Объяснение массива Хальбаха: принцип работы, типы магнитов и советы по проектированию

Два одинаковых блока N42 могут вести себя как два совершенно разных магнита в зависимости от того, каким способом вы их склеите. Поверните один из них на 90 градусов, и поток, вытекший с его задней грани, исчезнет, ​​а поток с передней грани увеличится. Повторите это вращение вдоль ряда или вокруг кольца, и вы построите массив Хальбаха.

Массив Хальбаха представляет собой набор постоянных магнитов, в которых направление намагничивания каждого магнита повернуто на фиксированный угол, обычно на 90 градусов, относительно его соседа, поэтому поле концентрируется на одной стороне сборки и почти подавляется на другой. Выгода практическая: более полезный поток в воздушном зазоре от того же класса и объема магнита, более легкая и тонкая сборка, поскольку не требуется стальной обратный путь, и более гладкое поле, которое создает меньший крутящий момент, меньшую вибрацию и меньшие потери на гармоники.

Что такое массив Хальбаха? Рабочее определение

Массив Хальбаха представляет собой периодическую конфигурацию магнитов, в которой направление намагничивания постепенно вращается вдоль массива, а не указывает на одно и то же направление в каждой детали.

Идея названа в честь Клауса Хальбаха, который разработал ее в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли с 1970-х годов для ускорительных магнитов, таких как ондуляторы и вигглеры, где требуется сильное периодическое поле внутри лучевого зазора и почти ничего за его пределами. Это же требование теперь приводит в движение двигатели, генераторы, магнитные подшипники и магнитные муфты, а геометрия не изменилась.

Правило поворота на 90 градусов

В классической версии используются четыре магнита на период, каждый из которых повернут на 90 градусов относительно детали перед ним, поэтому направление намагничивания совершает один полный оборот за каждые четыре магнита. На забое векторы поля складываются; на обратной стороне они направлены друг на друга и отменяются.

Почему поле одностороннее

Отмена — это сложение векторов, а не удача. Каждый магнит выталкивает поток с обеих сторон, но поворот каждой части на 90 градусов распределяет эти компоненты по периоду массива, поэтому они выравниваются на одной стороне и противостоят другой. Именно поэтому профиль поля приближается к синусоидальной волне, а не к плоской вершине, как в обычной блочной решетке. Увеличение количества магнитов с четырех на период до восьми приближает форму сигнала к чистому синусу и снижает высшие гармоники за счет большего количества частей, которые необходимо разместить и точно сориентировать.

Почему матрица Хальбаха превосходит традиционную схему магнитов

Для того же класса и того же объема магнита матрица Хальбаха обеспечивает более высокую плотность потока в рабочем зазоре и гораздо меньшее поле рассеяния за сборкой.

• Концентрация флюса. Полезное поле помещается в зазор, а не разделяется между двумя гранями.
• Нет спинного утюга. Поскольку задняя поверхность почти самоуничтожается, стальное ярмо, которое обычно направляет поток, может быть удалено, что снижает массу и инерцию ротора.
• Более гладкое поле. Распределение, близкое к синусоидальному, снижает пульсации крутящего момента, заедание и акустический шум в конструкциях двигателей.
• Компромиссы. Больше деталей, более жесткие допуски по ориентации, более высокая стоимость единицы, большие усилия при сборке и реальный риск размагничивания по краям массива.

Линейные и круговые массивы Хальбаха

Геометрия обычно соответствует машине: прямой стержень для линейного движения, кольцо для вращающегося механизма.

Круглый массив собирается из дуговых сегментов, установленных вокруг ротора или статора так, что намагниченность вращается при движении по окружности. Сегменты дуги ведут себя иначе, чем блоки во время прессования, спекания, шлифования и нанесения покрытия, а их радиус, угол дуги и шаг по окружности должны соответствовать геометрии полюсов машины, а не стандартному размеру заготовки.

Постоянные магниты дуги для роторов двигателей и вращающихся систем Изогнутые постоянные магниты, соответствующие геометрии полюсов ротора или статора, обеспечивают более равномерный поток в воздушном зазоре и снижение пульсаций крутящего момента во вращающихся машинах. Посмотреть продукт →

Где используются массивы Хальбаха

Их выбирают там, где требуется сильное поле правильной формы на одной стороне сборки, в то время как паразитное поле, вес или содержание железа должны оставаться низкими.

Двигатели и генераторы

Наибольшую выгоду получают беспазовые и бессердечниковые бесщеточные двигатели, машины с осевым магнитным потоком и безжелезные линейные двигатели. Используя массив на роторе, конструктор может уменьшить обратный путь железа, уменьшить инерцию ротора и повысить крутящий момент на килограмм.

