Halbach Array(Hallbach Array) 자석 어셈블리: 설계, 공차 및 소싱 가이드

Halbach 어레이는 각 자석이 이웃 자석에 대해 대략 90도 회전하여 자속을 한 면에 집중시키고 다른 면에서는 상쇄시키는 영구 자석 어셈블리입니다. 특별한 재료가 필요하지 않습니다. 표준 소결 NdFeB 세그먼트가 해당 작업을 수행합니다. "hallbach array"를 검색했다면 동일한 기하학을 보고 있는 것입니다. 철자만 다를 뿐이죠.

실용적인 답변: 동일한 자석 볼륨에 대해 잘 구축된 Halbach 어레이는 기존의 병렬 자화 블록보다 에어 갭에 더 많은 사용 가능한 자속을 제공하며 후면 철이 거의 또는 전혀 필요하지 않습니다. 비용은 부품 수, 방향 공차 및 조립 노동으로 지불됩니다. 기존 설계에서 4개의 블록으로 제작된 로터는 Halbach 버전에서 동일한 엔벨로프를 채우기 위해 개별적으로 지향된 32개의 세그먼트가 필요할 수 있습니다.

다음은 회전 규칙, 성능을 결정하는 매개변수, 추가 비용이 정당화되는 애플리케이션, 조립 벤치에서 프로토타입이 실패하지 않도록 하는 점검입니다.

Halbach 어레이의 작동 방식

Halbach 배열은 각 세그먼트를 90도 회전시키면 플럭스 벡터가 작업면에서 강화되고 뒷면에서는 상쇄되기 때문에 작동합니다.

배열 너비에 걸쳐 0°, 90°, 180° 및 270°로 자화된 4개의 세그먼트를 연속으로 가져옵니다. 윗면에서는 모든 세그먼트의 수직 구성 요소가 동일한 방향을 가리키므로 4개의 기여가 합쳐집니다. 아래쪽 면에서 동일한 구성 요소는 표면에서 먼 쪽을 가리키고 수평 구성 요소는 탈출하는 대신 인접한 세그먼트를 통해 루프를 닫습니다. 아주 적은 양의 플럭스가 뒷면을 떠납니다.

실제로 회전 규칙

실제 배열은 극당 4개의 세그먼트에서 멈추는 경우가 거의 없습니다. 세그먼트가 많을수록 더 부드럽고 사인파형 필드가 많아지지만 각 세그먼트에는 접착 조인트, 처리 단계 및 방향 오류가 발생할 가능성이 추가됩니다.

• 극당 4개의 세그먼트: 가장 단순한 구조, 강력한 고조파, 커플링 및 간단한 센서에 적합합니다.
• 극당 8개 세그먼트: 브러시리스 모터 및 자기 커플링의 일반적인 절충안입니다.
• 극당 12개 이상: 코깅 토크를 낮게 유지해야 하거나 센서 트랙이 정확해야 하는 경우에 사용되는 가장 부드러운 필드입니다.

로터 설계의 의미

뒷면에는 자기장이 거의 없기 때문에 Halbach 로터는 두꺼운 강철 요크 대신 얇은 비자성 슬리브나 라이트 유지 링을 사용할 수 있습니다. 이는 회전 어셈블리에서 질량과 직경을 제거하고 강철 요크가 생성하는 자기 당김을 제거하여 직접 구동 설계에서 베어링 선택을 단순화합니다.

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Halbach 어레이와 기존 자석 어레이 비교

한 면의 질량 단위당 플럭스가 킬로그램당 비용보다 더 중요한 경우 Halbach 어레이를 선택하십시오. 부품 수, 조립 시간 및 단가가 프로젝트를 결정할 때 기존 병렬 어레이를 선택하십시오. 아래 비교에서는 동일한 등급과 동일한 전체 범위를 가정하며, 이는 절충점을 판단하는 유일한 공정한 방법입니다.

성능을 결정하는 설계 매개변수

Halbach 어레이가 의도한 대로 작동하는지 여부를 결정하는 5가지 매개 변수는 극당 세그먼트, 자화 각도 허용 오차, 등급 및 온도 등급, 기계적 유지 및 표면 보호입니다.

• 극당 세그먼트. 공급업체가 생산할 수 있는 수량보다는 용도에 맞게 수량을 일치시키세요. 모터의 경우 극당 8개가 기본입니다. 커플 링에는 4개면 충분합니다.
• 각도 공차. 오류는 평균화되지 않습니다. Halbach 패턴에서는 레이아웃이 의존하는 보강을 부분적으로 취소하므로 각도가 엉성한 스택은 동일한 질량의 단순한 블록 배열보다 약해질 수 있습니다.
• 등급 및 온도 등급. N42 및 N45는 일반적인 시작점이며 작동 온도가 상승함에 따라 H, SH 또는 UH 등급이 지정됩니다. 실온이 아닌 자석이 볼 수 있는 가장 뜨거운 지점에서 자속을 평가하십시오. 는 공개된 감자 곡선 올바른 참조입니다.
• 보유. 소결된 NdFeB는 부서지기 쉬우며 어레이는 개별적으로 지향된 조각 세트이므로 충격과 열 순환을 견디려면 포켓, 에폭시, 고정 슬리브 또는 조합이 필요합니다.
• 표면 보호. 니켈-구리-니켈, 아연, 에폭시 및 인산염 코팅은 염수 분무 및 접착 조인트에서 다르게 작동합니다. 이는 여러 자석 면이 주변 구조에 노출되어 있을 때 평소보다 더 중요한 세부 사항입니다.

