Componentă chimică a tubului bobină din oțel inoxidabil 2507, Studiu de simulare a rețelei termice echivalente a unui traductor magnetostrictiv gigant de pământuri rare

Vă mulțumim că ați vizitat Nature.com.Utilizați o versiune de browser cu suport limitat pentru CSS.Pentru cea mai bună experiență, vă recomandăm să utilizați un browser actualizat (sau să dezactivați Modul de compatibilitate în Internet Explorer).În plus, pentru a asigura suport continuu, arătăm site-ul fără stiluri și JavaScript.
Glisoare care arată trei articole pe diapozitiv.Utilizați butoanele înapoi și următorul pentru a vă deplasa prin diapozitive sau butoanele controlerului de diapozitive de la sfârșit pentru a vă deplasa prin fiecare diapozitiv.

• Descriere produs
• 2507 Tuburi spiralate din oțel inoxidabil din China

Esențial pentru proiectarea traductorului magnetostrictiv gigant (GMT) este analiza rapidă și precisă a distribuției temperaturii.Modelarea rețelelor termice are avantajele costului de calcul scăzut și preciziei ridicate și poate fi utilizată pentru analiza termică GMT.Cu toate acestea, modelele termice existente au limitări în descrierea acestor regimuri termice complexe în GMT: majoritatea studiilor se concentrează pe stări staționare care nu pot surprinde schimbările de temperatură;În general, se presupune că distribuția temperaturii tijelor magnetostrictive gigantice (GMM) este uniformă, dar gradientul de temperatură de-a lungul tijei GMM este foarte semnificativ din cauza conductibilității termice slabe, distribuția neuniformă a pierderilor a GMM este rareori introdusă în sistemul termic. model.Prin urmare, luând în considerare în mod cuprinzător cele trei aspecte de mai sus, acest document stabilește modelul GMT Transitional Equivalent Heat Network (TETN).În primul rând, pe baza proiectării și principiului de funcționare a HMT vibratoriu longitudinal, se efectuează o analiză termică.Pe această bază, se stabilește modelul elementului de încălzire pentru procesul de transfer de căldură HMT și se calculează parametrii corespunzători ai modelului.În cele din urmă, acuratețea modelului TETN pentru analiza spațio-temporală a temperaturii traductorului este verificată prin simulare și experiment.
Materialul magnetostrictiv gigant (GMM), și anume terfenol-D, are avantajele magnetostricției mari și densității mari de energie.Aceste proprietăți unice pot fi utilizate pentru a dezvolta traductoare magnetostrictive gigantice (GMT) care pot fi utilizate într-o gamă largă de aplicații, cum ar fi traductoare acustice subacvatice, micromotoare, actuatoare liniare etc. 1,2.
O preocupare deosebită este potențialul de supraîncălzire a GMT-urilor submarine, care, atunci când sunt operate la putere maximă și pentru perioade lungi de excitație, pot genera cantități semnificative de căldură datorită densității lor mari de putere3,4.În plus, datorită coeficientului mare de dilatare termică al GMT și sensibilității sale mari la temperatura externă, performanța sa de ieșire este strâns legată de temperatură5,6,7,8.În publicațiile tehnice, metodele de analiză termică GMT pot fi împărțite în două mari categorii9: metode numerice și metode cu parametrii concentrați.Metoda elementelor finite (FEM) este una dintre cele mai frecvent utilizate metode de analiză numerică.Xie și colab.[10] a folosit metoda elementelor finite pentru a simula distribuția surselor de căldură ale unui drive magnetostrictiv gigant și a realizat proiectarea sistemului de control al temperaturii și de răcire al unității.Zhao și colab.[11] a stabilit o simulare comună cu elemente finite a unui câmp de curgere turbulent și a unui câmp de temperatură și a construit un dispozitiv inteligent de control al temperaturii pentru componente GMM pe baza rezultatelor simulării cu elemente finite.Cu toate acestea, FEM este foarte solicitant în ceea ce privește configurarea modelului și timpul de calcul.Din acest motiv, FEM este considerat un suport important pentru calculele offline, de obicei în timpul fazei de proiectare a convertorului.
