Mảng Halbach, nam châm vĩnh cửu Halbach

Mảng Halbach là một cấu trúc sắp xếp nam châm. Trước khi tìm hiểu cấu trúc này, chúng ta hãy xem xét sự phân bố đường sức từ của một số nam châm vĩnh cửu thông dụng.

Từ hình ảnh này, không khó để nhận ra rằng hướng đặt và sắp xếp của nam châm sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố của các đường sức từ, tức là nó sẽ ảnh hưởng đến dạng phân bố từ trường xung quanh nam châm.

Khái niệm mảng Halbach

Halbach Array (nam châm vĩnh cửu Halbach) là một loại cấu trúc nam châm. Năm 1979, học giả người Mỹ Klaus Halbach đã phát hiện ra cấu trúc nam châm vĩnh cửu đặc biệt này trong quá trình thí nghiệm gia tốc electron và dần dần cải tiến nó, cuối cùng hình thành nên cái gọi là"Halbach"nam châm. Đó là một cấu trúc lý tưởng gần đúng trong kỹ thuật. Nó sử dụng sự sắp xếp đặc biệt của các đơn vị nam châm để tăng cường cường độ trường theo hướng đơn vị. Mục tiêu là sử dụng ít nam châm nhất để tạo ra từ trường mạnh nhất.

Loại mảng này hoàn toàn bao gồm các vật liệu nam châm vĩnh cửu đất hiếm. Bằng cách sắp xếp các nam châm vĩnh cửu với các hướng từ hóa khác nhau theo một quy luật nhất định, các đường sức từ có thể tập trung ở một bên của nam châm và các đường sức có thể bị suy yếu ở phía bên kia, từ đó thu được từ trường đơn phương lý tưởng. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong kỹ thuật. Với đặc tính phân bố từ trường tuyệt vời, mảng Haierbek được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như cộng hưởng từ hạt nhân, bay lên từ và động cơ đặc biệt nam châm vĩnh cửu.

Bên trái là một nam châm duy nhất có tất cả các cực bắc hướng lên trên. Từ màu sắc có thể thấy cường độ từ trường nằm ở phía dưới và phía trên của nam châm. Bên phải là mảng Halbach. Từ trường ở phía trên nam châm tương đối cao, trong khi phía dưới tương đối yếu. (Trong cùng một thể tích, cường độ từ trường của bề mặt mạnh của nam châm mảng Halbach là khoảng√Gấp 2 lần (1,4 lần) so với nam châm đơn truyền thống, đặc biệt khi độ dày của nam châm là 4-16mm theo hướng từ hóa)

Ví dụ phổ biến nhất của mảng Halbach có thể là nhãn dán tủ lạnh linh hoạt. Những nam châm mỏng, mềm này thường được in trên tủ lạnh hoặc phía sau ô tô. Mặc dù từ tính của chúng rất yếu so với NdFeB (chỉ có cường độ 2% -3%), nhưng giá thành thấp và tính thực tế khiến nó được sử dụng rộng rãi.

Dạng và ứng dụng của mảng Halbach

Mảng tuyến tính

Kiểu tuyến tính là thành phần mảng Halbach cơ bản nhất. Nam châm mảng này có thể được coi là sự kết hợp giữa mảng xuyên tâm và mảng tiếp tuyến, như trong hình bên dưới.

Mảng Halbach tuyến tính hiện nay chủ yếu được sử dụng trong động cơ tuyến tính. Nguyên lý bay lên của tàu đệm từ là nam châm chuyển động tương tác với từ trường do dòng điện cảm ứng tạo ra trong dây dẫn tạo ra lực bay, đồng thời kèm theo lực cản từ. Cải thiện tỷ lệ nổi và lực cản là chìa khóa để cải thiện hiệu suất của hệ thống bay, hệ thống này đòi hỏi trọng lượng của nam châm trên tàu Trọng lượng nhẹ, từ trường mạnh, từ trường đồng đều và độ tin cậy cao. Mảng Halbach được lắp nằm ngang ở giữa thân xe và tương tác với cuộn dây ở tâm đường ray để tạo ra lực đẩy, giúp tối đa hóa từ trường với một lượng nam châm nhỏ, còn phía bên kia có ít từ trường hơn, có thể ngăn hành khách tiếp xúc với từ trường mạnh.

Mảng tròn

Mảng Halbach tròn có thể được coi là sự kết hợp của các mảng Halbach tuyến tính từ đầu đến cuối để tạo thành một hình tròn.

Trong động cơ nam châm vĩnh cửu, động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng cấu trúc mảng Halbach có từ trường khe hở không khí gần với phân bố hình sin hơn so với động cơ nam châm vĩnh cửu truyền thống. Trong trường hợp cùng một lượng vật liệu nam châm vĩnh cửu, động cơ nam châm vĩnh cửu Halbach có mật độ từ khe hở không khí lớn hơn. Tổn thất sắt nhỏ. Ngoài ra, mảng vòng Halbach còn được sử dụng rộng rãi trong vòng bi từ vĩnh cửu, thiết bị làm lạnh từ tính và thiết bị cộng hưởng từ.

Phương pháp chế tạo và sản xuất mảng Halbach

Cách 1: Theo cấu trúc của mảng dùng keo nam châm để liên kết các đoạn nam châm nhiễm từ lại với nhau. Do lực đẩy lẫn nhau giữa các đoạn nam châm rất mạnh nên nên dùng khuôn để kẹp trong quá trình bám dính. Phương pháp này có hiệu quả chế tạo thấp nhưng dễ thực hiện hơn và phù hợp hơn khi sử dụng trong giai đoạn nghiên cứu trong phòng thí nghiệm.

Cách 2: Đầu tiên sử dụng phương pháp điền khuôn hoặc khuôn ép để chế tạo một nam châm hoàn chỉnh, sau đó từ hóa trong một vật cố định đặc biệt. Cấu trúc mảng được xử lý bằng phương pháp này tương tự như hình bên dưới. Phương pháp này có hiệu suất xử lý cao và dễ so sánh, dễ dàng thực hiện sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, cần phải thiết kế đặc biệt các thiết bị từ hóa và xây dựng quy trình từ hóa.

Phương pháp 3: Sử dụng dãy cuộn dây có hình dạng đặc biệt để thực hiện phân bố từ trường kiểu Halbach, như minh họa trong hình bên dưới.

Quy trình và tác dụng của mảng Halbach tự chế trong phòng thí nghiệm