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ANSYS 部落格

January 19, 2024

永磁閂鎖機構：保護您的電子產品

永久磁鐵是一種磁場由材料本身的內部結構產生的材料。設計永久磁鐵閂鎖機構的基本考量之一，是確保磁鐵能夠提供適當的吸附力。兩個永久磁鐵之間的磁力取決於數個因素，例如兩個磁鐵之間的間隔距離、磁鐵大小和永久磁鐵本身的材料。Ansys Maxwell 等低頻電磁場求解器可以幫助工程師進行尺寸和材料研究，將閂鎖機構的力最佳化，同時降低磁性閂鎖的成本，因為稀土磁鐵價格昂貴。 

ANsys Maxwell 中的材料與尺寸研究

圖 1.ANsys Maxwell 中的材料與尺寸研究

使用永久磁鐵的裝置 

手機的無線充電器與智慧型螢幕保護蓋、平板電腦、手錶、虛擬實境 (VR) 裝置、磁吸壁掛式安全攝影機，以及日常生活中無數的電子設備，都依靠永久磁鐵來提供磁性吸附機制。

對於某些應用 (例如固定式安全攝影機)，永久磁鐵取代了螺絲和螺栓等機械緊固件。另外有些應用 (例如無線充電器)，磁鐵可確保接收器和發射器保持在最佳對位，以加快充電速度。無論在何種情況下，電子裝置上精心設計的磁性固定配件都可提升使用者體驗。

讓我們來看看磁性閂鎖設計的一些關鍵考量。

磁性閂鎖機構中的力

除了永久磁鐵外，軟磁材料等磁性材料的存在會影響磁性閂鎖機構的力。同時使用鐵磁材料和永久磁鐵會引入變數，因此必須為鐵磁分流和磁通匯聚器建立模型，以精確計算力。

磁鋼已知在特定操作條件下會因強磁場而飽和。我們不希望閂鎖機構出現飽和，因為這會限制磁力並導致雜散磁通量，雜散磁通量會和閂鎖附近的霍爾感應器 (偵測磁場) 相互作用。例如當磁鐵組件之間的間隔距離較大時，軟磁材料分流可能不會飽和。然而當磁鐵閂鎖和磁鐵間的間距變小時，軟磁材料分流可能會因較高的磁通量密度而飽和。軟磁材料分流的厚度也會以類似的方式影響飽和度。

Maxwell 可以捕捉採用磁鋼的磁性閂鎖裝置的飽和現象，並提供精確的磁場和力解決方案。

軟磁材料的飽和 (左) 和雜散磁通量的視覺化 (右)

圖 2.軟磁材料的飽和 (左) 和雜散磁通量的視覺化 (右)

解析度：收斂是關鍵

從有限元素求解器獲得精確場解決方案的關鍵要素是網格解析度。應特別考慮網格元素的分布，以擷取間隔距離和飽和效應。Maxwell 會自動產生初步網格並加以調整，以達到使用者定義的收斂準則，並確保解決方案準確無誤。

使用 Ansys Maxwell 的磁性閂鎖機構自動自適應網格

圖 3.自動自適應網格便於使用，並能提供準確的解決方案

溫度變化如何影響磁性閂鎖？

工程師在設計磁性閂鎖時，其中一個挑戰是取得材料特性，例如永久磁鐵和磁鋼的 B-H 曲線。由於永久磁鐵在不同溫度下具有不同的材料特性，因此工程師若可存取適當的材料庫，便能執行材料掃描和研究溫度對磁性閂鎖性能的影響。Maxwell 和 Ansys Granta 材料庫為使用者提供多個永久磁鐵的廠商庫，包括不同等級的磁鐵在不同溫度下的 B-H 曲線。

N42M 永久磁鐵在不同溫度下的消磁特性

圖 4.N42M 永久磁鐵在不同溫度下的消磁特性

避免永久磁鐵消磁和磁滯建模

永久磁鐵對溫度敏感，在較高溫度下容易消磁。消磁會導致磁性閂鎖的力效能劣化。在特定操作條件下，永久磁鐵的消磁無法回復，可能會導致磁性閂鎖機構故障。因此在設計磁性閂鎖時，工程師必須將溫度影響納入考量。如圖 5 所示，根據 Maxwell 的研究，N42 磁鐵在不同溫度下的操作點 (在空氣中和放置在磁性線路中)。結果顯示在較高溫度下消磁程度更大，如反衝線所示。

操作點表示永久磁鐵在較高溫度下會消磁

圖 5.操作點表示永久磁鐵在較高溫度下會消磁

除了消磁研究之外，也可以使用 Maxwell 研究原生磁鐵的磁化和鐵磁材料磁滯效應等進階磁性效應。軟磁材料的磁滯行為，會導致軟鋼在永久磁鐵遠離時出現剩磁通量。剩磁通量可能會導致剩磁力，在設計類似裝置的控制時需要考慮到這一點。如圖 6 所示，當永久磁鐵遠離或靠近標準 1008 碳鋼物體時，該物體中描繪的向量磁滯迴路。  

磁鋼的磁滯行為隨磁鐵遠近變化

圖 6.磁性閂鎖，包括永久磁鐵和磁鋼 (左)；磁鋼的磁滯行為隨磁鐵遠近變化 (右)

執行大量情境以設計最佳磁性閂鎖

進行氣隙、材料、形狀、大小和溫度研究將導致大量的實驗設計 (DOE) 空間。高性能計算 (HPC) 和 Ansys Cloud 解決方案可以幫助工程師平行執行設計變異，並更快獲得解決方案。

Ansys Maxwell 中參數研究的反應曲面

圖 7.Ansys Maxwell 中參數研究的反應曲面

如上所述，Maxwell 為磁性閂鎖設計提供全方位的磁性解決方案，其中包括：

  • 磁場與磁力解決方案
  • 氣隙、形狀、大小和材料研究
  • 飽和度與雜散通量效應
  • 便於使用的自動自適應網格，提供準確的解決方案
  • 適用於 DOE 研究的 HPC 和雲端解決方案
  • 磁化與消磁分析
  • 向量磁滯建模

瞭解磁性閂鎖機構的結構動力學

除了設計磁性閂鎖之外，模擬還可以讓工程師耦合 Maxwell 和 Ansys Motion，研究磁鐵在吸附過程中的運動學運動和衝擊壓力。磁力、轉矩和位置資訊在 Maxwell 和 Motion 求解器之間交換，以計算閂鎖機構的結構動力。

由 Maxwell 領導的 Ansys 提供全方位的磁性及多重物理量解決方案，讓工程師設計出穩健的磁性閂鎖機構，不但具有防錯功能，還能提升使用者體驗，可輕鬆將鍵盤、觸控筆、耳機、無線充電傳輸器等配件連接到平板電腦、手機或其他電子裝置。

觀看我們的隨選磁性閂鎖網路研討會，我們將探討設計工程師如何在 Ansys Maxwell 中設定磁鐵大小測定和材料研究，以節省成本並改善磁性閂鎖的效能。我們將逐一介紹重要的設計層面，例如鐵磁性材料的飽和，磁化/消磁等進階磁性功能、溫度相依性、向量磁滯建模，以及複雜的運動學/衝擊預測。