偶极子、Halbach阵列和Stelter阵列：磁性材料的奥秘

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@小白创作中心

偶极子、Halbach阵列和Stelter阵列：磁性材料的奥秘

引用

来源

https://www.dextermag.com/zh-CN/products/magnetic-assemblies/dipoles-halbach-stelter-arrays/

磁性材料在现代科技中扮演着重要角色，从计算机硬盘驱动器到核磁共振成像（MRI）设备，都离不开磁性材料的应用。本文将介绍偶极子、Halbach阵列和Stelter阵列的基本原理、应用场景和材料选择，帮助读者深入了解磁性材料的奥秘。

偶极子

偶极子由一对跨越间隙的磁铁组成。它们有多种形状/尺寸，磁铁通常安装在钢架（也称为磁轭）上以提高磁效率、磁屏蔽和/或机械强度。当应用程序需要特定体积的特定磁场强度和均匀性时，使用偶极子。极片有时用于增强间隙内的均匀性。

在磁性材料领域，偶极子的设计需要考虑多个因素：

磁场强度：场强范围可达3.0特斯拉（30,000高斯）。通常，较高的场与较小的气隙相关联。
尺寸和空间限制：较大的气隙通常与较高的均匀性相关。
环境条件：偶极子是否需要在高温、低温、真空或腐蚀性环境中使用。

应用场景

偶极子广泛应用于多个领域：

校准/初始化磁传感器
擦除计算机硬盘驱动器
定向磁性材料薄层，因为它们沉积为薄膜
转移或聚焦带电粒子束

材料选择

钕铁硼（NdFeB）和钐钴（SmCo）：在需要大磁场时使用。
硬铁氧体：如果成本比大磁场更重要。
铝镍钴（Alnico）：如果要在高温环境（> 300°C）中使用。

常见问题

最强磁场：目前可产生的最强磁场是跨越3毫米气隙的30,000特斯拉（5高斯）。
最大尺寸：迄今为止最大的磁铁是立方体形状，每边约2米。
高温应用：Alnico材料通常用于高温应用。如果Alnico材料不够坚固，则应将偶极子设计在烤箱外部周围。

原型开发

可行性研究：不需要进行可行性研究。
设计时间：典型设计时间为1-2天。
材料获取和构建时间：如果材料可用，两周；如果材料不可用，六到八周。

Halbach/Stelter阵列

Halbach/Stelter偶极子是专门的偶极子，可以在大面积上产生大的和/或均匀的磁场。磁场强度可以超过磁性材料的剩磁（剩磁）。我们制造的偶极子可产生高达3.0特斯拉（30,000高斯）的磁场。

原理与应用

Halbach阵列和Stelter阵列偶极子用于需要非常强磁场的地方。当性能/均匀性是关键要求时，使用Halbach。Stelter偶极子具有成本效益，但不会产生均匀的场。

加州大学劳伦斯伯克利实验室教授克劳斯·哈尔巴赫（Klaus Halbach）是将永磁体应用于全球加速器和同步加速器光项目的创新者。他的创新工作背后的原理是叠加。叠加定理指出，由几个独立物体贡献的空间点的力分量将代数相加。

仅当使用矫顽力几乎等于剩余磁感应的材料时，才有可能将该定理应用于永磁体。虽然铁氧体磁铁具有此特性，但以这种方式使用这种材料并不实用，因为简单的铝镍钴磁铁可以以较低的成本提供更强的磁场。诸如Sm-Co和Nd-Fe-B等高剩余磁感应稀土磁体的出现使得叠加的使用变得实用且负担得起。这些材料允许在小体积内产生强磁场，而无需电磁铁的能量需求。电磁体的缺点是电绕组占用空间，并且需要散发线圈产生的热量。

当Halbach博士追求叠加的“高端”应用时，Dexter的Dick Stelter将该定理用于商业应用。Halbach教授使用“魔环”偶极子在圆形孔径中产生强场。在这个装置中，梯形磁铁组装成一个环。每个梯形磁铁的方向使得环的每一半中的磁矢量连续旋转，对于无限长的环，孔径中的场强与OD与ID之比的自然对数成正比。

Stelter阵列使用最少数量的矩形磁铁形状在矩形孔径中达到所需的结果。对于Stelter阵列，关系相似，内部场与外周与内周比的自然对数成正比。使用矩形形状还允许“助焊剂装瓶”来塑造内部场。在气隙范围内通常可以产生超过2-3T的高度均匀磁场，基于获得专利的Stelter阵列的Dexter应用包括用于NMR/MRI的偶极子、“开放式”NMR、质谱仪、溅射磁控管、硬盘擦除器、微型旋转执行器、批量擦除工具等等。