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이 블로그에서는 제조업체 데이터시트만을 사용하여 특정 영구 자석인 N48SH의 자화를 시뮬레이션하기 위한 Ansys Maxwell의 전체 워크플로우를 안내합니다. 그런 다음 결과를 맥스웰의 내장된 재료 라이브러리와 비교하여 검증하여 이 강력한 기술의 정확성을 입증합니다.
1. 자화의 물리학 및 시뮬레이션 모델
시뮬레이션에 들어가기 전에 기본 물리학을 간단히 살펴봅시다. 자성 물질의 거동은 B-H 곡선 또는 히스테리시스 루프로 설명됩니다. 재료를 처음 자화할 때 재료는 (0,0)에서 포화까지 “초기 자화” 경로를 따릅니다. 외부 자화장이 제거되면 자석의 자속 밀도는 작동점이라고 하는 두 번째 사분면의 한 지점으로 “반동”합니다. 이 두 번째 사분면인 자화 곡선은 애플리케이션에서 자석의 성능을 정의하는 요소입니다.
초기 자화 곡선과 두 번째 사분면 자화 영역을 보여주는 일반적인 NdFeB 자석의 히스테리시스 루프.
야외에 있는 영구 자석은 자기장(H)이 자화 방향과 반대되는 자기장을 생성하여 자체적으로 “자화”를 일으킵니다. 이 자기 자화장과 재료의 B-H 곡선의 교차점이 자석의 작동 지점을 결정합니다.
자화 곡선에서 N48 자석의 작동점 예시(왼쪽). 영구 자석의 외부 필드와 내부 자화 필드를 보여주는 H-필드의 벡터 플롯(오른쪽).
이 과정을 시뮬레이션하기 위해 Ansys Maxwell에서 간단한 자화기 모델을 만들었습니다. 이 모델은 두 개의 전류 전달 코일과 두 개의 강철 코어로 구성되어 있으며, 두 코일 사이의 공간에 강하고 균일한 자기장(H-필드)을 생성하고 유도합니다. 이 영역에 단순한 직사각형 블록인 자화되지 않은 N48SH 재료를 배치하여 자화시킵니다.
코일의 전류 밀도(J)와 코일 사이에 생성되는 자기장(H)을 보여주는 시뮬레이션.
전체 마그네타이저 어셈블리 안팎의 자기장(H)을 보여주는 벡터 플롯.
2. 커스텀 초기 자화 곡선 만들기
The Ansys 학습 허브 에는 일반적인 네오디뮴 자석의 자화를 보여주는 마그네틱 래칭에 대한 훌륭한 튜토리얼이 있습니다.
이 블로그에서는 한 걸음 더 나아가 특정 재료인 N48SH의 데이터시트를 사용하여 최종 작동 지점을 맥스웰의 내장 N48 소재와 비교하여 결과를 검증합니다.
첫 번째 단계는 재료 데이터를 맥스웰로 가져오는 것입니다. N48SH 데이터시트 에서 자화 곡선을 그래픽으로 확인할 수 있습니다. 맥스웰의 강력한 SheetScan 유틸리티를 사용하여 이 곡선을 디지털화합니다.
아놀드 마그네틱 테크놀로지스의 N48SH 데이터시트(왼쪽). 데이터시트 이미지에서 B-H 곡선을 디지털화하기 위해 Ansys Maxwell의 시트스캔 툴을 사용한 모습(오른쪽).
(시트스캔 도구 사용법에 대한 자세한 튜토리얼은 이 링크에서 확인할 수 있습니다: Ansys Maxwell: 시트스캔 – 머티리얼 특성 커브 임포트 )
다음으로 초기 자화 곡선이 필요합니다. Ansys 학습 허브 자화 워크샵 파일은 일반 NdFeB 자석에 대한 “버진”(초기) BH 곡선을 제공합니다. 우리의 목표는 이 일반 곡선을 수정하여 방금 추출한 N48SH 자화 곡선에 원활하게 연결되도록 하는 것입니다.
Ansys Maxwell 교육 자료에서 제공되는 일반 NdFeB 버진 BH 곡선.
추출한 N48SH 곡선을 플롯하고 첫 번째 사분면으로 외삽하면 일반 곡선을 올바르게 정렬하기 위해 어떻게 조정해야 하는지 확인할 수 있습니다.
일반 초기 BH 곡선(녹색)과 외삽된 N48SH 데이터시트 곡선(파란색)의 비교. 외삽 후 곡선은 오른쪽에 있습니다.
BH 커브 스무더 도구를 사용하면 다음을 수행할 수 있습니다. 일반 초기 커브(녹색)를 수정하여 N48SH 데이터시트 커브(파란색)에 맞출 수 있습니다.
N48SH 데이터시트 커브(파란색)에 맞춰 수정한 후의 새로운 초기 BH 커브(녹색).
