Моделирование и управление двойным электромагнитом активной магнитной левитации. Использование программы COMSOL Multiphysics. Создание электромагнита с широким градиентным спектром для внедрения магнитных веществ в мозг мыши. Метод конечных элементов.
Аннотация к работе
2. Теория.4.1 Магнит. 4.3 Метод конечных элементов.Это два электромагнита, расположенные обособленно друг от друга (рис.1). Они генерируют электромагнитную силу, необходимую для левитации. Система управления регулирует значение силы, чтобы стабилизировать левитируемый объект с желаемой жесткостью и свойствами депфирования. Электромагнитная сила, генерируемая электромагнитами, зависит от конструкции позиционера, управляющего сигнала и расстояния до левитируемого объекта. Рассматривается ток в катушке, динамика левитиремого объекта, которая описываются формулой (1). где: х1-положение объекта, х2-скорость, F1, F2-силы, генерируемые верхним и нижним электромагнитами, соответственно.Моделирование с помощью программы COMSOL Multiphysics отлично подходит для образовательных и исследовательских целей. В прошлой версии программы (COMSOL 3.3) было возможно конвертировать модель в программу MATLAB/Simulink. В этом случае проектируемый контроллер и моделирование замкнутой системы могут быть реализованы двумя способами: а) напрямую в программе COMSOL Multiphysics - это требуется для включения динамики движения и уравнений контроллера в пакете программы COMSOL. б) с помощью пакета MATLAB - использовать m-файл модели программы Использование COMSOL Multiphysics в левитационной задаче дает множество возможностей, изза особенностей этой программы, например таких как: а) общее мультифизическое моделирование. б) опция перемещения сетки решателя. в) уравнения полного дифференциала (УПД). г)возможность включать линейные и нелинейные формулы. д) моделирование в 2D, 3D и ассиметричный режим. е) способность включать электрическую цепь.0.056-килограммовая ферромагнитная сфера была расположена в исходном положении, проведены экспериментальные моделирования.Сигнал возбуждения был сгенерирован нижним электромагнитом, чтобы протестировать работу левитационного контроллера работающего с верхним электромагнитом. Свойства замкнутой системы определяют состояние используемого в работе левитирующего объекта. Сигналы тока катушки определяются уравнением (3). где: k1, k2-параметры контроллера, f(t)-сигнал возбуждения.Такой способ можно использовать, когда механическая конструкция позволяет пренебречь гравитацией или когда генерируемые силы много больше чем нужно для левитации объекта. Установившийся ток i0 и параметры контроллера соответствуют заданной жесткости и свойствам демпфирования. Применение COMSOL Multiphysics для двойной САМЛ позволяет задавать число контрольных опытов моделирования. Применение функции Multi-turn позволяет определить реальные свойства электромагнита лучше, чем катушка, которая непосредственно управляется плотностью тока. Разработанная модель и контроллер могут быть оптимизированы для целевого применения на основе результатов моделирования.Это новый терапевтический метод, доставляющий медицинские вещества посредством магнитного поля, также в состав этих веществ входят парамагнитные наночастицы. Вещества доставляются только в определенные участки тела, не затрагивая здоровые органы и ткани. Если применить такой способ к лечению опухоли мозга, то потребуется преодоление гематоэнцефалического барьера, что повлечет за собой действие химических веществ в крови на внутренние части черепа. Нам удалось экспериментально определить магнитную силу, необходимую для перемещения наночастиц в мозг, и следовательно была необходимость в использовании плотности магнитного потока и магнитного поля со сравнительно высоким градиентом, согласно формуле Fmagnetic . В данной работе мы разработали электромагнит, который создает необходимые свойства магнитного поля в активном объеме 2х2х2 см3, которое полностью охватывает весь объем мозга лабораторной мыши.Электромагнит состоит из железного сердечника, ярма и катушки(медь). На рисунках ниже показаны эскизы сердечника и ярма. Резьба в верхней части ярма позволяет регулировать воздушный зазор от 3 до 7 см. Был использован медный провод для катушки с внешним диаметром 1.2 мм. Адиабатический нагрев находится по формуле где: 4.3 Метод конечных элементовВ данной модели, COMSOL используется для определения оптимальной геометрии, которая обеспечивает необходимые параметры магнитного поля лоя преодоления наночастицами гематоэнцефалического барьера мозга лабораторной мыши. Эта модель будет выпускаться и как ожидается докажет свою продуктивность в вопросах локально-целевых дефектах в мозге. Также COMSOL позволил осуществить прогнозирование поведения нагрева магнита и показал, что необходима дополнительная система охлаждения после определенного времени работы. Геометрия: - Для создания ферромагнитного блока использовались элементы Block и Fillet. -Для создания твердотельной катушки использовались операции Extrude, Revolve, Array и Delete Entities.
