Guia para magnetização de ímãs N48 no Ansys Maxwell

Participe do fórum para Designers!

Sua experiência é vital para a comunidade. Junte-se a nós e contribua com seu conhecimento!

Compartilhe, aprenda e cresça com os melhores profissionais do setor.

Neste blog, percorreremos um fluxo de trabalho completo no Ansys Maxwell para simular a magnetização de um ímã permanente específico, o N48SH, usando apenas a folha de dados do fabricante. Em seguida, validaremos nossos resultados com base na biblioteca de materiais integrada do Maxwell para demonstrar a precisão dessa técnica avançada.

1. A física da magnetização & nosso modelo de simulação

Antes de nos aprofundarmos na simulação, vamos revisar brevemente a física subjacente. O comportamento de um material magnético é descrito por sua curva B-H, ou loop de histerese. Quando magnetizamos um material pela primeira vez, ele segue um caminho de “magnetização inicial” de (0,0) até a saturação. Depois que o campo de magnetização externo é removido, a densidade de fluxo do ímã “recua” para um ponto no segundo quadrante, conhecido como seu ponto de operação. Esse segundo quadrante, a curva de desmagnetização, é o que define o desempenho do ímã em uma aplicação.

Loop de histerese de um ímã de NdFeB típico, mostrando a curva de magnetização inicial e a região de desmagnetização do segundo quadrante.

Um ímã permanente ao ar livre gerará um campo de “desmagnetização” dentro de si mesmo, onde o campo magnético (H) se opõe à direção da magnetização. A interseção desse campo de autodesmagnetização e a curva B-H do material determinam o ponto de operação do ímã.

Exemplo de ponto de operação de um ímã N48 em sua curva de desmagnetização (esquerda). Gráfico vetorial do campo H mostrando o campo externo e o campo de desmagnetização interno de um ímã permanente (direita).

Para simular esse processo, criamos um modelo simples de magnetizador no Ansys Maxwell. Ele consiste em duas bobinas de transporte de corrente e dois núcleos de aço que trabalham juntos para gerar e direcionar um campo magnético forte e uniforme (campo H) no espaço entre eles. Colocaremos nosso material N48SH não magnetizado, um bloco retangular simples, nessa região a ser magnetizada.

Simulação mostrando a densidade de corrente (J) nas bobinas e o campo magnético resultante (H) gerado entre elas.

Gráfico vetorial mostrando o campo magnético (H) dentro e ao redor de todo o conjunto do magnetizador.

2. Criação de uma curva de magnetização inicial personalizada

O Centro de aprendizado da Ansys apresenta um excelente tutorial sobre travamento magnético que demonstra a magnetização de um ímã de neodímio genérico.

Neste blog, queremos dar um passo adiante e simular um material específico, o ímã de neodímio N48SHusando sua folha de dados e, em seguida, validamos nossos resultados comparando seu ponto de operação final com o do material N48 incorporado da Maxwell.

Nossa primeira etapa é obter os dados do material no Maxwell. Folha de dados do N48SH fornece sua curva de desmagnetização graficamente. Podemos usar o poderoso método de Maxwell SheetScan para digitalizar essa curva.

Folha de dados do N48SH da Arnold Magnetic Technologies (esquerda). Uso da ferramenta SheetScan no Ansys Maxwell para digitalizar a curva B-H a partir da imagem da folha de dados (direita).

(Temos um tutorial detalhado sobre como usar a ferramenta SheetScan, que você pode encontrar neste link: Ansys Maxwell: SheetScan – Importar curvas características de material )

Em seguida, precisamos de uma curva de magnetização inicial. Os arquivos do workshop de magnetização do Ansys Learning Hub fornecem uma curva BH “virgem” (inicial) para um ímã NdFeB genérico. Nosso objetivo é modificar essa curva genérica para que ela se conecte suavemente à curva de desmagnetização do N48SH que acabamos de extrair.

Curva BH virgem do NdFeB genérico fornecida nos materiais de treinamento do Ansys Maxwell.

Ao traçar nossa curva N48SH extraída e extrapolá-la para o primeiro quadrante, podemos ver como a curva genérica precisa ser ajustada para se alinhar corretamente.

Comparação da curva inicial genérica de BH (verde) e a curva extrapolada da planilha de dados do N48SH (azul). A curva após a extrapolação está à direita.

Usando a ferramenta de suavização da curva BH, podemos modificar a curva inicial genérica (verde) para alinhar com a curva da planilha de dados N48SH (azul).

Nova curva BH inicial (verde), após ser modificada para se alinhar com a curva da folha de dados do N48SH (azul).

