แม่เหล็กถาวร Halbach Array Halbach

อาร์เรย์ Halbach เป็นโครงสร้างการจัดเรียงแม่เหล็ก ก่อนที่เราจะเข้าใจโครงสร้างนี้ มาดูการกระจายเส้นสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กถาวรทั่วไปบางตัวกัน

จากภาพนี้ ไม่ยากเลยที่จะพบว่าทิศทางการวางและการจัดเรียงของแม่เหล็กจะส่งผลโดยตรงต่อการกระจายตัวของเส้นสนามแม่เหล็ก กล่าวคือ จะส่งผลต่อรูปแบบการกระจายตัวของสนามแม่เหล็กรอบแม่เหล็ก

แนวคิดของ Halbach array

Halbach Array (แม่เหล็กถาวร Halbach) เป็นโครงสร้างแม่เหล็กชนิดหนึ่ง ในปี 1979 นักวิชาการชาวอเมริกัน Klaus Halbach ได้ค้นพบโครงสร้างแม่เหล็กถาวรพิเศษนี้ในระหว่างการทดลองเร่งความเร็วอิเล็กตรอนและค่อยๆ ปรับปรุงโครงสร้าง และในที่สุดก็สร้างสิ่งที่เรียกว่า"Halbach"แม่เหล็ก. เป็นโครงสร้างในอุดมคติโดยประมาณในด้านวิศวกรรม ใช้การจัดเรียงพิเศษของหน่วยแม่เหล็กเพื่อเพิ่มความแรงของสนามในทิศทางของหน่วย เป้าหมายคือการใช้แม่เหล็กให้น้อยที่สุดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่แรงที่สุด

อาร์เรย์ประเภทนี้ประกอบด้วยวัสดุแม่เหล็กถาวรหายากของโลกทั้งหมด โดยการจัดแม่เหล็กถาวรที่มีทิศทางการทำให้เป็นแม่เหล็กต่างกันตามกฎเกณฑ์หนึ่ง เส้นแรงแม่เหล็กสามารถรวมเข้ากับด้านหนึ่งของแม่เหล็ก และเส้นแรงสามารถอ่อนลงที่อีกด้านหนึ่ง ได้สนามแม่เหล็กข้างเดียวในอุดมคติ นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในด้านวิศวกรรม ด้วยคุณสมบัติการกระจายสนามแม่เหล็กที่ดีเยี่ยม อาร์เรย์ของไฮเออร์เบกจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านิวเคลียร์ การลอยตัวของสนามแม่เหล็ก และมอเตอร์พิเศษแบบแม่เหล็กถาวร

ด้านซ้ายเป็นแม่เหล็กชิ้นเดียว โดยให้ขั้วเหนือทั้งหมดหงายขึ้น จากสีจะเห็นได้ว่าความแรงของสนามแม่เหล็กอยู่ที่ด้านล่างและด้านบนของแม่เหล็ก ด้านขวาเป็นอาร์เรย์ Halbach สนามแม่เหล็กที่ด้านบนของแม่เหล็กค่อนข้างสูง ในขณะที่ด้านล่างค่อนข้างอ่อน (ภายใต้ปริมาตรเดียวกัน ความเข้มสนามแม่เหล็กของพื้นผิวด้านที่แข็งแกร่งของแม่เหล็กอาเรย์ Halbach อยู่ที่ประมาณ√2 เท่า (1.4 เท่า) ของแม่เหล็กเดี่ยวทั่วไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อความหนาของแม่เหล็กอยู่ที่ 4-16 มม. ในทิศทางที่เป็นแม่เหล็ก)

ตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดของอาร์เรย์ Halbach อาจเป็นสติกเกอร์ตู้เย็นแบบยืดหยุ่น แม่เหล็กที่บางและอ่อนนุ่มเหล่านี้มักจะพิมพ์บนตู้เย็นหรือที่ด้านหลังของรถ แม้ว่าแรงแม่เหล็กจะอ่อนมากเมื่อเทียบกับ NdFeB (ความแรงเพียง 2% -3%) แต่ราคาที่ต่ำและการใช้งานได้จริงทำให้ใช้กันอย่างแพร่หลาย

รูปแบบและการประยุกต์ใช้ Halbach array

อาร์เรย์เชิงเส้น

ประเภทเชิงเส้นคือองค์ประกอบอาร์เรย์ Halbach พื้นฐานที่สุด แม่เหล็กอาร์เรย์นี้ถือได้ว่าเป็นการรวมกันของอาร์เรย์เรเดียลและอาร์เรย์วงสัมผัสดังแสดงในรูปด้านล่าง

