Chemická zložka cievky z nehrdzavejúcej ocele 2507, Štúdia simulácie ekvivalentnej tepelnej siete obrovského magnetostrikčného prevodníka vzácnych zemín

Ďakujeme, že ste navštívili Nature.com.Používate verziu prehliadača s obmedzenou podporou CSS.Pre najlepší zážitok vám odporúčame použiť aktualizovaný prehliadač (alebo vypnúť režim kompatibility v programe Internet Explorer).Okrem toho, aby sme zabezpečili nepretržitú podporu, zobrazujeme stránku bez štýlov a JavaScriptu.
Posúvače zobrazujúce tri články na snímke.Na posúvanie medzi snímkami použite tlačidlá späť a ďalej, na posúvanie sa po jednotlivých snímkach použite tlačidlá ovládača posúvania na konci.

• Popis produktu
• 2507 Nerezová špirálová hadica z Číny

Rozhodujúce pre dizajn obrovského magnetostrikčného prevodníka (GMT) je rýchla a presná analýza rozloženia teploty.Modelovanie tepelnej siete má výhody nízkych výpočtových nákladov a vysokej presnosti a možno ho použiť na tepelnú analýzu GMT.Existujúce tepelné modely však majú obmedzenia pri opise týchto zložitých tepelných režimov v GMT: väčšina štúdií sa zameriava na stacionárne stavy, ktoré nedokážu zachytiť zmeny teploty;Všeobecne sa predpokladá, že distribúcia teplôt obrovských magnetostrikčných (GMM) tyčí je rovnomerná, ale teplotný gradient naprieč tyčou GMM je veľmi významný v dôsledku zlej tepelnej vodivosti, nerovnomerné rozloženie strát GMM sa zriedkavo zavádza do tepelnej energie. Model.Preto komplexným zvážením vyššie uvedených troch aspektov tento dokument stanovuje model GMT prechodnej ekvivalentnej tepelnej siete (TETN).Najprv sa na základe konštrukcie a princípu činnosti pozdĺžneho vibračného HMT vykoná tepelná analýza.Na tomto základe sa vytvorí model vykurovacieho telesa pre proces prenosu tepla HMT a vypočítajú sa zodpovedajúce parametre modelu.Nakoniec sa simuláciou a experimentom overí presnosť modelu TETN pre časoprostorovú analýzu snímača teploty.
Obrovský magnetostrikčný materiál (GMM), menovite terfenol-D, má výhody veľkej magnetostrikcie a vysokej hustoty energie.Tieto jedinečné vlastnosti môžu byť použité na vývoj obrovských magnetostrikčných prevodníkov (GMT), ktoré možno použiť v širokej škále aplikácií, ako sú podvodné akustické prevodníky, mikromotory, lineárne pohony atď. 1,2.
Zvlášť znepokojujúce je potenciálne prehriatie podmorských GMT, ktoré pri prevádzke na plný výkon a počas dlhých období budenia môžu generovať značné množstvo tepla v dôsledku svojej vysokej hustoty výkonu3,4.Navyše, vzhľadom na veľký koeficient tepelnej rozťažnosti GMT a jeho vysokú citlivosť na vonkajšiu teplotu, jeho výstupný výkon úzko súvisí s teplotou5,6,7,8.V technických publikáciách možno metódy tepelnej analýzy GMT rozdeliť do dvoch širokých kategórií9: numerické metódy a metódy so súhrnnými parametrami.Metóda konečných prvkov (MKP) je jednou z najčastejšie používaných metód numerickej analýzy.Xie a kol.[10] použili metódu konečných prvkov na simuláciu rozloženia zdrojov tepla obrieho magnetostrikčného pohonu a zrealizovali návrh systému regulácie teploty a chladenia pohonu.Zhao a kol.[11] vytvorili spoločnú simuláciu konečných prvkov turbulentného prúdového poľa a teplotného poľa a na základe výsledkov simulácie konečných prvkov postavili inteligentné zariadenie na kontrolu teploty komponentov GMM.MKP je však veľmi náročná na nastavenie modelu a čas výpočtu.Z tohto dôvodu sa MKP považuje za dôležitú podporu pre offline výpočty, zvyčajne počas fázy návrhu meniča.
