Das Halbach-Array ist nach seinem Schöpfer Klaus Halbach benannt, einem Physiker in der technischen Abteilung der Berkley Labs. Der ursprüngliche Zweck des Arrays bestand darin, den Strahlfokussierungsprozess in Teilchenbeschleunigern zu unterstützen. Ein Halbach-Array ist eine Anordnung von Magneten, die den magnetischen Fluss in einem bestimmten Bereich verstärken soll.
Mit Ausnahme der beiden Enden soll eine lineare Anordnung von Permanentmagneten auf einer Seite ein Flussfeld erzeugen und dieses auf der anderen Seite nahezu aufheben. Das Magnetisierungsmuster wird durch die Pfeile und das Flussfeld angezeigt.
Eine typische Anordnung im Halbach-Array besteht darin, dass die Magnete so ausgerichtet sind, dass sie das Feld auf der Oberseite der Scheibe verstärken und es unterhalb der Scheibe aufheben, um so ein Netto-Axialflussfeld bereitzustellen.
Unten sehen Sie die Querschnittsansicht eines Dipols, der aus einem Halbach-Array aufgebaut ist. Es zeigt auch die Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagnete, aus denen die Anordnung besteht. Das Design erzeugt ein gleichmäßiges, vertikal ausgerichtetes Nettofeld innerhalb des Arrays sowie eine nahezu vollständige Auslöschung des Feldes außerhalb des Arrays. Mithilfe der Halbach-Arrays wurden schnell Elektromotoren mit hervorragender Leistung und Effizienz für eine Vielzahl von Anwendungen entwickelt. Gallo hat einen typischen bürstenlosen Gleichstrommotor mit Axialfeld und einer Permanentmagnetscheibe entwickelt. Thompson hat analytische Formeln für die Flussfeldlösungen für eine axiale Halbach-Anordnung von Permanentmagneten erstellt.
Die elektromagnetische Leistung einer bürstenlosen Maschine mit einer Halbach-Anordnung von Permanentmagneten muss mithilfe eines einfachen und präzisen Analysemodells sowie eines physikalischen Verständnisses der Beziehung zwischen Parametern und Leistung vorhergesagt und optimiert werden. Um das durchschnittliche Ausgangsdrehmoment für verschiedene Eingangsströme zuverlässig vorherzusagen, muss ein analytisches Modell für die Feldverteilungen erstellt werden, die von einer Halbach-Anordnung von Permanentmagneten erzeugt werden. Durch die Wechselwirkung von elektrischen Strömen und magnetischen Feldern erzeugen alle Motoren ein Drehmoment. Die „Lorentzkraft“ bezeichnet die Kraft, die in einem elektromagnetischen Feld auf ein geladenes Teilchen wirkt.
Die Einwirkung eines Magnetfelds auf einen stromdurchflossenen Leiter begrenzter Länge erzeugt eine Nettokraft, da der Stromfluss in einem Leiter durch die kontinuierliche Bewegung elektrischer Ladung verursacht wird. Ein Nettodrehmoment wird erzeugt, indem zwei Leiter so angeordnet werden, dass ihre jeweiligen Kräfte in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind, aber dennoch einen Abstand voneinander haben. Durch das Drehmoment dreht sich der Anker. Das Lenzsche Gesetz, nach dem der Bewegung des Ankers ständig die induzierte EMF entgegenwirkt, ist ein weiteres wichtiges Gesetz in Bezug auf Elektromotoren. Infolgedessen sind das elektromagnetische Feld und die Drehung des Ankers die Quellen der Gegen-EMK. Daher sind die Stärke und Variabilität des Magnetfelds entscheidende Faktoren für die Funktionsfähigkeit eines Motors.
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