ปัจจุบันอาร์เรย์ลิเนียร์ Halbach ส่วนใหญ่ใช้ในมอเตอร์เชิงเส้น หลักการลอยตัวของรถไฟ maglev คือแม่เหล็กเคลื่อนที่มีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสเหนี่ยวนำในตัวนำเพื่อสร้างแรงลอยตัว และในขณะเดียวกันก็มีความต้านทานแม่เหล็กร่วมด้วย การปรับปรุงอัตราส่วนการลอยตัวและแรงต้านเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบยกน้ำหนัก ซึ่งต้องใช้น้ำหนักของแม่เหล็กบนกระดาน น้ำหนักเบา สนามแม่เหล็กแรงสูง สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ และความน่าเชื่อถือสูง อาร์เรย์ Halbach ติดตั้งในแนวนอนตรงกลางตัวรถและโต้ตอบกับขดลวดที่อยู่ตรงกลางแทร็กเพื่อสร้างแรงขับเคลื่อน ซึ่งเพิ่มสนามแม่เหล็กให้สูงสุดด้วยแม่เหล็กจำนวนเล็กน้อย และอีกด้านหนึ่งมีสนามแม่เหล็กน้อยกว่า

อาร์เรย์แบบวงกลม

อาร์เรย์ Halbach แบบวงกลมถือได้ว่าเป็นการรวมกันของอาร์เรย์ Halbach เชิงเส้นแบบ end-to-end เพื่อสร้างรูปร่างวงแหวนกลม

ในมอเตอร์แม่เหล็กถาวร มอเตอร์แม่เหล็กถาวรที่ใช้โครงสร้างอาร์เรย์ Halbach มีสนามแม่เหล็กช่องว่างอากาศใกล้กับการกระจายแบบไซน์มากกว่ามอเตอร์แม่เหล็กถาวรแบบเดิม ในกรณีของวัสดุแม่เหล็กถาวรในปริมาณเท่ากัน มอเตอร์แม่เหล็กถาวรของ Halbach จะมีความหนาแน่นแม่เหล็กของช่องว่างอากาศที่ใหญ่กว่า การสูญเสียธาตุเหล็กมีขนาดเล็ก นอกจากนี้ อาร์เรย์แหวนของ Halbach ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในตลับลูกปืนแม่เหล็กถาวร อุปกรณ์ทำความเย็นแบบแม่เหล็ก และอุปกรณ์เรโซแนนซ์แม่เหล็ก

วิธีการผลิตและการผลิตของ Halbach array

วิธีที่ 1: ตามโทโพโลยีของอาร์เรย์ ใช้กาวแม่เหล็กเพื่อยึดส่วนแม่เหล็กแม่เหล็กเข้าด้วยกัน เนื่องจากแรงผลักซึ่งกันและกันระหว่างส่วนแม่เหล็กมีความแข็งแรงมาก จึงควรใช้แม่พิมพ์สำหรับการจับยึดระหว่างการยึดเกาะ วิธีนี้มีประสิทธิภาพในการผลิตต่ำ แต่นำไปใช้ได้ง่ายกว่า และเหมาะสำหรับใช้ในขั้นตอนการวิจัยในห้องปฏิบัติการมากกว่า

วิธีที่ 2: ขั้นแรกให้ใช้วิธีเติมแม่พิมพ์หรือกดแม่พิมพ์เพื่อผลิตแม่เหล็กที่สมบูรณ์ จากนั้นจึงทำให้เป็นแม่เหล็กในฟิกซ์เจอร์พิเศษ โครงสร้างอาร์เรย์ที่ประมวลผลโดยวิธีนี้คล้ายกับรูปด้านล่าง วิธีนี้มีประสิทธิภาพการประมวลผลสูงและเปรียบเทียบ ง่ายต่อการตระหนักถึงการผลิตจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม จำเป็นต้องออกแบบอุปกรณ์จับยึดแม่เหล็กเป็นพิเศษและกำหนดกระบวนการทำให้เป็นแม่เหล็ก

วิธีที่ 3: ใช้อาร์เรย์ที่คดเคี้ยวรูปทรงพิเศษเพื่อให้ทราบถึงการกระจายสนามแม่เหล็กแบบ Halbach ดังแสดงในรูปด้านล่าง

กระบวนการและผลกระทบของอาร์เรย์ Halbach ที่สร้างขึ้นเองในห้องปฏิบัติการ