永久磁石の設計においてFEAが重要な理由
永久磁石を使った設計は、単に最も強力なものを選んで終わりにするだけでは不十分です。磁場、材料特性、そしてそれらがシステムとどのように相互作用するかを考慮する必要があります。そこで有限要素解析が役立ちます。エンジニアにとって、それはまるで水晶玉のようなものです。
FEA を使用すると次のことが可能になります。
- 磁束と磁場の強度をシミュレートします。
- ネオジムまたはSmCo磁石ストレスや熱下でも機能します。
- コストのかかるプロトタイプを避けるために設計を最適化します。
風力タービン発電機を設計していると想像してみてください。フェライト磁石の効率を最大限に高めたいのですが、高速回転時の減磁が心配です。FEAを使えば、数値計算を行い、弱点を特定し、生産に本格的に取り組む前に微調整を行うことができます。とても便利ですよね？
FEAにおける永久磁石の性能に影響を与える主な要因
FEAを最大限に活用するには、磁石の電磁気性能を左右する要因を理解する必要があります。ここでは、主要な要因と、それらをシミュレーションで考慮する方法について説明します。
• 材料特性
磁石の本質は、残留磁化率（Br）と保磁力（Hc）という2つの数値で定義されます。Brは磁石が発生できる磁場の強さを、Hcは減磁に対する耐性を表します。例えば、
ネオジム磁石: 高い Br (最大 1.4 テスラ) と Hc を備えた強力な磁石です。
フェライト磁石: Br は低い (約 0.4 テスラ) が、手頃な価格です。
FEAでは、正確な材料データを入力してください。一般的なSmCo磁石の仕様を使用するなど、ちょっとしたミスが結果に誤差をもたらす可能性があります。
• 幾何学と形状
磁石のサイズと形状は見た目だけでなく、磁場分布にも影響を及ぼします。適切な設置方法であれば、薄いネオジムディスクでも、かさばるフェライトブロックよりも優れた性能を発揮する可能性があります。FEA（有限要素法）を用いて形状をテストし、ニーズに合わせて最適化しましょう。
• 外部磁場
磁石は真空中では機能しません。近くの鋼鉄、コイル、その他の磁石は外部磁場を発生させ、性能を向上または阻害する可能性があります。FEAモデルでは、これらの相互作用を現実世界の状況に組み込む必要があります。
永久磁石のFEAステップバイステップガイド
さあ、袖をまくって実践してみましょう。FEAを使って永久磁石を使った設計をプロのように行う方法をご紹介します。
ステップ1：目標を定義する
まず、「この磁石は何の役に立つのか？」という問いから始めましょう。モーターのネオジム磁石でトルクを最大化したいのか？それとも、SmCo磁石でセンサーを安定化させたいのか？明確な目標を設定することで、FEAの焦点を絞ることができます。
例: ロボット工学エンジニアは、強度を失わずに 200°C に耐えられる SmCo 磁石を使用した軽量アクチュエータの開発を目指す場合があります。
ステップ2: モデルを構築する
ANSYS、COMSOL、SolidWorksなどのFEAソフトウェアを起動し、3Dモデルを作成します。磁石、周囲の部品、そしてエアギャップを含めます。寸法は正確に記入してください。1ミリメートルでも誤差が生じると、磁場の計算結果が悪化する可能性があります。
プロのヒント：フェライト磁石の場合は、多孔度データを再度確認してください。これは磁場の伝播に影響します。
ステップ3: 材料特性の割り当て
魔法が起こるのはここです。永久磁石の仕様を入力してください。
- ネオジム磁石: 高い保磁力 (Hc) と残留磁化 (Br)、例えば 1.4 テスラ。
- SmCo 磁石: Br は低いが、熱安定性は優れています (最大 350°C)。
- フェライト磁石: Br は低くなります (約 0.4 テスラ) が、コスト効率に優れています。
周囲の材質も忘れないでください。スチール製のハウジングは磁場を増幅したり弱めたりすることがあります。
ステップ4: 境界条件を設定する
