Składnik chemiczny cewki ze stali nierdzewnej 2507, równoważne badanie symulacji sieci termicznej gigantycznego przetwornika magnetostrykcyjnego ziem rzadkich

Dziękujemy za odwiedzenie Nature.com.Używasz wersji przeglądarki z ograniczoną obsługą CSS.Aby uzyskać najlepszą jakość, zalecamy użycie zaktualizowanej przeglądarki (lub wyłączenie trybu zgodności w przeglądarce Internet Explorer).Dodatkowo, aby zapewnić bieżące wsparcie, pokazujemy witrynę bez stylów i JavaScript.
Suwaki pokazujące trzy artykuły na slajd.Użyj przycisków Wstecz i Dalej, aby poruszać się po slajdach, lub przycisków kontrolera slajdów na końcu, aby poruszać się po poszczególnych slajdach.

• Opis produktu
• 2507 Zwijane rurki ze stali nierdzewnej z Chin

Kluczowe znaczenie dla projektu gigantycznego przetwornika magnetostrykcyjnego (GMT) ma szybka i dokładna analiza rozkładu temperatury.Modelowanie sieci cieplnej ma zalety niskiego kosztu obliczeniowego i dużej dokładności i może być wykorzystywane do analizy termicznej GMT.Jednakże istniejące modele termiczne mają ograniczenia w opisywaniu tych złożonych reżimów termicznych w czasie GMT: większość badań koncentruje się na stanach stacjonarnych, które nie są w stanie uchwycić zmian temperatury;Ogólnie przyjmuje się, że rozkład temperatury gigantycznych prętów magnetostrykcyjnych (GMM) jest równomierny, ale gradient temperatury na pręcie GMM jest bardzo znaczący ze względu na słabą przewodność cieplną. Nierównomierny rozkład strat GMM rzadko jest wprowadzany do przewodu cieplnego Model.Dlatego też, kompleksowo uwzględniając powyższe trzy aspekty, niniejszy dokument ustanawia model przejściowej równoważnej sieci cieplnej GMT (TETN).W pierwszej kolejności w oparciu o konstrukcję i zasadę działania wibratora wzdłużnego HMT przeprowadza się analizę termiczną.Na tej podstawie tworzony jest model elementu grzejnego dla procesu wymiany ciepła HMT i obliczane są odpowiadające mu parametry modelu.Wreszcie, dokładność modelu TETN do analizy czasoprzestrzennej temperatury przetwornika jest weryfikowana poprzez symulację i eksperyment.
Gigantyczny materiał magnetostrykcyjny (GMM), mianowicie terfenol-D, ma zalety dużej magnetostrykcji i dużej gęstości energii.Te unikalne właściwości można wykorzystać do opracowania gigantycznych przetworników magnetostrykcyjnych (GMT), które można wykorzystać w szerokim zakresie zastosowań, takich jak podwodne przetworniki akustyczne, mikrosilniki, siłowniki liniowe itp. 1,2.
Szczególne obawy budzi możliwość przegrzania podwodnych GMT, które podczas pracy z pełną mocą i przez długie okresy wzbudzenia mogą generować znaczne ilości ciepła ze względu na ich dużą gęstość mocy3,4.Ponadto, ze względu na duży współczynnik rozszerzalności cieplnej GMT i jego wysoką wrażliwość na temperaturę zewnętrzną, jego wydajność wyjściowa jest ściśle powiązana z temperaturą5,6,7,8.W publikacjach technicznych metody analizy termicznej GMT można podzielić na dwie szerokie kategorie9: metody numeryczne i metody parametrów skupionych.Metoda elementów skończonych (MES) jest jedną z najczęściej stosowanych metod analizy numerycznej.Xie i in.[10] wykorzystali metodę elementów skończonych do symulacji rozkładu źródeł ciepła gigantycznego napędu magnetostrykcyjnego oraz zrealizowali projekt układu kontroli temperatury i chłodzenia napędu.Zhao i in.[11] ustalili wspólną symulację elementów skończonych turbulentnego pola przepływu i pola temperatury oraz zbudowali inteligentne urządzenie do kontroli temperatury komponentów GMM w oparciu o wyniki symulacji elementów skończonych.Jednakże MES jest bardzo wymagający pod względem konfiguracji modelu i czasu obliczeń.Z tego powodu MES uważa się za ważne wsparcie obliczeń offline, zwykle na etapie projektowania konwertera.
