基于Maxwell烧结钕铁硼模具磁场模拟分析

摘  要:以SKH45压机为例,基于 Maxwell三维数值有限元分析软件建立电磁应用系统的仿真模型｡在 仿 真 中定义了压机各部分材料属性,并加载边界条件,求解及后处理｡分析模具的磁场和电流密度分布,直观地展现了模具磁场分布和力矩信息｡根据不同产品需求,设计 一 款 新 模 具,并将新模具与旧模具磁感应强度对比｡该 仿 真 结果能够对模具设计提供参考,降低模具设计成本､缩短模具开发周期｡

关键词:Maxwell;磁感应强度;有限元分析;模具设计

2001年,中 国 钕 铁 硼 产 量 超 过 日 本,成 为 全 球钕铁硼第一大生产国[1-2]｡随着装备 和 工 艺 的 完 善国内钕铁硼产业迅速发展｡钕铁硼材料因其优异的磁性能,广泛应用于计算机,网络信息､通讯､航空航天､办公自动化､家电人体健康等高新技术领域的核心能器件[3-6]｡在日常生产中一般钕 铁 硼 常 用3种生产工艺,即烧结工艺,粘接工艺和注塑工艺[7-8],其中烧结钕铁硼的工艺流程一般依次包括配料､熔炼､氢爆､制粉､取向压制､烧结､时效及后加工｡

在钕铁硼制造生产中,压制成形是一个重要环节｡它是将磁粉加工成具有一定尺寸､形状以及一定密度和强度的待烧结的坯件｡钕铁硼材料在压制成形过程中需要在磁场中取向成形,这个磁场可以采用直流磁场或脉冲磁场,直流磁场可保证在成形中粉末一直在磁场的作用下,使压制中定向排列的粉体不致有所破坏｡

对于烧结钕铁硼压制充磁的仿真,目前相关的研究较少,贺登宇[9]通过改善接触取向磁场压机极头一侧侧板材料与磁路研究模具内场强梯度,但是对于合金模具缺乏相应的研究｡本文使用 Maxwell软件,建立三维压机磁场数值模拟模型(含压机结构和网格模型),并确定边界条件(包括充磁电流及材料参数),进行仿真并将仿真结果与实际数据对标,优化模拟过程,在此基础上研究了不同模具结构和模具材料对于模具磁场的影响｡

1 数值模型建立

1.1几何模型

本项目模拟上海平野磁器有限公司SKH45T压机充磁,压机几何结构示意图如图1所示,压机包括加料桶､油缸､称重部､加料部､线圈模架和油压站组成｡

几何模型建立完成后,需要对模型进行简化,简化图如图2所示｡对于建立有限元模型需要考虑以下几点:1)适应磁场仿真分析;2)删除细节;3)减维(选取合适单元类型)｡首先,将不易磁化元器件如加料桶,称重部,加料部,油压站及外部壳体去除,然后,将简化后的模型导入SpaceClaim进行模型处理,最后将处理完毕的模型导入Maxwell｡

1.2模型假设及网格模型

采用静磁场求解器进行分析｡模型建立后,须先对模型进行网格划分,网格划分采用自适应网格如图3所示｡网格划分完成后,创建计算区域､设置激励源和设置材料等,相关仿真参数的设置如表1所示｡通电线圈是一个封闭的体,需要指定源的方向,建立Section面进行定义,如图4所示｡

1.3控制方程

SKH45T磁场成形压机通过通电线圈产生稳定的磁场,通电线圈为亥姆霍兹线圈[10-11],亥姆霍兹线圈可以在公共轴线中点附近产生较大范围的均匀磁场,亥姆霍兹线圈是由一对匝数和半径相同[12]､绕线厚度相同且同轴平行放置的圆形单线圈组成,左右两个线圈串联,输入电流相同,2个线圈的轴向距离与线圈的半径相同,结构如图5所示[13]｡

在2个线圈轴线中点附近可产生较为均匀的磁场｡线圈轴线上的磁场强度的计算公式如式(1)所示

式中:R为线圈半径;N为线圈匝数;I为电流;μ0为真空中的磁导率(空气中的磁导率可近似为μ0)其值为μ0=4π·10-7;x是轴线上任意一点距两线圈中间点的距离(x=0-R/2)[14-15]｡利用式(1)可以计算出两线圈间轴线上任一点的磁场｡当x=0时,轴线上两线圈中间点处的磁场强度如式(2)所示

