할바흐 배열

할바흐 배열

 

 

안녕하세요. 스칸디대디 엔지니어 입니다.

 

이번 주 업무 회의를 하면서 할박 배열이라는 단어를 처음 접했습니다. 나름 모터와 관련된 용어를 많이 안다고 생각했었는데, 생소한 단어에 회의 중 급하게 검색을 하여 알게 되었고, 조금 더 상세하게 알고 싶어서 할박 배열에 대해 포스팅해보고자 합니다.

 

 

할바흐 배열(Halbach Array, 할바흐 배열, 할박 배열)은 특수한 방식으로 자석을 배열하여 한쪽 면에서 자기장이 강하게 형성되고, 반대쪽 면에서는 자기장이 거의 사라지도록 만든 배열 방식입니다. 이는 1980년대 미국 물리학자 클라우스 할바흐(Klaus Halbach)에 의해 개발한 것으로, 자기장을 한 방향으로 집중시켜 자기 효율을 극대화하는 특징이 있습니다.

 

 

1. 할바흐 배열의 원리

일반적으로 자석을 나란히 배치하면 자기장이 양쪽으로 대칭적으로 형성됩니다. 그러나 할바흐 배열에서는 자석의 자화 방향을 특정한 패턴으로 90도씩 회전하면서 배열하여, 한쪽 면에서 자기장이 집중되고 반대쪽에서는 자기장이 거의 사라지도록 만듭니다. 이를 통해 자석의 활용도를 극대화할 수 있습니다.

할바흐 배열의 대표적인 형태로는 선형 배열(Linear Halbach Array)과 원형 배열(Halbach Cylinder Array)이 있습니다.

 

1) 선형 할바흐 배열 : 자석을 직선 형태로 배치하며, 자기장이 한쪽 면에 집중됩니다. 이는 자기부상 열차(Maglev Trains) 및 자기 이젝터 등에 활용됩니다.

 

2) 원형 할바흐 배열 : 원통형으로 자석을 배열하여 내부 또는 외부에 자기장을 집중시킬 수 있습니다. BLDC 모터의 회전자(Rotor) 등에 사용됩니다.

선형 할바흐 배열(Left), 원형 할바흐 배열(Right) (출처. Tengye)

 

 

2. 할바흐 배열의 장점 및 한계점

1) 장점

- 자기장 집중 효과 : 같은 크기의 자석을 사용할 때 일반적인 배열보다 강한 자기력을 얻을 수 있습니다.

- 자기 차폐 효과 : 한쪽 면에서 자기장이 거의 사라지므로 외부 간섭을 줄일 수 있습니다.

- 높은 효율성 : 같은 크기의 자석이라도 자기력 집중으로 성능이 향상됩니다.

- 코깅 토크(Cogging Torque) 감소 : 모터에서 할바흐 배열을 적용하면 토크 리플을 줄여 부드러운 회전이 가능합니다.

 

2) 한계점

- 제작 난이도 : 자석을 정밀하게 배열해야 하므로 제작 과정이 복잡합니다. 특히 단일 블록/원형 자석을 할바흐 패턴으로 착자하는 방법은 아주 난이도가 아주 높고 착자기 코일 설계가 필요합니다.

- 강한 반발력 문제 : 자석을 서로 밀어내는 힘이 강해 조립이 어렵습니다.

- 비용 상승 : 강력한 네오디뮴 자석을 다량 사용해야 하며, 추가적인 고정 구조물이 필요할 수 있습니다.

- 자기장 균일성 문제 : 일부 응용에서는 자기장이 특정 방향으로 집중되므로 균일한 자기장이 필요한 경우에는 적합하지 않을 수 있습니다.

 

 

3. 할바흐 배열 영구자석 제작 방법

할바흐 배열을 구현하는 방법에는 크게 두 가지가 있습니다. 영구자석을 개별 착자 후 조립하는 방식과 단일 블록을 착자기를 이용하여 할바흐 패턴으로 만드는 방식입니다.

 

1) 개별 자석을 조립하는 방법(일반적인 방법)

네오디뮴(NdFeB) 자석과 같은 강력한 영구자석을 준비한 후 개별 자석의 자화 방향을 90도씩 회전하면서 배열하여 자화 방향을 설정합니다. 영구자석이 서로 밀어내는 반발력을 제어하기 위해 프레임이나 접착제, 패스너 등을 사용해 조립합니다. 이 방식은 비교적 구현이 쉽지만, 조립 과정에서 자석이 서로 밀어내는 힘을 제어하는 것이 중요합니다.

 

2) 착자기를 이용한 방법(고급 방식)

할바흐 패턴으로 영구자석을 자화할 수 있는 착자 코일을 설계하고 제작해야 합니다. 기존의 이방성 자석은 특정 방향으로만 자화되므로, 할바흐 패턴으로 착자하려면 등방성 영구자석을 사용해야 합니다. 강한 자기장을 이용해 할바흐 패턴을 직접 인가하여 단일 자석을 제작합니다. 이 방식은 조립이 필요 없다는 장점이 있지만, 맞춤형 착자 설비가 필요하고 구현이 어렵다는 단점이 있습니다.

 

다양한 원형 할바흐 배열(출처. 네오마그넷)

 

4. 결론

할바흐 배열은 자기장을 한쪽으로 집중시켜 높은 성능을 낼 수 있는 혁신적인 기술입니다. BLDC 모터, 자기부상 열차, 자기 베어링 등 다양한 분야에서 활용되며, 높은 효율성과 자기 차폐 효과를 제공합니다.

특히 영구자석 모터에 사용할 경우 할바흐 배열은 기존 영구자석 모터보다 더 정현파적인 에어갭 자기장을 생성합니다. 따라서 동일한 양의 영구자석 재료로 더 큰 에어갭 자기 밀도를 생성하고 철손을 줄일 수 있습니다.

그러나 조립 난이도와 제작 비용이 높아 양산에 적용하기에는 아직 기술 개발이 더욱 필요하다는 한계점도 존재합니다. 현재 여러 논문이나 학술지에 나오는 할바흐 배열에 대한 내용은 여러 연구소에서 연구용으로 검토되는 수준이며 아직 적용하기는 힘든 기술입니다. 따라서 응용 분야에 따라 적절한 방법을 선택하여 할바흐 배열을 구현하는 것이 중요합니다.