Metoda parametrów skupionych, popularnie nazywana modelem sieci cieplnej, jest szeroko stosowana w analizie termodynamicznej ze względu na jej prostą postać matematyczną i dużą szybkość obliczeń12,13,14.Podejście to odgrywa ważną rolę w eliminowaniu ograniczeń termicznych silników 15, 16, 17. Mellor18 jako pierwszy zastosował ulepszony termiczny obwód zastępczy T do modelowania procesu wymiany ciepła w silniku.Verez i in.19 stworzyli trójwymiarowy model sieci cieplnej maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi o przepływie osiowym.Boglietti i in.20 zaproponowali cztery modele sieci cieplnej o różnym stopniu złożoności w celu przewidywania krótkoterminowych stanów nieustalonych termicznie w uzwojeniach stojana.Na koniec Wang i in.21 ustalili szczegółowy obwód równoważny termicznie dla każdego elementu PMSM i podsumowali równanie oporu cieplnego.W warunkach nominalnych błąd można kontrolować w zakresie 5%.
W latach 90-tych zaczęto stosować model sieci ciepłowniczej do przetwornic małej częstotliwości dużej mocy.Dubus i in.22 opracowali model sieci cieplnej opisujący stacjonarny przepływ ciepła w dwustronnym wibratorze wzdłużnym i czujniku zgięcia klasy IV.Anjanappa i in.23 przeprowadzili stacjonarną analizę termiczną 2D magnetostrykcyjnego mikronapędu, korzystając z modelu sieci termicznej.Aby zbadać związek między odkształceniem termicznym parametrów terfenolu-D i GMT, Zhu i in.24 ustalił równoważny model stanu ustalonego do obliczeń oporu cieplnego i przemieszczenia GMT.
Oszacowanie temperatury GMT jest bardziej złożone niż aplikacje silnikowe.Ze względu na doskonałą przewodność cieplną i magnetyczną zastosowanych materiałów, większość elementów silnika rozpatrywanych w tej samej temperaturze jest zwykle zredukowana do jednego węzła13,19.Jednak ze względu na słabą przewodność cieplną HMM założenie o równomiernym rozkładzie temperatury nie jest już prawidłowe.Ponadto HMM ma bardzo niską przenikalność magnetyczną, więc ciepło generowane przez straty magnetyczne jest zwykle nierównomierne wzdłuż pręta HMM.Ponadto większość badań koncentruje się na symulacjach stanu ustalonego, które nie uwzględniają zmian temperatury podczas pracy w trybie GMT.
Aby rozwiązać powyższe trzy problemy techniczne, w artykule wykorzystano drgania podłużne GMT jako przedmiot badań i dokładnie modelowano różne części przetwornika, zwłaszcza pręt GMM.Stworzono model kompletnej przejściowej zastępczej sieci cieplnej (TETN) GMT.Zbudowano model elementów skończonych i platformę eksperymentalną w celu przetestowania dokładności i wydajności modelu TETN do analizy czasoprzestrzennej temperatury przetwornika.
Konstrukcja i wymiary geometryczne oscylującego wzdłużnie HMF pokazano odpowiednio na ryc. 1a i b.
Kluczowe komponenty obejmują pręty GMM, cewki polowe, magnesy trwałe (PM), jarzma, podkładki, tuleje i sprężyny talerzowe.Cewka wzbudzająca i PMT zapewniają prętowi HMM odpowiednio zmienne pole magnetyczne i pole magnetyczne polaryzacji prądu stałego.Jarzmo i korpus składający się z kołpaka i tulei wykonane są z miękkiego żelaza DT4, które ma wysoką przenikalność magnetyczną.Tworzy zamknięty obwód magnetyczny z prętem GIM i PM.Trzpień wyjściowy i płyta dociskowa wykonane są z niemagnetycznej stali nierdzewnej 304.Dzięki sprężynom talerzowym można zastosować stabilne naprężenie wstępne na trzpieniu.Kiedy prąd przemienny przepływa przez cewkę napędową, pręt HMM będzie odpowiednio wibrował.
Na ryc.2 przedstawia proces wymiany ciepła wewnątrz GMT.Pręty GMM i cewki polowe to dwa główne źródła ciepła dla GMT.Serpentyn przenosi ciepło do korpusu poprzez konwekcję powietrza wewnątrz i do pokrywy poprzez przewodzenie.Pręt HMM będzie powodował straty magnetyczne pod wpływem zmiennego pola magnetycznego, a ciepło będzie przekazywane do powłoki w wyniku konwekcji w powietrzu wewnętrznym oraz do magnesu trwałego i jarzma w wyniku przewodzenia.Ciepło przekazywane do obudowy jest następnie odprowadzane na zewnątrz w wyniku konwekcji i promieniowania.Kiedy wytworzone ciepło jest równe przeniesionemu ciepłu, temperatura każdej części GMT osiąga stan ustalony.
