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海尔贝克阵列 Halbach Array
发布时间:2020-03-26 11:18:34

磁体的放置方向和排列方式形式会直接影响磁力线分布的形式,也就是会影响磁体周围磁场分布的形式。海尔贝克阵列是工程上的近似理想结构,它利用特殊的磁体排列,增强单位方向上的场强,目标是用最少量的磁体产生最强的磁场。今天将向大家介绍海尔贝克阵列的原理、主要形式与应用场景,以及如何制造海尔贝克阵列。




海尔贝克阵列是一种磁体排列结构,在了解这种结构之前,我们先来看看一些常见的永磁体的磁力线分布。


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从这张图上我们不难发现,磁体的放置方向和排列方式会直接影响磁力线分布的,也就是会影响磁体周围磁场分布的形式。
海尔贝克阵列的概念

海尔贝克阵列(Halbach Array、Halbach permanent magnet)是一种磁体结构,1979年美国学者Klaus Halbach做电子加速实验时发现了这种特殊的永磁铁结构并逐步完善,最终形成了所谓的“Halbach”磁铁,它是工程上的近似理想结构, 它利用特殊的磁体单元的排列,增强单位方向上的场强,目标是用最少量的磁体产生最强的磁场。

这种阵列完全由稀土永磁材料构成,通过将不同充磁方向的永磁体按照一定规律排列,能够在磁体一侧汇聚磁力线,而在另一侧削弱磁力线,从而获得比较理想的单边磁场。这在工程上有非常重要的意义,海尔别克阵列以出色的磁场分布特性,被广泛应用于诸如核磁共振、磁悬浮、永磁特种电机等工业领域。

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左侧是一个单一磁铁,北极全部向上,从颜色中可以看出磁场的强度位于磁铁的底部和顶部。右侧是一个海尔贝克阵列,磁铁顶部的磁场较高,而底部则相对薄弱。(同等体量下海尔贝克阵列磁铁组的强侧表面磁场强度约为传统单颗磁铁的√2倍(即1.4倍),尤其在磁铁充磁方向厚度在4~16mm时)

最常见的海尔贝克阵列的例子可能要数柔性的冰箱贴了。这些薄薄的、柔软的磁铁通常被印刷好贴在冰箱上或者是汽车的后面,尽管相对于钕铁硼来说,它们的磁性很弱(仅有2%-3%的强度),但是其价格低廉及实用性使它被广泛的应用。

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海尔贝克阵列的形式与应用

  • 直线阵列

直线型是最基础的Halbach阵列组成形式,这种阵列磁体可视为一种径向阵列与切向阵列的结合,如下图。 
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直线型Halbach阵列目前主要应用于直线电机。磁悬浮列车的悬浮原理是运动磁体和它在导体中感应电流产生的磁场相互作用产生悬浮力,同时伴有磁阻力,提高浮力与阻力比是改善悬浮系统性能的关键,这就要求车载磁体重量轻、磁场强、磁场均匀、可靠性高。采用Halbach阵列水平安装在车体中央,与轨道中央的绕组作用产生推进力,以较少的磁体用量达到磁场最大化,而另一侧磁场较少,可以乘客避免暴露在强磁场之中。
  • 环形阵列

环形Halbach阵列可视为将直线型Halbach阵列首尾相接组合而形成圆环形状。

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在永磁电机中,使用Halbach阵列结构的永磁电机较传统永磁电机具有更接近正弦分布的气隙磁场,在永磁材料用量相同的情况下,Halbach永磁电机气隙磁密度更大,铁损较小。此外Halbach圆环阵列还广泛应用于永磁轴承、磁制冷设备和磁共振等设备中。

海尔贝克阵列的制作和生产方法

方法1:根据阵列的拓扑结构,使用磁体胶将预先已充磁的磁体段粘连在一起,因各磁体段之间的互斥力很强,所以在粘连的时候要使用模具进行夹紧。该方法制造效率较低,但较容易实现,比较适合实验室研究阶段使用。

方法2首先利用充模或压模的方法制造一个完整的磁体,然后在一个特制的夹具中进行充磁,采用该方法加工出的阵列结构和下图类似,这种方法加工效率高,比较容易实现批量化生产。但需要专门设计充磁夹具和制定充磁工艺。

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方法3:利用特定形状的绕组阵列来实现Halbach型磁场分布,如下图。

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