Guide de magnétisation des aimants N48 dans Ansys Maxwell

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Dans ce blog, nous allons parcourir un flux de travail complet dans Ansys Maxwell pour simuler la magnétisation d’un aimant permanent spécifique, le N48SH, en utilisant uniquement la fiche technique du fabricant. Nous validerons ensuite nos résultats par rapport à la bibliothèque de matériaux intégrée à Maxwell afin de démontrer la précision de cette technique puissante.

1. La physique de l’aimantation et notre modèle de simulation

Avant de plonger dans la simulation, examinons brièvement la physique sous-jacente. Le comportement d’un matériau magnétique est décrit par sa courbe B-H, ou boucle d’hystérésis. Lorsque nous magnétisons un matériau pour la première fois, il suit une trajectoire de « magnétisation initiale » de (0,0) jusqu’à la saturation. Une fois que le champ magnétique externe est supprimé, la densité de flux de l’aimant « recule » jusqu’à un point situé dans le deuxième quadrant, connu sous le nom de point de fonctionnement. Ce deuxième quadrant, la courbe de démagnétisation, est ce qui définit la performance de l’aimant dans une application.

Boucle d’hystérésis d’un aimant NdFeB typique, montrant la courbe d’aimantation initiale et la région de démagnétisation du deuxième quadrant.

Un aimant permanent à l’air libre génère un champ « démagnétisant » à l’intérieur de lui-même, où le champ magnétique (H) s’oppose à la direction de l’aimantation. L’intersection de ce champ d’auto-démagnétisation et de la courbe B-H du matériau détermine le point de fonctionnement de l’aimant.

Exemple de point de fonctionnement d’un aimant N48 sur sa courbe de désaimantation (à gauche). Tracé vectoriel du champ H montrant le champ externe et le champ interne de démagnétisation d’un aimant permanent (à droite).

Pour simuler ce processus, nous avons créé un modèle simple de magnétiseur dans Ansys Maxwell. Il se compose de deux bobines porteuses de courant et de deux noyaux en acier qui fonctionnent ensemble pour générer et diriger un champ magnétique fort et uniforme (champ H) dans l’espace qui les sépare. Nous placerons notre matériau N48SH non magnétisé, un simple bloc rectangulaire, dans cette région à magnétiser.

Simulation montrant la densité de courant (J) dans les bobines et le champ magnétique résultant (H) généré entre elles.

Tracé vectoriel montrant le champ magnétique (H) dans et autour de l’ensemble du magnétiseur.

2. Création d’une courbe de magnétisation initiale personnalisée

Le Ansys Learning Hub propose un excellent didacticiel sur le verrouillage magnétique qui montre l’aimantation d’un aimant générique en néodyme.

Dans ce blog, nous voulons aller plus loin et simuler un matériau spécifique, le N48SHà l’aide de sa fiche technique, puis nous validons nos résultats en comparant son point de fonctionnement final à celui du matériau N48 intégré de Maxwell.

La première étape consiste à introduire les données du matériau dans Maxwell. La fiche technique du N48SH fournit sa courbe de démagnétisation sous forme de graphique. Nous pouvons utiliser la puissante formule de Maxwell SheetScan pour numériser cette courbe.

Fiche technique du N48SH d’Arnold Magnetic Technologies (à gauche). Utilisation de l’outil SheetScan dans Ansys Maxwell pour numériser la courbe B-H à partir de l’image de la fiche technique (droite).

(Nous disposons d’un tutoriel détaillé sur l’utilisation de l’outil SheetScan, que vous pouvez consulter sur ce lien : Ansys Maxwell : SheetScan – Importation des courbes caractéristiques des matériaux )

Ensuite, nous avons besoin d’une courbe de magnétisation initiale. Les fichiers de l’atelier de magnétisation d’Ansys Learning Hub fournissent une courbe BH « vierge » (initiale) pour un aimant NdFeB générique. Notre objectif est de modifier cette courbe générique de manière à ce qu’elle se connecte en douceur à la courbe de démagnétisation du N48SH que nous venons d’extraire.

Courbe BH générique de l’aimant NdFeB vierge fournie dans le matériel de formation d’Ansys Maxwell.

En traçant notre courbe N48SH extraite et en l’extrapolant dans le premier quadrant, nous pouvons voir comment la courbe générique doit être ajustée pour s’aligner correctement.

Comparaison de la courbe générique initiale de BH (vert) et de la courbe extrapolée de la feuille de données N48SH (bleu). La courbe après extrapolation est à droite.

En utilisant l’outil de lissage de la courbe BH, nous pouvons modifier la courbe initiale générique (verte) pour l’aligner sur la courbe de la feuille de données N48SH (bleue).

Nouvelle courbe initiale de BH (verte), après avoir été modifiée pour s’aligner sur la courbe de la fiche technique du N48SH (bleue).