Proces wymiany ciepła w wzdłużnie oscylującym GMO: a – schemat przepływu ciepła, b – główne drogi wymiany ciepła.
Oprócz ciepła generowanego przez cewkę wzbudnicy i pręt HMM, wszystkie elementy zamkniętego obwodu magnetycznego podlegają stratom magnetycznym.W ten sposób magnes trwały, jarzmo, nasadka i tuleja są ze sobą laminowane, aby zmniejszyć straty magnetyczne GMT.
Główne etapy budowania modelu TETN do analizy termicznej GMT są następujące: najpierw zgrupuj komponenty o tych samych temperaturach i reprezentuj każdy komponent jako oddzielny węzeł w sieci, a następnie powiąż te węzły z odpowiednim wyrażeniem wymiany ciepła.przewodzenie ciepła i konwekcja pomiędzy węzłami.W tym przypadku źródło ciepła i moc cieplna odpowiadająca każdemu elementowi są połączone równolegle pomiędzy węzłem a wspólnym zerowym napięciem ziemi, aby zbudować równoważny model sieci ciepłowniczej.Kolejnym krokiem jest obliczenie parametrów sieci cieplnej dla każdego elementu modelu, obejmujących opór cieplny, pojemność cieplną i straty mocy.Wreszcie model TETN jest implementowany w SPICE na potrzeby symulacji.Możesz także uzyskać rozkład temperatury każdego składnika GMT i jego zmianę w dziedzinie czasu.
Dla wygody modelowania i obliczeń konieczne jest uproszczenie modelu termicznego i pominięcie warunków brzegowych, które mają niewielki wpływ na wyniki18,26.Model TETN zaproponowany w tym artykule opiera się na następujących założeniach:
W GMT z losowo nawiniętymi uzwojeniami niemożliwe lub konieczne jest symulowanie położenia każdego pojedynczego przewodnika.W przeszłości opracowano różne strategie modelowania w celu modelowania wymiany ciepła i rozkładu temperatury w uzwojeniach: (1) złożona przewodność cieplna, (2) równania bezpośrednie oparte na geometrii przewodnika, (3) równoważny obwód termiczny T29.
Złożone przewodnictwo cieplne i równania bezpośrednie można uznać za rozwiązania dokładniejsze niż równoważny obwód T, ale zależą one od kilku czynników, takich jak materiał, geometria przewodnika i objętość powietrza resztkowego w uzwojeniu, które są trudne do określenia29.Wręcz przeciwnie, schemat termiczny równoważny T, choć model przybliżony, jest wygodniejszy30.Można go nakładać na cewkę wzbudzenia z drganiami wzdłużnymi GMT.
Ogólny pusty cylindryczny zespół używany do przedstawienia cewki wzbudnicy i jej zastępczy schemat termiczny T, uzyskany z rozwiązania równania ciepła, pokazano na rys.3. Zakłada się, że strumień ciepła w cewce wzbudzenia jest niezależny w kierunku promieniowym i osiowym.Pomija się obwodowy strumień ciepła.W każdym równoważnym obwodzie T dwa zaciski reprezentują odpowiednią temperaturę powierzchni elementu, a trzeci zacisk T6 oznacza średnią temperaturę elementu.Stratę składnika P6 wprowadza się jako źródło punktowe w węźle średniej temperatury obliczonej w „Obliczeniach strat ciepła wężownicy polowej”.W przypadku symulacji niestacjonarnej pojemność cieplną C6 podaje równanie.(1) jest również dodawany do węzła Średnia temperatura.
Gdzie cec, ρec i Vec oznaczają odpowiednio ciepło właściwe, gęstość i objętość cewki wzbudzenia.
W tabeli.1 przedstawia rezystancję cieplną zastępczego T obwodu termicznego cewki wzbudzenia o długości lec, przewodności cieplnej λec, promieniu zewnętrznym rec1 i promieniu wewnętrznym rec2.
Cewki wzbudnicy i ich obwody termiczne równoważne T: (a) zwykle puste w środku elementy cylindryczne, (b) oddzielne obwody termiczne równoważne osiowe i promieniowe T.
Równoważny obwód T okazał się również dokładny dla innych cylindrycznych źródeł ciepła13.Będąc głównym źródłem ciepła GMO, pręt HMM ma nierównomierny rozkład temperatury ze względu na niską przewodność cieplną, zwłaszcza wzdłuż osi pręta.Wręcz przeciwnie, niejednorodność promieniową można pominąć, ponieważ promieniowy strumień ciepła pręta HMM jest znacznie mniejszy niż promieniowy strumień ciepła31.
