Ein Leitfaden zur Magnetisierung von N48-Magneten in Ansys Maxwell

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In diesem Blog werden wir einen kompletten Arbeitsablauf in Ansys Maxwell durchlaufen, um die Magnetisierung eines bestimmten Dauermagneten, des N48SH, zu simulieren, wobei wir nur dessen Herstellerdatenblatt verwenden. Anschließend werden wir unsere Ergebnisse anhand der in Maxwell integrierten Materialbibliothek validieren, um die Genauigkeit dieser leistungsstarken Technik zu demonstrieren.

1. Die Physik der Magnetisierung & Unser Simulationsmodell

Bevor wir uns mit der Simulation befassen, wollen wir kurz auf die zugrunde liegende Physik eingehen. Das Verhalten eines magnetischen Materials wird durch seine B-H-Kurve bzw. Hystereseschleife beschrieben. Wenn wir ein Material zum ersten Mal magnetisieren, folgt es einem „anfänglichen Magnetisierungspfad“ von (0,0) bis zur Sättigung. Sobald das äußere Magnetisierungsfeld entfernt wird, kehrt die Flussdichte des Magneten zu einem Punkt im zweiten Quadranten zurück, der als Arbeitspunkt bezeichnet wird. Dieser zweite Quadrant, die Entmagnetisierungskurve, bestimmt die Leistung des Magneten in einer Anwendung.

Hystereseschleife eines typischen NdFeB-Magneten, die die anfängliche Magnetisierungskurve und den Entmagnetisierungsbereich im zweiten Quadranten zeigt.

Ein Permanentmagnet im Freien erzeugt in sich selbst ein „entmagnetisierendes“ Feld, bei dem das Magnetfeld (H) der Magnetisierungsrichtung entgegengesetzt ist. Der Schnittpunkt dieses selbstentmagnetisierenden Feldes mit der B-H-Kurve des Materials bestimmt den Arbeitspunkt des Magneten.

Beispiel eines Arbeitspunktes für einen N48-Magneten auf seiner Entmagnetisierungskurve (links). Vektorielle Darstellung des H-Feldes, die das äußere Feld und das innere Entmagnetisierungsfeld eines Dauermagneten zeigt (rechts).

Um diesen Prozess zu simulieren, haben wir ein einfaches Magnetisierermodell in Ansys Maxwell erstellt. Es besteht aus zwei stromführenden Spulen und zwei Stahlkernen, die zusammenarbeiten, um ein starkes, gleichmäßiges Magnetfeld (H-Feld) im Raum zwischen ihnen zu erzeugen und zu leiten. Wir werden unser unmagnetisiertes N48SH-Material, einen einfachen rechteckigen Block, in diesem zu magnetisierenden Bereich platzieren.

Die Simulation zeigt die Stromdichte (J) in den Spulen und das resultierende Magnetfeld (H), das zwischen den Spulen erzeugt wird.

Vektorielle Darstellung des Magnetfelds (H) in und um die gesamte Magnetisiereinheit.

2. Erstellen einer benutzerdefinierten Anfangsmagnetisierungskurve

Die Ansys Learning Hub bietet ein ausgezeichnetes Tutorial über magnetische Verriegelung, das die Magnetisierung eines allgemeinen Neodym-Magneten demonstriert.

In diesem Blog wollen wir noch einen Schritt weiter gehen und ein spezielles Material simulieren, das N48SHund validieren dann unsere Ergebnisse, indem wir den endgültigen Arbeitspunkt mit dem von Maxwells eingebautem N48-Material vergleichen.

Unser erster Schritt besteht darin, die Materialdaten in Maxwell einzugeben. Das N48SH-Datenblatt stellt seine Entmagnetisierungskurve grafisch dar. Wir können die leistungsfähige Maxwellsche SheetScan um diese Kurve zu digitalisieren.

N48SH-Datenblatt von Arnold Magnetic Technologies (links). Verwendung des SheetScan-Werkzeugs in Ansys Maxwell zur Digitalisierung der B-H-Kurve aus dem Datenblattbild (rechts).

(Eine detaillierte Anleitung zur Verwendung des SheetScan-Tools finden Sie unter diesem Link: Ansys Maxwell: SheetScan – Importieren von Materialcharakteristikkurven )

Als nächstes benötigen wir eine anfängliche Magnetisierungskurve. Die Ansys Learning Hub Magnetisierungs-Workshop-Dateien bieten eine „unberührte“ (anfängliche) BH-Kurve für einen generischen NdFeB-Magneten. Unser Ziel ist es, diese generische Kurve so zu modifizieren, dass sie sich nahtlos an die N48SH-Entmagnetisierungskurve anschließt, die wir gerade extrahiert haben.

Generische NdFeB-BH-Kurve in den Ansys-Maxwell-Schulungsunterlagen.

Indem wir unsere extrahierte N48SH-Kurve aufzeichnen und in den ersten Quadranten extrapolieren, können wir sehen, wie die generische Kurve angepasst werden muss, um richtig zu liegen.

Vergleich der generischen ursprünglichen BH-Kurve (grün) und der extrapolierten N48SH-Datenblattkurve (blau). Die Kurve nach der Extrapolation befindet sich auf der rechten Seite.

Mit dem Werkzeug zur Glättung der BH-Kurve können wir die generische Ausgangskurve (grün) so verändern, dass sie mit der N48SH-Datenblattkurve (blau) übereinstimmt.

Neue anfängliche BH-Kurve (grün), nachdem sie an die Kurve des N48SH-Datenblatts (blau) angepasst wurde.