ソフトウェアに、何が固定で何が自由かを伝えましょう。モーターの場合は、ステーターを固定し、ローターを回転させるといった具合です。温度や機械的応力などの外力を加えて、SmCo磁石の耐久性を調べてみましょう。
ステップ5：メッシュを作る
モデルを小さな要素に分割します。永久磁石付近のメッシュを細かくすると、特に複雑な磁場において精度が向上します。ただし、やり過ぎには注意が必要です。要素が多すぎると動作が遅くなります。
ステップ6: シミュレーションを実行する
「解決」ボタンを押してFEAでデータを解析しましょう。磁束、力の分布、ホットスポットを示すカラフルなマップが表示されます。
ステップ7: 分析と最適化
結果を検討してください。NdFeB磁石の表面磁場が低すぎませんか？サイズを大きくしたり、エアギャップを調整したりして、設計を微調整してください。満足のいく結果が得られるまで繰り返し作業を続けましょう。
ケーススタディ：FEAによる磁気センサーの設計
実際の例、つまりセンサー用の磁性鋼（磁石）の設計で、FEA の実際の動作を見てみましょう。
課題
ホール効果センサーには 2 つのネオジム磁石が必要です。
• 先端同士を5mm離して配置します。
• センサーは磁石表面から 4 mm 離れており、ストロークは 0 ～ 40 mm です。
• ストローク中心から±5mmの表面磁場は70mT以上でなければなりません。
1. モデル
ANSYS Maxwellでセットアップを構築します。2つの焼結ネオジム磁石を一定の間隔で配置します。プロパティ：Br = 1.3T、磁化方向を設定します。
2. 境界
磁石を固定してセンサーの動きをシミュレートします。
3. メッシュ
正確なフィールド マッピングのために磁石の周囲を調整します。
4. 走る
モデルを解決し、検証します。
5. 結果
最初の実行では、ターゲットゾーンで75mTを示しました。成功です！必要に応じて、形状を微調整（例：ディスクを薄くする）して80mTを達成してください。
最適化された設計は余裕をもって仕様を満たし、小規模プロジェクトでも FEA の威力を発揮することが証明されました。
FEA磁石設計のためのツールとソフトウェア
FEAを実行するのに博士号は必要ありませんが、適切なツールは必要です。以下に、お気に入りのツールをいくつかご紹介します。
- ANSYS Maxwell: 電磁気モデリングの最強ツール。ネオジム磁石に最適です。
- COMSOL Multiphysics: 柔軟で使いやすく、複雑なシステムの SmCo 磁石に最適です。
- FEMM: 手頃な価格で磁気に重点を置いています。
予算とスキルレベルに合ったものを選んで、レースに出発しましょう。
次のステップ
FEAで永久磁石の力を活用してみませんか？まずは小さな規模から始めましょう。シンプルなシステムをモデル化し、フェライト磁石やネオジム磁石を使って実験し、その可能性を探ってみましょう。さらにインスピレーションを得るには、当社のウェブサイトにある以下のリソースをご覧ください。
- [磁石を使った設計：エンジニアのための実践的なヒント]
- [磁石選択ガイド]
Q&A: 永久磁石とFEA設計
Q: 小規模プロジェクトに FEA を使用できますか?
A: その通りです！SmCo磁石を使用した小型センサーでも、FEAによってパフォーマンスを微調整できます。
Q: ネオジム磁石の FEA の精度はどの程度ですか?
A: 非常に簡単です。正確な材料データと境界条件を入力すれば可能です。「ガベージイン、ガベージアウト」が当てはまります。
Q: フェライト磁石はシミュレーションする価値がありますか?
A: はい！コストが低いので魅力的ですが、FEA により設計に耐えられることが保証されます。
Q: 初心者が犯す最大の間違いは何ですか?
A: 検証を省略します。可能な場合は、必ずFEAの結果を物理テストと比較してください。
ご質問がありますか？ぜひご連絡ください。あなたのプロジェクトについてお聞かせください！
これで、FEAを用いた永久磁石設計をマスターするためのロードマップが完成しました。さあ、素晴らしいものを作りましょう！
投稿日時: 2025年4月2日