如何使用COMSOL仿真软件对铁磁材料进行建模?.doc
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1、如何使用COMSOL仿真软件对铁磁材料进行建模?铁磁材料在电子元件和电动机械中无处不在。电磁建模的分析对象可以是各种广泛的应用,或是某种恰好具有磁性的材料特性(比如结构钢的力学阻力)。在这两类情况中,铁磁零件都会对其周围的磁场造成影响,所以精确模拟铁磁材料的影响对于设备或系统的正常运行至关重要。铁磁材料的分类分类是认识不同材料呈现的各种磁性能的有效手段。最简单的一种分类体系如下:弱磁性材料可使外加磁场产生微弱变化(例如顺磁性材料和抗磁性材料)软铁可有效集中外部磁通量,但本身不具有“固有”磁化强度(因此如果放在没有磁场的区域中,软体会退磁)硬铁,下文称之为永磁体即便没有外加磁场也会产生磁通量第
2、2 和第 3 类材料被称为铁磁体。不过,这种分类并不像表面上那么简单,因为软铁和永磁体之间的界限未必如此清晰,而且某些特性是两种类型所共有的。一种材料在无外部磁源时可能表现出微弱的磁化强度(类似于永磁体),但是,它的磁化强度也会因为外加磁场而大大增强(类似于软铁)。此外,有的材料会表现出滞回性能,也就是说,在应用并移除外部载荷之后,它的磁性将变得与原先不同。外部载荷不一定指电流所产生的磁场,也有可能是物理位移(参照下方动画)。综上所述,在处理铁磁材料时,我们需要描述各种截然不同的磁性能。在本篇博客文章中,我们将分析 COMSOL 软件的相关可用选项。磁性本构关系概述磁性能的多样性体现在各种不同
3、的系统中(包括有利或不利影响),所以表征磁性能范围的能力非常重要。“AC/DC模块”能够通过下表第一列的八种预定义本构关系,自动添加所有类型的磁性能,它也允许用户输入自己用代码编写的外部材料。弱磁性材料的表征通常利用第一个选项相对磁导率,这也是COMSOL Multiphysics 软件的系统默认选项。处理铁磁材料则可能需使用另一种本构关系。下表中的前四个选项适用于软铁,再往下四个则适用于永磁体。两组均按照本构关系的复杂程度进行递增排序:越靠后,磁化动力学就需要通过更多特性来描述。本构关系软铁(完全依赖于时间)软铁(交流供电)永磁体(完全依赖于时间)必需信息相对磁导率1 个标量(或张量)磁损耗
4、2 个标量(或张量)B-H 曲线1 个函数等效 B-H 曲线*1 个函数磁化1 个向量剩余磁通密度1 个标量(或张量)和 1 个向量B-H 非线性永磁体函数和 1 个方向磁滞Jiles-Atherton 模型5 个标量(或张量)外部磁性材料*外部编译代码软铁或硬铁模拟所使用的规律与所需的参数数量一览。*“AC/DC 模块案例库”中的示例仿真 App可以基于标准的 B-H 曲线自动计算等效 B-H 曲线的函数。欢迎阅读已发布的博客文章,了解关于这类功能的更多信息。*外部磁性材料是 B-H 曲线的一个子选项。详细信息请参阅关于访问外部材料模型的博客文章。下方八张绘图解释了上表中的各种本征关系在 B
5、-H 平面中的典型动力学特征。在 B-H 绘图中,y轴表示磁通密度 B。磁通的解释不存在太多模糊性,因为它可以直接测量。x轴是磁场 H 的量度。H 的解释或许依赖于受分析系统的具体情况(下文的案例将解释这一点)。目前我们只考虑理想的磁路。磁路材料是一个长度为 L 的圆环,由 N 匝载流为 I 的线圈均匀绕成。在此例中,H = N*I/L。根据应用不同,制造商可能用这种设计(或另一种设计,例如爱波斯坦方圈)来展示 B-H 曲线。下面,我们列举了一些案例,大致介绍如何针对一些典型应用中常见的磁性材料来使用这些条件。软铁的适用规律本构关系B-H 特性注解相对磁导率如果磁场很小,则可能用于软铁此规律可
6、以对短路供电下电力变压器柱中的层压铁芯进行很好的描述磁损耗所有铁磁材料在较高频率下的典型特征高频电感器、变压器或通量集中器中的铁氧体材料通常会在数据表中提供此类数据B-H 曲线钢铁软磁性材料的最常见描述包含磁饱和效应用于可移动的磁路,比如马达和发电机(即磁阻不断变化的磁路)对于小磁场,B-H 曲线表现为相对磁导率本构关系等效 B-H 曲线专用于交流供电的B-H 曲线本构关系的一般规律适用于静态电路,或几何构型相对于外部交流磁场缓慢变化的情况感应加热装置中的铁磁零件,或开路状态下的变压器芯可能会使用此条件对于小磁场,等效 B-H 曲线表现为相对磁导率本构关系永磁体的适用规律本构关系B-H 特性注
7、解磁化稀土永磁体的常见描述用于现代马达、发电机和传感器剩余通量密度磁化本构关系的一般规律可以更好地引入与电流磁化反向的外加磁场所导致的退磁效应在外加磁场变化很小的情况下,适用于与铝镍钴合金类似的材料B-H 非线性永磁体COMSOL Multiphysics 5.3a 版本将它添加到了“AC/DC 模块”的磁场与磁场,无电流接口中针对于磁体厂商只提供了单轴数据时,永磁体退磁现象的模拟常用于高温条件下的铝镍钴合金和稀土磁体B-H 曲线和磁化本构关系的结合,因为它采用了与B-H 曲线本构关系相似的描述,但移动了 B-H 平面的曲线磁滞 Jiles-Atherton 模型包含大量不同参数,因此可灵活地
8、模拟不同材料可用于计算马达和其他电机内的微调损耗(尽管有时其适用范围会因难以获取材料参数而受到限制)需要注意的是,我们没有提到第一个表中的外部磁性选项。这是一个子选项,选定B-H 曲线本构关系之后就可以显示,它可用于模拟更多的通用磁力规律。一篇已发布的博客详细介绍了一个相关案例。该选项通常适用于可能包含条件逻辑的定制磁滞模型。上表讨论的所有参数和函数均可能是模型中其他参数的函数。认识到这一点极其重要,因为我们可以利用这一函数关系添加多物理场效应,或者在处理材料非线性时拥有更多自由度。在磁路的拓扑优化教学模型的案例中,相对磁导率本构关系被手动添加了非线性依赖关系,由此使其表现与B-H 曲线完全相
9、同。此案例表明,转换本构关系与在相对磁导率输入框中写入 murOfB(mf.normB) 一样简单。这是一个实用技巧,因为磁导率随即被设为了 1-p+p*murOfB(mf.normB),所以规律描述的是p为 0 的区域内的空气和p为 1 区域内的软铁(模型中p是根据拓扑优化而变化的函数。请注意,正如模型文档所解释,输入 normB 的函数时还需要进行其他操作,以避免收敛问题。模型中“将复数变量拆分成实部和虚部”的选项处于开启状态)。感应加热是设置磁导率函数的另外一个实用用途。在此类情况中,材料超过了居里温度。这时,通常将磁导率设为形如 1+f(T)*(mur(normB)-1) 的函数,其中
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