Array Halbach
Che cosa sono gli array Halbach? Perché si vuole usare uno? In questo articolo, esploriamo solo alcuni dei modi interessanti per creare e utilizzare queste configurazioni magnetiche uniche.
Che cos’è un array Halbach?
Un singolo magnete è mostrato a sinistra, con il polo nord rivolto verso l’alto. L’intensità del campo, indicata dalla scala dei colori, è ugualmente forte sulla parte superiore e inferiore del magnete. Al contrario, l’array Halbach mostrato a destra ha un campo molto forte in alto e un campo abbastanza debole in basso.
Un array Halbach è una disposizione speciale di magneti permanenti che rende il campo magnetico su un lato dell’array più forte, mentre annulla il campo vicino allo zero sull’altro lato. Questo è molto diverso dal campo magnetico attorno a un singolo magnete. Con un singolo magnete, hai un campo magnetico di uguale forza su entrambi i lati del magnete, come mostrato a destra.
Il singolo magnete è mostrato qui come 5 cubi come l’array Halbach, ma con tutti i poli nord rivolti verso l’alto. Magneticamente, questo è lo stesso di un singolo magnete lungo.
L’effetto fu inizialmente scoperto da John C. Mallinson nel 1973, e queste strutture di “flusso unilaterale” furono inizialmente descritte da lui come una curiosità (IEEE paper link). Nel 1980, il fisico Klaus Halbach ha inventato in modo indipendente l’array Halbach per focalizzare fasci di particelle, elettroni e laser.
Perché si vuole uno? Dove vengono effettivamente utilizzati?
Da Wikipedia: Sebbene le distribuzioni di flusso unilaterali possano sembrare un po ‘ astratte, hanno un numero sorprendente di applicazioni che vanno dal magnete del frigorifero alle applicazioni industriali come il motore brushless e l’accoppiamento magnetico. Klaus Halbach li ha originariamente inventati per utilizzare come magneti wiggler utilizzati negli acceleratori di particelle e nei laser a elettroni liberi.
Gli array Halbach sono anche un componente chiave del sistema di treni Inductrack maglev in cui gli array Halbach respingono i loop di filo che formano il binario dopo che il treno è stato accelerato per accelerare, sollevando il treno.
Crea un esempio-array Halbach dritto
Qui mostriamo la costruzione di un array Halbach dritto utilizzando i nostri magneti B888-2PA-N52 e B888-2PE-N52. Questi magneti sono ½ ” cubi con un foro attraverso il centro per consentire una lunga asta filettata per tenerli insieme. Questo li rende molto più facili da montare rispetto a un semplice magnete B888.
I magneti-2PA hanno il foro parallelo alla direzione di magnetizzazione. I poli nord e sud sono su facce dove c’è un buco. I magneti-2PE hanno il foro perpendicolare alla direzione di magnetizzazione. I poli nord e sud si trovano su facce opposte che non hanno buchi.
Il video qui sotto mostra come assemblare una serie di 5 magneti.
Come mostrato nel video qui sotto, si può vedere chiaramente che un lato di questa serie di magneti è molto più forte rispetto agli altri.
Che aspetto ha il campo magnetico?
A destra, mostriamo il campo magnetico attorno al nuovo array Halbach utilizzando sia una simulazione di analisi agli elementi finiti (l’immagine a colori), sia utilizzando il nostro film di visualizzazione MV43. Il film mostra una linea di colore chiaro in cui la polarità transita tra una direzione e l’altra.
Scopri un magnete da frigorifero comune!
Forse l’esempio più comunemente visto di un array Halbach è il magnete da frigorifero flessibile. Questi magneti sottili e flessibili sono spesso stampati per l’uso come magneti da frigorifero o sul retro delle auto. Sono molto, molto più deboli di un magnete al neodimio (solo il 2-3% della forza), ma sono economici e utili in questa applicazione.
Mentre K & J Magnetics non vende questi tipi di magneti, abbiamo pensato che una rapida occhiata valga la pena in un articolo sugli array Halbach! Dopo tutto, sono probabilmente l’esempio più comune di un array Halbach nella nostra vita quotidiana. Nella foto qui sotto, il nostro MV43 pellicola verde mostra i campi magnetici alternati.
