Матрица Хальбаха — это расположение постоянных магнитов, которое создает более сильное поле с одной стороны, одновременно уменьшая поле с другой стороны почти до нуля. Это достигается путем ориентации магнитов таким образом, чтобы их полюса не совпадали по фазе, обычно на 90 градусов. Эта ориентация по существу перенаправляет магнитное поле под структурой (“нерабочая” поверхность) в плоскость над структурой (“рабочая” поверхность), усиливая магнитное поле рабочей поверхности и уменьшая поле нерабочей поверхности почти до нуля.

Эффект вращения постоянных магнитов, создающий сильное поле с одной стороны и практически нулевое поле с другой, иногда называют “односторонним потоком”, и его первооткрыватель Джон Маллинсон в 1970-х годах считал курьезом. Но в 1980-х годах Клаус Хальбах из Berkeley Labs заново открыл это явление и создал то, что сейчас известно как матрицы Хальбаха, используя их для фокусировки и направления пучков в ускорителях частиц.

Матрицы Хальбаха в электродвигателях

В дополнение к линейным или плоским конфигурациям, матрицы Хальбаха также могут быть сконфигурированы в круглых или цилиндрических конфигурациях, при этом магнитное поле концентрируется либо на внешнем, либо на внутреннем диаметре. Электродвигатель может быть сконструирован с использованием цилиндрической матрицы Хальбаха, с магнитным полем, направленным внутрь цилиндра, и обмотками, расположенными в магнитном в поле.

Матрица Хальбаха может быть использована в статоре, тогда на роторе будут располагаться вращающиеся обмотки, либо матрица Хальбаха может находиться на роторе, тогда обмотки электродвигателя будут располагаться на статоре. В последней конфигурации, которую иногда называют конструкцией “наизнанку”, обмотки статора будут электрически коммутироваться, и двигатель может работать как бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC motor) или как бесщеточный двигатель переменного тока (BLAC) (также называемый синхронный двигатель с постоянным магнитом или PMSM).

Преимущества электродвигателей с матрицей Хальбаха

Несмотря на то, что электродвигатели на базе матриц Хальбаха еще не получили широкого распространения, они обладают ощутимыми преимуществами по сравнению с традиционными конструкциями, включая высокую плотность мощности и КПД.

Одним из факторов, способствующих этим преимуществам, является то, что двигатель с матрицей Хальбаха не требует ламинированной электротехнической стали для замыкания магнитного потока (т.к. магнитный поток сконцентрирован в рабочей зоне), поэтому двигатель практически содержит меньше электротехнической стали. Это значительно снижает потери на вихревые токи и гистерезисные потери, которые часто называют “потерями железа” или “потерями сердечника”.

Вихревые токи и, следовательно, потери на вихревые токи, однако, остаются в обмотках из-за относительного движение между обмотками и магнитным полем. Их можно уменьшить, используя тип проволоки, называемый “проводом Литца”.

Отсутствие железа для замыкания магнитного потока или ламинатов также снижает вес и инерцию, позволяя двигателю быстрее запускаться и останавливаться и достигать более высоких максимальных оборотов (10 000 об / мин или более) для высокодинамичных применений.

Провод Литца состоит из индивидуально изолированных жил, которые заплетены или сплетены вместе таким образом, чтобы свести к минимуму собственную индуктивность провода.

Недостатки электродвигателей с матрицей Хальбаха

Основным недостатком двигателей с матрицей Хальбаха является стоимость. Поскольку магниты расположены так, что каждый из них отталкивает своего соседа, процессы сборки магнитов и обеспечения достаточного количества клея или другого надежного способа крепления являются относительно трудоемкими.