Mit unserer modifizierten Kurve erstellen wir in Maxwell ein neues Material namens „N48_Unmagnetized“ und importieren unsere benutzerdefinierte anfängliche BH-Kurve.

Definieren des neuen Materials in Maxwell mit der benutzerdefinierten nichtlinearen BH-Kurve.

Schließlich, und das ist ein entscheidender Schritt, müssen wir Maxwell mitteilen, dass wir den endgültigen magnetisierten Zustand unseres Dauermagnetobjekts berechnen wollen. Dies geschieht durch Rechtsklick auf Erregungen, Auswahl Satz Magnetisierungsberechnungund aktivieren Sie „Magnetisierte Arbeitspunkte berechnen“ für unser PM-Objekt.

Aktivieren der Option „Berechnung der magnetisierten Arbeitspunkte“ für den Permanentmagneten.

3. Durchführung der Simulationen und Auswertung der Ergebnisse

Jetzt können wir die Simulationen durchführen. Dies ist ein zweistufiger Prozess mit verknüpften magnetostatischen Analysen.

Schritt 1: Das magnetisierende Ereignis

Wir führen die erste Simulation durch, bei der der Strom an die Spulen angelegt wird. Maxwell löst das Magnetfeld und bestimmt den Arbeitspunkt des PM, während es durch das starke externe H-Feld die anfängliche Magnetisierungskurve hinaufgetrieben wird.

Das von den Spulen erzeugte H-Feld während des Magnetisierungsvorgangs.

Das Diagramm zeigt den Arbeitspunkt während des Magnetisierungsvorgangs, der auf der neuen BH-Kurve liegt.

Schritt 2: Simulation des endgültigen magnetisierten Zustands

Um den endgültigen Betriebspunkt nach dem Ausschalten des Magnetisierers zu finden, erstellen wir eine Kopie des ersten Entwurfs. In diesem neuen Entwurf tun wir zwei Dinge:

1. Wir setzen den Strom in den Magnetisierungsspulen auf Null.
2. Weisen Sie eine Dauermagnetfeld mit dem PM-Objekt. Diese Funktion verknüpft die zweite Simulation mit der ersten, wobei der berechnete magnetisierte Zustand aus der ersten Analyse als Quelle für das Feld des Dauermagneten in der zweiten verwendet wird.

Einrichten des Permanentmagnetfeldes in der zweiten Analyse, wobei es mit dem Ergebnis des ersten Magnetisierungsereignisses verknüpft wird.

Nach Durchführung dieser zweiten Analyse können wir den gesamten Verlauf aufzeichnen. Das Diagramm unten zeigt den Arbeitspunkt des Magneten, der bei (0,0) beginnt, während des Magnetisierungsvorgangs die grüne Kurve der anfänglichen Magnetisierung hinaufwandert und dann einer Rückstoßlinie hinunter zu seinem neuen, stabilen Arbeitspunkt im zweiten Quadranten folgt. Wir haben auch die BH-Kurve des N48-Materials in gelb eingezeichnet, die zeigt, wie der Endzustand des Magneten auf dem erwarteten Entmagnetisierungspfad liegt.

Das Diagramm zeigt den gesamten Verlauf der Magnetisierung: die Anfangskurve (grün), den Spitzenpunkt während der Magnetisierung, den Rückstoßpfad und den endgültigen neu magnetisierten Arbeitspunkt.

Schritt 3: Validierung

In unserem letzten Schritt erstellen wir eine dritte Version des Modells, wieder mit Nullstrom. Diesmal verwenden wir nicht unser benutzerdefiniertes Material, sondern weisen dem PM die Materialeigenschaften des integrierten N48SH-Materials aus der Maxwell-Bibliothek zu.

Zuweisung der integrierten N48SH-Materialeigenschaften für die Validierungssimulation.

Durch die Ausführung dieser dritten Simulation können wir den Arbeitspunkt unseres benutzerdefinierten magnetisierten PM direkt mit dem Arbeitspunkt eines Standard-N48-Magneten vergleichen. Wie das abschließende Diagramm zeigt, sind die beiden Punkte nahezu identisch, was bestätigt, dass unser Arbeitsablauf die Magnetisierung eines N48SH-Magneten aus seinem Datenblatt erfolgreich und genau simuliert hat.

Das abschließende Vergleichsdiagramm zeigt, dass der Arbeitspunkt unseres neu magnetisierten PM (blauer Kreis) fast identisch mit dem Arbeitspunkt des eingebauten N48-Materials (roter Punkt) ist, was die Genauigkeit des Arbeitsablaufs bestätigt.

4. Schlussfolgerungen

Dieser Arbeitsablauf demonstriert eine leistungsstarke Funktion in Ansys Maxwell. Ausgehend von einer grafischen Entmagnetisierungskurve aus einem Herstellerdatenblatt können Sie eine benutzerdefinierte anfängliche BH-Kurve erstellen, um den gesamten Magnetisierungsprozess genau zu simulieren. Mit der zweistufigen, verknüpften Analyse können Sie zunächst die Magnetisierung berechnen und dann den endgültigen, stabilen Arbeitspunkt des neu erzeugten Permanentmagneten bestimmen.

Die enge Übereinstimmung zwischen unserem simulierten Magneten und dem in Maxwell eingebauten N48-Material bestätigt diesen Ansatz. Dies gibt den Ingenieuren die Gewissheit, dieselbe Technik auf praktisch jedes Dauermagnetmaterial anwenden zu können, was eine realitätsgetreue Simulation und ein robustes Design ermöglicht, selbst wenn kein vollständiger Satz von Materialdaten zur Verfügung steht.

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