从数据表到退磁：Ansys Maxwell中N48磁体磁化指南
在本博客中，我们将介绍Ansys Maxwell中的完整工作流程，以仅使用其制造商数据表来模拟特定永磁体N48SH的磁化。然后，我们将根据 Maxwell 的内置材料库验证我们的结果，以证明这种强大技术的准确性。
1. 磁化物理学和我们的模拟模型
在深入模拟之前，让我们简要回顾一下底层物理原理。磁性材料的行为由其 B-H 曲线或滞后环来描述。当我们第一次磁化材料时，它遵循从 （0,0） 到饱和的“初始磁化”路径。一旦外部磁化场被移除，磁体的磁通密度就会“反冲”到第二象限中的一个点，称为其工作点。第二象限，即退磁曲线，定义了磁体在应用中的性能。
典型钕铁硼磁体的磁滞环，显示初始磁化曲线和第二象限退磁区域。
露天的永磁体会在其内部产生“退磁”场，其中磁场 （H） 与磁化方向相反。该自消磁场与材料的 BH 曲线的交点决定了磁体的工作点。
N48 磁体退磁曲线上的工作点示例（左）。H 场的矢量图显示了永磁体的外部场和内部退磁场（右）。
为了仿真这一过程，我们在Ansys Maxwell中创建了一个简单的磁化器模型。它由两个载流线圈和两个钢芯组成，它们协同工作，在它们之间的空间中产生和引导强、均匀的磁场（H 场）。我们将未磁化的 N48SH 材料（一个简单的矩形块）放置在该区域进行磁化。
模拟显示线圈中的电流密度 （J） 以及线圈之间产生的磁场 （H）。
矢量图显示了整个磁化器组件内部和周围的磁场 （H）。
2. 创建自定义初始磁化曲线
Ansys学习中心提供了有关磁闭锁的优秀教程，演示了通用钕磁体的磁化。
在本博客中，我们希望更进一步，使用其数据表模拟特定材料 N48SH，然后通过将其最终工作点与 Maxwell 内置 N48 材料的工作点进行比较来验证我们的结果。
我们的第一步是将材料数据输入 Maxwell。N48SH 数据表以图形方式提供了其退磁曲线。我们可以使用 Maxwell 强大的 SheetScan 实用程序来数字化这条曲线。
Arnold Magnetic Technologies 的 N48SH 数据表（左）。使用Ansys Maxwell中的SheetScan工具从数据表图像（右）中数字化B-H曲线。
（我们有一个关于如何使用SheetScan工具的详细教程，您可以在以下链接中找到：Ansys Maxwell：SheetScan - 导入材料特性曲线 )
接下来，我们需要一条初始磁化曲线。Ansys学习中心磁化研讨会文件为通用钕铁硼磁体提供了一条“原始”（初始）BH曲线。我们的目标是修改这条通用曲线，使其平滑地连接到我们刚刚提取的 N48SH 退磁曲线。
Ansys Maxwell培训材料中提供的通用钕铁硼原始BH曲线。
通过绘制提取的 N48SH 曲线并将其外推到第一象限中，我们可以看到需要如何调整通用曲线以正确对齐。
通用初始 BH 曲线（绿色）和外推的 N48SH 数据表曲线（蓝色）的比较。外推后的曲线在右侧。
使用 BH 曲线平滑工具，我们可以修改通用初始曲线（绿色）以与 N48SH 数据表曲线（蓝色）对齐。
新的初始 BH 曲线（绿色），经过修改以与 N48SH 数据表曲线（蓝色）对齐后。
准备好修改后的曲线后，我们在 Maxwell 中创建名为“N48_Unmagnetized”的新材质，并导入自定义的初始 BH 曲线。
使用自定义非线性 BH 曲线在 Maxwell 中定义新材料。
最后，这是关键的一步，我们必须告诉麦克斯韦，我们打算计算永磁体物体的最终磁化状态。这是通过右键单击 Excitations，选择 Set Magnetization Computation，然后选中 PM 对象的 “Compute magnetized operating points” 来完成的。
为永磁体启用“计算磁化工作点”选项。
3. 运行模拟并评估结果
现在我们已准备好运行模拟。这是一个使用链接静磁分析的两步过程。
第 1 步：磁化事件
我们运行第一个模拟，将电流施加到线圈上。麦克斯韦求解磁场并确定 PM 的工作点，因为它被强外部 H 场驱动到初始磁化曲线上。
线圈在磁化事件期间产生的 H 场。
图显示了磁化事件期间的工作点，落在原始 BH 曲线上。
第 2 步：模拟最终磁化状态
为了找到磁化器关闭后的最终工作点，我们创建了第一个设计的副本。在这个新设计中，我们做了两件事：
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将磁化线圈中的电流设置为零。
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为永磁场分配给 PM 对象。此功能将第二个仿真与第一个仿真联系起来，使用第一次分析中计算出的磁化状态作为第二次分析中永磁体磁场的来源。
在第二个分析中设置永磁场，将其链接到第一个磁化事件的结果。
运行第二次分析后，我们可以绘制完整的历史记录。下图显示了磁体的工作点从 （0,0） 开始，在磁化事件期间沿着绿色初始磁化曲线向上移动，然后沿着反冲线向下移动到第二象限中新的稳定工作点。我们还用黄色绘制了 N48 材料的 BH 曲线，显示了磁体的最终状态如何位于预期的退磁路径上。
显示完整磁化历史的图：初始曲线（绿色）、磁化过程中的峰值点、反冲路径和最终新磁化工作点。
第 3 步：验证
在最后一步中，我们将创建模型的第三个版本，同样是零电流。这一次，我们将不使用我们的自定义材料，而是为 PM 分配 Maxwell 库中内置 N48SH 材料的材料属性。
为验证仿真分配内置的 N48SH 材料属性。
通过运行第三次模拟，我们可以直接将定制磁化永磁器的工作点与标准 N48 磁体的工作点进行比较。如最后的图所示，这两点几乎相同，验证了我们的工作流程已经成功准确地模拟了 N48SH 磁体的数据表中的磁化。
最终的比较图显示我们新磁化的PM的工作点（蓝色圆圈）与内置N48材料的工作点（红点）几乎相同，验证了工作流程的准确性。
4. 结论
该工作流程展示了Ansys Maxwell中的强大功能。通过从制造商数据表中的图形退磁曲线开始，您可以创建自定义初始 BH 曲线以准确模拟整个磁化过程。通过两步链接分析，您可以首先计算磁化强度，然后确定新创建的永磁体的最终稳定工作点。
我们的模拟磁铁与麦克斯韦的内置 N48 材料之间的密切一致性验证了这种方法。这使工程师有信心将相同的技术应用于几乎任何永磁材料，从而实现高保真仿真和稳健设计，即使无法获得完整的材料数据集。