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En este blog, vamos a caminar a través de un flujo de trabajo completo en Ansys Maxwell para simular la magnetización de un imán permanente específico, el N48SH, utilizando sólo su hoja de datos del fabricante. A continuación, validaremos nuestros resultados con la biblioteca de materiales incorporada en Maxwell para demostrar la precisión de esta potente técnica.
1. La física de la magnetización y nuestro modelo de simulación
Antes de sumergirnos en la simulación, repasemos brevemente la física subyacente. El comportamiento de un material magnético se describe mediante su curva B-H, o bucle de histéresis. Cuando magnetizamos un material por primera vez, sigue una trayectoria de «magnetización inicial» desde (0,0) hasta la saturación. Una vez eliminado el campo de magnetización externo, la densidad de flujo del imán «retrocede» hasta un punto situado en el segundo cuadrante, conocido como su punto de funcionamiento. Este segundo cuadrante, la curva de desmagnetización, es el que define el rendimiento del imán en una aplicación.
Lazo de histéresis de un imán de NdFeB típico, que muestra la curva de magnetización inicial y la región de desmagnetización del segundo cuadrante.
Un imán permanente al aire libre generará un campo «desmagnetizante» dentro de sí mismo, donde el campo magnético (H) se opone a la dirección de magnetización. La intersección de este campo de autodesmagnetización y la curva B-H del material determina el punto de funcionamiento del imán.
Ejemplo de punto de funcionamiento de un imán N48 en su curva de desmagnetización (izquierda). Diagrama vectorial del campo H que muestra el campo externo y el campo interno de desmagnetización de un imán permanente (derecha).
Para simular este proceso, hemos creado un modelo de magnetizador simple en Ansys Maxwell. Consiste en dos bobinas conductoras de corriente y dos núcleos de acero que trabajan juntos para generar y dirigir un campo magnético fuerte y uniforme (campo H) en el espacio entre ellos. Colocaremos nuestro material N48SH no magnetizado, un simple bloque rectangular, en esta región a magnetizar.
Simulación que muestra la densidad de corriente (J) en las bobinas y el campo magnético resultante (H) generado entre ellas.
Gráfico vectorial que muestra el campo magnético (H) dentro y alrededor de todo el conjunto del magnetizador.
2. Creación de una curva de magnetización inicial personalizada
La página Ansys Learning Hub cuenta con un excelente tutorial sobre enclavamiento magnético que demuestra la magnetización de un imán de neodimio genérico.
En este blog, queremos ir un paso más allá y simular un material específico, el N48SHutilizando su hoja de datos y, a continuación, validar nuestros resultados comparando su punto de funcionamiento final con el del material N48 incorporado de Maxwell.
Nuestro primer paso es introducir los datos del material en Maxwell. La hoja de datos N48SH proporciona su curva de desmagnetización gráficamente. Podemos utilizar la poderosa SheetScan para digitalizar esta curva.
Hoja de datos del N48SH de Arnold Magnetic Technologies (izquierda). Utilización de la herramienta SheetScan en Ansys Maxwell para digitalizar la curva B-H a partir de la imagen de la hoja de datos (derecha).
(Tenemos un tutorial detallado sobre cómo utilizar la herramienta SheetScan, que puede encontrar en este enlace: Ansys Maxwell: SheetScan – Importar curvas características de materiales )
A continuación, necesitamos una curva de magnetización inicial. Los archivos del taller de magnetización de Ansys Learning Hub proporcionan una curva BH «virgen» (inicial) para un imán genérico de NdFeB. Nuestro objetivo es modificar esta curva genérica para que se conecte suavemente con la curva de desmagnetización N48SH que acabamos de extraer.
Curva BH virgen de NdFeB genérica proporcionada en los materiales de formación de Ansys Maxwell.
Trazando nuestra curva N48SH extraída y extrapolándola al primer cuadrante, podemos ver cómo la curva genérica necesita ser ajustada para alinearse correctamente.
Comparación de la curva inicial genérica BH (verde) y la curva extrapolada N48SH datasheet (azul). La curva tras la extrapolación está a la derecha.
Utilizando la herramienta de suavizado de la curva BH, podemos modificar la curva inicial genérica (verde) para alinearla con la curva de la hoja de datos N48SH (azul).
Nueva curva inicial BH (verde), después de ser modificada para alinearla con la curva de la hoja de datos N48SH (azul).
