مدلسازی مغناطیسی با استفاده از COMSOL Multiphysics®
اگر تا به حال در کنار ترانسفورماتور ایستاده باشید، احتمالاً صدای زمزمه ای را شنیده اید که از آن می آید و فکر کرده اید که آیا زنبورهایی در نزدیکی آن هستند یا خیر. وقتی دفعه بعد آن صدا را می شنوید، می توانید مطمئن باشید که این زنبورها نیستند، بلکه انقباض مغناطیسی هسته ترانسفورماتور هستند که آن صدای زمزمه را ایجاد می کنند.
Magnetostriction چیست؟
انقباض مغناطیسی اثری است که باعث تغییر شکل در تمام مواد مغناطیسی در مواجهه با میدان مغناطیسی می شود. به عنوان مثال، یک قطعه آهن 0.002٪ کشیده می شود و نیکل 0.007٪ منقبض می شود. این مشاهدات در طول جنگ جهانی اول به دلیل کاربرد این پدیده در طراحی SONAR، توجه قابل توجهی را ایجاد کرد. تحقیقات بیشتر منجر به ایجاد مواد مغناطیسی مهندسی شده مانند ترفنول-D و اخیراً گالفنول شد که ازدیاد طول 0.04 تا 0.2٪ را نشان می دهند.
پدیده کرنش ناشی از میدان مغناطیسی به عنوان اثر مستقیم (مغناطیسی انسدادی) نیز شناخته می شود. اثر مغناطیسی انقباض را می توان در برهمکنش های سطح اتمی که در نتیجه عمل متعادل کننده ای که توسط انرژی مغناطیسی و مکانیکی در مواد مغناطیسی انجام می شود، هنگامی که تحت یک میدان مغناطیسی و تنش مکانیکی قرار می گیرند، ردیابی کرد. انیمیشن زیر یک تصویر ساده از آنچه در داخل یک ماده مغناطیسی می گذرد است.
وقتی میدان مغناطیسی اعمال شده روی ماده را چرخه میکنید، آهنرباهای بیضی شکل کوچکی که مواد را تشکیل میدهند همراه با تغییر در بزرگی و جهت میدان مغناطیسی به عقب و جلو میچرخند. جهت گیری مجدد این بلوک های ساختمانی مغناطیسی به عنوان یک کرنش ماکروسکوپی ظاهر می شود. اگر میدان مغناطیسی را در فرکانس خط برق معمولی (50 هرتز تا 60 هرتز) بچرخانید، فشار چرخهای در ماده باعث میشود که مانند یک بلندگو کار کند و در نتیجه صدای قابل شنیدن تولید میکند. این معمای صدای زمزمه که از یک ترانسفورماتور می آید را توضیح می دهد .
در نتیجه این جفت شدن مغناطیسی مکانیکی دو طرفه، ما همچنین یک اثر معکوس را می بینیم که در آن تنش بر روی یک ماده مغناطیسی می تواند با تغییر جهت این آهنرباهای کوچک، حالت مغناطیسی خود ماده را تغییر دهد. اثرات مستقیم و معکوس به ترتیب در کاربردهای تحریک و سنجش استفاده می شوند.
جایی که از مواد مغناطیسی استفاده می شود
مواد مغناطیسی برای تقریباً هر صنعتی، از هوافضا و تولید نفت گرفته تا آکوستیک و MEMS، چیزی برای ارائه دارند. برخی از کاربردهای تجاری مهم در زیر ذکر شده است:
- دستگاه های صوتی
- ردیاب آوایی
- هیدروفون
- شیکر اولتراسونیک برای تمیز کردن، مخلوط کردن و امولسیون کردن
- جوشکاری اصطکاکی اولتراسونیک
- عملگرها
- موتورهای خطی و دوار
- محرک Inchworm
- کنترل کننده موقعیت برای سر ماشین ابزار
- سیستم تزریق سوخت
- سیستم اسکن نوری
- محرک های هیدرولیک مانند شیرهای سروو و پمپ ها
- لبه عقب فعال در بال های هوشمند برای کاهش کشش
- حسگرها
- سنسور موقعیت
- سنسور گشتاور بدون تماس
- سنسور میدان مغناطیسی
- حسگرهای زیستی و شیمیایی MEMS
- کنترل لرزش
- لرزشگیر
- تثبیت کننده پلت فرم
- تثبیت کننده تصویر
- برداشت انرژی
- ساختارهای هوشمند هیبریدی
- مبدل Tonpilz با هسته هیبریدی پیزوالکتریک/مغناطیسی تنگ کننده
- محرک ها و حسگرهای ترکیبی پیزوالکتریک/مغناطیسی انسدادی
همچنین می توانید از آنها برای تبدیل دیوارها یا پنجره های اتاق نشیمن خود به بلندگو استفاده کنید !
بنابراین، چگونه می توانید این پدیده جالب را در COMSOL Multiphysics مدل کنید؟
مدلسازی مغناطیسی در مولتیفیزیک COMSOL
دستور العمل مناسب برای مدلسازی مبدلهای مغناطیسی محدودکننده شامل شبیهسازی دقیق رفتار مغناطیسی و ساختاری است، در حالی که تعامل بین این فیزیکها را با استفاده از یک مدل ماده مناسب نیز ثبت میکند. COMSOL رابط های فیزیک از پیش تعریف شده را برای راه اندازی شبیه سازی های مغناطیسی و ساختاری در اختیار شما قرار می دهد. همچنین این امکان را برای شما فراهم می کند تا قوانین سازنده سفارشی تعریف شده توسط کاربر را برای نمایش ریاضی مدل مواد تنظیم کنید.
