总结讨论帖：线圈形成的磁场对永磁铁的作用力、力矩

scutauliguanlin

  我想计算的的是   线圈形成的磁场   对   永磁铁的作用力 和力矩。项目是线圈驱动硬磁微镜（MEMS）。

  在此，我把我的思路总结一下，虽然问题还没有解决，但论坛里面有很多人遇到类似问题，如果得到解决，一定分享出来，绝不保留。希望各位大神能体会我的真诚，不吝指导，给点提示，小弟在此先谢过了！

  刚开始用Comsol 仿真，通电线圈用的物理场是“磁场” ，我们可以得到空间中的磁场分布。

  永磁体用的 物理场是“磁场无电流” ，设置材料属性，“磁通量守恒—本构关系—磁化”，添加磁化强度，比如我的例子是z方向0.02T，x、y方向为零。进行”点—零磁标势“设置。
  一开始没有设置初始值和边界条件，那时候不懂，实质上线圈磁场是影响不到磁铁的！但是只要有剩磁，求解后就会在“结果—导出—数据”中含有“洛伦兹力”的数据。我们当时以为这就是受到磁场的作用力，把它添加到“固体力学”物理场中的“边界载荷”中，计算得到微镜偏转的动态、静态数据==，现在想起来太天真。。。因为没考虑到物理场耦合，实际上线圈和磁体没关系，结果当然是错的。贴图只是为了帮助理解。

  然后，我们意识到了问题，这期间看了中仿科技的几个相关视频，在论坛逛，了解到Comsol中的案例是有静电驱动的，，没有电磁驱动，以为这个领域还比较新，Comsol计算不了，所以决定转到Ansys Maxwell。
  Ansys Maxwell这个软件虽然界面和GUI等不是很人性化，不过有参考的教程，专门计算线圈磁场下磁铁受到力矩。

  简单的说，我们最后发现一个问题：对于硬磁来说，外部磁场基本对其剩磁无影响，外部磁场越强，其受到的磁力或者力矩应该成线性相关。但是结果却是力矩按照驱动电流的二次方关系增长，我们分析，也就是说，磁铁没有饱和，在被磁化。B=μ0*μr*H，所以T=1/2*B*H=1/2*μ0*μr*H*H（H与I正比，所以T与I成二次关系），maxwell内部计算时按照磁能积的方法。
  原因也可能是因为我们在材料属性那里，H-B磁化曲线设置的不对，但是试过很多材料，线性、非线性等，基本是二次关系，很头痛。并且看到一篇99年的文章，里面提到过maxwell在计算磁场对硬磁力矩的时候存在这个不饱和的时候存在问题，所以我们开始怀疑是软件本身计算方法有缺陷。
  或者这个问题可以从两个方面考虑：1.永磁铁定义不对  2.maxwell磁能积的计算方法存在问题   求指导！！
  总之，我们在熬了一段时间之后又转回Comsol，原因是看到论坛中提到”物理场的耦合“，边界条件设置，以及一个中仿科技的相关视频。
  大概有了思路：先计算磁场，然后得出结果，也就是空间磁场分布，放入另一个场的初始值、边界条件那里，在计算受力，然后放入固体力学初始值，在计算形变。


  然后，就是现在面临的问题，比我想象的多、细，还是小白一个。首先是”磁场“的设置，基本上问题不大了，计算(只有磁场静态)，然后是”磁场无电流“，”背景磁场“为约化场，并且将”磁场“中计算得到的mf.Hx、y、z放入其中。其他设置就不清楚了，如:
1.初始值中磁标势不会设置;
2.磁屏蔽 边界条件 不会设置；
3.磁绝缘是怎么回事

  然后是体积分、面积分的问题（先求解），不清楚怎么计算收到的力？积分  maxwell上、下行磁表面应力张量？或者怎样



【参考资料】

磁力和磁力矩的问题
http://forum.simwe.com/thread-1021495-1-1.html
(出处: Simwe仿真论坛(forum.simwe.com)，CAE/CAD/CAM/，FEA/FEM/有限元分析论坛---(手机验证注册))





参考资料还有很多，提到的我都会跟贴附在上面，时间比较赶，只能写到这里，如果问题得到解决，我愿意与大家分享。
欢迎讨论！

sky_walker

既然是硬磁体，就应该用剩磁密度（remanent fulx density）来定义，而不是B-H曲线。“磁场”物理场中也可以定义磁铁。
我做了一个2D轴对称线圈对磁铁的作用力模型，你可以看看。欢迎随时讨论。
http://pan.baidu.com/s/1gd6Aq6f

sky_walker

lz既然要计算线圈（电流）对磁铁的作用力，为什么还要用“磁场无电流”模块呢?
直接用“Magnetic Field”模块，添加外部电流（Eeternal Current Density），算得磁场分布。然后右键单击“Magnetic Field”，选择“Force Calcultion”,并选中定义的磁铁区域。即可计算力和力矩。

scutauliguanlin

有用到“磁场”（MF）这个物理场，用来计算线圈中电流的磁场分布，“磁场无电流”是用来设置磁化后的永磁铁的。
只用“磁场”这个物理场可以定义磁铁的特性吗？能详细一点吗
计算磁场分布时，我是将线圈画出来，添加边电流，这样做也是可以的吧

scutauliguanlin

另外，在线圈中如何添加外部电流密度呢？而且要x、y、z三个分量

scutauliguanlin

感谢！我正在对照着修改，不过如果我的线圈形状比较复杂，并且是线段二维的，添加边电流的方法可以吗？
或者只能用外部电流密度这个方法呢？（这样需要把导线画成圆柱体吧）

scutauliguanlin

另外，这个力的力矩 转轴设置，第一项是向量，第二项是向量平移，我这样设置就是经过(2.2,0,1)的y方向向量，没错吧？
”力名称“可自行设置？   问题很琐碎，不好意思

sky_walker

添加边电流也可以，但边电流产生的磁场效果可能不太好。

scutauliguanlin

感觉就款解决了，但是还有些问题，大神周末不在，等的好捉急啊
比如
1.那个y方向力矩，是指绕着y方向的力矩吧，为什么在边电流为0的时候不为0呢？完全没有驱动电流啊
2.如果是想把计算的力矩作为固体力学的初始条件，要怎么设置呢？
我们想把“磁场”中力计算出来，然后放入微镜两边“边界载荷”总力中，这样设置虽然能起到偏转的效果，但没有根据，而且也不是将两个场耦合在一起

sky_walker

1.力和力矩不为0很正常，毕竟是数值解法，算得的磁场分布肯定会存在一定的误差，不可能百分之百的精确，那么力和力矩也就会有偏差了。建议把网格划分的细一些，这样偏差也许就会小一些。
力矩的方向可参考帮助文档ACDCModuleUserGuide.pdf，搜索Force Calculation，即可找到相关介绍。
2.至于磁场和固体力学的耦合，可以参考ACDC案例库下的magnetic damping.

sky_walker

建议以后多参考和学习comsol自带的案例库和帮助文档，有时候你困惑的问题在案例库和帮助文档都已经有解决了。

scutauliguanlin

说的是，我们的确应该多看看案例，当初也是看到这么多的英文案例给吓怕了，反复找了几遍，理解的不深，也没找到合适的参考案例。
多谢您的指导，我选了第一次回复作为最佳答案，虽然仿真币意义不大，是我当时仅有的。详细做法我会跟帖附上，再次感谢！！

狂奔的乌龟时代

赞一个，大神好牛啊，学习了

fxj90

赞一个，我也在做相似的，很有收获