اقرأ في هذا المقال
- ما هي مصفوفة هالباخ؟
- بناء مصفوفة هالباخ
- لماذا في بعض الأحيان لا نحتاج مصفوفة هالباخ؟
- أنواع مصفوفة هالباخ
ما هي مصفوفة هالباخ؟
مصفوفة “هالباخ” هي ترتيب خاص للمغناطيس الدائم يجعل المجال المغناطيسي على جانب واحد من المصفوفة أقوى، بينما يلغي المجال إلى ما يقرب من الصفر على الجانب الآخر. هذا يختلف كثيراً عن المجال المغناطيسي حول مغناطيس واحد. باستخدام مغناطيس واحد، لديك مجال مغناطيسي متساوي القوة على جانبي المغناطيس.
تخيل وجود مغناطيس فردي على شكل (5) مكعبات، يظهر المغناطيس الفردي على شكل (5) مكعبات مثل مجموعة “هالباخ”، ولكن مع توجيه جميع الأقطاب الشمالية إلى الأعلى. مغناطيسياً، هذا هو نفسه مغناطيس طويل واحد.
تم اكتشاف التأثير في البداية بواسطة “جون سي مالينسون” في عام (1973م)، ووصفه في البداية هياكل “التدفق أحادي الجانب” بأنّها تثير الفضول. في الثمانينيات، اخترع الفيزيائي “كلاوس هالباخ” مصفوفة هالباخ بشكل مستقل لتركيز أشعة الجسيمات والإلكترونات والليزر.
أين يتم استخدام مصفوفة هالباخ؟
تعد مصفوفات (Halbach) مكوناً رئيسياً في نظام قطار (Inductrack maglev) حيث تقوم مصفوفات (Halbach) بطرد حلقات الأسلاك التي تشكل المسار بعد تسريع القطار إلى السرعة، ورفع القطار.
بناء مصفوفة هالباخ:
نعرض هنا بناء مصفوفة (Halbach) المستقيمة باستخدام مغناطيس (B888-2PA-N52) و(B888-2PE-N52). هذه المغناطيسات عبارة عن مكعبات مقاس بوصة بها فتحة في الوسط للسماح لقضيب طويل ملولب بتثبيتها معاً. وهذا يجعل تجميعها أسهل بكثير من مغناطيس (B888) العادي.
يحتوي المغناطيس (-2PA-) على فتحة موازية لاتجاه المغنطة. القطبان الشمالي والجنوبي على الوجوه حيث يوجد ثقب. يحتوي المغناطيس (-2PE-) على فتحة عمودية على اتجاه المغنطة. يقع القطبان الشمالي والجنوبي على أوجه متقابلة ليس بها ثقب.
كيف يبدو المجال المغناطيسي؟
نعرض المجال المغناطيسي حول مصفوفة هالباخ المصممة حديثاً باستخدام محاكاة تحليل العناصر المحدودة.
مغناطيس الثلاجة المشترك:
ربما يكون المثال الأكثر شيوعاً لمصفوفة (Halbach) هو مغناطيس الثلاجة المرن. غالباً ما تتم طباعة هذه المغناطيسات الرفيعة والمرنة لاستخدامها كمغناطيس للثلاجة أو على ظهور السيارات. إنّها أضعف بكثير من مغناطيس النيوديميوم” فقط (2 – 3٪) من القوة”، لكنّها غير مكلفة ومفيدة في هذا التطبيق.
كيف تستخدم مصفوفة هالباخ في المحركات الكهربائية؟
على الرغم من أنّ المحركات الكهربائية القائمة على مصفوفة (Halbach) ليست سائدة بعد، فإنّها تقدم مزايا قابلة للقياس مقارنة بالتصاميم التقليدية، بما في ذلك كثافة الطاقة العالية والكفاءة العالية.
أحد العوامل المساعدة لهذه الفوائد هو أنّ محرك مصفوفة (Halbach) لا يتطلب تصفيحاً أو حديداً خلفياً، وبالتالي فإنّ المحرك خالٍ من الحديد بشكل أساسي. هذا يقلل بشكل كبير من خسائر التيار الدوامي وخسائر التباطؤ، يشار إليها غالباً باسم “خسائر الحديد” أو “الخسائر الأساسية”.
ومع ذلك، تظل تيارات إيدي (Eddy currents) أو التيار الدوامي، وبالتالي خسائر التيار الدوامي، في اللفات، بسبب الحركة النسبية بين اللفات والمجال المغناطيسي. يمكن تقليلها باستخدام نوع من الأسلاك، يُشار إليه باسم سلك (Litz).
يؤدي التخلص من الحديد الخلفي أو التصفيح أيضاً إلى تقليل الوزن والقصور الذاتي، مما يسمح للمحرك بالبدء والتوقف بشكل أسرع والوصول إلى سرعات أعلى (10000 دورة في الدقيقة أو أكثر) للتطبيقات الديناميكية للغاية.
لماذا في بعض الأحيان لا نحتاج مصفوفة هالباخ؟
من المثير للاهتمام كيف تتفاعل المجالات المغناطيسية، ويرى بعض الناس أنّه يجب أن يكون لديهم أقوى تكوين ممكن. إذا كنت مهتماً أكثر بقوة سحب المغناطيس، فقد لا تكون مصفوفة (Halbach) هي الحل الأفضل. إذا كنت تريد أكبر قوة سحب على سطح صلب، فهناك خيارات أقوى.
