2507 хемиска компонента на цевка од серпентина од не'рѓосувачки челик, Студија за симулација на еквивалентна топлинска мрежа на џиновски магнетостриктивен трансдуктор од ретка земја

Ви благодариме што ја посетивте Nature.com.Користите верзија на прелистувач со ограничена поддршка за CSS.За најдобро искуство, препорачуваме да користите ажуриран прелистувач (или да го оневозможите режимот на компатибилност во Internet Explorer).Покрај тоа, за да обезбедиме постојана поддршка, ја прикажуваме страницата без стилови и JavaScript.
Лизгачи кои прикажуваат три статии по слајд.Користете ги копчињата за назад и следно за да се движите низ слајдовите или копчињата на контролорот на слајдовите на крајот за да се движите низ секој слајд.

• Опис на производот
• 2507 Намотани цевки од нерѓосувачки челик од Кина

Од клучно значење за дизајнот на џиновскиот магнетостриктивен трансдуцер (GMT) е брзата и точна анализа на распределбата на температурата.Моделирањето на топлинската мрежа ги има предностите на ниската пресметковна цена и високата точност и може да се користи за термичка анализа GMT.Сепак, постоечките термални модели имаат ограничувања во опишувањето на овие сложени термички режими во GMT: повеќето студии се фокусираат на стационарни состојби кои не можат да ги фатат температурните промени;Генерално се претпоставува дека температурната дистрибуција на џиновските магнетостриктивни (GMM) прачки е униформа, но температурниот градиент низ шипката GMM е многу значаен поради слабата топлинска спроводливост, нееднаквата распределба на загубите на GMM ретко се внесува во термичката модел.Затоа, со сеопфатно разгледување на горенаведените три аспекти, овој документ го воспоставува моделот GMT преодна еквивалентна топлинска мрежа (TETN).Прво, врз основа на дизајнот и принципот на работа на надолжниот вибрационен HMT, се врши термичка анализа.Врз основа на ова, моделот на грејниот елемент е воспоставен за процесот на пренос на топлина HMT и се пресметуваат соодветните параметри на моделот.Конечно, точноста на моделот TETN за просторновременска анализа на температурата на трансдуцерот е потврдена со симулација и експеримент.
Џиновскиот магнетостриктивен материјал (GMM), имено терфенол-Д, има предности на голема магнетострикција и висока енергетска густина.Овие уникатни својства може да се користат за развој на џиновски магнетостриктивни трансдуктори (GMTs) кои можат да се користат во широк опсег на апликации како што се подводни акустични трансдуктори, микромотори, линеарни актуатори итн. 1,2.
Посебно загрижувачки е потенцијалот за прегревање на подморските GMT, кои, кога работат со целосна моќност и долги периоди на возбудување, можат да генерираат значителни количини на топлина поради нивната висока густина на моќност3,4.Покрај тоа, поради големиот коефициент на термичка експанзија на GMT и неговата висока чувствителност на надворешна температура, неговите излезни перформанси се тесно поврзани со температурата5,6,7,8.Во техничките публикации, методите за термичка анализа на GMT може да се поделат во две широки категории9: нумерички методи и методи на збирни параметри.Методот на конечни елементи (FEM) е еден од најчесто користените методи за нумеричка анализа.Ксие и сор.[10] го искористи методот на конечни елементи за да ја симулира дистрибуцијата на изворите на топлина на џиновскиот магнетостриктивен погон и го реализираше дизајнот на системот за контрола на температурата и ладење на погонот.Жао и сор.[11] воспоставил заедничка симулација на конечни елементи на турбулентно поле на проток и температурно поле и изградил уред за контрола на температурата со интелигентна компонента GMM врз основа на резултатите од симулацијата на конечни елементи.Сепак, FEM е многу баран во однос на поставувањето на моделот и времето за пресметување.Поради оваа причина, FEM се смета за важна поддршка за офлајн пресметки, обично за време на фазата на дизајнирање на конверторот.