Metoda parametrilor concentrați, denumită în mod obișnuit modelul rețelei de căldură, este utilizată pe scară largă în analiza termodinamică datorită formei sale matematice simple și vitezei mari de calcul12,13,14.Această abordare joacă un rol important în eliminarea limitărilor termice ale motoarelor 15, 16, 17. Mellor18 a fost primul care a folosit un circuit echivalent termic T îmbunătățit pentru a modela procesul de transfer de căldură al motorului.Verez şi colab.19 a creat un model tridimensional al rețelei termice a unei mașini sincrone cu magnet permanent cu flux axial.Boglietti et al.20 au propus patru modele de rețea termică de complexitate variabilă pentru a prezice tranzitorii termici pe termen scurt în înfășurările statorului.În cele din urmă, Wang și colab.21 au stabilit un circuit echivalent termic detaliat pentru fiecare componentă PMSM și au rezumat ecuația rezistenței termice.În condiții nominale, eroarea poate fi controlată cu 5%.
În anii 1990, modelul rețelei de căldură a început să fie aplicat convertoarelor de joasă frecvență de mare putere.Dubus et al.22 au dezvoltat un model de rețea de căldură pentru a descrie transferul staționar de căldură într-un vibrator longitudinal cu două fețe și un senzor de îndoire clasa IV.Anjanappa et al.23 au efectuat o analiză termică staționară 2D a unui microdrive magnetostrictiv folosind un model de rețea termică.Pentru a studia relația dintre tulpina termică a Terfenol-D și parametrii GMT, Zhu și colab.24 a stabilit un model echivalent în stare de echilibru pentru calculul rezistenței termice și al deplasării GMT.
Estimarea temperaturii GMT este mai complexă decât aplicațiile pentru motor.Datorită conductibilității termice și magnetice excelente a materialelor utilizate, majoritatea componentelor motorului considerate la aceeași temperatură sunt de obicei reduse la un singur nod13,19.Cu toate acestea, din cauza conductivității termice slabe a HMM-urilor, presupunerea unei distribuții uniforme a temperaturii nu mai este corectă.În plus, HMM are o permeabilitate magnetică foarte scăzută, astfel încât căldura generată de pierderile magnetice este de obicei neuniformă de-a lungul tijei HMM.În plus, cea mai mare parte a cercetării se concentrează pe simulări în stare staționară care nu țin cont de schimbările de temperatură în timpul funcționării GMT.
Pentru a rezolva cele trei probleme tehnice de mai sus, acest articol folosește ca obiect de studiu vibrația longitudinală GMT și modelează cu precizie diverse părți ale traductorului, în special tija GMM.A fost creat un model de rețea termică echivalentă de tranziție completă (TETN) GMT.Un model cu elemente finite și o platformă experimentală au fost construite pentru a testa acuratețea și performanța modelului TETN pentru analiza spațio-temporală a temperaturii traductorului.
Designul și dimensiunile geometrice ale HMF oscilant longitudinal sunt prezentate în Fig. 1a și, respectiv, b.
Componentele cheie includ tije GMM, bobine de câmp, magneți permanenți (PM), juguri, plăcuțe, bucșe și arcuri Belleville.Bobina de excitație și PMT oferă tijei HMM un câmp magnetic alternativ și, respectiv, un câmp magnetic de polarizare DC.Jugul și corpul, constând dintr-un capac și un manșon, sunt realizate din fier moale DT4, care are o permeabilitate magnetică ridicată.Formează un circuit magnetic închis cu tija GIM și PM.Tija de ieșire și placa de presiune sunt realizate din oțel inoxidabil 304 nemagnetic.Cu arcuri Belleville, pe tijă poate fi aplicată o pretensionare stabilă.Când un curent alternativ trece prin bobina de antrenare, tija HMM va vibra în consecință.
Pe fig.2 prezintă procesul de schimb de căldură în interiorul GMT.Tijele GMM și bobinele de câmp sunt cele două surse principale de căldură pentru GMT.Serpentina își transferă căldura corpului prin convecție a aerului în interior și capacului prin conducție.Tija HMM va crea pierderi magnetice sub acțiunea unui câmp magnetic alternativ, iar căldura va fi transferată către carcasă datorită convecției prin aerul intern și către magnetul permanent și jugul datorită conducției.Căldura transferată în carcasă este apoi disipată spre exterior prin convecție și radiație.Când căldura generată este egală cu căldura transferată, temperatura fiecărei părți a GMT atinge o stare de echilibru.