شواهد تجربی نشان می دهد که هر دو اثر مغناطیسی انقباض مستقیم و معکوس غیرخطی هستند. مدلسازی پاسخ غیرخطی کامل هنگام شبیهسازی دستگاههایی که تحت شرایط شبه استاتیکی کار میکنند اما در معرض طیف وسیعی از نیروهای مکانیکی و میدانهای مغناطیسی هستند، میتواند مهم باشد. در چنین دستگاه هایی، دانستن اینکه هسته مغناطیسی تحت چه شرایط عملیاتی اشباع می شود، ممکن است مفید باشد. چنین اطلاعاتی می تواند حد طراح را فراهم کند و همچنین رفتار غیرخطی واقع بینانه را توضیح دهد، مانند تغییر در حساسیت یک سنسور یا حداکثر نیروی یک محرک، که کاربر می تواند انتظار دریافت آن را از دستگاه مغناطیسی فشار دهد.
در مبدلهای صوتی که در فرکانسهای مشخص مشخص و تحت مجموعهای از شرایط عملیاتی شناخته شده کار میکنند، میتوان مدل مواد را با استفاده از قوانین سازنده خطی ساده کرد. این قوانین (یا معادلات) با این فرض به دست می آیند که عملیات مبدل شامل نوسانات کوچک در مورد یک نقطه بایاس است. انجام چنین ملاحظات عملی در رویکرد مدلسازی به ما این امکان را میدهد که به راحتی پاسخ مبدلهای مغناطیسی را در طیف وسیعی از فرکانسهای عملیاتی شبیهسازی کنیم.
در COMSOL Multiphysics، می توان معادلات سازنده غیرخطی و خطی شده را برای مدل سازی دستگاه های مغناطیسی تنظیم کرد. در اینجا، من می خواهم چند عکس فوری از نتایجی را که از شبیه سازی یک مبدل آزمایشی به دست آوردیم، با شما به اشتراک بگذارم.
شبیه سازی یک مبدل مغناطیسی انسدادی
یک مبدل معمولی دارای یک هسته مغناطیسی است که توسط یک سیم پیچ محرک احاطه شده است. یک میدان مغناطیسی از جریان عبوری از سیم پیچ ایجاد می شود. مبدل دارای یک محفظه فولادی است که سیم پیچ محرک و هسته را در بر می گیرد. هسته به پیستونی متصل می شود که برای انتقال جابجایی هسته به یک جزء مکانیکی خارجی در پیکربندی محرک یا انتقال بار از یک منبع مکانیکی یا صوتی خارجی به هسته در پیکربندی سنسور استفاده می شود. محفظه فولادی، پیستون و هسته نیز یک مسیر شار مغناطیسی بسته ایجاد می کنند.
برای مدل غیرخطی، ما از منحنیهای مشخصه مواد معمولی گالفنول استفاده کردیم و توانستیم غیرخطی بودن را در پارامترهای مهم طراحی، مانند نیروی مسدود شده مبدل، شناسایی کنیم. ما همچنین توانستیم تغییر در رفتار محرک و حس را به عنوان تابعی از طیف گسترده ای از میدان های مغناطیسی و بارهای کششی و فشاری اعمال شده بر روی مبدل بررسی کنیم. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد این مدل، آموزش محرک و حسگر مغناطیسی غیرخطی را در گالری مدل ما بررسی کنید .
دامنه جابجایی، منحنیهای محرک و حسگر، و نمودارهای نیروی مسدود شده مبدل در یک شبیهسازی محرک مغناطیسی مغناطیسی غیرخطی.
برای مدل خطی، ما از پارامترهای مواد معمول Terfenol-D استفاده کردیم و توانستیم خطوط بار محرک را تولید کنیم. ما همچنین توانستیم پاسخ فرکانسی دامنه و فاز جابجایی مبدل و امپدانس سیم پیچ محرک را بررسی کنیم.
خط بار محرک، امپدانس سیم پیچ، دامنه جابجایی، و نمودار فاز جابجایی در یک شبیهسازی مبدل مغناطیسی خطی.
سخنرانی کلیدی مبدل های مغناطیسی انسدادی در کنفرانس COMSOL 2013
چندی پیش، همکار من Bernt در یک پست وبلاگی اشاره کرد که دکتر جولی اسلتر از محصولات ETREMA در کنفرانس COMSOL 2013 در بوستون، یک سخنرانی کلیدی در مورد مدلسازی مبدلهای مغناطیسی با استفاده از COMSOL Multiphysics ارائه خواهد کرد . اگر شما هم مانند من از علاقه مندان به انقباض مغناطیسی هستید، قطعاً نمی خواهید فرصت را برای نشستن در سخنرانی او از دست بدهید.
منابع اضافی
- آموزش محرک و سنسور مغناطیسی انسدادی غیر خطی را از گالری مدل دانلود کنید
- درک نویز ترانسفورماتور یک منبع عالی برای توضیح اثر مغناطیسی است
- در مورد Mains Hum بخوانید
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید