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2019/02/26电磁炮物理 IP:四川

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

IMG_20190226_105118.jpg

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  XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXm?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……

IMG_20190225_165337.jpg

 
这东西的仿真结果是这样的

20x30磁铁仿真1.8T.png

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

attachment icon A3Core.aedt 139.20KB AEDT 95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……

开1mm气隙.png

 

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

20钢磁特性.png

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。

短路磁路.png

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 5年1个月前 - 2019/02/26 21:27:23]

来自:物理高能技术 / 电磁炮数理化 / 物理
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~~空空如也
1aomegp9
5年1个月前 IP:广东
855038

仿真和实际的铁芯不一样,多了4个洞?

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20!Dopaminor
5年1个月前 修改于 5年1个月前 IP:广东
855039

用那个磁场观察膜卡片贴到侧面看看

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虎哥
5年1个月前 修改于 5年1个月前 IP:四川
855040

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。

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music
5年1个月前 IP:澳门
855047

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

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RodTech
5年1个月前 IP:英国
855049
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。。。

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三水合番作者
5年1个月前 IP:四川
855051
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。

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三水合番作者
5年1个月前 IP:四川
855052
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

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power_rdx
5年1个月前 IP:北京
855055

看了磁铁价格,基本知道怎么回事了,剩磁不达标。

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阡陌徘徊
5年1个月前 修改于 5年1个月前 IP:江苏
855082

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 。


 


 


 


 

无标题.png

 

 

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阡陌徘徊
5年1个月前 IP:江苏
855093


无标题.png 加厚了一点,和您实测1.2T左右类似

 

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三水合番作者
5年1个月前 IP:四川
855102
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。

image.png

image.png

 

image.png

 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

 

attachment icon A3Core 3D.aedt 304.58KB AEDT 71次下载

 

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wuxicili
5年1个月前 IP:江苏
855112

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。

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三水合番作者
5年1个月前 IP:四川
855267
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”

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三水合番作者
5年1个月前 修改于 5年1个月前 IP:四川
855271

听从2楼建议,买了一张磁场观察卡,用起来还是挺好玩的

磁场观察卡动图.gif

 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

IMG_20190303_143442.jpg

 

IMG_20190303_143452.jpg

 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。

IMG_20190303_115418.jpg

 

IMG_20190303_115538.jpg

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信仰は儚き人間の為に
5年1个月前 IP:广东
855298
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,貌似是因为灵敏度...

是因为磁铁有倒角么

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wuxicili
5年1个月前 IP:江苏
855348
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。

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三水合番作者
5年1个月前 IP:四川
855351
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?

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三水合番作者
5年0个月前 IP:四川
856915

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。

IMG_20190405_144941.jpg

10x30x100.png

 

IMG_20190405_143829.jpg

10x10x100.png

 

 

IMG_20190405_161526.jpg

10x20x2.5.png

 

 

 

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三水合番作者
5年0个月前 IP:四川
856919

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……

image.png

 所以现在问题又变成,为啥仿真1T实测能到1.2T了……

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虎哥
5年0个月前 IP:四川
856920

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

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20!Dopaminor
5年0个月前 IP:天津
856930

剩磁均匀吗

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314152
5年0个月前 IP:广东
856932
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…… 所以现在问...

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😂

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三水合番作者
5年0个月前 IP:四川
857000
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


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RodTech
5年0个月前 IP:广东
857002

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。

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power_rdx
5年0个月前 IP:北京
857011
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

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20!Dopaminor
5年0个月前 修改于 5年0个月前 IP:广东
857013

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

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三水合番作者
5年0个月前 IP:四川
857583
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……

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三水合番作者
5年0个月前 IP:四川
857584
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😂

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三水合番作者
5年0个月前 IP:美国
857585

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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power_rdx
5年0个月前 IP:北京
857587
引用三水合番发表于28楼的内容
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...

淘宝没一家合格的,都是水货。本地市场也要找以前的老货,新生产的最高只有38级,要更高的都得定制,没有现货

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RodTech
5年0个月前 IP:广东
857658
引用三水合番发表于27楼的内容
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...

激励线圈多绕几圈啊。。。。。我在某所看他们校准一个测轨道炮的阵列的时候就是用土造的flux gate

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20!Dopaminor
5年0个月前 IP:广东
857662

硬盘磁铁充磁多大

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三水合番作者
5年0个月前 IP:四川
857763
引用RodTech发表于31楼的内容
激励线圈多绕几圈啊。。。。。我在某所看他们校准一个测轨道炮的阵列的时候就是用土造的flux gate

额……测轨道炮的话,只有一个脉冲,可以在激励线圈发热烧坏之前完成一次测量……

但是这里是直流测量。激励线圈匝数越多,线长度就越长,线径也得更细,综合来看产生相同的反向磁场需要的电功率是不变的。要抵消T级磁场,激励线圈可能几百ms后就融化掉了😂

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三水合番作者
5年0个月前 IP:四川
857764
引用三水合番发表于33楼的内容
额……测轨道炮的话,只有一个脉冲,可以在激励线圈发热烧坏之前完成一次测量……但是这里是直流测量。激励...

刚才思路没转过来……又想了下,就算是直流磁场,其实也可以用一个脉冲测。多谢提供这个思路

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三水合番作者
4年7个月前 修改于 4年7个月前 IP:四川
863528

现在这个问题终于算是搞明白了,就是8楼 @power_rdx 说的剩磁不达标的问题。因为我刚买到了实测和仿真结果一样的磁铁……

前段时间买了这批100x10x10mm的厚度方向充磁的磁铁,卖家宣称能达到N52的性能。粗略的测量结果是,这批磁铁的表磁能达到400-440多mT

IMG_20190906_133042 modify.jpg


而仿真结果是,这样的一块磁铁,如果剩磁是1.44T(N52磁铁的典型值),在它表面1mm处的磁感应强度应当是420mT。

100x10x10 N52.png

仿真与实测终于相差不大了……

不得不说淘宝的磁铁水真深,之前以为我买一个标称N52的磁铁,他最次最次也应该只能给我个N35或者N30的,毕竟再低的牌号连查都查不到了。然而按18楼的实测数据看,实际买到的磁铁,表磁可以低到241.8mT,这个表磁对应的牌号应该是惊人的N17……没错就是N17,真是江湖险恶……也不知道他们是用的假材料,还是充磁没充好……


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