Un magnete da frigorifero flessibile con pellicola di visualizzazione MV43 che mostra la matrice a strisce di magnetizzazione
Nel video qui sotto, diamo una rapida dimostrazione di come questo magnete flessibile si attacca bene da un lato, ma non affatto dall’altro.
Forse a volte non vuoi un array Halbach
Spesso ci viene chiesto dei magneti Halbach perché, beh, sono semplicemente puliti. E ‘ interessante come i campi magnetici interagiscono, e alcune persone capire che hanno avuto modo di avere la configurazione più forte possibile.
Se sei più interessato alla forza di trazione di un magnete, tuttavia, un array Halbach potrebbe non essere la soluzione migliore. Se vuoi la maggior parte della forza di trazione su una superficie d’acciaio, ci sono scelte più forti. Ricorda, questi array sono stati originariamente ideati per creare un campo magnetico alternato molto forte su un lato per guidare un fascio di elettroni, non per trovare un modo più forte per aderire a una superficie d’acciaio!
In termini di Forza e di Intensità di Campo, proviamo a confrontare:
- array Halbach di cinque ½ “cubi (utilizzando la stessa B888-2PA-N52 e B888-2PE-N52 magneti)
- Array di cinque ½” cubi, tutti con il nord in alto (questo si comporta proprio come un grande magnete)
- Array di cinque ½ ” cubi, polarità alternata (primo magnete ha nord rivolto verso l’alto, secondo magnete è rivolto a sud, terzo magnete nord rivolto verso l’alto, etc.)
- Un magnete di montaggio di dimensioni simili, con un singolo magnete e una tazza/canale in acciaio attorno ad esso per reindirizzare il campo magnetico dal lato posteriore del magnete (un MMR-A-Y8 è più simile all’array che abbiamo esaminato)
Nel grafico a destra, mostriamo i risultati di questo test sperimentale. Abbiamo utilizzato ciascuna di queste quattro configurazioni magnetiche sul nostro banco di prova Caso 1, dove misuriamo la forza di trazione del magnete(s) attaccato ad una grande, spessa, superficie piatta in acciaio.
L’array Halbach tirato (sul lato forte) con circa 72 lb di forza. Mentre forte, una serie di 5 magneti disposti con tutti i loro poli nord rivolto verso l’alto è leggermente più forte, a 77 lb.
Impostando le direzioni di magnetizzazione in un modello alternato (nord-sud-nord-sud), abbiamo trovato ancora più forza che misura a 88 lb.
Se il tuo obiettivo è attaccare una superficie d’acciaio, c’è un’opzione ancora migliore: il magnete di montaggio. I magneti di montaggio utilizzano un canale o una tazza in acciaio per reindirizzare il campo magnetico dal retro di un singolo magnete, che raddoppia approssimativamente la forza di trazione che ci si potrebbe aspettare dal magnete da solo. Il nostro magnete MMR-A-Y8 ha misurato 84 libbre. Poiché il magnete è più sottile, questa risulta essere la soluzione più economica. Fornisce una forza simile usando un magnete molto più piccolo.
Cilindri e anelli Halbach
Alcuni possibili scenari di array Halbach in magneti ad anello, trovati sulla pagina Wikipedia Array Halbach
Gli array Halbach possono anche essere configurati in altre forme. In questo modo è possibile utilizzare un magnete ad anello con magnetizzazione multipolare o un anello composto da segmenti d’arco più piccoli. Diverse configurazioni magnetiche produrranno diverse direzioni e punti di forza del campo magnetico all’interno del foro, come mostrato in questa immagine da Wikipedia a destra.
K & J Magnetics offre magneti ad arco in 4 direzioni possibili:
http://www.kjmagnetics.com/magdir.asp#arcs
Con il nostro magazzino o magneti personalizzati, si potrebbe costruire una configurazione come quella mostrata in k = 1 o k = 4. Siamo spiacenti, ma non offriamo segmenti d’arco con una direzione di magnetizzazione che supporterà la costruzione suggerita da k = 2 o k = 3.
In ogni caso, i magneti in questi orientamenti potrebbero non semplicemente attrarsi l’un l’altro facilmente. Infatti, possono respingersi l’un l’altro con una forza forte, rendendo il montaggio una sfida che richiede fissaggio, adesivi e una buona dose di pazienza e cura.