Aby dokładnie przedstawić poziom dyskretyzacji osiowej pręta i uzyskać najwyższą temperaturę, pręt GMM jest reprezentowany przez n węzłów równomiernie rozmieszczonych w kierunku osiowym, a liczba węzłów n modelowanych przez pręt GMM musi być nieparzysta.Liczba równoważnych osiowych konturów termicznych wynosi n T rysunek 4.
Aby określić liczbę węzłów n wykorzystanych do modelowania pręta GMM, wyniki MES przedstawiono na rys. 2.5 jako odniesienie.Jak pokazano na ryc.4, liczba węzłów n jest regulowana na schemacie termicznym pręta HMM.Każdy węzeł można modelować jako obwód zastępczy T.Porównanie wyników MES z rys. 5 pokazuje, że jeden lub trzy węzły nie mogą dokładnie odzwierciedlać rozkładu temperatury pręta HIM (o długości około 50 mm) w GMO.Gdy n wzrasta do 5, wyniki symulacji znacznie się poprawiają i zbliżają się do MES.Dalsze zwiększanie n również daje lepsze wyniki kosztem dłuższego czasu obliczeń.Dlatego w tym artykule wybrano 5 węzłów do modelowania pręta GMM.
Na podstawie przeprowadzonej analizy porównawczej dokładny schemat termiczny pręta HMM pokazano na rys. 6. T1 ~ T5 to średnia temperatura pięciu odcinków (odcinek 1 ~ 5) drążka.Odpowiednio P1-P5 reprezentują całkowitą moc cieplną różnych obszarów pręta, co zostanie szczegółowo omówione w następnym rozdziale.C1~C5 to pojemność cieplna różnych obszarów, którą można obliczyć za pomocą następującego wzoru
gdzie crod, ρrod i Vrod oznaczają ciepło właściwe, gęstość i objętość pręta HMM.
Stosując tę ​​samą metodę, co w przypadku cewki wzbudnicy, opór przenoszenia ciepła pręta HMM na ryc. 6 można obliczyć jako
gdzie lrod, rrod i λrod oznaczają odpowiednio długość, promień i przewodność cieplną pręta GMM.
W przypadku drgań podłużnych GMT badanych w tym artykule pozostałe składowe i powietrze wewnętrzne można modelować za pomocą konfiguracji jednowęzłowej.
Obszary te można uznać za składające się z jednego lub większej liczby cylindrów.Czysto przewodzące połączenie wymiany ciepła w części cylindrycznej jest zdefiniowane przez prawo Fouriera dotyczące przewodzenia ciepła jako
Gdzie λnhs to przewodność cieplna materiału, lnhs to długość osiowa, rnhs1 i rnhs2 to odpowiednio zewnętrzne i wewnętrzne promienie elementu przenoszącego ciepło.
Równanie (5) służy do obliczenia promieniowego oporu cieplnego dla tych obszarów, reprezentowanego przez RR4-RR12 na rysunku 7. Jednocześnie równanie (6) służy do obliczenia osiowego oporu cieplnego, reprezentowanego przez RA15 do RA33 na rysunku 7.
Pojemność cieplną jednowęzłowego obwodu cieplnego dla powyższego obszaru (uwzględniającego C7–C15 na rys. 7) można wyznaczyć jako
gdzie ρnhs, cnhs i Vnhs to odpowiednio długość, ciepło właściwe i objętość.
Konwekcyjne przekazywanie ciepła pomiędzy powietrzem wewnątrz GMT a powierzchnią obudowy i otoczeniem modeluje się za pomocą pojedynczego rezystora przewodzącego ciepło w następujący sposób:
gdzie A jest powierzchnią styku, a h jest współczynnikiem przenikania ciepła.Tabela 232 zawiera listę typowych h stosowanych w systemach cieplnych.Według tabeli.2 współczynniki przenikania ciepła oporów cieplnych RH8–RH10 i RH14–RH18, reprezentujące konwekcję pomiędzy HMF a otoczeniem na ryc.7 przyjmuje się jako stałą wartość 25 W/(m2·K).Pozostałe współczynniki przenikania ciepła ustalono na 10 W/(m2·K).
Zgodnie z wewnętrznym procesem wymiany ciepła pokazanym na rysunku 2, kompletny model konwertera TETN pokazano na rysunku 7.