تذكر أنّ هذه المصفوفات صُممت في الأصل لإنشاء مجال مغناطيسي قوي حقاً بالتناوب على جانب واحد لتوجيه شعاع من الإلكترونات، وليس لإيجاد طريقة أقوى للالتصاق بسطح فولاذي.
من حيث قوة السحب وقوة المجال، دعنا نقارن:
- مصفوفة “هالباخ” تتكون من خمسة مكعبات بوصة، باستخدام نفس مغناطيس (B888-2PA-N52) و(B888-2PE-N52).
- مصفوفة من خمسة مكعبات مقاس (½) مكعبات، جميعها شمالاً لأعلى “يعمل هذا مثل مغناطيس واحد كبير”.
- مصفوفة من خمسة مكعبات مقاس (½) بوصة، قطبية متناوبة أي “المغناطيس الأول يواجه الشمال لأعلى، والمغناطيس الثاني يواجه الجنوب لأعلى، والمغناطيس الثالث يواجه الشمال” وهكذا.
- مغناطيس تركيب بحجم مماثل، مع مغناطيس واحد وكوب أو قناة فولاذية حوله لإعادة توجيه المجال المغناطيسي من الجانب الخلفي للمغناطيس، يشبه (MMR-A-Y8) إلى حد كبير المصفوفة التي كنا نتحدث عنها.
تم سحب مصفوفة (Halbach) “على الجانب القوي” بحوالي (72) رطلاً من القوة. على الرغم من قوتها، فإنّ مجموعة من (5) مغناطيسات مرتبة مع مواجهة جميع أقطابها الشمالية لأعلى تكون أقوى قليلاً، عند (77) رطلاً. من خلال إعداد اتجاهات المغناطيس في نمط متناوب “شمال – جنوب – شمال – جنوب”، وجدنا المزيد من القوة بقياس (88) رطلاً.
إذا كان هدفك هو الالتصاق بسطح فولاذي، فهناك خيار أفضل، وهو المغناطيس التركيب. تستخدم مغناطيسات التركيب قناة فولاذية أو كوب لإعادة توجيه المجال المغناطيسي من الجانب الخلفي لمغناطيس واحد، مما يضاعف تقريباً قوة السحب التي قد تتوقعها من المغناطيس وحده.
قياس مغناطيس (MMR-A-Y8) يبلغ (84) رطلاً. نظراً لأنّ المغناطيس أرق، فقد تبين أنّه الحل الأقل تكلفة. إنّه يوفر قوة مماثلة باستخدام مغناطيس أصغر بكثير.
أنواع مصفوفة هالباخ:
أسطوانات وحلقات هالباخ – Halbach Cylinders and Rings:
يمكن أيضاً تكوين مصفوفات (Halbach) في أشكال أخرى. يمكن استخدام مغناطيس حلقي بمغنطة متعددة الأقطاب أو حلقة مكونة من مقاطع قوس أصغر بهذه الطريقة. سوف ينتج عن تكوينات المغناطيس المختلفة اتجاهات وقوة مختلفة للمجال المغناطيسي داخل الفتحة.
أسطوانة (Halbach) عبارة عن مجموعة (Halbach) دائرية تتكون من عدة مقاطع مغناطيسية شبه منحرفة أو على شكل قوس مع متجهات اتجاه مغناطيسي تدور من أجل تركيز المجال. يتم بناؤها بشكل روتيني في رباعي الأضلاع (quadrupole)، “هيكسابول” (sextupole)، “سكستوبول” (octupole)، ثماني الأقطاب وتكوينات مغناطيسية أخرى.
بشكل عام، كلما زاد عدد المغناطيسات المنفصلة مع العدد المقابل من زوايا المتجهات المغناطيسية، زاد اتساق المجال عبر القطر الداخلي لتجميع (Halbach). تُستخدم أسطوانات (Halbach) في أجهزة الرنين المغناطيسي النووي، والمحركات المتطورة عالية العزم، وتركيز الحزمة، ومعدات البحث وفصل الجسيمات المغناطيسية للتطبيقات الصناعية وعلوم الحياة والبحث والتطوير والتطبيقات الطبية.
مصفوفة هالباخ الخطية المستوية:
تتكون مصفوفات “هالباخ” الخطية من مغناطيسات دائمة مستطيلة منفصلة ومثبتة على لوح خلفي مغناطيسي حديدي بتوجهات مغناطيسية مختلفة تعمل على تركيز المجال على جانب واحد من المصفوفة، مما ينتج عنه مجال مغناطيسي شبه جيبي موحد وقوي. يمكن أيضاً استخدام المصفوفات الخطية المستوية في تكوين المقرن لإنتاج مجال جيبي قوي جداً في الفجوة.
تنتج أنواع مختلفة من مصفوفات “هالباخ” الخطية المستوية التي تُستخدم في مسرعات الجسيمات وليزر الإلكترون الحر والمحركات الخطية القوية للغاية والمزيد في التطبيقات الصناعية وعلوم الحياة والبحث والتطوير والتطبيقات الطبية.
التجميعات المغناطيسية من نوع هالباخ:
بالإضافة إلى مصفوفات “هالباخ” الخطية والاسطوانية، نقوم بتصميم وبناء تجميعات مغناطيسية متعددة المستويات من نوع “هالباخ” في تكوينات متعددة الأقطاب مع أنماط توجيه مغناطيسي متغيرة للتطبيقات الصناعية والعلمية والطبية. تنتج هذه التجميعات المعقدة تركيزات مجال مغناطيسي عالية للغاية وتوحيد عالي.
