永磁体磁场的有限元模拟（FEA仿真）

磁场是看不见摸不着的那么怎样画出磁场的形状、描绘磁场的走向呢借助有限元模拟是很好的方式。有限元模拟也叫FEA仿真Finite Element Analysis是使用计算机利用复杂的数学方程、模型和公式对真实物理系统进行模拟利用简单而又相互作用的元素即单元就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统目前在温度场电场磁场、力场渗流场声波场等领域已得到广泛的应用。常用的磁场仿真软件有ANSYS、ABAQUS、Comsol Multiphysics、JMAG-Designer以EasiMotor。仿真软件上手相对不容易除了要克服新软件使用的问题点还要理解材料库中不同材料的磁性参数而且由于磁场仿真相对小众几乎所有的软件材料库中的永磁材料和软磁材料都不齐全还涉及到可能要建立新材料新材料的磁性参数、退磁曲线如何建立这些都需要基于对材料本身和磁学基础知识的透彻理解。不同的FEA软件使用技巧可能不同本文以ANSYS软件为例介绍做永磁体磁场有限元模拟的通常步骤1、选择设计类型。ANSYS软件有很多设计模块即使专门的电磁场设计模块也包含了高频、电场、电路、静磁场的设计模块表磁模拟通常选择静磁场模块。2、建模。和2D、3D建模类似把需要模拟的磁铁形状、位置、测试点绘制出来也可以通过2D和3D绘图软件导入模型。3、添加材料。所有材料都必须定义材料属性否则会默认为真空或者出现运行错误这里需要注意的是永磁体需要定义磁化方向磁化方向一般是以坐标系来定义。4、设置计算域。合适的计算域很关键不设置计算域会默认为整个空间都是计算域这样虽然与实际情况是吻合的因为磁铁周围可能确实没有其他干扰物质但是这样会导致运算结果误差很大且运算很耗时。5、设置边界条件。设置边界是为了匹配计算域的设置降低问题的复杂性设置合理的边界可以帮助我们在计算中节省很多时间不同的边界有不同的含义通常静磁场仿真我们选择balloon边界气球边界。6、设置激励源。这里当选择材料是永磁体时系统会自动帮助我们选择magnetostatic静磁激励如果需要仿真线圈磁场需要添加电压或电流为激励源。7、划分网格。网格划分只是意味着连接这些有限元的计算以创建网格结构软件有自带网格划分网格结构越密集结果就越精确也会越耗时。8、添加求解设置。这里可以设置误差率和计算步数系统也自带了默认设置。9、添加求解运算。就是你想让这次仿真帮助你得到什么结果是看磁力线走向还是看磁场数据。10、后处理。仿真结束后可以查看磁力线图标量或矢量、各种云图、期初设置的需要仿真的数据和参量等等。以上介绍仿真软件的使用步骤接下来展示一些磁场的模拟图帮助我们理解不同磁路的磁场分布。