Магнитные сборки Halbach Array (Hallbach Array): руководство по проектированию, допускам и поиску поставщиков

Массив Хальбаха представляет собой сборку постоянных магнитов, в которой каждый магнит повернут примерно на 90 градусов относительно своего соседа, концентрируя поток на одной стороне и подавляя его на другой. Никакого специального материала не требуется — с этой задачей справятся стандартные спеченные сегменты NdFeB. Если вы искали «массив Холбаха», вы видите ту же геометрию; отличается только написание.

Практический ответ сразу: при том же объеме магнита хорошо построенная матрица Хальбаха создает больше полезного потока в воздушном зазоре, чем обычный блок с параллельным намагничиванием, и для этого требуется мало или вообще не требуется защитное железо. Стоимость оплачивается с учетом количества деталей, допуска ориентации и работ по сборке. Ротору, построенному из четырех блоков традиционной конструкции, может потребоваться 32 индивидуально ориентированных сегмента, чтобы заполнить ту же оболочку в версии Хальбаха.

Далее следует правило ротации, параметры, определяющие производительность, приложения, в которых оправданы дополнительные затраты, и проверки, которые удерживают прототип от сбоя на сборочном стенде.

Как работает массив Хальбаха

Массив Хальбаха работает, потому что поворот каждого сегмента на 90 градусов приводит к усилению векторов потока на рабочей поверхности и нейтрализации на задней стороне.

Возьмите четыре сегмента подряд, намагниченных под углами 0°, 90°, 180° и 270° по ширине массива. На верхней грани вертикальная составляющая каждого сегмента указывает одинаково, поэтому четыре вклада складываются вместе. На нижней грани те же самые компоненты направлены от поверхности, в то время как горизонтальные компоненты замыкают свои циклы через соседние сегменты, а не выходят за пределы. С обратной стороны уходит очень мало флюса.

Правило ротации на практике

Реальные массивы редко ограничиваются четырьмя сегментами на полюс. Большее количество сегментов дает более гладкое и синусоидальное поле, но каждый из них добавляет клеевое соединение, этап обработки и еще один шанс на ошибку ориентации.

• Четыре сегмента на полюс: самая простая конструкция, сильные гармоники, подходят для муфт и простых датчиков.
• Восемь сегментов на полюс: обычный компромисс для бесщеточных двигателей и магнитных муфт.
• Двенадцать или более на полюс: самое гладкое поле, используемое там, где зубчатый момент должен оставаться низким или отслеживание датчика должно быть точным.

Что это значит для конструкции ротора

Поскольку задняя поверхность практически свободна от поля, в роторе Хальбаха часто можно использовать тонкую немагнитную втулку или легкое стопорное кольцо вместо толстого стального хомута. Это уменьшает массу и диаметр вращающегося узла, а также устраняет магнитное притяжение, которое в противном случае создавало бы стальное ярмо, что упрощает выбор подшипников в конструкциях с прямым приводом.

Изготовленные на заказ магнитные компоненты Halbach Array для двигателей и датчиков Изготовленные на заказ магнитные сборки Halbach концентрируют поток на одной стороне и уменьшают утечку на обратной стороне, что идеально подходит для компактных двигателей, датчиков и прецизионных магнитных систем. Посмотреть продукт →

Матрица Хальбаха по сравнению с обычной магнитной матрицей

Выбирайте массив Хальбаха, когда поток на единицу массы на одну грань имеет большее значение, чем стоимость килограмма; Выбирайте традиционный параллельный массив, когда количество деталей, время сборки и стоимость единицы определяют проект. Приведенное ниже сравнение предполагает одинаковую оценку и одинаковый общий диапазон, что является единственным справедливым способом оценить компромисс.

Параметры конструкции, определяющие производительность

Пять параметров определяют, будет ли массив Halbach работать должным образом: количество сегментов на полюс, допуск угла намагничивания, марка и температурный класс, механическое удержание и защита поверхности.

• Сегментов на полюс. Сопоставьте количество с применением, а не с тем, что может произвести поставщик. Восемь на полюс — разумный стандарт для двигателей; четырех часто бывает достаточно для соединения.
• Угловой допуск. Ошибки не усредняются. В схеме Хальбаха они частично отменяют армирование, от которого зависит компоновка, поэтому стопка с небрежными углами может оказаться слабее, чем простой массив блоков той же массы.
• Марка и температурный класс. N42 и N45 являются общими отправными точками, а при повышении рабочей температуры используются марки H, SH или UH. Оценивайте поток в самой горячей точке, которую видит магнит, а не при комнатной температуре; тот опубликованные кривые размагничивания являются правильной ссылкой.
• Удержание. Спеченный NdFeB хрупкий, а массив представляет собой набор индивидуально ориентированных деталей, поэтому для выдерживания ударов и термоциклирования необходимы карманы, эпоксидная смола, удерживающие втулки или их комбинация.
• Защита поверхности. Никель-медно-никелевые, цинковые, эпоксидные и фосфатные покрытия по-разному ведут себя в соляном тумане и в клеевых соединениях, и эта деталь имеет большее значение, чем обычно, когда несколько сторон магнита остаются открытыми для окружающей структуры.

Где используются массивы Хальбаха

Матрицы Хальбаха выбираются там, где односторонний поток, малая масса ротора или гладкое поле оправдывают дополнительные затраты на сборку — чаще всего в двигателях, муфтах, подшипниках и датчиках.

