Halbach Arrays
Vad är Halbach arrays? Varför skulle du vilja använda en? I den här artikeln utforskar vi bara några av de intressanta sätten att skapa och använda dessa unika magnetkonfigurationer.
Vad är en Halbach Array?
en enda magnet visas till vänster, med nordpolen uppåt hela tiden. Fältstyrkan, som indikeras av färgskalan, är lika stark på toppen och botten av magneten. Däremot har Halbach-matrisen som visas till höger ett mycket starkt fält på toppen och ett ganska svagt fält på botten.
en Halbach-array är ett speciellt arrangemang av permanenta magneter som gör magnetfältet på ena sidan av arrayen starkare, samtidigt som fältet avbryts till nära noll på andra sidan. Detta skiljer sig mycket från magnetfältet runt en enda magnet. Med en enda magnet har du ett lika starkt magnetfält på vardera sidan av magneten, som visas till höger.
den enda magnet visas här som 5 kuber som Halbach array, men med alla nordpolen pekar uppåt. Magnetiskt är detta detsamma som en enda lång magnet.
effekten upptäcktes ursprungligen av John C. Mallinson 1973, och dessa ”ensidiga flux”-strukturer beskrevs ursprungligen av honom som en nyfikenhet (IEEE paper link). På 1980-talet uppfann fysikern Klaus Halbach självständigt Halbach-matrisen för att fokusera partikelstrålar, elektroner och lasrar.
varför skulle du vilja ha en? Var används de faktiskt?
Från Wikipedia: Även om ensidiga flödesfördelningar kan verka något abstrakta, har de ett överraskande antal applikationer som sträcker sig från kylmagnet till industriella applikationer som borstlös motor och magnetisk koppling. Klaus Halbach uppfann ursprungligen dem för att använda som wiggler magneter som används i partikelacceleratorer och frielektronlasrar.
Halbach-matriser är också en nyckelkomponent i Inductrack maglev-tågsystemet, där Halbach-matriserna stöter bort slingor av tråd som bildar spåret efter att tåget har accelererats till hastighet och lyfter tåget.
Bygg ett exempel-rak Halbach array
här visar vi konstruktionen av en rak Halbach-array med våra b888-2PA-N52 och b888-2PE-N52 magneter. Dessa magneter är” kuber ” med ett hål genom mitten för att låta en lång gängad stång hålla dem ihop. Detta gör dem mycket lättare att montera än en vanlig b888-magnet.
– 2PA-magneterna har hålet parallellt med magnetiseringsriktningen. Nord-och Sydpolen ligger på ansikten där det finns ett hål. – 2PE-magneterna har hålet vinkelrätt mot magnetiseringsriktningen. Nord-och Sydpolen ligger på motsatta ansikten som inte har något hål.
videon nedan visar hur man monterar en matris med 5 magneter.
som visas i videon nedan kan du tydligt se att den ena sidan av denna uppsättning magneter är mycket starkare än den andra.
hur ser magnetfältet ut?
till höger visar vi magnetfältet runt den nyskapade Halbach-arrayen med både en finita elementanalyssimulering (färgbilden) och med vår mv43-visningsfilm. Filmen visar en ljus linje där polariteten övergår mellan en riktning och en annan.
kolla in en vanlig kylmagnet!
det kanske vanligaste exemplet på en Halbach-array är den flexibla kylmagnet. Dessa tunna, flexibla magneter skrivs ofta ut för användning som kylmagneter eller på baksidan av bilar. De är mycket, mycket svagare än en neodymmagnet (endast 2-3% av styrkan), men är billiga och användbara i denna applikation.
medan K& J Magnetics inte säljer dessa typer av magneter, tyckte vi att en snabb titt är värt i en artikel om Halbach-arrayer! När allt kommer omkring är de förmodligen det vanligaste exemplet på en Halbach-array i våra dagliga liv. På bilden nedan visar vår mv43 gröna film de växlande magnetfälten.
