物理电磁炮
求助:永磁+铁芯实际产生的磁场,比仿真弱太多的问题(1.8T变1.2T)
三水合番 2019-2-26 21:04:44

最近在试图用永磁+铁芯产生强磁场,仿真结果是能得到1.8T的磁感应强度,但是实测只有1.2T。这误差大的难以接受……现在还没能查到具体的原因,这里把已知的信息发出来,请各位指导一下。
做出来的东西长这样

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图里标了箭头的亮银色的东西是钕铁硼磁铁,箭头指示磁力线方向。磁铁来自淘宝,标的牌号是N38,尺寸是100*30*10mm。
上下两个灰色的东西是铁芯,材料为A3或者说Q235。
磁铁的淘宝链接是这个  https://item.taobao.com/item.htm?id=533854903053

测量的结果是这样的,最强的地方也只有1.2T,很多地方都只有1.1T多点……

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这东西的仿真结果是这样的

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图中结构的几何中心处,磁感应强度为1.8008T。使用的磁铁,系统库里叫NdFe35,应该是牌号N35的钕铁硼,磁化强度为890kA/m,对应1.118T的剩磁。铁芯的材料是系统库里的1008钢。和实际制作用的材料几乎一样。

现在的问题在于,仿真的1.8T和实测的1.2T,首先就差了1/3……而且关键是,由于纯铁的饱和磁感应强度大约是2T,所以最困难的地方应该在于接近2T的部分。所以从1.8T到1.2T,甚至可以说是有成倍的性能恶化……

现在也想到了一些可能的原因,不过还没时间或者没条件验证:
1. 磁铁问题
拼这个东西的时候有点着急,忘了先测一下这些磁铁的磁强了,所以现在也不知道这些磁铁的性能是啥样的,比如是不是真能达到仿真时用到的1.1T剩磁。然后这东西拼起来之后,应该就没可能拆开了……至少徒手是没戏了……所以现在没法排除磁铁是挫的,而且挫得厉害的可能。

2. 仿真不准
仿真用的是Maxwell(Ansys EM Desktop 19.0版本的),不知道会不会是某些设置不对,这里把仿真模型贴出来供大家检查

A3Core.aedt139k13次下载

 
3. 特斯拉计不准
毕竟我手头只有一个特斯拉计,而且还没有任何办法去校准它(因为没有磁感应强度基准……)所以虽然可能性较小,但是也没法排除它是坏的可能。 

4.加工误差
为了省钱,铁芯加工用的貌似是激光切割,表面异常得粗糙,看起来像锉刀一样……会引入一些气隙。不过仿真表明,气隙也不应该会有这么大的影响。比如下图中有一侧的铁芯和磁铁之间出现了一条1mm的缝,磁场才减弱到1.5T……

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可以排除的原因:
1. 铁芯材料问题
虽然A3钢不是啥正经的磁性材料,但是由于含碳量非常低,大约只有0.2%,所以其实特性上和纯铁也差不了太多,“常用钢材磁特性曲线速查手册”给出的数据如下

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可以看到,不论是饱和磁感应强度,还是磁导率,都不应该会造成如此大的影响。从手册上看,即使卖家不小心给我用成了45钢,同时把所有会降低磁性能的热处理都来了一遍,也不应该会出现这种倍数上的性能差别……

2.铁芯两端没有闭合
昨天在科创的电炮群里,@刀尖上的海 ,提到可能是因为铁芯两端没有闭合。不过仿真表明,两侧闭合会极大的降低中间气隙的磁感应强度,比如下面这张图里降低到0.85T。

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从磁路的角度上看,这相当于在磁动势源(磁铁,类似电压源)两端并联了一根短路线,将大量的磁通量(类似电流)短路掉了,所以负载处(中间气隙)得到的磁通量就变小了。 

[修改于 3 个月前 - 2019-02-26 21:27:23]

2019-2-26 22:56:23
1楼

仿真和实际的铁芯不一样,多了4个洞?