可以看出,此处的磁场强度与线圈匝数N､电流I呈正比,与线圈半径R成反比｡线圈匝数和半径确定,磁场强度的电流值如式(3)所示

2 结果与讨论

Maxwell是具有精度驱动的自适应剖分技术和强大的后处理器的高性能三维电磁设计软件,可以用做分析电机､变压器和线圈等电磁部件的整体特性,以及磁铁､电机或磁场发生装置的B分布和H分布､温度分布等图形结果｡利用Maxwell电磁有限元仿真软件对上海平野磁器有限公司SKH45T压机三维仿真分析,分析直流电流产生的力矩,电流密度及磁场强度,并讲计算结果与测量数据对标｡

2.1力矩分析

图6为模具力矩信息,图中数值的正负号表示模具所受力与所设置的坐标方向相同或相反｡

2.2电流密度分析

电流密度如图7所示,从图中可以看出,亥姆霍兹线圈通过直流电产生磁场,图中直观地反映了电流密度｡

2.3磁场分析

磁场分布如图8所示,由图可见各种磁场的大小和方向,通过线圈､铁芯､模架形成一个闭合的回路｡根据图中的颜色和箭头长短不同,可以分析压机各个部位的磁场大小饱和分布情况｡

2.4模具磁场计算数值与测量数值对标

使用Maxwell计算完毕后,利用特斯拉计测量膜腔内对应各点磁感应强度数值,将仿真数据与测量值对比如图9､表2所示,误差小于4%,模拟计算数值与实测数值基本吻合｡

2.5新模具设计

对于不同烧结钕铁硼产品,对应模具内磁感应强度要求不同,对于不同要求可以通过调整充磁电流､线圈匝数､模具结构或模具材料,钕铁硼生产企业来说应对不同需求调整模具结构是最常用的方法｡应对高模具磁感应强度需求,本文设计新模具,模具材料及结构调整如表3所示,旧模具x-y平面磁感应强度分布如图10所示,新模具x-y平面磁感应强度分布如图11所示,新旧模具通过Maxwell计算,磁感应强度对比如图12所示,磁感应强度提高主要原因是模具材料的变化,steel-1008导磁性强于steelstainless,因为材料导磁性提高,磁场的大部分通过模具内部气隙,从而提高了内部磁场｡

3结语

在Maxwell软件中建立SKH45T压机的3D模型,并对该模型进行有限元分析,得出了电流密度分布和磁感应强度分布｡有限元软件模拟数据与实际测量数据非常接近,采用有限元软件可以分析模具的磁感应强度分布,改变软件各项参数(线圈匝数､模具材料､充磁电流等)可以得到各项参数对电流密度分布和磁感应强度分布的影响,从而量化不同参数对磁场的影响,缩短模具设计周期,提高生产效率｡

参考文献:

[1]胡伯平.稀土永磁材料的现状与发展趋势[J].磁性材料及器件,2014,45(2):66.

[2]周寿增,高学绪.烧结钕铁硼永磁材料产业现状与挑战[J].新材料产业,2011(5):8.

[3]陈晋.钕铁硼永磁材料的生产应用及发展前景[J].铸造技术,2012,33(4):398.

[4]闫阿儒,刘壮,郭帅,陈仁杰.稀土永磁材料的最新研究进展[J].金属功能材料,2017,24(5):5.

[5]林河成.稀土永磁材料的现状及发展[J].粉末冶金工业,2010,20(2):47.

[6]孙艳荣,张志鹏,李赛松,等.钕铁硼磁性材料发展现状及性能研究[J].当代化工研究,2021(21):117.

[7]郭志伟,许海,肖凯业,等.磁化状态对粘结NdFeB磁体磁稳定性影响分析[J].粉末冶金工业,2020,30(3):40.

[8]张英建,李军,马晓辉,等.中国钕铁硼市场发展现状及未来发展趋势分析[J].金属功能材料,2022,29(1):67.

[9]贺登宇.可提高钕铁硼成型过程场强一致性的模具结构.北京:CN206936371U[P].2018-01-30

文章来源：金属功能材料