مصفوفة هالباخ: ما هي وكيف يتم استخدامها

مقدمة إلى مصفوفات هالباخ

صفيف هالباخ هو تكوين غير شائع للمغناطيس الدائم. وهي مصممة بحيث يقدم وجه واحد من الجهاز مجالاً مغناطيسياً قوياً جداً ويقدم الوجه المقابل مجالاً مغناطيسياً ضعيفاً جداً. وقد استخدم التصميم في العديد من التطبيقات الهندسية. الفكرة بسيطة لكنها فعالة. فمن خلال انعكاس مغنطة كل مغناطيس داخل الترتيب، توجه المصفوفة المجال المغناطيسي في اتجاه واحد. هذا هو التصميم الذي يساعد في تقليل التداخل المغناطيسي غير المرغوب فيه في المعدات القريبة. وعادةً ما يكون الجانب الوظيفي هو الجانب المهيمن الذي يستخدم لنقل الطاقة أو إنشاء الحركة.

مبادئ مغنطة صفيف هالباخ المغناطيسية

يكمن مفتاح مصفوفة هالباخ في كيفية ترتيب المغناطيسات.

يشير كل مغناطيس في المصفوفة في اتجاه معين. عندما تكون المغناطيسات مرتبة جنبًا إلى جنب، تتجمع مجالاتها على جانب واحد وتُلغى على الجانب الآخر. وينتج عن ذلك مجال مغناطيسي قوي في الاتجاه المطلوب. فكِّر في الأمر على أنه رقصة خطية يتم فيها وضع كل خطوة لتكوين الحركة الصحيحة. تعتمد قوة المجال الناتج على حجم المغناطيس وشكله واتجاهه. في مرحلة التصميم، يتعين على المهندسين التوصل إلى الزوايا اللازمة لكل مغناطيس. ويقلل هذا الترتيب من الحاجة إلى التدريع المغناطيسي الإضافي في الأجهزة. ومن منظور علمي، تعمل المصفوفة على تعزيز كثافة التدفق المغناطيسي على جانب واحد ولكنها تقلل من كثافته على الجانب الآخر. ويعتبر هذا الإعداد ذا قيمة في معظم مجالات الفيزياء والتصميم الهندسي الميكانيكي.

مصفوفات هالباخ: الخطية والأسطوانية

هناك نوعان رئيسيان من مصفوفات هالباخ التي يستخدمها المصممون: المصفوفات الخطية والمصفوفات الأسطوانية. في مصفوفات هالباخ الخطية، تصطف المغناطيسات بطريقة خطية. ويستخدم هذا عادةً في التطبيقات المسطحة أو أحادية البعد. على سبيل المثال، في تطبيق أنظمة النقل أو سيور النقل، حيث تقوم المصفوفة الخطية بتوجيه القوى المغناطيسية تحت الإدارة.

ومن ناحية أخرى، تقوم مصفوفة هالباخ الأسطوانية بمحاذاة المغناطيسات في اتجاه دائري.

وهذا أمر شائع في المولدات والمحركات الكهربائية. ينتج الاتجاه الدائري مجالًا متوازنًا بالتساوي خارج الأسطوانة مع استمرار تقارب المجال على نقطة واحدة. يمكن ترجمة الترتيب الأسطواني بسهولة إلى أنظمة يكون فيها الدوران هو المكون الرئيسي. في أي من التهيئتين، يكون الاتجاه الدقيق للمغناطيس هو المحدد لإنشاء تأثيرات المجال المطلوب. يتم تحديد النوع من قبل المهندسين اعتمادًا على متطلبات التطبيق المحددة والمساحة المتاحة.

خصائص المجال المغناطيسي وفوائده

يتميز المجال المغناطيسي الناتج عن مصفوفة هالباخ ببعض الخصائص المهمة.

أولاً، إنه اتجاهي بشدة. ينتج جانب واحد من المصفوفة مجال مغناطيسي قوي ومركّز. والجانب الآخر له مجال منخفض. وهذه خاصية مفيدة في معظم التصميمات لأنها تقلل من القوى المغناطيسية الشاردة. والحصول على مجال مركّز يعني أداء أفضل في المعدات مثل المحركات الكهربائية. ميزة أخرى هي أن هذا التصميم يمكن أن يقلل من فقد الطاقة في أنظمة الاقتران المغناطيسي. كما أن سهولة وجود مجال قوي من جانب واحد يسمح للمهندسين بتصميم معدات فعالة ومضغوطة على حد سواء.