수정된 커브가 준비되면 Maxwell에 “N48_Unmagnetized”라는 새 머티리얼을 생성하고 커스텀 초기 BH 커브를 임포트합니다.
커스텀 비선형 BH 커브를 사용하여 맥스웰에서 새 머티리얼을 정의합니다.
마지막으로 중요한 단계로, 영구 자석 물체의 최종 자화 상태를 계산할 것이라고 맥스웰에 알려야 합니다. 이 작업은 마우스 오른쪽 버튼으로 여기를 선택하고 자화 계산 설정를 클릭하고 PM 오브젝트에 대해 “자화 작동점 계산”을 선택합니다.
영구 자석에 대해 “자화 작동점 계산” 옵션을 활성화합니다.
3. 시뮬레이션 실행 및 결과 평가하기
이제 시뮬레이션을 실행할 준비가 되었습니다. 이는 연결된 자기 해석을 사용하는 2단계 프로세스입니다.
1단계: 자화 이벤트
코일에 전류를 인가하여 첫 번째 시뮬레이션을 실행합니다. 맥스웰은 자기장을 풀고 강한 외부 H-필드에 의해 초기 자화 곡선을 따라 올라가는 PM의 작동 지점을 결정합니다.
자화 이벤트 동안 코일에 의해 생성된 H-필드.
자화 이벤트 동안의 작동 지점을 보여주는 플롯으로, 버진 BH 곡선에 착륙합니다.
2단계: 최종 자화 상태 시뮬레이션하기
자화기가 꺼진 후 최종 작동 지점을 찾기 위해 첫 번째 디자인의 복사본을 만듭니다. 이 새 디자인에서는 두 가지 작업을 수행합니다:
- 자화 코일의 전류를 0으로 설정합니다.
- 할당 영구 자석 필드 을 PM 객체에 추가합니다. 이 기능은 첫 번째 분석에서 계산된 자화 상태를 두 번째 시뮬레이션의 영구 자석 장의 소스로 사용하여 두 번째 시뮬레이션을 첫 번째 시뮬레이션에 연결합니다.
두 번째 분석에서 영구 자석 필드를 설정하여 첫 번째 자화 이벤트의 결과와 연결합니다.
이 두 번째 분석을 실행한 후 전체 기록을 플로팅할 수 있습니다. 아래 그래프는 자석의 작동 지점이 (0,0)에서 시작하여 자화 이벤트 동안 녹색 초기 자화 곡선을 따라 위로 이동한 다음 반동선을 따라 두 번째 사분면의 새로운 안정 작동 지점까지 내려가는 것을 보여줍니다. 또한 N48 재료의 BH 곡선을 노란색으로 표시하여 자석의 최종 상태가 예상되는 자화 경로에 어떻게 놓여 있는지 보여줍니다.
전체 자화 이력을 보여주는 플롯: 초기 곡선(녹색), 자화 중 피크 지점, 반동 경로, 최종적으로 새로 자화된 작동 지점.
3단계: 검증
마지막 단계에서는 다시 전류가 0인 세 번째 버전의 모델을 생성합니다. 이번에는 커스텀 머티리얼을 사용하는 대신 Maxwell의 라이브러리에서 기본 제공되는 N48SH 머티리얼의 머티리얼 속성을 PM에 할당합니다.
검증 시뮬레이션을 위해 빌트인 N48SH 머티리얼 속성을 할당합니다.
이 세 번째 시뮬레이션을 실행하여 맞춤형 자화 PM의 작동 지점을 표준 N48 자석의 작동 지점과 직접 비교할 수 있습니다. 최종 그래프에서 볼 수 있듯이 두 지점은 거의 동일하여 워크플로우가 데이터시트에서 N48SH 자석의 자화를 성공적이고 정확하게 시뮬레이션했음을 입증합니다.
새로 자화된 PM의 작동점(파란색 원)이 내장된 N48 소재의 작동점(빨간색 점)과 거의 동일하다는 것을 보여주는 최종 비교 플롯으로 워크플로우의 정확성을 검증할 수 있습니다.
4. 결론
이 워크플로는 Ansys Maxwell의 강력한 기능을 보여줍니다. 제조업체의 데이터시트에서 그래픽 자화 곡선으로 시작하여 사용자 지정 초기 BH 곡선을 생성하여 전체 자화 프로세스를 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 2단계 연계 분석을 통해 먼저 자화를 계산한 다음 새로 생성된 영구 자석의 최종 안정 작동 지점을 결정할 수 있습니다.
시뮬레이션된 자석과 맥스웰의 내장형 N48 소재 간의 밀접한 일치로 이 접근 방식이 검증되었습니다. 이를 통해 엔지니어는 거의 모든 영구 자석 재료에 동일한 기술을 적용할 수 있다는 확신을 갖게 되어 완전한 재료 데이터 세트를 쉽게 사용할 수 없는 경우에도 충실도 높은 시뮬레이션과 견고한 설계가 가능해집니다.
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