Notre courbe modifiée étant prête, nous créons un nouveau matériau dans Maxwell appelé « N48_Unmagnetized » et importons notre courbe BH initiale personnalisée.

Définition du nouveau matériau dans Maxwell avec la courbe BH non linéaire personnalisée.

Enfin, et c’est une étape cruciale, nous devons indiquer à Maxwell que nous avons l’intention de calculer l’état magnétisé final de notre objet aimant permanent. Pour ce faire, il suffit de cliquer avec le bouton droit de la souris sur Excitations, en sélectionnant Calcul de l’aimantation des ensembleset cochez « Calculer les points de fonctionnement magnétisés » pour notre objet PM.

Activation de l’option « Compute magnetized operating points » pour l’aimant permanent.

3. Exécution des simulations et évaluation des résultats

Nous sommes maintenant prêts à exécuter la simulation. Il s’agit d’un processus en deux étapes utilisant des analyses magnétostatiques liées.

Étape 1 : L’événement de magnétisation

Nous effectuons la première simulation avec le courant appliqué aux bobines. Maxwell résout le champ magnétique et détermine le point de fonctionnement de la MP alors qu’elle est poussée vers le haut de la courbe de magnétisation initiale par le puissant champ H externe.

Le champ H produit par les bobines pendant l’événement de magnétisation.

Tracé montrant le point de fonctionnement pendant l’événement de magnétisation, atterrissant sur la courbe BH vierge.

Étape 2 : Simulation de l’état final de magnétisation

Pour trouver le point de fonctionnement final après l’arrêt du magnétiseur, nous créons une copie du premier modèle. Dans cette nouvelle conception, nous faisons deux choses :

1. Régler le courant dans les bobines de magnétisation à zéro.
2. Attribuer un Champ magnétique permanent à l’objet PM. Cette fonction permet de relier la deuxième simulation à la première, en utilisant l’état magnétisé calculé lors de la première analyse comme source du champ de l’aimant permanent dans la deuxième.

Mise en place du champ magnétique permanent dans la deuxième analyse, en le liant au résultat du premier événement de magnétisation.

Après avoir effectué cette deuxième analyse, nous pouvons tracer l’historique complet. Le graphique ci-dessous montre le point de fonctionnement de l’aimant commençant à (0,0), remontant la courbe de magnétisation initiale verte pendant l’événement de magnétisation, puis suivant une ligne de recul jusqu’à son nouveau point de fonctionnement stable dans le deuxième quadrant. Nous avons également tracé la courbe BH du matériau N48 en jaune, montrant que l’état final de l’aimant se situe sur la trajectoire de désaimantation attendue.

Tracé montrant l’historique complet de la magnétisation : la courbe initiale (verte), le point culminant pendant la magnétisation, la trajectoire de recul et le point de fonctionnement final nouvellement magnétisé.

Étape 3 : Validation

Pour notre dernière étape, nous allons créer une troisième version du modèle, toujours avec un courant nul. Cette fois, au lieu d’utiliser notre matériau personnalisé, nous attribuerons au PM les propriétés du matériau N48SH intégré dans la bibliothèque de Maxwell.

Attribution des propriétés du matériau N48SH intégré pour la simulation de validation.

En exécutant cette troisième simulation, nous pouvons comparer directement le point de fonctionnement de notre PM magnétisé sur mesure avec le point de fonctionnement d’un aimant N48 standard. Comme le montre le graphique final, les deux points sont presque identiques, ce qui confirme que notre flux de travail a simulé avec succès et précision la magnétisation d’un aimant N48SH à partir de sa fiche technique.

Graphique de comparaison final montrant que le point de fonctionnement de notre aimant PM nouvellement magnétisé (cercle bleu) est presque identique au point de fonctionnement du matériau N48 intégré (point rouge), validant ainsi la précision du flux de travail.

4. Conclusions

Ce flux de travail démontre une capacité puissante d’Ansys Maxwell. En partant d’une courbe de démagnétisation graphique tirée de la fiche technique d’un fabricant, vous pouvez créer une courbe BH initiale personnalisée pour simuler avec précision l’ensemble du processus de magnétisation. L’analyse liée en deux étapes vous permet d’abord de calculer l’aimantation, puis de déterminer le point de fonctionnement final et stable de l’aimant permanent nouvellement créé.

L’étroite concordance entre notre aimant simulé et le matériau N48 intégré de Maxwell valide cette approche. Cela donne aux ingénieurs la confiance nécessaire pour appliquer la même technique à pratiquement n’importe quel matériau d’aimant permanent, permettant une simulation de haute fidélité et une conception robuste même lorsqu’un ensemble complet de données sur les matériaux n’est pas facilement disponible.

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