通过跨尺度微磁模拟方法评估多源磁器件中永磁体的实际磁性能

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Evaluating the Practical Magnetic Properties of Permanent Magnets in Multi-Source Magnetic Devices via Cross-Scale Micromagnetic Simulation Method

多源磁性器件中永磁体退磁化行为跨尺度模拟方法及机理研究。摘要：提出基于磁矩动力学的跨尺度数值方法，耦合麦克斯韦方程与LLG方程，通过3D Voronoi多晶参数化校准矫顽力，并引入温度依赖的Boltzmann统计场修正，有效捕捉Halbach阵列等复杂系统中的局部退磁化和多域形成机制。验证表明该方法能准确预测PMECD和PMSM中永磁体的剩磁比和矫顽力，揭示自退磁化与温度效应的协同作用规律。

　　在多源磁性装置（MSMDs）中，永磁体（PMs）的磁化状态受到周围磁体产生的叠加磁场影响，使得对其实用磁性性能的准确评估和选择变得极具挑战。这种干扰在复杂的磁系统如Halbach阵列中尤为显著，传统的非线性磁化模型往往无法准确捕捉到全局磁矩旋转与局部磁化反转机制共存的现象。为了应对这一问题，我们提出了一种基于磁矩动力学的跨尺度数值方法，用于评估MSMDs中永磁体的实际磁性性能。该方法建立了一个参考框架，使得微磁模拟可以应用于宏观、设备级别的永磁体磁性能评估。通过将Maxwell方程与Landau–Lifshitz–Gilbert（LLG）方程结合，并引入热磁相互作用，我们开发了一个内在磁化模型。通过使用基于三维Voronoi的多晶参数化方法，我们校准了矫顽力和主要的磁化反转机制（成核与钉扎）。通过空间分布的阻尼校正系数对主磁相的有效尺寸进行缩放，构建了一个跨尺度的模拟框架。与实验退磁曲线的强一致性验证了该方法在预测等效剩磁和退磁率方面的准确性。我们评估了不同位置的多种烧结NdFeB磁体在现有Halbach型永磁体励磁同轴驱动器（PMECDs）和永磁同步电机（PMSMs）中的磁性能。

在能量转换和运动控制系统中，多源磁性装置的退磁现象已成为影响可靠性的关键问题。在这些系统中，多个激励源产生的磁场叠加，形成了复杂的磁化环境，使得永磁体暴露于增强的退磁场，可能导致不可逆的磁性能退化和操作不稳定。在紧凑型MSMDs中，尤其是采用先进磁配置如Halbach阵列的系统中，这一问题尤为严重。传统线性或非线性磁化模型在这些复杂环境中可能无法充分捕捉全局磁矩旋转与局部磁化反转机制之间的相互作用，导致模拟结果出现偏差或不可靠。因此，需要一种能够准确描述磁体内部磁化行为的新型方法，以应对MSMDs中复杂的磁场耦合问题。

代表性MSMDs如永磁体涡流阻尼器（PMECDs）和永磁同步电机（PMSMs）已经被广泛研究其退磁行为。然而，选择合适的理论模型和模拟技术仍然是关键。例如，Yu提出了一种基于快速傅里叶变换（FFT）和改进的麻雀搜索算法优化概率神经网络（ISSA-PNN）的故障诊断框架。Liao等人则开发了一种结合等效电路、有限元模型和分析映射的混合方法，用于分析Halbach-转子PMSMs中的退磁行为。Zhao等人通过引入激发因子对静态Jiles-Atherton磁滞模型进行了改进，以模拟软磁复合材料中的内部退磁效应。然而，基于B–H曲线外推、Preisach建模或混合子域技术的传统方法在MSMDs的背景下存在固有局限。这些方法可能适用于孤立的磁体或简化场场景，但在捕捉内在退磁效应与外部场干扰之间的动态耦合方面存在不足。此外，它们依赖于宏观B–H特性，并忽视了介观尺度的磁畴动态，限制了其对实际应用的预测准确性。

微磁模拟通过解决Landau–Lifshitz–Gilbert（LLG）方程，能够在介观尺度上解析磁矩演化，从而研究磁化行为在复杂磁场环境中的变化。微磁模拟已被广泛用于研究温度、机械冲击和光-物质相互作用对退磁行为的影响。然而，传统微磁方法在将纳米尺度的自旋动力学与宏观设备几何结构进行桥接时面临可扩展性挑战，通常需要经验参数拟合，这可能降低物理一致性。为了解决这些限制，我们提出了一种跨尺度的数值框架，该框架结合了微磁的精度与宏观系统建模。基于前人研究，我们实施了一种磁静电耦合策略，通过迭代求解Maxwell–LLG方程，同时引入温度依赖的退磁效应，利用Boltzmann统计模型进行模拟。

在实际应用中，磁体的磁化行为受到其内部结构和外部磁场的共同影响。例如，纳米晶NdFeB磁体由于其更小的晶粒尺寸，磁畴壁运动频繁受到晶界阻碍，而烧结NdFeB磁体由于晶粒尺寸较大，这种阻碍显著减少。为了在小尺度模型中匹配大尺度磁体的行为，我们需要减少小尺度模型中的钉扎损失。传统的微磁方法可能无法实现这一点，因此，我们引入了一种基于磁畴壁动力学和YIG磁涡旋的磁化弛豫校正方法。这种方法通过调整磁畴壁的运动速度，使得小尺度模型中的磁化行为与实际磁体保持一致。我们通过建立一个具有非均匀阻尼分布的模型，来确保在不同尺度下磁化行为的连续性。在这些模型中，磁矩的旋转角度和其运动方向的连续性被优化，以减少误差累积。

在模拟过程中，我们通过结合微磁模型和宏观场计算，能够更准确地描述磁体的退磁行为。我们采用基于Voronoi的多晶模型，以模拟不同晶粒大小和晶界特性对退磁行为的影响。通过引入校正因子，如晶界磁化强度的调整和晶界厚度的设定，我们能够更精确地模拟磁体在复杂磁场环境下的磁化行为。同时，我们通过调整阻尼系数和磁矩旋转角度，使得小尺度模型能够与实际磁体的磁化行为保持一致。这种方法在模拟过程中表现出良好的稳定性，并且能够有效预测不同磁体在不同位置的退磁行为。

此外，我们还通过实验验证了该方法的准确性。实验结果表明，我们的模拟方法在预测等效剩磁和退磁率方面与实验数据高度一致。通过对比不同磁体的退磁曲线，我们发现该方法能够准确描述磁体在复杂磁场环境下的磁化行为，特别是在Halbach阵列中，磁体内部的磁化反转和多磁畴形成成为主要的退磁机制。这种方法不仅能够揭示磁体内部的微观磁化机制，还能够提供一种可靠的参考，用于磁性材料和磁阵列在MSMDs中的设计和优化。这种方法突破了传统经验方法的局限，使得磁体的磁性能评估和预设计优化成为可能。

综上所述，本文提出了一种基于磁矩动力学的跨尺度数值方法，用于评估MSMDs中永磁体的磁性能。该方法通过将微磁和磁静电理论相结合，解决了传统方法在复杂磁场环境中的局限性。通过引入温度依赖的磁化参数和基于Voronoi的多晶模型，我们能够更准确地模拟磁体在不同温度下的退磁行为。该方法在多个实际应用场景中表现出良好的适用性，包括Halbach型磁体阵列在PMECDs和PMSMs中的应用。这种方法不仅能够揭示磁体内部的磁化机制，还能够为磁性材料和磁阵列的优化设计提供理论依据。