Методот на збирен параметар, кој најчесто се нарекува модел на топлинска мрежа, е широко користен во термодинамичката анализа поради неговата едноставна математичка форма и високата брзина на пресметување12,13,14.Овој пристап игра важна улога во елиминирањето на термичките ограничувања на моторите 15, 16, 17. Мелор18 беше првиот што употреби подобрено термичко еквивалентно коло Т за моделирање на процесот на пренос на топлина на моторот.Верез и сор.19 создаде тродимензионален модел на топлинска мрежа на синхрона машина со постојан магнет со аксијален проток.Boglietti et al.20 предложи четири модели на топлинска мрежа со различна сложеност за да се предвидат краткорочни термички транзиенти во намотките на статорот.Конечно, Wang et al.21 воспоставија детално термичко еквивалентно коло за секоја PMSM компонента и ја сумираа равенката на термички отпор.Под номинални услови, грешката може да се контролира во рок од 5%.
Во 1990-тите, моделот на топлинска мрежа почна да се применува на нискофреквентни конвертори со висока моќност.Dubus et al.22 развија модел на топлинска мрежа за опишување на стационарен пренос на топлина во двостран надолжен вибратор и сензор за свиткување од класа IV.Anjanappa et al.23 извршија 2D стационарна термичка анализа на магнетостриктивен микропогон користејќи модел на топлинска мрежа.За да ја проучат врската помеѓу термичкиот напор на параметрите Terfenol-D и GMT, Zhu et al.24 воспостави еквивалентен модел на стабилна состојба за пресметка на термички отпор и GMT поместување.
Проценката на температурата GMT е посложена од апликациите на моторот.Поради одличната топлинска и магнетна спроводливост на употребените материјали, повеќето компоненти на моторот кои се разгледуваат на иста температура обично се сведуваат на еден јазол13,19.Меѓутоа, поради лошата топлинска спроводливост на HMMs, претпоставката за рамномерна распределба на температурата повеќе не е точна.Покрај тоа, HMM има многу ниска магнетна пропустливост, така што топлината генерирана од магнетните загуби обично е нерамномерна по должината на HMM прачката.Покрај тоа, поголемиот дел од истражувањето е фокусирано на симулации на стабилна состојба кои не ги земаат предвид температурните промени за време на работата GMT.
Со цел да се решат горенаведените три технички проблеми, овој напис ги користи надолжните вибрации GMT како предмет на проучување и прецизно моделира различни делови на трансдуцерот, особено шипката GMM.Создаден е модел на целосна преодна еквивалентна топлинска мрежа (TETN) GMT.Беа изградени модел на конечни елементи и експериментална платформа за тестирање на точноста и перформансите на моделот TETN за просторновременска анализа на температурата на трансдуцерот.
Дизајнот и геометриските димензии на надолжно осцилирачкиот HMF се прикажани на сл. 1а и б, соодветно.
Клучните компоненти вклучуваат GMM прачки, поле намотки, постојани магнети (PM), јареми, влошки, чаури и пружини белвил.Намотката за возбуда и PMT му обезбедуваат на HMM шипката наизменично магнетно поле и еднонасочно магнетно поле со пристрасност, соодветно.Јаремот и телото, составени од капа и ракав, се направени од меко железо DT4, кое има висока магнетна пропустливост.Формира затворено магнетно коло со GIM и PM прачка.Излезното стебло и плочата за притисок се направени од немагнетен нерѓосувачки челик 304.Со белвилските пружини може да се нанесе стабилна преднапрегање на стеблото.Кога наизменична струја поминува низ погонската калем, HMM шипката соодветно ќе вибрира.
На сл.2 го прикажува процесот на размена на топлина во GMT.GMM прачките и полето намотки се двата главни извори на топлина за GMTs.Серпентинот ја пренесува својата топлина на телото со воздушна конвекција внатре и до капакот со спроводливост.Прачката HMM ќе создаде магнетни загуби под дејство на наизменично магнетно поле, а топлината ќе се пренесе на обвивката поради конвекцијата низ внатрешниот воздух и на постојаниот магнет и јаремот поради спроводливоста.Топлината пренесена во куќиштето потоа се троши нанадвор со конвекција и зрачење.Кога генерираната топлина е еднаква на пренесената топлина, температурата на секој дел од GMT достигнува стабилна состојба.
Процесот на пренос на топлина во лонгитудинално осцилирачки ГМО: а – дијаграм за проток на топлина, б – главни патеки за пренос на топлина.