Procesul de transfer de căldură într-un OMG oscilant longitudinal: a – diagrama fluxului de căldură, b – căile principale de transfer de căldură.
Pe lângă căldura generată de bobina excitatorului și tija HMM, toate componentele unui circuit magnetic închis suferă pierderi magnetice.Astfel, magnetul permanent, jugul, capacul și manșonul sunt laminate împreună pentru a reduce pierderea magnetică a GMT.
Principalii pași în construirea unui model TETN pentru analiza termică GMT sunt următorii: mai întâi grupați componentele cu aceleași temperaturi împreună și reprezentați fiecare componentă ca un nod separat în rețea, apoi asociați aceste noduri cu expresia adecvată de transfer de căldură.conducţia căldurii şi convecţia între noduri.În acest caz, sursa de căldură și puterea termică corespunzătoare fiecărei componente sunt conectate în paralel între nod și tensiunea zero comună a pământului pentru a construi un model echivalent al rețelei de căldură.Următorul pas este de a calcula parametrii rețelei termice pentru fiecare componentă a modelului, inclusiv rezistența termică, capacitatea termică și pierderile de putere.În cele din urmă, modelul TETN este implementat în SPICE pentru simulare.Și puteți obține distribuția temperaturii fiecărei componente a GMT și modificarea acesteia în domeniul timpului.
Pentru comoditatea modelării și calculului, este necesar să se simplifice modelul termic și să se ignore condițiile la limită care au un efect redus asupra rezultatelor18,26.Modelul TETN propus în acest articol se bazează pe următoarele ipoteze:
În GMT cu înfășurări înfășurate aleatoriu, este imposibil sau necesar să se simuleze poziția fiecărui conductor individual.Diverse strategii de modelare au fost dezvoltate în trecut pentru a modela transferul de căldură și distribuția temperaturii în înfășurări: (1) conductivitate termică compusă, (2) ecuații directe bazate pe geometria conductorului, (3) circuit termic echivalent T29.
Conductivitatea termică compozită și ecuațiile directe pot fi considerate soluții mai precise decât circuitul echivalent T, dar depind de mai mulți factori, precum materialul, geometria conductorului și volumul de aer rezidual din înfășurare, care sunt greu de determinat29.Dimpotrivă, schema termică echivalentă T, deși este un model aproximativ, este mai convenabilă30.Poate fi aplicat la bobina de excitație cu vibrații longitudinale ale GMT.
Ansamblul general cilindric gol folosit pentru reprezentarea bobinei excitatorului și diagrama termică echivalentă a lui T, obținută din soluția ecuației căldurii, sunt prezentate în fig.3. Se presupune că fluxul de căldură în bobina de excitație este independent în direcțiile radială și axială.Fluxul de căldură circumferenţial este neglijat.În fiecare circuit echivalent T, două terminale reprezintă temperatura de suprafață corespunzătoare a elementului, iar al treilea terminal T6 reprezintă temperatura medie a elementului.Pierderea componentei P6 este introdusă ca sursă punctuală la nodul de temperatură medie calculat în „Calcul pierderi de căldură în bobina de câmp”.În cazul simulării nestaționare, capacitatea termică C6 este dată de ecuație.(1) se adaugă și la nodul Temperatură medie.
Unde cec, ρec și Vec reprezintă căldura specifică, densitatea și respectiv volumul bobinei de excitație.
În tabel.1 prezintă rezistența termică a circuitului termic echivalent T al bobinei de excitație cu lungimea lec, conductivitatea termică λec, raza exterioară rec1 și raza interioară rec2.
Bobinele excitatoare și circuitele lor termice echivalente în T: (a) de obicei elemente cilindrice goale, (b) circuite termice echivalente în T axiale și radiale separate.
Circuitul echivalent T s-a dovedit a fi precis și pentru alte surse de căldură cilindrice13.Fiind principala sursă de căldură a OMG-ului, tija HMM are o distribuție neuniformă a temperaturii datorită conductibilității sale termice scăzute, în special de-a lungul axei tijei.Dimpotrivă, neomogenitatea radială poate fi neglijată, deoarece fluxul de căldură radial al tijei HMM este mult mai mic decât fluxul de căldură radial31.
