, etc.)
- Un imán de montaje de tamaño similar, con un solo imán y una copa/canal de acero alrededor para redirigir el campo magnético desde la parte posterior del imán (un MMR-A-Y8 es más similar al conjunto que hemos estado examinando)
En el gráfico de la derecha, mostramos los resultados de esta prueba experimental. Utilizamos cada una de estas cuatro configuraciones de imanes en nuestro banco de pruebas de Fuerza de tracción, Case 1, donde medimos la fuerza de tracción del imán(s) pegado a una superficie de acero grande, gruesa y plana.
La matriz Halbach se tiró (en el lado fuerte) con aproximadamente 72 lb de fuerza. Si bien es fuerte, un conjunto de 5 imanes dispuestos con todos sus polos norte hacia arriba es ligeramente más fuerte, a 77 lb.
Al configurar las direcciones de magnetización en un patrón alterno (norte-sur-norte-sur), encontramos aún más fuerza de medición a 88 lb.
Si su objetivo es pegarse a una superficie de acero, hay una opción aún mejor: el Imán de montaje. Los imanes de montaje utilizan un canal o una copa de acero para redirigir el campo magnético desde la parte trasera de un solo imán, lo que duplica aproximadamente la fuerza de tracción que podría esperar del imán solo. Nuestro imán MMR-A-Y8 medía 84 lb. Debido a que el imán es más delgado, esta resulta ser la solución de menor costo. Proporciona una resistencia similar utilizando un imán mucho más pequeño.
Cilindros y anillos Halbach
Algunos escenarios posibles de matrices Halbach en anillos magnéticos, que se encuentran en la página de matrices Halbach de Wikipedia
Las matrices Halbach también se pueden configurar en otras formas. De esta manera se puede utilizar un anillo magnético con magnetización multipolar o un anillo compuesto de segmentos de arco más pequeños. Diferentes configuraciones de imanes producirán diferentes direcciones y fuerzas del campo magnético dentro del agujero, como se muestra en esta imagen de Wikipedia a la derecha.
K& J Magnetics ofrece imanes de segmento de arco en 4 direcciones posibles:
http://www.kjmagnetics.com/magdir.asp#arcs
Con nuestros imanes de serie o personalizados, puede construir una configuración como la que se muestra en k = 1 o k=4. Lo sentimos, pero no ofrecemos segmentos de arco con una dirección de magnetización que admita la construcción sugerida por k=2 o k=3.
En cualquier caso, es posible que los imanes en estas orientaciones no se atraigan fácilmente entre sí. De hecho, pueden repelerse entre sí con una fuerza fuerte, lo que hace que el montaje sea un desafío que requiere fijación, adhesivos y una buena dosis de paciencia y cuidado.
