強力磁鐵-海爾貝克陣列 Halbach Array一種磁體排列結構

海爾貝克陣列是一種磁體排列結構，在了解這種結構之前，我們先來(lái)看看一些常見(jiàn)的永磁體的磁力線(xiàn)分布。

從這張圖上我們不難發(fā)現，磁體的放置方向和排列方式會(huì )直接影響磁力線(xiàn)分布的，也就是會(huì )影響磁體周?chē)艌?chǎng)分布的形式。

海爾貝克陣列的概念

海爾貝克陣列（Halbach Array、Halbach permanent magnet）是一種磁體結構，1979年美國學(xué)者Klaus Halbach做電子加速實(shí)驗時(shí)發(fā)現了這種特殊的永磁鐵結構并逐步完善，最終形成了所謂的“Halbach”磁鐵，它是工程上的近似理想結構， 它利用特殊的磁體單元的排列，增強單位方向上的場(chǎng)強，目標是用最少量的磁體產(chǎn)生最強的磁場(chǎng)。

這種陣列完全由稀土永磁材料構成，通過(guò)將不同充磁方向的永磁體按照一定規律排列，能夠在磁體一側匯聚磁力線(xiàn)，而在另一側削弱磁力線(xiàn)，從而獲得比較理想的單邊磁場(chǎng)。這在工程上有非常重要的意義，海爾別克陣列以出色的磁場(chǎng)分布特性，被廣泛應用于諸如核磁共振、磁懸浮、永磁特種電機等工業(yè)領(lǐng)域。

左側是一個(gè)單一磁鐵，北極全部向上，從顏色中可以看出磁場(chǎng)的強度位于磁鐵的底部和頂部。右側是一個(gè)海爾貝克陣列，磁鐵頂部的磁場(chǎng)較高，而底部則相對薄弱。（同等體量下海爾貝克陣列磁鐵組的強側表面磁場(chǎng)強度約為傳統單顆磁鐵的√2倍（即1.4倍），尤其在磁鐵充磁方向厚度在4～16mm時(shí)）

最常見(jiàn)的海爾貝克陣列的例子可能要數柔性的冰箱貼了。這些薄薄的、柔軟的磁鐵通常被印刷好貼在冰箱上或者是汽車(chē)的后面，盡管相對于釹鐵硼來(lái)說(shuō)，它們的磁性很弱（僅有2%-3%的強度），但是其價(jià)格低廉及實(shí)用性使它被廣泛的應用。

海爾貝克陣列的形式與應用

直線(xiàn)陣列

直線(xiàn)型是最基礎的Halbach陣列組成形式，這種陣列磁體可視為一種徑向陣列與切向陣列的結合，如下圖。

直線(xiàn)型Halbach陣列目前主要應用于直線(xiàn)電機。磁懸浮列車(chē)的懸浮原理是運動(dòng)磁體和它在導體中感應電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生懸浮力，同時(shí)伴有磁阻力，提高浮力與阻力比是改善懸浮系統性能的關(guān)鍵，這就要求車(chē)載磁體重量輕、磁場(chǎng)強、磁場(chǎng)均勻、可靠性高。采用Halbach陣列水平安裝在車(chē)體中央，與軌道中央的繞組作用產(chǎn)生推進(jìn)力，以較少的磁體用量達到磁場(chǎng)**化，而另一側磁場(chǎng)較少，可以乘客避免暴露在強磁場(chǎng)之中。

環(huán)形陣列

環(huán)形Halbach陣列可視為將直線(xiàn)型Halbach陣列首尾相接組合而形成圓環(huán)形狀。

在永磁電機中，使用Halbach陣列結構的永磁電機較傳統永磁電機具有更接近正弦分布的氣隙磁場(chǎng)，在永磁材料用量相同的情況下，Halbach永磁電機氣隙磁密度更大，鐵損較小。此外Halbach圓環(huán)陣列還廣泛應用于永磁軸承、磁制冷設備和磁共振等設備中。

海爾貝克陣列的制作和生產(chǎn)方法

方法1：根據陣列的拓撲結構,使用磁體膠將預先已充磁的磁體段粘連在一起，因各磁體段之間的互斥力很強，所以在粘連的時(shí)候要使用模具進(jìn)行夾緊。該方法制造效率較低，但較容易實(shí)現，比較適合實(shí)驗室研究階段使用。

方法2：首先利用充?；驂耗５姆椒ㄖ圃煲粋€(gè)完整的磁體，然后在一個(gè)特制的夾具中進(jìn)行充磁，采用該方法加工出的陣列結構和下圖類(lèi)似，這種方法加工效率高，比較容易實(shí)現批量化生產(chǎn)。但需要專(zhuān)門(mén)設計充磁夾具和制定充磁工藝。

方法3：利用特定形狀的繞組陣列來(lái)實(shí)現Halbach型磁場(chǎng)分布，如下圖。