2楼

用那个磁场观察膜卡片贴到侧面看看

[修改于 3 个月前 - 2019-02-26 23:20:26]

3楼
2

原因楼主都已经分析清楚了,逐一排查吧,感觉主要是磁铁买少了,多买两个就能拿来做其它验证实验。

对于弱磁场,特斯拉计可以自己想办法校准,用线圈,电流来产生理论磁场,可以初步判断。强磁场下仪器可能误差很大,也确实没什么好办法。

[修改于 3 个月前 - 2019-02-26 23:29:12]

4楼

铁芯和磁铁之间是不是有空隙?接触面没有抛光?不知道会有多大影响

5楼
引用:music 发表于4 楼的内容:
铁芯和磁铁之间是不是有空隙?接触面没有抛光?不知道会有多大影响

请仔细看帖啊。。。

三水合番(作者)
6楼
引用:1aomegp9 发表于1 楼的内容:
仿真和实际的铁芯不一样,多了4个洞?

是多了几个洞。设计的时候是打算在那装上45钢的轴,把这些铁片拼成一个整体,同时还能导磁。不过因为切割的太粗糙,所以轴插不进去……就给空下来了。

具体的仿真还没有做过,不过那里的磁场本来就不强,影响应该不大。实测把特斯拉计的探头伸到孔里,基本只能量到一两mT级别的磁场,可以认为孔旁边的铁芯可以很好的导走磁场,也就是说,孔基本没有影响。

三水合番(作者)
7楼
引用:20!Dopaminor 发表于2 楼的内容:
用那个磁场观察膜卡片贴到侧面看看

这东西不错多谢推荐

8楼

看了磁铁价格,基本知道怎么回事了,剩磁不达标。

9楼

是因为用的maxwell 2D 吗,磁铁侧面应该也有磁感线的,我把您的转换成3D Maxwell,发现中心磁感应强度比较低...我贴一下图,边界条件我用的是SYMMETRY 。


 


 


 


 

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[修改于 3 个月前 - 2019-02-28 10:45:35]

10楼


pic加厚了一点,和您实测1.2T左右类似

 

三水合番(作者)
11楼
引用:阡陌徘徊 发表于9 楼的内容:
是因为用的maxwell 2D 吗,磁铁侧面应该也有磁感线的,我把您的转换成3D Maxwell,发.....

这事我还真没想到,多谢提醒。

不过刚试了一下,影响应该没有那么显著,可能是您仿真的模型长度比较短。我这边把2D模型拉长到和实物一样的10cm长之后,确实可以观察到边缘处磁场变弱到1.3T,不过中心的磁场几乎没受影响,依然有大约1.8T。

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 上面这张曲线图,是Z轴上的磁感应强度随位置的变化,实际的结构是从10mm到110mm的,总计100mm长

 

A3Core 3D.aedt305k9次下载

 

12楼

在保证工作气隙长度的情况下应该再增加永磁块的磁场方向厚度,这样周围的漏磁影响会减小很多,因为材料的剩磁是定的,在一定程度上增加磁铁磁场方向长度会提高表面磁场强度。磁铁长径比不同漏磁情况也不同。

2019-3-4 21:16:00
三水合番(作者)
13楼
引用:wuxicili 发表于12 楼的内容:
在保证工作气隙长度的情况下应该再增加永磁块的磁场方向厚度,这样周围的漏磁影响会减小很多,因为材料的剩.....

现在的问题不在于“如何增强磁场”,而是“为什么磁场没有预期的那么强”

三水合番(作者)
14楼

听从2楼建议,买了一张磁场观察卡,用起来还是挺好玩的

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 不过用来测顶楼里那个东西的话,貌似是因为灵敏度太高,所以看的反而不清楚

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 比较有用的发现是:在两块磁铁的接缝处磁场会有一些波动,也许是因为有镀层之类的东西,使得磁铁的外皮和真正的“磁铁”之间有一段缝隙,导致磁场发生变化。

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[修改于 2 个月前 - 2019-03-19 12:26:25]

15楼
引用:三水合番 发表于14 楼的内容:
听从2楼建议,买了一张磁场观察卡,用起来还是挺好玩的 不过用来测顶楼里那个东西的话,貌似是.....

是因为磁铁有倒角么

16楼
引用:三水合番 发表于13 楼的内容:
现在的问题不在于“如何增强磁场”,而是“为什么磁场没有预期的那么强”

就算N35的材料剩磁也在1T以上,哪怕商家给了你N30的料剩磁也是靠近1T的,按这算也就1.3T左右的气隙场,估计是仿真设置不准确。

三水合番(作者)
17楼
引用:wuxicili 发表于16 楼的内容:
就算N35的材料剩磁也在1T以上,哪怕商家给了你N30的料剩磁也是靠近1T的,按这算也就1.3T左右.....