Jak pokazano na ryc.7, wibracje podłużne GMT są podzielone na 16 węzłów, które są reprezentowane przez czerwone kropki.Węzły temperaturowe przedstawione w modelu odpowiadają średnim temperaturom poszczególnych komponentów.Temperatura otoczenia T0, temperatura pręta GMM T1~T5, temperatura cewki wzbudnicy T6, temperatura magnesu trwałego T7 i T8, temperatura jarzma T9~T10, temperatura obudowy T11~T12 i T14, temperatura powietrza w pomieszczeniu T13 i temperatura pręta wyjściowego T15.Ponadto każdy węzeł jest połączony z potencjałem cieplnym gruntu poprzez C1 ~ C15, które reprezentują odpowiednio pojemność cieplną każdego obszaru.P1~P6 to całkowita moc cieplna odpowiednio pręta GMM i cewki wzbudnicy.Dodatkowo do przedstawienia oporów przewodzących i konwekcyjnych przenoszenia ciepła pomiędzy sąsiednimi węzłami wykorzystano 54 opory termiczne, które obliczono w poprzednich sekcjach.Tabela 3 pokazuje różne właściwości termiczne materiałów konwertorowych.
Dokładne oszacowanie wielkości strat i ich rozkładu ma kluczowe znaczenie dla przeprowadzenia wiarygodnych symulacji termicznych.Straty ciepła generowane przez GMT można podzielić na straty magnetyczne pręta GMM, straty Joule'a na cewce wzbudnicy, straty mechaniczne i straty dodatkowe.Uwzględnione straty dodatkowe i mechaniczne są stosunkowo niewielkie i można je pominąć.
Rezystancja cewki wzbudzenia AC obejmuje: rezystancję prądu stałego Rdc i rezystancję skóry Rs.
gdzie f i N to częstotliwość i liczba zwojów prądu wzbudzenia.lCu i rCu to promienie wewnętrzne i zewnętrzne cewki, długość cewki i promień miedzianego drutu magnetycznego określony przez jego numer AWG (American Wire Gauge).ρCu to rezystywność jego rdzenia.µCu to przenikalność magnetyczna jego rdzenia.
Rzeczywiste pole magnetyczne wewnątrz cewki wzbudzenia (cewki) nie jest równomierne na całej długości pręta.Różnica ta jest szczególnie zauważalna ze względu na niższą przenikalność magnetyczną prętów HMM i PM.Ale jest wzdłużnie symetryczny.Rozkład pola magnetycznego bezpośrednio determinuje rozkład strat magnetycznych pręta HMM.Dlatego też, aby odzwierciedlić rzeczywisty rozkład strat, do pomiaru przyjmuje się trzyczęściowy pręt pokazany na rysunku 8.
Stratę magnetyczną można obliczyć mierząc dynamiczną pętlę histerezy.W oparciu o platformę eksperymentalną pokazaną na rysunku 11 zmierzono trzy dynamiczne pętle histerezy.Pod warunkiem, że temperatura pręta GMM jest stabilna poniżej 50°C, programowalny zasilacz prądu przemiennego (Chroma 61512) napędza cewkę wzbudzenia w pewnym zakresie, jak pokazano na rysunku 8, częstotliwość pola magnetycznego generowanego przez prąd testowy i wynikającą z niego gęstość strumienia magnetycznego oblicza się całkując napięcie indukowane w cewce indukcyjnej połączonej z prętem GIM.Surowe dane pobierano z rejestratora pamięci (MR8875-30 dziennie) i przetwarzano w programie MATLAB w celu uzyskania zmierzonych dynamicznych pętli histerezy pokazanych na rys. 9.
Zmierzone pętle histerezy dynamicznej: (a) sekcja 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) sekcja 1/5: fm = 1000 Hz, (c) sekcja 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) sekcja 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) odcinek 3: Bm = 0,07228 T, (f) odcinek 3: fm = 1000 Hz.
Zgodnie z literaturą 37, całkowitą stratę magnetyczną Pv na jednostkę objętości prętów HMM można obliczyć za pomocą następującego wzoru:
gdzie ABH jest obszarem pomiarowym na krzywej BH przy częstotliwości pola magnetycznego fm równej częstotliwości prądu wzbudzenia f.
W oparciu o metodę separacji strat Bertottiego38, stratę magnetyczną na jednostkę masy Pm pręta GMM można wyrazić jako sumę straty histerezy Ph, straty prądu wirowego Pe i straty anomalnej Pa (13):
Z inżynierskiego punktu widzenia38 straty anomalne i straty spowodowane prądami wirowymi można połączyć w jeden termin zwany całkowitą stratą wiroprądową.Zatem wzór na obliczenie strat można uprościć w następujący sposób:
w równaniu.(13)~(14) gdzie Bm jest amplitudą gęstości magnetycznej wzbudzającego pola magnetycznego.kh i kc to współczynnik strat histerezy i całkowity współczynnik strat wiroprądowych.