永磁体模拟快速入门

Fanny Littmarck | 2013年 6月 21日
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我之前写过几篇有关永磁体的博客,这里将会是另外一篇。阅读这些博客时,您可能会产生这样的疑问:“能不能更简单地介绍下永磁体仿真呢?”好的,这里就将介绍一下如何模拟永磁体以及它周围的磁场。

马蹄形永磁体和铁棒
马蹄形永磁体和铁棒。

关于静磁

在开始模拟永磁体之前,让我们先快速浏览下静磁的一般概念。静磁的概念很简单,就是在磁流不随时间改变的系统中对磁场进行研究,即磁流是稳态的。这不同于我们之前讨论过的涡流制动器,其中的磁场会随时间改变。我们今天将讨论的具体永磁体模型,就是一个相当不错的静磁问题示例。

建立永磁体模型

假定我们希望模拟马蹄形永磁体周围的磁场。如本博客开篇的图形所示,我们还希望再探讨下永磁体与金属棒之间的相互作用。在模拟磁场和计算棒上的作用力时,我们可以充分利用几何的对称性和磁场的反对称性。虽然本问题的计算量并不大,但却是对称性概念的不错示例。我们已经知道了利用对称性可以帮助节省大量的时间,在我们的简单磁体示例中,仅需要模拟几何的 1/4。作为一个效率至上者,我要说这真的是一个很棒的技巧。

通过 COMSOL MultiphysicsAC/DC 模块,我们可以首先通过选定磁场,无电流接口来定义磁标势 Vm。该操作表示模型将使用适合的方程:–∇ ⋅ (μ0Vm – μ0M0) = 0。

接下来,我们希望从案例库中导入永磁体的几何。几何中包括马蹄形磁体和金属棒,不过正如您看到的那样,显示了整个组件:

永磁体和铁棒几何

上面提到过,我们可以充分利用问题的对称性和反对称性来加速仿真,现在我们就将这么操作。我们可以使用 xy-平面和 xz-平面来形成几何的外边界,它们分别对应了磁场的对称性和反对称性。为了实现这一点,我们需要创建一个空气框,然后移除几何中我们不想要处理的部分(对该操作的详细操作步骤,可以阅读永磁体模型文档)。

磁场与 xy-平面的边界相切,且垂直于 xz-平面的边界,二者分别为被描述为磁绝缘边界条件和零磁标量势边界条件。

模拟磁场,并计算金属棒上的力

如果我们绘制磁通密度,就可以可视化永磁体周围的磁场,还可以增加箭头图来显示磁场方向。

可视化永磁体的磁场

最后,我们可以使用全局计算来计算永磁体施加给铁棒的力。通过该方法,我们得到了磁铁在金属棒上的施加力为 1.53 N。请记住,我们仅模拟了几何的 1/4,因此棒上的实际作用力应为此值的 4 倍,也就是 6.11 N。

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