Спеченные магниты NdFeB для синхронных двигателей и генераторов Высокоэнергетические магниты для синхронных двигателей, поддерживающие компактные односторонние магнитные цепи в беспазовых, осевых, линейных генераторах и генераторах с прямым приводом. Посмотреть продукт →

Энергия ветра

Генераторы с постоянными магнитами с прямым приводом используют тот же односторонний принцип, чтобы сохранить компактность магнитной цепи и низкую массу гондолы. Спеченные магниты NdFeB в ветряных турбинах именно по этой причине указаны жесткие допуски на дугу.

Маглев, приборы и датчики

Линейная решетка, движущаяся под проводящей пластиной, бесконтактно вызывает подъемную силу, что является основой нескольких демонстраций на магнитной подвеске. Ондуляторы и вигглеры в синхротронных установках полагаются на одно и то же периодическое одностороннее поле, в то время как магнитные муфты, подшипники и прецизионные приспособления используют меньшие массивы для формирования потока там, где это необходимо, и удержания его от близлежащей электроники.

Реалии производства: допуски, сорта и покрытия

В сборке Хальбаха угловая точность и согласованность деталей имеют большее значение, чем класс заголовка: ошибка ориентации в пять градусов за один период заметно выравнивает пиковое поле и искажает форму сигнала.

• Угловой допуск. Укажите угол намагничивания плюс-минус два градуса или лучше и договоритесь, как он будет измеряться, потому что визуальный осмотр ничего не доказывает.
• Класс и температура. N35–N52 охватывает большинство конструкций; для жарких сред перейдите к классам H, SH или UH и проверьте кривые размагничивания при реальной рабочей температуре, а не при комнатной температуре.
• Покрытие. Никель-медь-никель подходит большинству двигателей; эпоксидная смола или цинк могут быть предпочтительнее, если покрытие должно быть тонким или среда агрессивна.
• Сегментация и сборка. Разделение больших магнитов на изолированные части сокращает потери на вихревые токи, но добавляет элементы на место, а силы отталкивания в штабеле Хальбаха означают, что приспособления и графики отверждения включены в план процесса.
• Проверка. Испытание партии с помощью катушки Гельмгольца или гауссметра — единственный надежный способ подтвердить, что ориентация и уклон выдержали обращение.

Изготовленные на заказ магнитные компоненты массива Хальбаха для прецизионных магнитных сборок Специализированные сборки Хальбаха, в которых используются контролируемые направления намагничивания для концентрации потока на одной стороне для линейных двигателей, СДПМ и прецизионных магнитных систем. Посмотреть продукт →

Определение массива Хальбаха: практический контрольный список

Доведите эти пункты до стадии ценового предложения, и большинство сюрпризов исчезнут, не дойдя до цеха.

1. Укажите рабочий зазор, требуемую плотность потока и укажите, является ли критерием приемки пиковое или среднее поле.
2. Определите геометрию: количество штук за период, линейное или круговое, внутренний или внешний диаметр.
3. Фиксируйте марку, температурный класс и покрытие для каждой детали, а не для сборки в целом.
4. Отделяйте угловой допуск на намагниченность от размерного допуска на монтажных поверхностях.
5. Решите, как крепятся детали: клей, втулка, герметизация или механический зажим.
6. Согласуйте метод контроля и частоту отбора проб до производства первой партии.

Часто задаваемые вопросы

Сколько магнитов нужно для массива Хальбаха?

Четыре магнита за период — это минимум для значимого одностороннего поля. Восемь за период дают более плавную форму волны и меньшее количество гармоник, но удваивают количество частей, которые нужно ориентировать и соединять.

Могу ли я построить его из стандартных блочных магнитов?

Да, и это разумный способ создания прототипа. Готовые блоки подходят для подтверждения концепции, но массовое производство обычно переходит к изготовлению нестандартных дуг или трапециевидных деталей, потому что блоки, собранные вручную, редко выдерживают угловой допуск, предусмотренный конструкцией.

Делает ли это поле сильнее, чем один большой магнит?

Это делает поле более сильным на рабочей стороне и намного слабее на задней стороне, используя тот же общий объем магнита. Магнитная энергия не меняется; массив просто перенаправляет его, а это именно то, что нужно моторному зазору.

Стоит ли переплачивать за массив Хальбаха?

Когда вес, поток зазора или сдерживание поля рассеяния являются сдерживающими ограничениями, да. Когда конструкция уже имеет достаточно места и приемлемые потери в железе, традиционную компоновку со стальным ярмом обычно дешевле построить и ее легче квалифицировать.

Матрица Хальбаха — не новый магнит; это более умная последовательность обычных. Поворот каждой детали на 90 градусов концентрирует флюс на рабочей поверхности, устраняет его на задней стороне и устраняет необходимость в тяжелом возвратном железе. Выигрыш реален, но он настолько хорош, насколько хорош угловой допуск, выбор сплава и процесс сборки, стоящий за ним. Заранее определите зазор, температурный класс и метод контроля, и массив, который вы спроектируете на бумаге, станет тем массивом, который вы получите в производстве.