Покрај топлината што ја создаваат намотката за возбудување и HMM прачката, сите компоненти на затвореното магнетно коло доживуваат магнетни загуби.Така, постојаниот магнет, јаремот, капачето и ракавот се ламинирани заедно за да се намали магнетната загуба на GMT.
Главните чекори во изградбата на TETN модел за термичка анализа GMT се како што следува: прво групирајте ги компонентите со исти температури заедно и претставувајте ја секоја компонента како посебен јазол во мрежата, а потоа поврзете ги овие јазли со соодветниот израз за пренос на топлина.топлинска спроводливост и конвекција помеѓу јазлите.Во овој случај, изворот на топлина и излезната топлина што одговара на секоја компонента се поврзани паралелно помеѓу јазолот и заедничкиот нулта напон на земјата за да се изгради еквивалентен модел на топлинската мрежа.Следниот чекор е да се пресметаат параметрите на топлинската мрежа за секоја компонента на моделот, вклучувајќи термички отпор, топлински капацитет и загуби на моќност.Конечно, моделот TETN е имплементиран во SPICE за симулација.И можете да ја добиете дистрибуцијата на температурата на секоја компонента на GMT и нејзината промена во временскиот домен.
За погодност при моделирање и пресметување, потребно е да се поедностави термичкиот модел и да се игнорираат граничните услови кои имаат мало влијание врз резултатите18,26.Моделот TETN предложен во овој напис се заснова на следните претпоставки:
Во GMT со случајно намотани намотки, невозможно или неопходно е да се симулира позицијата на секој поединечен проводник.Различни стратегии за моделирање беа развиени во минатото за моделирање на пренос на топлина и дистрибуција на температурата во намотките: (1) сложена топлинска спроводливост, (2) директни равенки засновани на геометријата на спроводниците, (3) термичко коло со Т-еквивалент29.
Композитните топлинска спроводливост и директните равенки може да се сметаат за попрецизни решенија од еквивалентното коло Т, но тие зависат од повеќе фактори, како што се материјалот, геометријата на спроводникот и волуменот на преостанатиот воздух во намотката, кои тешко се одредуваат29.Напротив, термичката шема со Т-еквивалент, иако е приближен модел, е попогодна30.Може да се примени на намотката за возбудување со надолжни вибрации на GMT.
Општиот шуплив цилиндричен склоп што се користи за претставување на калем на возбудувачот и неговиот Т-еквивалент термички дијаграм, добиен од решението на равенката за топлина, се прикажани на сл.3. Се претпоставува дека топлинскиот флукс во намотката за возбудување е независен во радијалните и аксијалните насоки.Обемниот топлински флукс е занемарен.Во секое еквивалентно коло T, два терминали ја претставуваат соодветната површинска температура на елементот, а третиот терминал T6 ја претставува просечната температура на елементот.Загубата на компонентата P6 се внесува како точен извор на просечниот температурен јазол пресметан во „Пресметката на загубата на топлина на полето на калем“.Во случај на нестационарна симулација, топлинскиот капацитет C6 е даден со равенката.(1) се додава и во јазолот Просечна температура.
Каде што cec, ρec и Vec ја претставуваат специфичната топлина, густината и волуменот на намотката за возбудување, соодветно.
Во табелата.1 го прикажува топлинскиот отпор на Т-еквивалентното термичко коло на возбудната намотка со должина lec, топлинска спроводливост λec, надворешен радиус rec1 и внатрешен радиус rec2.
Возбудливи намотки и нивните Т-еквивалентни термички кола: (а) обично шупливи цилиндрични елементи, (б) одделни аксијални и радијални Т-еквивалентни термички кола.
Еквивалентното коло Т исто така се покажа како точно за други цилиндрични извори на топлина13.Како главен извор на топлина на ГМО, шипката HMM има нерамномерна температурна распределба поради неговата ниска топлинска спроводливост, особено по должината на оската на шипката.Напротив, радијалната нехомогеност може да се занемари, бидејќи радијалниот топлински флукс на HMM прачката е многу помал од радијалниот топлински флукс31.
