Conceito de projeto de componente magnético de ressonância magnética Halbach e análise de otimização de campo magnético

14 de julho de 2025

No projeto de componentes magnéticos de ressonância magnética, a intensidade e a uniformidade do campo magnético são indicadores críticos de desempenho. Por meio de análise teórica e modelagem de simulação, os principais fatores que influenciam o desempenho do campo magnético podem ser resumidos da seguinte forma:

1. Projeto de Padrão de Magnetização

Este componente adota um arranjo de magnetização NS alternada (ver Figura 1). Embora esse arranjo resulte em um campo magnético de superfície ligeiramente menor em comparação com a estrutura Halbach tradicional, ele oferece transições de campo magnético mais suaves, o que é benéfico para a uniformidade e o controle do campo. Uma estrutura magnética de 12 segmentos é utilizada (Figura 2), confirmada por resultados de simulação e referências bibliográficas. Estudos futuros compararão essa estrutura com uma estrutura de 16 segmentos por meio de testes reais.

2. Design do tamanho do ímã: diâmetro interno e externo

Os diâmetros interno e externo dos ímãs afetam significativamente a intensidade do campo magnético:

UM diâmetro interno menorresulta em um campo magnético mais altoe é o parâmetro chave para ajuste.
Enquanto aumentando o diâmetro externomelhora o campo magnético inicialmente, o benefício diminui além de um certo ponto, e o tamanho excessivo leva ao desperdício de material.

Portanto, é aconselhável seguir a diretriz comum de proporção de aspecto do ímã: comprimento/diâmetro > 0,5, de preferência > 0,7, para encontrar um equilíbrio entre desempenho e custo.

3. Efeito de altura do ímã

A altura do ímã influencia tanto a intensidade quanto a uniformidade do campo. Devido a limitações de fabricação, ímãs individuais não conseguem atingir a altura desejada, portanto, um estrutura de pilha segmentada é usado para reforçar o design.

4. Desempenho e estabilidade do ímã

Considerando o ambiente operacional, os ímãs devem apresentar resistência térmica estável. Este projeto utiliza ímãs classificados para 100°C para garantir uma operação confiável a longo prazo.

5. Controle de ângulo de desvio magnético

O desvio no ângulo de magnetização (ângulo de desvio magnético) afeta a uniformidade do campo. A maioria dos ímãs é carregada em um ângulo, o que exige alta precisão. Otimizamos o processo de produção para controlar o desvio angular dentro de limites aceitáveis.

6. Manipulação de lacunas de montagem em matrizes magnéticas circulares

Cada camada do anel magnético consiste em 12 segmentos magnéticos dispostos em círculo. A precisão dessas juntas afeta diretamente o campo magnético. Para reduzir o erro cumulativo:

Nós par de ímãs de tolerância negativa e positivapara melhor alinhamento.
Nós controlamos rigorosamente desvio angularde cada peça para minimizar erros de montagem.

7. Controle de planura da pilha

Superfícies desiguais nas extremidades dos anéis magnéticos empilhados criam lacunas na instalação e prejudicam a uniformidade do campo magnético. Utilizamos retificadoras para processar ambas as faces dos anéis magnéticos para garantir:

Superfícies planas;
Faces finais paralelas;
Integração de empilhamento rigorosa.

8. Ângulo de instalação e alinhamento do eixo central

O alinhamento preciso entre os anéis magnéticos é necessário para evitar o desalinhamento direcional, que pode desestabilizar o campo:

Os anéis externos são projetados com furos de pinos de posicionamento predefinidospara garantir ângulos de instalação consistentes.

O distribuição de campo do eixo centralé simulado (ver Figura 3), e um margem de 40 mmé reservado no projeto para manter as flutuações do campo magnético dentro do região alvo SR (20 mm) ao mínimo.

Literatura de referência e planos de expansão
Revista de Referência: Revista de Física Aplicada, Vol. 104, 013910, 2008
Título do artigo: Otimização e melhoria do projeto do cilindro Halbach
Autores: R. Bjørk, CRH Bahl, A. Smith, N. Pryds
DOI: 10.1063/1.2952537

Valores teóricos vs. medidos (unidade: T / Gauss)

Região	Valor Teórico	Valor medido	Faixa de erro
SR10	0,4954T, ±20Gs	0,4853T, ±46Gs	Bem controlado, com pequena margem para melhorias
SR1	0,4956T, ±0,2Gs (≈40ppm)	0,4853T, ±3Gs (≈618ppm)	A estabilidade central precisa de mais otimização

Patentes e Resultados de Simulação
Este projeto é acompanhado por pedidos de patente, e o completo simulação de campo magnético e modelagem estrutural 3D foi concluído. A etapa final é montagem e verificação do protótipo físico.

Se você estiver interessado em saber mais sobre nossos serviços de P&D de componentes magnéticos de ressonância magnética, capacidades de simulação ou otimização de campo magnético, sinta-se à vontade para entrar em contato conosco para uma discussão mais aprofundada!