磁性锁扣如何保护你的电子产品

你知道你的可拆卸键盘、连接到平板电脑的铅笔和连接到手机的无线充电板背后都有永久磁铁吗?在日常生活中，手机、平板电脑、磁锁壁挂式安全摄像头和无数电子设备的智能屏幕盖都依赖永久磁铁提供磁性附着机制。

对于某些应用，如安装的安全摄像头，永久磁铁取代了机械紧固件，如螺丝和螺栓。对于其他应用，如无线充电器，磁铁减少了与插拔设备电缆相关的磨损。在任何情况下，精心设计的电子磁性附件都可以增强用户体验。

什么是永磁体?

永磁体是一种磁场由材料自身内部结构产生的材料。设计永磁体闭锁机构的一个基本考虑是确保磁铁的设计能提供适当的闭锁力。两个永磁体之间的磁力取决于几个因素，如两个永磁体之间的分离距离、永磁体的大小、永磁体本身的材料等。一个低频电磁场求解器似的Ansys麦克斯韦是否可以帮助工程师进行尺寸和材料研究，以优化锁存机构中的力，同时降低磁性锁存的成本稀土磁铁是昂贵的。

让我们回顾一下磁锁存器设计中的一些关键考虑因素。

磁闭锁机构中的力

的存在铁磁材料，如软钢，除永磁体外，还会影响磁闭锁机构的受力。由于铁磁材料和永磁体同时使用所引入的变量，对铁磁分流器和磁通集中器进行建模对于精确计算力具有重要意义。

众所周知，由于强磁场，铁磁性钢在某些工作条件下会饱和。闭锁机制中的饱和是不希望的，因为它将限制磁力并导致杂散磁通，可以与锁存器附近的霍尔传感器(检测磁场)相互作用。例如，在磁铁组件之间有较大的分离距离时，软钢分流器可能不会饱和。然而，随着磁体锁存和磁体之间的分离距离变小，软钢分流器可能会由于较高的磁通密度而饱和。同理，软钢分流器的厚度也会影响饱和。

Ansys Maxwell可以捕获采用铁磁性钢的磁闭锁装置中的饱和，并提供精确的磁场和力解决方案。

网格分辨率:收敛是关键

从有限元求解器中获得精确的场解的关键因素是网格分辨率。应特别考虑网格元素的分布，以捕获分离距离和饱和度效果。Ansys Maxwell自动生成初始网格，并自适应地对其进行细化，以达到用户定义的收敛标准，确保精确的解决方案。

温度变化如何影响磁锁?

设计磁锁扣的工程师面临的挑战之一是获得永磁体和铁磁性钢的材料特性，如B-H曲线。由于永磁体在不同的温度下具有不同的材料特性，因此工程师可以使用足够的材料库进行材料扫描并研究温度对磁锁性能的影响。Maxwell和Ansys Granta材料库为用户提供了几个永久磁铁供应商库的访问权限，其中包括不同温度下不同等级磁铁的B-H曲线。

避免退磁和建模迟滞

永磁体对温度很敏感，在较高的温度下容易退磁。退磁导致磁锁存器受力性能下降。永磁体在一定工作条件下的不可逆退磁会导致磁锁存机构失效。因此，工程师在设计磁锁存器时考虑温度效应是很重要的。图5显示了基于麦克斯韦研究的N42磁铁在不同温度下(空气中和置于磁路中时)的工作点。结果表明，在较高的温度下，反冲线的退磁程度较大。

除了退磁研究，先进的磁效应，如原始磁体的磁化和铁磁材料中的磁滞效应可以用麦克斯韦研究。铁磁材料中的磁滞现象导致软钢在附近移除永磁体时产生剩余磁通。剩余磁通会产生剩余力，这在设计类似装置的控制时需要考虑。图6显示了一个标准的1008碳钢物体在永磁体远离或靠近前一个物体时的矢量磁滞回线。

图6。带有永磁体和铁磁钢的磁闩锁(左);磁体移动越近越远时铁磁性钢的磁滞特性(右图)

运行负载的场景，设计一流的磁锁

运行气隙，材料，形状，尺寸和温度研究将导致一个大的实验设计(DOE)空间。高性能计算(HPC)和Ansys Cloud解决方案可以帮助工程师并行运行设计变化，并更快地获得解决方案。

如上所示，麦克斯韦为磁锁设计提供了全面的磁性解决方案，包括:

• 磁场和力解
• 气隙，形状，尺寸和材料的研究
• 饱和和杂散磁通效应
• 自动自适应网格，方便使用和准确的解决方案
• 能源部研究的高性能计算和云解决方案
• 磁化和退磁分析
• 矢量迟滞建模

了解闭锁机构的结构动力学

除了设计磁闩锁外，仿真还使工程师能够通过耦合Maxwell来研究磁铁在闩锁和冲击应力期间的运动学运动Ansys运动。磁力、扭矩和位置信息在麦克斯韦和运动求解器之间交换，以计算闭锁机构的结构动力学。

图8。Ansys Maxwell - Ansys Motion Multiphysics工作流对磁闭锁机构的运动学运动进行建模(上);永磁体与铁磁钢闩锁时的冲击应力(下)

由Maxwell领导的Ansys提供的全面磁性和多物理场解决方案使工程师能够设计出可靠的磁锁机制，这些机制非常可靠，并增强了用户体验，因此您可以轻松地将键盘，触控笔等配件连接到平板电脑，手机或其他电子设备上。

按需下载磁闭锁网络研讨会在这里，我们探讨了设计工程师如何通过在Ansys Maxwell中设置磁铁尺寸和材料研究来实现成本节约和提高磁性锁存器的性能。我们将通过关键的设计方面，如铁磁材料的饱和，先进的磁性能力，包括磁化/退磁，温度依赖性，矢量迟滞建模，和复杂的运动学/冲击预测。