За прецизно да се прикаже нивото на аксијална дискретизација на шипката и да се добие највисока температура, шипката GMM е претставена со n јазли рамномерно распоредени во аксијалната насока, а бројот на јазли n моделирани од шипката GMM мора да биде непарен.Бројот на еквивалентни аксијални топлински контури е n T слика 4.
За да се одреди бројот на јазли n што се користат за моделирање на лентата GMM, резултатите од FEM се прикажани на сл.5 како референца.Како што е прикажано на сл.4, бројот на јазли n е регулиран во термичката шема на HMM шипката.Секој јазол може да се моделира како Т-еквивалентно коло.Споредувањето на резултатите од FEM, од Сл. 5 покажува дека еден или три јазли не можат точно да ја рефлектираат температурната распределба на HIM шипката (долга околу 50 mm) во ГМО.Кога n се зголеми на 5, резултатите од симулацијата значително се подобруваат и се приближуваат до FEM.Понатамошното зголемување на n, исто така, дава подобри резултати по цена на подолго време на пресметување.Затоа, во оваа статија се избрани 5 јазли за моделирање на лентата GMM.
Врз основа на направената компаративна анализа, точната термичка шема на HMM прачката е прикажана на сл. 6. T1 ~ T5 е просечна температура на пет делови (дел 1 ~ 5) од стапот.P1-P5 соодветно ја претставуваат вкупната топлинска моќност на различните области на шипката, што ќе биде детално разгледано во следното поглавје.C1~C5 се топлинскиот капацитет на различни региони, кој може да се пресмета со следнава формула
каде што crod, ρrod и Vrod го означуваат специфичниот топлински капацитет, густината и волуменот на HMM прачката.
Користејќи го истиот метод како и за намотката на возбудувачот, отпорноста на пренос на топлина на шипката HMM на сл. 6 може да се пресмета како
каде што lrod, rod и λrod ја претставуваат должината, радиусот и топлинската спроводливост на GMM прачката, соодветно.
За надолжните вибрации GMT проучувани во овој напис, останатите компоненти и внатрешниот воздух може да се моделираат со конфигурација на еден јазол.
Овие области може да се сметаат дека се состојат од еден или повеќе цилиндри.Чисто спроводлива врска за размена на топлина во цилиндричен дел е дефинирана со Фуриеровиот закон за топлинска спроводливост како
Каде што λnhs е топлинската спроводливост на материјалот, lnhs е аксијалната должина, rnhs1 и rnhs2 се надворешниот и внатрешниот радиус на елементот за пренос на топлина, соодветно.
Равенката (5) се користи за пресметување на радијалниот термички отпор за овие области, претставена со RR4-RR12 на слика 7. Во исто време, равенката (6) се користи за пресметување на аксијалниот термички отпор, претставен од RA15 до RA33 на слика 7.
Топлинскиот капацитет на термалното коло со еден јазол за горенаведената област (вклучувајќи го и C7-C15 на слика 7) може да се одреди како
каде ρnhs, cnhs и Vnhs се должината, специфичната топлина и волуменот, соодветно.
Конвективниот пренос на топлина помеѓу воздухот во GMT и површината на куќиштето и околината е моделиран со еден отпорник на топлинска спроводливост на следниов начин:
каде A е контактната површина и h е коефициентот на пренос на топлина.Во табела 232 се наведени некои типични h што се користат во топлинските системи.Според Табела.2 коефициенти на пренос на топлина на термички отпори RH8–RH10 и RH14–RH18, што ја претставуваат конвекцијата помеѓу HMF и околината на сл.7 се земаат како константна вредност од 25 W/(m2 K).Останатите коефициенти на пренос на топлина се поставени еднакви на 10 W/(m2 K).
Според внатрешниот процес на пренос на топлина прикажан на слика 2, целосниот модел на TETN конверторот е прикажан на слика 7.
