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Tableaux de Halbach

Que sont les tableaux de Halbach ? Pourquoi voudriez-vous en utiliser un? Dans cet article, nous explorons quelques-unes des façons intéressantes de créer et d’utiliser ces configurations d’aimants uniques.

Qu’est-ce qu’un tableau de Halbach ?

Un seul aimant est représenté à gauche, avec le pôle nord orienté vers le haut. L’intensité du champ, indiquée par l’échelle de couleurs, est également forte en haut et en bas de l’aimant. En revanche, le tableau de Halbach illustré à droite a un champ très fort en haut et un champ assez faible en bas.

Un réseau de Halbach est un arrangement spécial d’aimants permanents qui renforce le champ magnétique d’un côté du réseau, tout en annulant le champ à près de zéro de l’autre côté. Ceci est très différent du champ magnétique autour d’un seul aimant. Avec un seul aimant, vous avez un champ magnétique de force égale de chaque côté de l’aimant, comme indiqué à droite.

L’aimant unique est représenté ici sous forme de 5 cubes comme le réseau de Halbach, mais avec tous les pôles nord pointés vers le haut. Magnétiquement, c’est la même chose qu’un seul aimant long.

L’effet a été initialement découvert par John C. Mallinson en 1973, et ces structures de « flux unilatéral » ont d’abord été décrites par lui comme une curiosité (lien papier IEEE). Dans les années 1980, le physicien Klaus Halbach a inventé indépendamment le réseau Halbach pour focaliser les faisceaux de particules, les électrons et les lasers.

Pourquoi en voudriez-vous un? Où sont-ils réellement utilisés?

De Wikipédia: Bien que les distributions de flux unilatérales puissent sembler quelque peu abstraites, elles ont un nombre surprenant d’applications allant de l’aimant de réfrigérateur aux applications industrielles telles que le moteur sans balais et le couplage magnétique. Klaus Halbach les a inventés à l’origine pour les utiliser comme aimants de mouvement utilisés dans les accélérateurs de particules et les lasers à électrons libres.

Les réseaux de Halbach sont également un composant clé du système de train Inductrack maglev dans lequel les réseaux de Halbach repoussent les boucles de fil qui forment la voie après que le train a été accéléré à la vitesse, soulevant le train.

Construire un exemple – tableau de Halbach droit

Nous montrons ici la construction d’un réseau de Halbach droit à l’aide de nos aimants B888-2PA-N52 et B888-2PE-N52. Ces aimants sont des cubes de ½ « avec un trou au milieu pour permettre à une longue tige filetée de les maintenir ensemble. Cela les rend beaucoup plus faciles à assembler qu’un aimant B888 ordinaire.

Les aimants -2PA ont le trou parallèle à la direction d’aimantation. Les pôles nord et sud sont sur des faces où il y a un trou. Les aimants -2PE ont le trou perpendiculaire à la direction de l’aimantation. Les pôles nord et sud sont situés sur des faces opposées sans trou.

La vidéo ci-dessous montre comment assembler un réseau de 5 aimants.

Comme le montre la vidéo ci-dessous, vous pouvez clairement voir qu’un côté de ce réseau d’aimants est beaucoup plus fort que l’autre.

À quoi ressemble le champ magnétique?

À droite, nous montrons le champ magnétique autour du nouveau réseau de Halbach en utilisant à la fois une simulation d’analyse par éléments finis (l’image couleur) et en utilisant notre film de visualisation MV43. Le film montre une ligne de couleur claire où la polarité passe d’une direction à l’autre.

Découvrez un aimant de réfrigérateur commun!

L’exemple le plus souvent vu d’un réseau Halbach est peut-être l’aimant de réfrigérateur flexible. Ces aimants fins et flexibles sont souvent imprimés pour être utilisés comme aimants de réfrigérateur ou sur le dos des voitures. Ils sont beaucoup, beaucoup plus faibles qu’un aimant en néodyme (seulement 2-3% de la force), mais sont peu coûteux et utiles dans cette application.

Alors que K & J Magnetics ne vend pas ces types d’aimants, nous avons pensé qu’un coup d’œil en valait la peine dans un article sur les tableaux de Halbach! Après tout, ils sont probablement l’exemple le plus courant d’un tableau de Halbach dans notre vie quotidienne. Dans l’image ci-dessous, notre film vert MV43 montre les champs magnétiques alternatifs.