Com nossa curva modificada pronta, criamos um novo material no Maxwell chamado “N48_Unmagnetized” e importamos nossa curva BH inicial personalizada.

Definição do novo material em Maxwell com a curva BH não linear personalizada.

Por fim, e essa é uma etapa crucial, devemos informar ao Maxwell que pretendemos computar o estado magnetizado final do nosso objeto de ímã permanente. Isso é feito clicando com o botão direito do mouse em Excitações, selecionando Computação de magnetização de conjuntose marcando “Compute magnetized operating points” (Computar pontos de operação magnetizados) para nosso objeto PM.

Ativando a opção “Compute magnetized operating points” (Calcular pontos de operação magnetizados) para o ímã permanente.

3. Execução das simulações e avaliação dos resultados

Agora estamos prontos para executar a simulação. Esse é um processo de duas etapas que utiliza análises magnetostáticas vinculadas.

Etapa 1: O evento de magnetização

Executamos a primeira simulação com a corrente aplicada às bobinas. Maxwell resolve o campo magnético e determina o ponto de operação do PM enquanto ele está sendo conduzido para cima da curva de magnetização inicial pelo forte campo H externo.

O campo H produzido pelas bobinas durante o evento de magnetização.

Gráfico mostrando o ponto de operação durante o evento de magnetização, aterrissando na curva BH virgem.

Etapa 2: Simular o estado magnetizado final

Para encontrar o ponto de operação final depois que o magnetizador é desligado, criamos uma cópia do primeiro projeto. Nesse novo projeto, fazemos duas coisas:

1. Definir a corrente nas bobinas de magnetização como zero.
2. Atribua um Campo de ímã permanente para o objeto PM. Esse recurso vincula a segunda simulação à primeira, usando o estado magnetizado computado da primeira análise como fonte para o campo do ímã permanente na segunda.

Configuração do campo de ímã permanente na segunda análise, vinculando-o ao resultado do primeiro evento de magnetização.

Depois de executar essa segunda análise, podemos traçar o histórico completo. O gráfico abaixo mostra o ponto de operação do ímã começando em (0,0), percorrendo a curva verde de magnetização inicial durante o evento de magnetização e, em seguida, seguindo uma linha de recuo até seu novo ponto de operação estável no segundo quadrante. Também plotamos a curva BH do material N48 em amarelo, mostrando como o estado final do ímã está no caminho de desmagnetização esperado.

Gráfico mostrando o histórico completo de magnetização: a curva inicial (verde), o ponto de pico durante a magnetização, o caminho de recuo e o ponto de operação final recém-magnetizado.

Etapa 3: Validação

Para nossa etapa final, criaremos uma terceira versão do modelo, novamente com corrente zero. Desta vez, em vez de usar nosso material personalizado, atribuiremos ao PM as propriedades de material do material N48SH incorporado da biblioteca de Maxwell.

Atribuição das propriedades do material N48SH incorporado para a simulação de validação.

Ao executar essa terceira simulação, podemos comparar diretamente o ponto de operação do nosso PM magnetizado personalizado com o ponto de operação de um ímã N48 padrão. Como mostra o gráfico final, os dois pontos são praticamente idênticos, validando que nosso fluxo de trabalho simulou com sucesso e precisão a magnetização de um ímã N48SH a partir de sua folha de dados.

Gráfico de comparação final mostrando que o ponto de operação do nosso PM recém magnetizado (círculo azul) é quase idêntico ao ponto de operação do material N48 incorporado (ponto vermelho), validando a precisão do fluxo de trabalho.

4. Conclusões

Esse fluxo de trabalho demonstra um recurso poderoso do Ansys Maxwell. Ao começar com uma curva de desmagnetização gráfica da folha de dados de um fabricante, você pode criar uma curva BH inicial personalizada para simular com precisão todo o processo de magnetização. A análise vinculada em duas etapas permite calcular primeiro a magnetização e, em seguida, determinar o ponto de operação final e estável do ímã permanente recém-criado.

A estreita concordância entre nosso ímã simulado e o material N48 incorporado de Maxwell valida essa abordagem. Isso dá aos engenheiros a confiança necessária para aplicar a mesma técnica a praticamente qualquer material de ímã permanente, permitindo uma simulação de alta fidelidade e um projeto robusto, mesmo quando um conjunto completo de dados de material não está prontamente disponível.

Participe do fórum para Designers!

Sua experiência é vital para a comunidade. Junte-se a nós e contribua com seu conhecimento!

Compartilhe, aprenda e cresça com os melhores profissionais do setor.