en flexibel kylmagnet med mv43 visningsfilm som visar den randiga uppsättningen magnetisering
i videon nedan ger vi en snabb demonstration av hur denna flexibla magnet fastnar bra på ena sidan, men inte alls på den andra.
kanske ibland vill du inte ha en Halbach-array
vi är ofta frågade om Halbach magneter eftersom, ja, de är helt enkelt snyggt. Det är intressant hur magnetfälten interagerar, och vissa människor anser att de måste ha den starkaste konfigurationen som möjligt.
om du är mest intresserad av dragkraften hos en magnet, kanske en Halbach-array inte är den bästa lösningen. Om du vill ha mest dragkraft till en stålyta finns det starkare val. Kom ihåg att dessa arrays ursprungligen utformades för att göra ett riktigt starkt, växlande magnetfält på ena sidan för att styra en stråle av elektroner, för att inte hitta ett starkare sätt att hålla fast vid en stålyta!
när det gäller dragkraft och fältstyrka, låt oss jämföra:
- Halbach array av fem ”kuber” (med samma b888-2PA-N52 och b888-2PE-N52 magneter)
- Array av fem” kuber”, alla med norr upp (detta fungerar precis som en stor magnet)
- Array av fem ”kuber”, alternerande polaritet (första magneten har norr uppåt, andra magneten har söderläge upp, tredje magneten har norr uppåt, etc.)
- en Monteringsmagnet av samma storlek, med en enda magnet och en stålkopp / kanal runt den för att omdirigera magnetfältet från magnetens baksida (en MMR-A-Y8 är mest lik den matris vi har undersökt)
i diagrammet till höger visar vi resultaten av denna experimentella testning. Vi använde var och en av dessa fyra magnetinställningar på vår dragkraft, Case 1 testrigg, där vi mäter dragkraften hos magneten(erna) som sitter fast vid en stor, tjock, platt stålyta.
Halbach-matrisen drog (på den starka sidan) med cirka 72 lb kraft. Medan stark, en uppsättning av 5 magneter anordnade med alla sina nordpolen uppåt är något starkare, vid 77 lb.
genom att ställa in magnetiseringsriktningarna i ett alternerande (nord-syd-nord-syd) mönster fann vi ännu mer kraftmätning vid 88 lb.
om du håller fast vid en stålyta är ditt mål finns det ett ännu bättre alternativ: Monteringsmagneten. Monteringsmagneter använder en stålkanal eller kopp för att omdirigera magnetfältet från baksidan av en enda magnet, vilket ungefär fördubblar draghållfastheten du kan förvänta dig av magneten ensam. Vår MMR-A-Y8 magnet mätt 84 lb. Eftersom magneten är tunnare visar det sig vara den lägsta kostnadslösningen. Det ger liknande styrka med en mycket mindre magnet.
Halbach cylindrar och ringar
några möjliga scenarier av Halbach-arrayer i ringmagneter, som finns på Wikipedia Halbach-arraysidan
Halbach-arrayer kan också konfigureras i andra former. En ringmagnet med flerpolig magnetisering eller en ring som består av mindre bågsegment kan användas på detta sätt. Olika magnetkonfigurationer kommer att ge olika riktningar och styrkor hos magnetfältet i hålet, som visas i den här bilden från Wikipedia till höger.
K& J Magnetics erbjuder Bågsegmentmagneter i 4 möjliga riktningar:
http://www.kjmagnetics.com/magdir.asp#arcs
med våra lager eller anpassade magneter kan du konstruera en konfiguration som den som visas i k=1 eller k=4. Tyvärr, men vi erbjuder inte bågsegment med en magnetiseringsriktning som stöder konstruktionen som föreslås av k=2 eller k=3.
i alla fall kan magneter i dessa riktningar inte bara locka till varandra lätt. Faktum är att de kan stöta bort varandra med en stark kraft, vilket gör montering till en utmaning som kräver fixering, lim och en god dos tålamod och vård.
