摘  要:以SKH45壓機為例,基于 Maxwell三維數值有限元分析軟件建立電磁應用系統的仿真模型?在 仿 真 中定義了壓機各部分材料屬性,并加載邊界條件,求解及后處理?分析模具的磁場和電流密度分布,直觀地展現了模具磁場分布和力矩信息?根據不同產品需求,設計 一 款 新 模 具,并將新模具與舊模具磁感應強度對比?該 仿 真 結果能夠對模具設計提供參考,降低模具設計成本?縮短模具開發周期?

關鍵詞:Maxwell;磁感應強度;有限元分析;模具設計

2001年,中 國 釹 鐵 硼 產 量 超 過 日 本,成 為 全 球釹鐵硼第一大生產國[1-2]?隨著裝備 和 工 藝 的 完 善國內釹鐵硼產業迅速發展?釹鐵硼材料因其優異的磁性能,廣泛應用于計算機,網絡信息?通訊?航空航天?辦公自動化?家電人體健康等高新技術領域的核心能器件[3-6]?在日常生產中一般釹 鐵 硼 常 用3種生產工藝,即燒結工藝,粘接工藝和注塑工藝[7-8],其中燒結釹鐵硼的工藝流程一般依次包括配料?熔煉?氫爆?制粉?取向壓制?燒結?時效及后加工?

在釹鐵硼制造生產中,壓制成形是一個重要環節?它是將磁粉加工成具有一定尺寸?形狀以及一定密度和強度的待燒結的坯件?釹鐵硼材料在壓制成形過程中需要在磁場中取向成形,這個磁場可以采用直流磁場或脈沖磁場,直流磁場可保證在成形中粉末一直在磁場的作用下,使壓制中定向排列的粉體不致有所破壞?

對于燒結釹鐵硼壓制充磁的仿真,目前相關的研究較少,賀登宇[9]通過改善接觸取向磁場壓機極頭一側側板材料與磁路研究模具內場強梯度,但是對于合金模具缺乏相應的研究?本文使用 Maxwell軟件,建立三維壓機磁場數值模擬模型(含壓機結構和網格模型),并確定邊界條件(包括充磁電流及材料參數),進行仿真并將仿真結果與實際數據對標,優化模擬過程,在此基礎上研究了不同模具結構和模具材料對于模具磁場的影響?

1 數值模型建立

1.1幾何模型

本項目模擬上海平野磁器有限公司SKH45T壓機充磁,壓機幾何結構示意圖如圖1所示,壓機包括加料桶?油缸?稱重部?加料部?線圈模架和油壓站組成?

幾何模型建立完成后,需要對模型進行簡化,簡化圖如圖2所示?對于建立有限元模型需要考慮以下幾點:1)適應磁場仿真分析;2)刪除細節;3)減維(選取合適單元類型)?首先,將不易磁化元器件如加料桶,稱重部,加料部,油壓站及外部殼體去除,然后,將簡化后的模型導入SpaceClaim進行模型處理,最后將處理完畢的模型導入Maxwell?

1.2模型假設及網格模型

采用靜磁場求解器進行分析?模型建立后,須先對模型進行網格劃分,網格劃分采用自適應網格如圖3所示?網格劃分完成后,創建計算區域?設置激勵源和設置材料等,相關仿真參數的設置如表1所示?通電線圈是一個封閉的體,需要指定源的方向,建立Section面進行定義,如圖4所示?

1.3控制方程

SKH45T磁場成形壓機通過通電線圈產生穩定的磁場,通電線圈為亥姆霍茲線圈[10-11],亥姆霍茲線圈可以在公共軸線中點附近產生較大范圍的均勻磁場,亥姆霍茲線圈是由一對匝數和半徑相同[12]?繞線厚度相同且同軸平行放置的圓形單線圈組成,左右兩個線圈串聯,輸入電流相同,2個線圈的軸向距離與線圈的半徑相同,結構如圖5所示[13]?

