Nam châm được sử dụng trong tất cả các loại công nghệ hiện đại. Chúng cung cấp năng lượng cho động cơ điện, thiết bị y tế và thiết bị khoa học công nghệ cao. Trong số tất cả các loại nam châm khác nhau, mảng Halbach là độc đáo vì nó tối ưu hóa cường độ và hướng của trường từ. Mảng Halbach lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà vật lý Klaus Halbach vào những năm 1980. Đây là một cách sắp xếp các nam châm vĩnh cửu nhằm tối đa hóa hiệu quả từ trường bằng cách tập trung trường ở một phía và giảm thiểu ở phía kia. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các nguyên lý đằng sau mảng Halbach, các cấu hình khác nhau của chúng và cách chúng được sử dụng trong ngành công nghiệp.

Mảng Halbach là một cách sắp xếp cụ thể của các nam châm vĩnh cửu tạo ra một trường từ mạnh mẽ, hướng đơn. Nguyên lý cơ bản là bạn muốn củng cố trường từ ở một phía của mảng trong khi gần như triệt tiêu nó ở phía còn lại. Bạn tạo ra một phân bố trường không đối xứng. Cách thực hiện điều này là bằng cách căn chỉnh các mô men từ của các nam châm sao cho chúng khuếch đại flux từ ở một phía và giảm thiểu nó ở phía kia.

• Sắp xếp hình học: Khác với các mảng truyền thống, nơi các mô men từ đều được xếp theo một hướng, các nam châm trong mảng Halbach được sắp xếp theo một mẫu quay không gian. Cách sắp xếp này tập trung trường từ ở một phía của mảng.
• Căn chỉnh mô men từ: Các nam châm được định hướng sao cho mô men từ của chúng củng cố lẫn nhau ở một phía của mảng và triệt tiêu nhau ở phía còn lại.
• Lưu lượng một phía: Sự tập trung của trường có nghĩa là mảng Halbach có thể tạo ra trường từ mạnh hơn so với mảng thông thường. Điều này làm cho nó rất hiệu quả cho các ứng dụng cần một trường mạnh, tập trung.

John C. Mallinson đã quan sát thấy cách sắp xếp này vào năm 1973. Ông nghĩ nó thú vị nhưng không có ý tưởng về cách sử dụng nó. Sau đó, vào những năm 1980, Klaus Halbach đã độc lập phát hiện lại cấu hình này và áp dụng nó vào các gia tốc hạt. Nó đã cải thiện đáng kể việc tập trung và điều hướng chùm tia.

Các mảng Halbach có nhiều cấu hình khác nhau phù hợp với các ứng dụng và tiêu chí hiệu suất cụ thể.

Mảng tuyến tính: Một hàng thẳng của các nam châm. Bạn thấy điều này trong các động cơ và máy phát tuyến tính.

Mảng hình tròn: Các nam châm được sắp xếp theo hình tròn. Bạn có một trường từ hướng tâm, rất phù hợp cho các thiết bị quay.

Mảng hình trụ: Các nam châm được sắp xếp xung quanh một hình trụ. Trường từ có thể tập trung bên trong hoặc bên ngoài hình trụ, tùy thuộc vào cách các nam châm được định hướng. Loại này thường được sử dụng trong các động cơ không chổi than để tăng mô-men xoắn và hiệu quả.

Mảng hình cầu: Một mảng Halbach ba chiều. Trường từ trường đồng nhất bên trong quả cầu. Điều này hữu ích cho các thí nghiệm khoa học yêu cầu một trường từ tính đồng hướng.

Mảng Phẳng: Một mảng Halbach phẳng, hai chiều. Thường được sử dụng trong các ứng dụng cần một trường từ tập trung, như cảm biến hoặc bộ truyền động.

Mảng Phân đoạn:: Mảng này có thể tùy chỉnh vì nó được chia thành các đoạn. Bạn có thể kiểm soát cường độ và hướng của trường từ bằng cấu hình này.

Đây là các loại mảng Halbach có sẵn để giúp bạn đáp ứng nhu cầu cụ thể của mình.

Cường độ của một mảng Halbach phụ thuộc vào loại nam châm bạn sử dụng, cách sắp xếp chúng, và mục đích sử dụng. Một mảng Halbach nổi tiếng với khả năng tập trung cường độ của trường từ vào một phía. Điều này có nghĩa nó có thể có mật độ flux từ cao hơn nhiều so với cách sắp xếp nam châm truyền thống.