Како што е прикажано на сл.7, надолжната вибрација GMT е поделена на 16 јазли, кои се претставени со црвени точки.Температурните јазли прикажани во моделот одговараат на просечните температури на соодветните компоненти.Амбиентална температура T0, температура на шипката GMM T1~T5, температура на намотката на возбудувачот T6, температура на постојан магнет T7 и T8, температура на јаремот T9~T10, температура на куќиштето T11~T12 и T14, температура на внатрешниот воздух T13 и температура на излезната шипка T15.Дополнително, секој јазол е поврзан со топлинскиот потенцијал на земјата преку C1 ~ C15, кои го претставуваат топлинскиот капацитет на секоја област, соодветно.P1~P6 е вкупната излезна топлина на GMM шипката и намотката на возбудувачот соодветно.Дополнително, се користат 54 термички отпори за претставување на проводниот и конвективниот отпор на пренос на топлина помеѓу соседните јазли, кои беа пресметани во претходните делови.Табела 3 ги прикажува различните термички карактеристики на материјалите на конверторот.
Точната проценка на волумените на загубите и нивната дистрибуција е од клучно значење за извршување на сигурни термички симулации.Загубата на топлина генерирана од GMT може да се подели на магнетна загуба на шипката GMM, загуба на џул на серпентина на возбудувачот, механичка загуба и дополнителна загуба.Дополнителните загуби и механичките загуби кои се земени предвид се релативно мали и може да се занемарат.
Отпорот на намотката за возбудување на наизменична струја вклучува: отпорност на еднонасочна струја Rdc и отпорност на кожата Rs.
каде f и N се фреквенцијата и бројот на вртења на возбудната струја.lCu и rCu се внатрешниот и надворешниот радиус на серпентина, должината на серпентина и радиусот на бакарната магнетна жица како што е дефинирано со нејзиниот број AWG (Американски мерач на жици).ρCu е отпорноста на неговото јадро.µCu е магнетна пропустливост на неговото јадро.
Вистинското магнетно поле во внатрешноста на полето намотка (магнетниот електромагнет) не е рамномерно по должината на шипката.Оваа разлика е особено забележлива поради помалата магнетна пропустливост на HMM и PM прачките.Но, тоа е надолжно симетрично.Распределбата на магнетното поле директно ја одредува распределбата на магнетните загуби на HMM прачката.Затоа, за да се одрази реалната распределба на загубите, за мерење се зема шипка со три пресеци, прикажана на слика 8.
Магнетната загуба може да се добие со мерење на јамката за динамичка хистереза.Врз основа на експерименталната платформа прикажана на Слика 11, беа измерени три динамички хистерезисни јамки.Под услов температурата на шипката GMM да е стабилна под 50°C, програмабилното напојување со наизменична струја (Chroma 61512) ја придвижува полето серпентина во одреден опсег, како што е прикажано на Слика 8, фреквенцијата на магнетното поле генерирано од Тековната струја и добиената густина на магнетниот тек се пресметуваат со интегрирање на напонот индуциран во индукцискиот калем поврзан со шипката GIM.Необработените податоци беа преземени од меморискиот логер (MR8875-30 на ден) и обработени во софтверот MATLAB за да се добијат измерените динамички хистерезисни циклуси прикажани на Сл. 9.
Измерени јамки за динамичка хистереза: (а) пресек 1/5: Bm = 0,044735 T, (б) пресек 1/5: fm = 1000 Hz, (в) дел 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) дел 2/ 4: fm = 1000 Hz, (д) ​​дел 3: Bm = 0,07228 T, (ѓ) дел 3: fm = 1000 Hz.
Според литературата 37, вкупната магнетна загуба Pv по единица волумен на HMM прачки може да се пресмета со следнава формула:
каде што ABH е мерната површина на кривата BH на фреквенцијата на магнетното поле fm еднаква на фреквенцијата на струјата на возбуда f.
Врз основа на методот на раздвојување на загубите на Бертоти38, магнетната загуба по единица маса Pm на GMM прачка може да се изрази како збир на загубата на хистерезис Ph, загубата на вртложни струи Pe и аномалната загуба Pa (13):
Од инженерска перспектива38, аномалните загуби и загубите на вртложни струи може да се комбинираат во еден поим наречен вкупна загуба на вртложни струи.Така, формулата за пресметување на загубите може да се поедностави на следниов начин:
во равенката.(13)~(14) каде Bm е амплитудата на магнетната густина на возбудливото магнетно поле.kh и kc се фактор на загуба на хистерезис и вкупен фактор на загуба на вртложни струи.