在2個線圈軸線中點附近可產生較為均勻的磁場?線圈軸線上的磁場強度的計算公式如式(1)所示

式中:R為線圈半徑;N為線圈匝數;I為電流;μ0為真空中的磁導率(空氣中的磁導率可近似為μ0)其值為μ0=4π·10-7;x是軸線上任意一點距兩線圈中間點的距離(x=0-R/2)[14-15]?利用式(1)可以計算出兩線圈間軸線上任一點的磁場?當x=0時,軸線上兩線圈中間點處的磁場強度如式(2)所示

可以看出,此處的磁場強度與線圈匝數N?電流I呈正比,與線圈半徑R成反比?線圈匝數和半徑確定,磁場強度的電流值如式(3)所示

2 結果與討論

Maxwell是具有精度驅動的自適應剖分技術和強大的后處理器的高性能三維電磁設計軟件,可以用做分析電機?變壓器和線圈等電磁部件的整體特性,以及磁鐵?電機或磁場發生裝置的B分布和H分布?溫度分布等圖形結果?利用Maxwell電磁有限元仿真軟件對上海平野磁器有限公司SKH45T壓機三維仿真分析,分析直流電流產生的力矩,電流密度及磁場強度,并講計算結果與測量數據對標?

2.1力矩分析

圖6為模具力矩信息,圖中數值的正負號表示模具所受力與所設置的坐標方向相同或相反?

2.2電流密度分析

電流密度如圖7所示,從圖中可以看出,亥姆霍茲線圈通過直流電產生磁場,圖中直觀地反映了電流密度?

2.3磁場分析

磁場分布如圖8所示,由圖可見各種磁場的大小和方向,通過線圈?鐵芯?模架形成一個閉合的回路?根據圖中的顏色和箭頭長短不同,可以分析壓機各個部位的磁場大小飽和分布情況?

2.4模具磁場計算數值與測量數值對標

使用Maxwell計算完畢后,利用特斯拉計測量膜腔內對應各點磁感應強度數值,將仿真數據與測量值對比如圖9?表2所示,誤差小于4%,模擬計算數值與實測數值基本吻合?

2.5新模具設計

對于不同燒結釹鐵硼產品,對應模具內磁感應強度要求不同,對于不同要求可以通過調整充磁電流?線圈匝數?模具結構或模具材料,釹鐵硼生產企業來說應對不同需求調整模具結構是最常用的方法?應對高模具磁感應強度需求,本文設計新模具,模具材料及結構調整如表3所示,舊模具x-y平面磁感應強度分布如圖10所示,新模具x-y平面磁感應強度分布如圖11所示,新舊模具通過Maxwell計算,磁感應強度對比如圖12所示,磁感應強度提高主要原因是模具材料的變化,steel-1008導磁性強于steelstainless,因為材料導磁性提高,磁場的大部分通過模具內部氣隙,從而提高了內部磁場?

3結語

在Maxwell軟件中建立SKH45T壓機的3D模型,并對該模型進行有限元分析,得出了電流密度分布和磁感應強度分布?有限元軟件模擬數據與實際測量數據非常接近,采用有限元軟件可以分析模具的磁感應強度分布,改變軟件各項參數(線圈匝數?模具材料?充磁電流等)可以得到各項參數對電流密度分布和磁感應強度分布的影響,從而量化不同參數對磁場的影響,縮短模具設計周期,提高生產效率?

參考文獻:

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[5]林河成.稀土永磁材料的現狀及發展[J].粉末冶金工業,2010,20(2):47.

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[8]張英建,李軍,馬曉輝,等.中國釹鐵硼市場發展現狀及未來發展趨勢分析[J].金屬功能材料,2022,29(1):67.

[9]賀登宇.可提高釹鐵硼成型過程場強一致性的模具結構.北京:CN206936371U[P].2018-01-30

文章來源：金屬功能材料