Un aimant de réfrigérateur flexible avec un film de visualisation MV43 montrant le réseau rayé d’aimantation

Dans la vidéo ci-dessous, nous donnons une démonstration rapide de la façon dont cet aimant flexible colle bien d’un côté, mais pas du tout de l’autre.

Peut-être que parfois vous ne voulez pas de tableau de Halbach

On nous pose souvent des questions sur les aimants Halbach parce que, eh bien, ils sont tout simplement soignés. Il est intéressant de voir comment les champs magnétiques interagissent, et certaines personnes pensent qu’elles doivent avoir la configuration la plus forte possible.

Si vous êtes le plus intéressé par la force de traction d’un aimant, cependant, un réseau de Halbach pourrait ne pas être la meilleure solution. Si vous voulez le plus de force de traction sur une surface en acier, il existe des choix plus forts. Rappelez-vous, ces réseaux ont été conçus à l’origine pour créer un champ magnétique alternatif très fort d’un côté pour diriger un faisceau d’électrons, pas pour trouver un moyen plus fort de coller à une surface en acier!

En termes de Force de traction et d’Intensité de champ, comparons:

1. Tableau de Halbach de cinq cubes ½ » (utilisant les mêmes aimants B888-2PA-N52 et B888-2PE-N52)
2. Tableau de cinq cubes ½ », tous avec le nord vers le haut (cela agit comme un gros aimant)
3. Tableau de cinq cubes ½ », polarité alternée (le premier aimant est orienté vers le nord, le deuxième aimant est orienté vers le sud, le troisième aimant est orienté vers le nord, etc.)
4. Un aimant de montage de taille similaire, avec un seul aimant et une coupelle / canal en acier autour de lui pour rediriger le champ magnétique de l’arrière de l’aimant (un MMR-A-Y8 est le plus similaire au réseau que nous avons examiné)

Dans le graphique de droite, nous montrons les résultats de ce test expérimental. Nous avons utilisé chacune de ces quatre configurations d’aimants sur notre banc d’essai de force de traction, Case 1, où nous mesurons la force de traction du ou des aimants collés sur une grande surface d’acier épaisse et plate.

Le réseau Halbach a tiré (du côté fort) avec environ 72 lb de force. Bien que fort, un ensemble de 5 aimants disposés avec tous leurs pôles nord orientés vers le haut est légèrement plus fort, à 77 lb.

En configurant les directions d’aimantation dans un motif alternatif (nord-sud-nord-sud), nous avons trouvé encore plus de force mesurant à 88 lb.

Si votre objectif est de coller à une surface en acier, il existe une option encore meilleure: l’aimant de montage. Les aimants de montage utilisent un canal ou une coupelle en acier pour rediriger le champ magnétique de l’arrière d’un seul aimant, ce qui double à peu près la force de traction que vous pourriez attendre de l’aimant seul. Notre aimant MMR-A-Y8 mesurait 84 lb. Parce que l’aimant est plus mince, cela s’avère être la solution la moins coûteuse. Il fournit une force similaire en utilisant un aimant beaucoup plus petit.

Cylindres et bagues Halbach

Certains scénarios possibles de tableaux de Halbach dans des aimants en anneau, trouvés sur la page Wikipedia Tableau de Halbach

Les tableaux de Halbach peuvent également être configurés sous d’autres formes. Un aimant annulaire à aimantation multipolaire ou un anneau composé de segments d’arc plus petits peuvent être utilisés de cette manière. Différentes configurations d’aimants donneront différentes directions et forces du champ magnétique dans le trou, comme le montre cette image de Wikipedia à droite.

K & J Magnetics offre des aimants à segments d’arc dans 4 directions possibles:

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

Avec nos aimants de stock ou personnalisés, vous pouvez construire une configuration comme celle indiquée dans k = 1 ou k = 4. Désolé, mais nous ne proposons pas de segments d’arc avec une direction d’aimantation qui soutiendra la construction suggérée par k = 2 ou k = 3.

Dans tous les cas, les aimants dans ces orientations pourraient ne pas s’attirer facilement les uns aux autres. En fait, ils peuvent se repousser les uns les autres avec une forte force, ce qui fait de l’assemblage un défi qui nécessite une fixation, des adhésifs et une bonne dose de patience et de soin.