План
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
СТАТЬЯ 1. Моделирование, имитация и управление двойным электромагнитом активной магнитной левитации.
1. Введение
2. Двойной магнит системы магнитной левитации.
3. Использование программы COMSOL Multiphysics.
4. Моделирование.
4.1 Левитация в гравитационном поле внешнего возбуждения.
4.2 Левитация без гравитации.
5. Заключение.
СТАТЬЯ 2. Создание электромагнита с широким градиентным спектром для внедрения магнитных веществ в мозг мыши.
Введение
2. Теория.
3. Уравнения.
Вывод
4.1 Магнит.
4.2 Расчет катушки.
4.3 Метод конечных элементов.
4.4 Нагрев магнита.
5. Заключение.
Заключение:4.1 Магнит
Электромагнит состоит из железного сердечника, ярма и катушки(медь). Ярмо необходимо для обеспечения плотности магнитного потока. На рисунках ниже показаны эскизы сердечника и ярма. Резьба в верхней части ярма позволяет регулировать воздушный зазор от 3 до 7 см.
4.2 Расчет катушки
Внешняя плотность тока составляет 1.79е А/м2. В таблице 3 указаны дополнительные параметры. Был использован медный провод для катушки с внешним диаметром 1.2 мм.
Адиабатический нагрев находится по формуле где:
4.3 Метод конечных элементов
Идеальные результаты магнитного поля зависели от формы магнита. Поэтому с помощью программы COMSOL были изучены и протестированы несколько магнитов разных форм, это было нужно для оптимизации магнитной силы. Результаты нашего магнитного наконечника показаны на рис.4-6. Индукция поля может достигнуть максимума, равного 1.43 Т. Плотность магнитного потока непосредственно под магнитным наконечником равна 588 МТ. С уменьшением расстояния от наконечника плотность потока быстро падает. Градиент поля колеблется от 27.08 Т/м для z=1 мм и до 10.37 Т/м на расстоянии 2 см от поверхности магнита.
4.4 Нагрев магнита
Используя модель электро-теплового взаимодействия, мы также могли изучить тепловые аспекты задуманного магнита. Согласно расчетам методом конечных элементов, наибольшее количества тепла вырабатывается на внешней обмотке. Моделирование в среде COMSOL не учитывает коэффициент заполнения меди. Можно предположить, что реальный результат составляет примерно 70 % из смоделированного результата.В данной модели, COMSOL используется для определения оптимальной геометрии, которая обеспечивает необходимые параметры магнитного поля лоя преодоления наночастицами гематоэнцефалического барьера мозга лабораторной мыши. Эта модель будет выпускаться и как ожидается докажет свою продуктивность в вопросах локально-целевых дефектах в мозге. Также COMSOL позволил осуществить прогнозирование поведения нагрева магнита и показал, что необходима дополнительная система охлаждения после определенного времени работы.
ПРИМЕРЫ
ПРИМЕР 1
1)Многообмоточная катушка вокруг прямоугольного ферромагнита.
Геометрия: - Для создания ферромагнитного блока использовались элементы Block и Fillet.
-Для создания твердотельной катушки использовались операции Extrude, Revolve, Array и Delete Entities.
-Для создания воздушной полости использовался Cylinder со слоями.
Настройка физики: -Конструкция многих взаимно-изолированных тонких проводов сложна так, что дело не обойдется просто геометрией.
-Multi-Turn Coil это гомогенизированная апроксимация модели.
- Geometry Analysis позволяет пользователю определять связность и направление обмоток: Input/Output
Настройка STUDY:
-Текущее точное направление в катушке не известно априори, но его можно рассчитать предварительно используя Coil Geometry Analysis.
1) Использует параметры заданные в Geometry Analysis, для определения направленности тока.
2) Можно использовать один Coil Geometry Analysis для нескольких Multi-Turn Coil в модели.
- Эта информация автоматически направляется в следующие исследования с использованием Multi-Turn Coil.
- Frequency Domain решает частотную область по законам Ампера, чтобы найти гармоническое решение в указанной частоте.