“1.3T的气隙场”是咋算出来的?

2019-4-6 14:35:31
三水合番(作者)
18楼

又测了一些磁铁,现在基本可以确定是买到的磁铁剩磁严重不足的问题了。

10*30*100mm的大磁铁,仿真约200mT,实测114mT。10*10*100的磁铁,仿真约340mT,实测约240mT。

相比之下,小片的磁铁就要良心多了,10*20*2.5mm的小片磁铁,仿真约170mT,实测157mT。

另外,这里的仿真是按N35的钕铁硼算的(磁化强度890kA/m),大磁铁用的是2D仿真,小磁铁用的是3D仿真。

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三水合番(作者)
19楼

emmm……把仿真用的磁化强度降到原来的57%后,仿出来的磁感应强度变成1.02T了……

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 所以现在问题又变成,为啥仿真1T实测能到1.2T了……

20楼

建议先研究磁感计的校准,没一个准的东西,说了半天等于百搭

21楼

剩磁均匀吗

22楼
引用:三水合番 发表于19 楼的内容:
emmm……把仿真用的磁化强度降到原来的57%后,仿出来的磁感应强度变成1.02T了…… .....

建议多看几个,这种淘宝买的好像剩磁有大有小,很不均一,我两年前买的那些拿去吸同一个物体可以明显感觉到吸力有大有小

2019-4-7 23:16:16
三水合番(作者)
23楼
引用:虎哥 发表于20 楼的内容:
建议先研究磁感计的校准,没一个准的东西,说了半天等于百搭

上网搜了一下,成都的计量局测一次数字特斯拉计要360比我想象的便宜不少

不过我那个特斯拉计本来也才400左右……真要送计量局测,颇有种给小面包车装“88888车牌”的感觉


24楼

应该考虑用flux gate原理的,而不是霍尔的,flux gate可以从原理上自己校准。flux gate的drift很小很小,比如电流传感器ultrastab系列,如果同样原理做得很小测,就是tti的微型磁通门。

25楼
引用:三水合番 发表于18 楼的内容:
又测了一些磁铁,现在基本可以确定是买到的磁铁剩磁严重不足的问题了。10*30*100mm的大磁铁,仿.....

前面早就提醒过你了。。我淘宝买的磁铁用手拉感觉磁力都比本地市场买的小一半,越是大尺寸磁铁差的越多

26楼

ansys全家桶似乎可以让磁铁按1GHz频率转起来,当年的脑洞应该有结果了

[修改于 1 个月前 - 2019-04-08 09:48:59]

2019-4-17 12:52:07
三水合番(作者)
27楼
引用:RodTech 发表于24 楼的内容:
应该考虑用flux gate原理的,而不是霍尔的,flux gate可以从原理上自己校准。flux

是用线圈产生反向磁场抵消外磁场的方式吗?这种原理测量弱磁场还可以,但是如果是T级的强磁场,可能需要几百上千A的电流才行……没法用来测强磁场……

三水合番(作者)
28楼
引用:power_rdx 发表于25 楼的内容:
前面早就提醒过你了。。我淘宝买的磁铁用手拉感觉磁力都比本地市场买的小一半,越是大尺寸磁铁差的越多

前两天又在淘宝上找到一家店,神奇的是他们竟然在商品详情里标了表磁,而且和理论的表磁几乎一致。

然而买了两块回来,发现实测性能和之前那些磁铁也没啥区别……问客服他们还说是正差误差……

看起来有必要拿着特斯拉计去本地市场逛逛了

三水合番(作者)
29楼

刚想到一种校准特斯拉计的办法,测磁性带来的力。

当然,铁磁性材料的磁导率随机性太大了,没法用在这里。可以用比如抗磁性的水,或者顺磁性的铝。粗略估算了一下,比如上面提到过的100x10x30mm的磁铁,可以在足够大的水上产生等效几十mg级的斥力,或者在足够大的铝上产生几十mg级的吸力。可以用电子天平测量。如果用足够大的金属铋,甚至可以产生克级的力,都可以用廉价的电子秤测了

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