Halbach 어레이가 사용되는 곳

Halbach 어레이는 단면 플럭스, 낮은 로터 질량 또는 부드러운 필드가 추가 조립 비용을 감당할 가치가 있는 경우 선택됩니다. 대부분 모터, 커플링, 베어링 및 센서에서 사용됩니다.

• 브러시리스 및 슬롯리스 모터. 단면 플럭스는 로터 벽을 더 얇게 하고 유효 에어 갭을 더 크게 하여 코깅을 줄이고 효율을 향상시킵니다. 재질은 다른곳과 동일해요 NdFeB 모터 자석 적용 ; 방향만 변경됩니다.
• 자기 커플 링 및 기어. 두 개의 마주보는 Halbach 링은 샤프트 씰 없이 장벽을 통해 토크를 전달합니다.
• 자기 베어링 및 부상. 취소된 뒷면은 인접한 구조 및 센서에서 표류 자속을 멀리합니다.
• 위치 센서 및 계측. 정현파 자화 패턴은 인코더와 리졸버에 깨끗하고 반복 가능한 신호를 제공합니다.
• 의료 및 항공우주 액추에이터. 질량과 외피가 엄격하게 제한되어 있는 경우 철을 떨어뜨려 무게를 절약하면 조립 비용을 정당화할 수 있습니다.

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공차, 조립 및 조달 위험

대부분의 첫 구매자를 사로잡는 실패는 자석 등급이 아닙니다. 이는 각도 오류, 접착제 라인 변형 및 취급 손상으로, 모두 어셈블리를 접착하고 측정한 후에만 나타납니다.

• 각도 오차가 누적됩니다. 극당 8개 세그먼트 각각의 2도 오류는 작업면에서 최대 자속을 줄일 수 있을 만큼 필드 패턴을 이동할 수 있습니다.
• 접착제 라인은 공간을 소비합니다. 결합된 세그먼트는 활성 자석 부피를 줄이므로 계산된 성능은 접착제 두께를 고려해야 합니다.
• 취급은 정말 위험합니다. 부분적으로 조립된 어레이는 강철 표면에 강하게 끌리므로 손가락이 끼이거나 세그먼트가 부서질 수 있습니다.
• 결합 후 확인합니다. 작업면의 가우스 판독은 방향이 어셈블리에서 살아남았는지 확인하는 가장 빠른 검사이며 외부 반경의 치수 검사를 통해 어셈블리가 슬리브에 여전히 맞는지 확인합니다.

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Halbach 어셈블리를 지정하는 방법

Halbach 어셈블리를 지정하려면 필요한 필드와 해당 필드가 존재할 환경을 설명한 다음 공급업체가 형상, 등급 및 세그먼트 수를 제안하도록 하십시오.

1. 측정 지점이 정의된 작업면 플럭스 또는 공극 필드 대상.
2. 공극 및 주변 구조: 강철, 알루미늄 또는 복합재.
3. 최대 외경, 축 길이 및 로터 질량 제한.
4. 최악의 실속 조건을 포함한 작동 온도 범위.
5. 습기, 염분, 오일, 냉각수 또는 진공에 노출.
6. 연간 예상 물량과 선호하는 조립 방법입니다.

사내 오리엔테이션 및 자화 기능을 갖춘 제조업체는 일반적으로 단일 라운드에서 세그먼트 수와 등급 권장 사항으로 답변할 수 있으며, 이는 거부된 프로토타입에서 답변을 찾는 것보다 훨씬 적은 비용이 듭니다.

자주 묻는 질문

Halbach 어레이는 일반 자석보다 더 강합니까?

한쪽 면은 더 강하고 다른 면은 거의 중립적입니다. 동일한 양의 기존 자화 재료에 대해 작업 표면은 더 많은 자속을 전달하지만 이는 모든 세그먼트의 방향이 정확하게 지정된 경우에만 가능합니다.

Halbach 어레이에는 몇 개의 자석이 필요합니까?

극당 4개의 세그먼트가 최소로 유용한 패턴입니다. 모터의 경우 극당 8개가 일반적으로 선택되며 부드러운 정현파 필드가 필요한 경우에는 12개 이상이 선택됩니다. 총 개수에 극 수를 곱합니다.

표준 NdFeB 블록으로 제작할 수 있나요?

예. 표준 직사각형 및 호 세그먼트가 일상적으로 사용됩니다. 배열은 모양이 아닌 자화 방향으로 정의됩니다. 아크 세그먼트는 원통형 로터의 접착 조인트를 줄이는 반면 블록은 더 저렴하고 조달하기 쉽습니다.

Halbach 어레이에 백철이 필요합니까?

일반적으로 그렇지 않거나 얇은 고정 슬리브만 있습니다. 뒷면이 거의 취소되었기 때문에 요크를 통해 되돌아오는 플럭스가 거의 없으며 이것이 대부분의 중량 절감 효과입니다.

Halbach 조립 비용이 더 많이 드는 이유는 무엇입니까?

더 많은 부품, 더 엄격한 각도 공차, 전용 자화 고정 장치 및 더 많은 조립 노동력. 재료비는 비슷할 수 있습니다. 처리 비용은 그렇지 않습니다.

Halbach 어레이는 기하학을 사용하여 더 두꺼운 자석이나 더 무거운 요크가 수행해야 하는 작업을 수행합니다. 세그먼트 수, 각도 공차 및 온도 등급을 올바르게 설정하면 더 가볍고 효율적인 자기 회로가 탄생합니다. 잘못하면 어셈블리가 올바르게 보이지만 조용히 성능이 저하됩니다.