• Бесщеточные и беспазовые двигатели. Односторонний флюс позволяет сделать стенки ротора тоньше и увеличить эффективный воздушный зазор, что снижает зазубренность и повышает эффективность. Материал такой же, как и в любом другом. Применение магнита двигателя NdFeB ; меняется только ориентация.
• Магнитные муфты и шестерни. Два обращенных друг к другу кольца Хальбаха передают крутящий момент через барьер без уплотнения вала.
• Магнитные подшипники и левитация. Упраздненная задняя поверхность удерживает рассеянный поток от соседней конструкции и датчиков.
• Датчики положения и приборы. Синусоидальная картина намагничивания дает чистый, повторяемый сигнал для энкодеров и резольверов.
• Медицинские и аэрокосмические приводы. Там, где масса и оболочка жестко ограничены, вес, сэкономленный за счет опускания железа, может оправдать стоимость сборки.

Спеченные магниты двигателей NdFeB для синхронных двигателей Категория спеченных магнитов NdFeB для синхронных двигателей, обеспечивающих высокую магнитную силу, коэрцитивность и стабильность для тяговых, промышленных и возобновляемых источников энергии. Посмотреть продукт →

Допуски, риски сборки и закупок

Неудача, которая застает врасплох большинство покупателей, покупающих впервые, — это не магнитный уровень; это угловая ошибка, изменение линии склеивания и повреждения при обращении, которые проявляются только после того, как сборка будет склеена и измерена.

• Угловая ошибка накапливается. Ошибка в два градуса на каждом из восьми сегментов на полюс может сместить диаграмму поля настолько, что уменьшится пиковый поток на рабочей поверхности.
• Клеевые линии занимают пространство. Склеенные сегменты уменьшают активный объем магнита, поэтому расчетные характеристики должны учитывать толщину клея.
• Обращение представляет собой реальную опасность. Частично собранный массив сильно притягивается к любой стальной поверхности и может прищемить пальцы или разбить сегменты.
• Проверьте после склеивания. Измерение гаусса на рабочей поверхности является самой быстрой проверкой того, что ориентация выдержала сборку, а проверка размеров по внешнему радиусу подтверждает, что узел по-прежнему подходит к втулке.

Постоянные магниты дуги на заказ для роторов двигателей Магниты с изогнутой дугой соответствуют геометрии ротора, чтобы равномерно распределять поток, уменьшать пульсации крутящего момента и поддерживать синхронные, BLDC, серводвигатели и электроприводные двигатели. Посмотреть продукт →

Как указать сборку Хальбаха

Чтобы указать сборку Halbach, опишите необходимое вам месторождение и среду, в которой она будет использоваться, а затем позвольте поставщику предложить геометрию, класс прочности и количество сегментов.

1. Полевая мишень на рабочей поверхности или воздушном зазоре с определенной точкой измерения.
2. Воздушный зазор и окружающая конструкция: сталь, алюминий или композит.
3. Максимальный внешний диаметр, осевая длина и предел массы ротора.
4. Диапазон рабочих температур, включая наихудшие условия остановки.
5. Воздействие влаги, соли, масла, охлаждающей жидкости или вакуума.
6. Ожидаемый годовой объем и предпочтительный метод сборки.

Производитель, обладающий собственными возможностями ориентации и намагничивания, обычно может ответить, указав количество сегментов и рекомендацию по сорту за один раунд, что обходится гораздо дешевле, чем поиск ответа на забракованном прототипе.

Часто задаваемые вопросы

Является ли массив Хальбаха сильнее обычного магнита?

Он сильнее с одной стороны и почти нейтральен с другой. По сравнению с тем же объемом традиционно намагниченного материала рабочая поверхность пропускает больший магнитный поток, но только в том случае, если каждый сегмент ориентирован точно.

Сколько магнитов нужно для массива Хальбаха?

Четыре сегмента на полюс — это минимально полезная схема. Обычно для двигателей выбирают восемь на полюс, а если требуется плавное синусоидальное поле, то двенадцать и более. Умножьте на количество столбов, чтобы получить общее количество штук.

Можно ли его построить из стандартных блоков NdFeB?

Да. Обычно используются стандартные прямоугольные и дуговые сегменты. Массив определяется направлением намагничивания, а не формой; дуговые сегменты уменьшают количество клеевых соединений в цилиндрическом роторе, а блоки дешевле и их легче найти.

Нужно ли массиву Хальбаха заднее железо?

Обычно нет или только тонкая стопорная втулка. Поскольку задняя поверхность практически удалена, обратный поток через ярмо невелик, и именно здесь достигается большая часть экономии веса.

Почему сборка Halbach стоит дороже?

Больше деталей, более жесткие угловые допуски, специальные приспособления для намагничивания и больше трудозатрат на сборку. Стоимость материала может быть аналогичной; стоимость обработки нет.

Массив Хальбаха использует геометрию для выполнения работы, которую в противном случае пришлось бы выполнять более толстому магниту или более тяжелому ярму. Правильно определите количество сегментов, угловой допуск и температурный класс, и в результате получится более легкая и эффективная магнитная цепь. Сделайте их неправильно, и сборка будет выглядеть правильно, но при этом будет работать неэффективно.