Список литературы
ВВЕДЕНИЕ
В данном реферате будут рассматриваться две статьи, в которых описывается применение электромагнитов в различных областях. А также два примера задач связанных с темой электромагниты. Для создания ниже описанных моделей использовалась программа COMSOL, являющаяся одной из лучших универсальных программ для моделирования .
Первая статья: Моделирование, имитация и управление двойным электромагнитом активной магнитной левитации.
Вторая статья: Создание электромагнита с широким градиентным спектром для внедрения магнитных веществ в мозг мыши.
СТАТЬЯ 1. Моделирование, имитация и управление двойным электромагнитом активной магнитной левитации
Adam Pilat*1 1AGH University of Science and Technology * Department of Automatics and Biomedical Engineering, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland
Краткий обзор: Эта статья посвящена моделированию двойного электромагнита активной магнитной левитации в пакете программы COMSOL Multiphysics. Были использованы уравнения частных и полных дифференциалов, чтобы понять как движутся левитируемые объекты. Для иллюстрации примера рабочего объекта используются два способа контроля.
Конфигурация двойного электромагнита для системы активной магнитной левитации(САМЛ) такова: два электромагнита расположены друг напротив друга, так что они образуют ось активного магнитного азимута. Такая же конфигурация может быть использована для тестирования одиночного электромагнита АМЛ контроллера. Одиночный электромагнит для САМЛ уже был смоделирован и построен в программе COMSOL Multiphysics.
Это исследование вытекает из контрольного исследования и экспериментов в реальном времени, которые помогли осуществить моделирование двойного электромагнита для активной магнитной левитации (MLS2EM)-тестовое оборудование. Эта разработка посвящена цилиндрическому электромагниту, который необходим для решения задачи с АМЛ. Междисциплинное моделирование, имитация и контролируемый подход - ключевые компоненты этого исследования. Моделирования и имитация конфигурации АМЛ требуется тогда, когда новое оборудование уже разработано или же когда существующее оборудование моделируется для проверки и контроля синтеза результатов. В обоих случаях необходимо внедрить обратную связь контроля, чтобы левитируемый объект был в нужном положении. Поэтому модель должна быть несколько расширенной, с динамикой движения и необходимыми формулами. Особенности программы COMSOL Multiphysics позволяют объединить несколько физических и математических аспектов в единственной модели.- Суммарная мощность потерь поставляемая в Multi-Turn Coil извлекается с помощью Global Evaluation и составляет mf.PCOIL_1 = 0.834 Вт.
- Мощность рассеиваемая Джоулевым теплом в катушке и ферромагнитных частях, извлечены с помощью Volume Integration of mf.Qh, возвращает 0.834 Вт.
-Входимая мощность= выходная мощность.
ПРИМЕР 2.
1)Многообмоточная катушка над ассиметричной проводниковой пластиной.
Эта модель решает задачу Исследуемых электромагнитных аналитических методов, "Ассиметричный проводник с отверстием" - задача, заключающая в оценки характеристик системы относительно вычисления токов Фуко и магнитных полей, произведенных при размещении проводника асимметрично над катушкой , в которой течет синусоидальный переменный ток.
Рисунок 2.1. Исследуемая модель.
Описание модели.
Поскольку у геометрии нет симметрии, то задачу нужно решить для всей геометрии. Как показано на рис.2.1, геометрия состоит из катушки, помещенной ассиметрично над толстой алюминиевой пластиной с нецентрированным квадратным отверстием. У катушки 2742 витка (ток 1 A/turn). Задача заключается в том, чтобы вычислить магнитное поле и токи Фуко, вызванные в проводнике для тока в катушке частотой 50 и 200 Гц, и сравнить результаты моделирования указанных положений в пространстве с экспериментальными данными.
Результаты и выводы.
Рис.2.2 показывает индуктивный ток (50 Гц), для отображения использованы комбинированная поверхность и стрелки. Черные стрелки показывают плотность тока в проводнике, а красные текущею направленность тока в катушке. Рис.2.3 показывает нам результаты при 200 Гц.
Рис.2.2. Результаты моделирования при 50 Гц.
Рис.2.3. Результаты моделирования при 200 Гц.
Заключение
Вышеописанные работы были смоделированы в пакете программы COMSOL Multiphysics. Эта программу, как можно увидеть, можно использовать в различных областях промышленности, для предварительного расчета проектируемой модели, для дальнейшего сравнения с экспериментальными данными, что как можно убедиться , снижает затраты при неудачных результатах моделирования.