Về mặt đo lường cường độ, một mảng Halbach có thể có mật độ flux cao hơn, được đo bằng đơn vị Tesla (T) hoặc Gauss (G). Vì mảng Halbach có thể tập trung trường từ vào một phía, nó là giải pháp tuyệt vời cho các ứng dụng cần cường độ từ trường cao như hệ thống từ trường nâng hoặc gia tốc hạt.

.

Các mảng Halbach được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau vì chúng có thể tập trung và kiểm soát trường từ rất chính xác.

1. Động cơ và máy phát điện: Các mảng Halbach được sử dụng để làm cho động cơ và máy phát điện mạnh hơn. Chúng tập trung trường từ nơi cần thiết, giúp động cơ hoặc máy phát điện hiệu quả hơn và có công suất lớn hơn. Các động cơ không chổi than xoay chiều (AC) hưởng lợi từ cách sắp xếp hình trụ vì nó giúp giảm thiểu các trường từ lạc hướng, từ đó tăng mô-men xoắn.
2. Giao thông từ trường: Các tàu Maglev sử dụng mảng Halbach để đạt tốc độ cao, di chuyển không ma sát. Dòng flux một phía của mảng Halbach tạo ra một trường từ mạnh mẽ nâng tàu khỏi đường ray và đẩy nó về phía trước. Công nghệ này giảm mài mòn cho tàu và đường ray, làm cho phương tiện di chuyển mượt mà và nhanh hơn. Tàu Maglev ở Việt Nam, giữ kỷ lục thế giới về tốc độ tàu cao nhất là 361 mph, sử dụng mảng Halbach.
3. Máy MRI: Trong lĩnh vực y tế, các mảng Halbach được sử dụng để cải thiện hiệu suất của máy MRI. Các mảng tạo ra các trường từ mạnh, cục bộ, giúp cải thiện chất lượng hình ảnh và giảm thời gian quét. Điều này làm cho quá trình trở nên hiệu quả hơn.
4. Tuabin gió: Các mảng Halbach ngày càng được sử dụng trong các máy phát điện tuabin gió để cải thiện hiệu quả chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng. Bằng cách tập trung trường từ, bạn có thể thu được nhiều năng lượng hơn từ gió, làm cho năng lượng gió trở thành nguồn năng lượng tái tạo khả thi hơn.
5. Dụng cụ khoa học: Các mảng Halbach được sử dụng trong các dụng cụ khoa học tiên tiến như laser electron tự do (FEL) và synchrotron. Trong FEL, trường từ từ mảng Halbach khiến các chùy electron “lắc lư,” tạo ra bức xạ synchrotron rất mạnh. Bức xạ này được sử dụng trong nhiều nghiên cứu khoa học và y học.

Mảng Halbach có nhiều ưu điểm so với các sắp xếp nam châm truyền thống:

• Tăng cường Cường độ Từ: Vì trường từ tập trung vào một phía của mảng, bạn có thể đạt được mức độ tập trung từ cao hơn nhiều. Điều này giúp các hệ thống như động cơ, máy MRI và tàu maglev hoạt động tốt hơn.
• Kiểm soát Hướng: Các mảng Halbach cung cấp khả năng kiểm soát chính xác hướng của trường từ. Điều này quan trọng khi bạn cần một trường từ tập trung cho ứng dụng của mình.
• Hiệu quả: Các mảng Halbach nhỏ gọn và nhẹ. Điều này làm cho chúng lý tưởng cho các ứng dụng cần hiệu quả và hạn chế không gian.
• Giảm Trường Từ Ngoài: Khả năng ức chế trường từ trên một phía của mảng cho phép bạn giảm thiểu các trường từ ngoại lai. Điều này tăng hiệu quả và an toàn cho nhiều ứng dụng như động cơ và ổ đỡ từ.

Mảng Halbach là một cấu hình từ trường độc đáo và mạnh mẽ được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Nó được sử dụng trong động cơ điện, tàu maglev, máy MRI và nghiên cứu khoa học. Khả năng tập trung và kiểm soát trường từ với độ chính xác cao khiến các mảng Halbach trở thành công cụ quan trọng trong công nghệ hiện đại. Khi các nhà nghiên cứu và kỹ sư tiếp tục tìm ra cách mới để sử dụng và cải tiến cấu hình này, vai trò của các mảng Halbach sẽ tiếp tục phát triển và thúc đẩy đổi mới cũng như hiệu quả trong các hệ thống từ.