Con nuestra curva modificada lista, creamos un nuevo material en Maxwell llamado «N48_Unmagnetized» e importamos nuestra curva BH inicial personalizada.
Definiendo el nuevo material en Maxwell con la curva BH no lineal personalizada.
Por último, y este es un paso crucial, debemos decirle a Maxwell que tenemos la intención de calcular el estado magnetizado final de nuestro objeto imán permanente. Esto se hace haciendo clic con el botón derecho del ratón sobre Excitaciones, seleccionando Cálculo de la magnetización de conjuntosy marcando «Compute magnetized operating points» para nuestro objeto PM.
Activando la opción «Compute magnetized operating points» para el imán permanente.
3. Ejecución de las simulaciones y evaluación de los resultados
Ahora estamos listos para ejecutar la simulación. Se trata de un proceso de dos pasos que utiliza análisis magnetostáticos enlazados.
Paso 1: El suceso de magnetización
Ejecutamos la primera simulación con la corriente aplicada a las bobinas. Maxwell resuelve para el campo magnético y determina el punto de funcionamiento del PM, ya que está siendo impulsado hacia arriba en la curva de magnetización inicial por el fuerte campo H externo.
El campo H producido por las bobinas durante la magnetización.
Gráfico que muestra el punto de funcionamiento durante el evento de magnetización, aterrizando en la curva BH virgen.
Paso 2: Simular el estado final magnetizado
Para encontrar el punto de funcionamiento final después de apagar el magnetizador, creamos una copia del primer diseño. En este nuevo diseño, hacemos dos cosas:
- Establecer la corriente en las bobinas de magnetización a cero.
- Asigna un Campo magnético permanente al objeto PM. Esta función vincula la segunda simulación con la primera, utilizando el estado magnetizado calculado a partir del primer análisis como fuente para el campo del imán permanente en el segundo.
Configurando el campo del imán permanente en el segundo análisis, vinculándolo al resultado del primer evento de magnetización.
Después de ejecutar este segundo análisis, podemos trazar la historia completa. El siguiente gráfico muestra el punto de funcionamiento del imán a partir de (0,0), viajando por la curva de magnetización inicial verde durante el evento de magnetización, y luego siguiendo una línea de retroceso hasta su nuevo punto de funcionamiento estable en el segundo cuadrante. También hemos trazado la curva BH del material N48 en amarillo, mostrando cómo el estado final del imán se encuentra en la trayectoria de desmagnetización esperada.
Gráfico que muestra la historia completa de la magnetización: la curva inicial (verde), el punto máximo durante la magnetización, la trayectoria de retroceso y el punto de funcionamiento final recién magnetizado.
Paso 3: Validación
Para nuestro paso final, crearemos una tercera versión del modelo, de nuevo con corriente cero. Esta vez, en lugar de utilizar nuestro material personalizado, vamos a asignar al PM las propiedades del material incorporado N48SH de la biblioteca de Maxwell.
Asignando las propiedades del material N48SH para la simulación de validación.
Ejecutando esta tercera simulación, podemos comparar directamente el punto de funcionamiento de nuestro PM magnetizado a medida con el punto de funcionamiento de un imán N48 estándar. Como muestra el gráfico final, los dos puntos son casi idénticos, validando que nuestro flujo de trabajo ha simulado con éxito y precisión la magnetización de un imán N48SH a partir de su hoja de datos.
Gráfico de comparación final que muestra que el punto de funcionamiento de nuestro PM recién magnetizado (círculo azul) es casi idéntico al punto de funcionamiento del material N48 incorporado (punto rojo), validando la precisión del flujo de trabajo.
4. Conclusiones
Este flujo de trabajo demuestra una poderosa capacidad dentro de Ansys Maxwell. Comenzando con una curva gráfica de desmagnetización de una hoja de datos del fabricante, puede crear una curva BH inicial personalizada para simular con precisión todo el proceso de magnetización. El análisis vinculado de dos pasos le permite calcular primero la magnetización y luego determinar el punto de funcionamiento estable final del imán permanente recién creado.
La estrecha concordancia entre nuestro imán simulado y el material N48 incorporado de Maxwell valida este enfoque. Esto da a los ingenieros la confianza para aplicar la misma técnica a prácticamente cualquier material de imán permanente, lo que permite la simulación de alta fidelidad y diseño robusto, incluso cuando un conjunto completo de datos de los materiales no está fácilmente disponible.
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