على سبيل المثال، في غالبية المولدات الحديثة، توفر مصفوفة هالباخ في غالبية المولدات الحديثة انخفاض الطلب على التدريع المغناطيسي الخارجي. ويعني تساوي المجال على الجانب النشط أنه سيكون هناك طاقة مهدرة أقل. وفي بعض التطبيقات، يمكّن هذا الترتيب الأجهزة من العمل بشكل أكثر برودة وبإخراج طاقة أعلى. وتؤهل هذه الخصائص مصفوفة هالباخ كحل مفضل في البيئات عالية الدقة حيث يجب إدارة المجال المغناطيسي.

مصفوفات هالباخ في الأجهزة اليومية

توجد مصفوفات هالباخ في العديد من الأجهزة العلمية والهندسية الشائعة.

وهي تشكل مكونًا مهمًا في معظم المحركات الكهربائية. في الأجهزة، يتم استخدام المجال المغناطيسي في تطوير قوة الدوران. وتوجد مصفوفات هالباخ الأسطوانية في المولدات التي تتطلب خرجًا كهربائيًا ثابتًا. في أنظمة النقل بالارتفاع المغناطيسي مثل بعض أنظمة القطارات المتقدمة، يتم تكليف المصفوفات الخطية بالسفر السلس دون تلامس. يعمل المجال المغناطيسي العالي على جانب واحد على تعليق القطار والمجال السفلي في الأسفل على تقليل الاحتكاك. كما تعتمد المحامل المغناطيسية، التي يمكن للمكونات أن تدور تحتها بمقاومة ضئيلة للغاية، على مصفوفات هالباخ.

ويساعد المجال أحادي الجانب في الحفاظ على توازن النظام وإبقاء فقدان الطاقة في الأنظمة منخفضاً. وتستخدم الأوساط الطبية من وقت لآخر مصفوفات هالباخ في معدات التصوير لتوليد حقول مركزة ولكن مركزة. وحتى المختبرات البحثية تستخدم هذه المصفوفات في التجهيزات التجريبية التي تحتاج إلى مناطق مغناطيسية محتواة لإجراء قياسات دقيقة. وبفضل فوائدها مثل تقليل المجالات الشاردة وزيادة تركيز الطاقة، فإن مصفوفات هالباخ تفي بوعدها في مجموعة واسعة من التطبيقات في العالم الحقيقي.

الخاتمة

تعد مصفوفة هالباخ مثالاً رائعًا على كيف يمكن لفكرة بسيطة أن تؤدي إلى مجموعة متنوعة من الاستخدامات المفيدة. فمن خلال التوجيه الدقيق للمغناطيسات، ينتج مجال مغناطيسي قوي أحادي الجانب، مما يؤدي إلى الحفاظ على الطاقة والكفاءة. ولهذا الترتيب فوائد واضحة في أنظمة الرفع المغناطيسي والمحركات الكهربائية وغالبية المعدات البحثية. يحافظ الهيكل على الحاجة إلى تدريع مغناطيسي إضافي إلى الحد الأدنى ويعزز أداء الجهاز بشكل عام.

الأسئلة المتداولة

س: كيف تعمل مصفوفة هالباخ؟

س: يتم تصفيف المغناطيسات في تسلسل متناوب يؤدي إلى إبطال جانب واحد من المجال وزيادة الجانب الآخر.

و: ما هي الاستخدامات النموذجية لمصفوفات هالباخ؟

س: تُستخدم في المحركات والمولدات والرفع المغناطيسي وأجهزة التصوير.

و: هل يمكن لمصفوفة هالباخ زيادة الكفاءة في النظام؟

س: نعم. تزيد المصفوفات من وظيفة حفظ الطاقة وتقلل من تداخل المجال المغناطيسي الشارد.

مرجع:

[1] هام، تشان وكو، وون ولين وكو وجو، يونغ هون. (2013). دراسة مصفوفة مغناطيسية هجينة للتحكم في ماغليف الكهروديناميكي. مجلة المغناطيسية. 18. 10.4283/JMAG.2013.18.3.370.