Pentru a reprezenta cu acuratețe nivelul de discretizare axială a tijei și a obține cea mai mare temperatură, tija GMM este reprezentată de n noduri distanțate uniform pe direcția axială, iar numărul de noduri n modelate de tija GMM trebuie să fie impar.Numărul de contururi termice axiale echivalente este n T figura 4.
Pentru a determina numărul de noduri n utilizate pentru modelarea barei GMM, rezultatele FEM sunt prezentate în fig.5 ca referință.După cum se arată în fig.4, numărul de noduri n este reglat în schema termică a tijei HMM.Fiecare nod poate fi modelat ca un circuit echivalent T.Comparând rezultatele FEM, din Fig. 5 arată că unul sau trei noduri nu pot reflecta cu exactitate distribuția temperaturii tijei HIM (aproximativ 50 mm lungime) în OMG.Când n este crescut la 5, rezultatele simulării se îmbunătățesc semnificativ și se apropie de FEM.Creșterea suplimentară a lui n oferă, de asemenea, rezultate mai bune cu prețul unui timp mai lung de calcul.Prin urmare, în acest articol, sunt selectate 5 noduri pentru modelarea barei GMM.
Pe baza analizei comparative efectuate, schema termică exactă a tijei HMM este prezentată în Fig. 6. T1 ~ T5 este temperatura medie a cinci secțiuni (secțiunea 1 ~ 5) ale bastonului.P1-P5 reprezintă respectiv puterea termică totală a diferitelor zone ale tijei, care vor fi discutate în detaliu în capitolul următor.C1 ~ C5 sunt capacitatea termică a diferitelor regiuni, care poate fi calculată prin următoarea formulă
unde crod, ρrod și Vrod indică capacitatea termică specifică, densitatea și volumul tijei HMM.
Folosind aceeași metodă ca și pentru bobina excitatoare, rezistența la transferul de căldură a tijei HMM din Fig. 6 poate fi calculată ca
unde lrod, rrod și λrod reprezintă lungimea, raza și conductibilitatea termică a tijei GMM, respectiv.
Pentru vibrația longitudinală GMT studiată în acest articol, componentele rămase și aerul interior pot fi modelate cu o configurație cu un singur nod.
Aceste zone pot fi considerate ca fiind formate din unul sau mai mulți cilindri.O conexiune pur conductivă de schimb de căldură într-o piesă cilindrică este definită de legea Fourier de conducție a căldurii ca
Unde λnhs este conductivitatea termică a materialului, lnhs este lungimea axială, rnhs1 și rnhs2 sunt razele exterioare și, respectiv, interioare ale elementului de transfer de căldură.
Ecuația (5) este utilizată pentru a calcula rezistența termică radială pentru aceste zone, reprezentată de RR4-RR12 în figura 7. În același timp, ecuația (6) este utilizată pentru a calcula rezistența termică axială, reprezentată de la RA15 la RA33 în figura 7.
Capacitatea termică a unui circuit termic cu un singur nod pentru zona de mai sus (inclusiv C7–C15 în Fig. 7) poate fi determinată ca
unde ρnhs, cnhs și Vnhs sunt lungimea, căldura specifică și respectiv volumul.
Transferul de căldură convectiv între aerul din interiorul GMT și suprafața carcasei și mediu este modelat cu un singur rezistor de conducție termică, după cum urmează:
unde A este suprafața de contact și h este coeficientul de transfer termic.Tabelul 232 enumeră câteva h tipice utilizate în sistemele termice.Conform Tabelului.2 coeficienți de transfer de căldură ai rezistențelor termice RH8–RH10 și RH14–RH18, reprezentând convecția dintre HMF și mediu în fig.7 sunt luate ca valoare constantă de 25 W/(m2 K).Restul coeficienților de transfer de căldură sunt setați egali cu 10 W/(m2 K).
Conform procesului intern de transfer de căldură prezentat în Figura 2, modelul complet al convertorului TETN este prezentat în Figura 7.
După cum se arată în fig.7, vibrația longitudinală GMT este împărțită în 16 noduri, care sunt reprezentate de puncte roșii.Nodurile de temperatură descrise în model corespund temperaturilor medii ale componentelor respective.Temperatura mediului T0, temperatura tijei GMM T1~T5, temperatura bobinei excitatorului T6, temperatura magnetului permanent T7 și T8, temperatura jugului T9~T10, temperatura carcasei T11~T12 și T14, temperatura aerului interior T13 și temperatura tijei de ieșire T15.În plus, fiecare nod este conectat la potențialul termic al pământului prin C1 ~ C15, care reprezintă capacitatea termică a fiecărei zone, respectiv.P1 ~ P6 este puterea termică totală a tijei GMM și respectiv a bobinei excitatoare.În plus, 54 de rezistențe termice sunt utilizate pentru a reprezenta rezistența conductivă și convectivă la transferul de căldură între nodurile adiacente, care au fost calculate în secțiunile anterioare.Tabelul 3 prezintă diferitele caracteristici termice ale materialelor convertoarelor.
Estimarea precisă a volumelor pierderilor și distribuția acestora este esențială pentru realizarea unor simulări termice fiabile.Pierderea de căldură generată de GMT poate fi împărțită în pierderea magnetică a tijei GMM, pierderea Joule a bobinei excitatorului, pierderea mecanică și pierderea suplimentară.Pierderile suplimentare și pierderile mecanice luate în considerare sunt relativ mici și pot fi neglijate.
Rezistența bobinei de excitație ca include: rezistența DC Rdc și rezistența pielii Rs.
unde f și N sunt frecvența și numărul de spire ale curentului de excitație.lCu și rCu sunt razele interioare și exterioare ale bobinei, lungimea bobinei și raza firului magnetic de cupru, așa cum este definită de numărul său AWG (American Wire Gauge).ρCu este rezistivitatea miezului său.µCu este permeabilitatea magnetică a miezului său.
Câmpul magnetic real din interiorul bobinei de câmp (solenoid) nu este uniform pe lungimea tijei.Această diferență este vizibilă în special datorită permeabilității magnetice mai scăzute a tijelor HMM și PM.Dar este simetric longitudinal.Distribuția câmpului magnetic determină direct distribuția pierderilor magnetice ale tijei HMM.Prin urmare, pentru a reflecta distribuția reală a pierderilor, se ia pentru măsurare o tijă cu trei secțiuni, prezentată în Figura 8.
Pierderea magnetică poate fi obținută prin măsurarea buclei de histerezis dinamic.Pe baza platformei experimentale prezentate în Figura 11, au fost măsurate trei bucle de histerezis dinamic.Cu condiția ca temperatura tijei GMM să fie stabilă sub 50°C, sursa de alimentare CA programabilă (Chroma 61512) conduce bobina de câmp într-un anumit interval, așa cum se arată în Figura 8, frecvența câmpului magnetic generat de curentul de testare și densitatea fluxului magnetic rezultat sunt calculate prin integrarea tensiunii induse în bobina de inducție conectată la tija GIM.Datele brute au fost descărcate din loggerul de memorie (MR8875-30 pe zi) și procesate în software-ul MATLAB pentru a obține buclele de histerezis dinamic măsurate prezentate în Fig. 9.
Buclele de histerezis dinamice măsurate: (a) secțiunea 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) secțiunea 1/5: fm = 1000 Hz, (c) secțiunea 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) secțiunea 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) secțiunea 3: Bm = 0,07228 T, (f) secțiunea 3: fm = 1000 Hz.
Conform literaturii 37, pierderea magnetică totală Pv per unitate de volum a tijelor HMM poate fi calculată folosind următoarea formulă:
unde ABH este aria de măsurare pe curba BH la frecvența câmpului magnetic fm egală cu frecvența curentului de excitație f.
Pe baza metodei de separare a pierderilor Bertotti38, pierderea magnetică pe unitatea de masă Pm a unei tije GMM poate fi exprimată ca suma pierderii prin histerezis Ph, a pierderilor de curent turbionar Pe și a pierderii anormale Pa (13):
Dintr-o perspectivă inginerească38, pierderile anormale și pierderile prin curenți turbionari pot fi combinate într-un singur termen numit pierdere totală cu curenți turbionari.Astfel, formula de calcul a pierderilor poate fi simplificată după cum urmează:
în ecuație.(13)~(14) unde Bm este amplitudinea densității magnetice a câmpului magnetic excitant.kh și kc sunt factorul de pierdere prin histerezis și factorul total de pierdere cu curent turbionar.