Metóda sústredených parametrov, bežne označovaná ako model tepelnej siete, je široko používaná v termodynamickej analýze vďaka svojej jednoduchej matematickej forme a vysokej rýchlosti výpočtu12,13,14.Tento prístup hrá dôležitú úlohu pri odstraňovaní tepelných obmedzení motorov 15, 16, 17. Mellor18 ako prvý použil vylepšený tepelný ekvivalentný obvod T na modelovanie procesu prenosu tepla motora.Verez a kol.19 vytvoril trojrozmerný model tepelnej siete synchrónneho stroja s permanentným magnetom s axiálnym prúdením.Boglietti et al.20 navrhli štyri modely tepelnej siete rôznej zložitosti na predpovedanie krátkodobých tepelných prechodov vo vinutiach statora.Nakoniec Wang a kol.21 vytvorili podrobný tepelný ekvivalentný obvod pre každý komponent PMSM a zhrnuli rovnicu tepelného odporu.Za nominálnych podmienok môže byť chyba kontrolovaná v rámci 5 %.
V 90. rokoch sa model tepelnej siete začal aplikovať na vysokovýkonné nízkofrekvenčné meniče.Dubus a kol.22 vyvinuli model tepelnej siete na opis stacionárneho prenosu tepla v obojstrannom pozdĺžnom vibrátore a snímači ohybu triedy IV.Anjanappa et al.23 vykonali 2D stacionárnu tepelnú analýzu magnetostrikčného mikropohonu pomocou modelu tepelnej siete.Na štúdium vzťahu medzi tepelným kmeňom Terfenol-D a parametrami GMT Zhu et al.24 vytvoril ekvivalentný model v ustálenom stave pre výpočet tepelného odporu a GMT posunu.
Odhad teploty GMT je zložitejší ako aplikácie motora.Vďaka vynikajúcej tepelnej a magnetickej vodivosti použitých materiálov je väčšina komponentov motora uvažovaných pri rovnakej teplote zvyčajne zredukovaná na jeden uzol13,19.Vzhľadom na zlú tepelnú vodivosť HMM však už nie je správny predpoklad rovnomerného rozloženia teploty.Okrem toho má HMM veľmi nízku magnetickú permeabilitu, takže teplo generované magnetickými stratami je zvyčajne nerovnomerné pozdĺž tyče HMM.Okrem toho je väčšina výskumu zameraná na simulácie v ustálenom stave, ktoré nezohľadňujú zmeny teploty počas prevádzky GMT.
Aby sa vyriešili vyššie uvedené tri technické problémy, tento článok využíva pozdĺžne vibrácie GMT ako predmet štúdia a presne modeluje rôzne časti prevodníka, najmä tyč GMM.Bol vytvorený model kompletnej siete prechodného ekvivalentného tepla (TETN) GMT.Model konečných prvkov a experimentálna platforma boli zostavené na testovanie presnosti a výkonu modelu TETN pre časopriestorovú analýzu teploty prevodníka.
Konštrukcia a geometrické rozmery pozdĺžne kmitajúceho HMF sú znázornené na obr. la a b.
Medzi kľúčové komponenty patria GMM tyče, cievky, permanentné magnety (PM), strmene, podložky, puzdrá a zvonové pružiny.Budiaca cievka a PMT poskytujú tyči HMM striedavé magnetické pole a jednosmerné predpätie magnetické pole.Strmeň a telo pozostávajúce z uzáveru a objímky sú vyrobené z mäkkého železa DT4, ktoré má vysokú magnetickú permeabilitu.Vytvára uzavretý magnetický obvod s tyčou GIM a PM.Výstupný hriadeľ a prítlačná doska sú vyrobené z nemagnetickej nehrdzavejúcej ocele 304.S belleville pružinami je možné aplikovať stabilné predpätie na stonku.Keď striedavý prúd prechádza hnacou cievkou, tyč HMM bude podľa toho vibrovať.
Na obr.2 znázorňuje proces výmeny tepla vo vnútri GMT.GMM tyče a poľné cievky sú dva hlavné zdroje tepla pre GMT.Had odovzdáva svoje teplo telu prúdením vzduchu vo vnútri a viečku vedením.HMM tyč vytvorí magnetické straty pôsobením striedavého magnetického poľa a teplo sa prenesie do plášťa v dôsledku konvekcie cez vnútorný vzduch a do permanentného magnetu a strmeňa v dôsledku vedenia.Teplo odovzdané do puzdra sa potom odvádza von konvekciou a sálaním.Keď sa generované teplo rovná prenesenému teplu, teplota každej časti GMT dosiahne ustálený stav.
Proces prenosu tepla v pozdĺžne oscilujúcom GMO: a – diagram toku tepla, b – hlavné cesty prenosu tepla.
Okrem tepla generovaného cievkou budiča a tyčou HMM sú všetky komponenty uzavretého magnetického obvodu vystavené magnetickým stratám.Permanentný magnet, strmeň, uzáver a objímka sú teda laminované dohromady, aby sa znížila magnetická strata GMT.
Hlavné kroky pri vytváraní modelu TETN pre tepelnú analýzu GMT sú nasledovné: najprv zoskupte komponenty s rovnakými teplotami a reprezentujte každý komponent ako samostatný uzol v sieti, potom tieto uzly priraďte k príslušnému vyjadreniu prenosu tepla.vedenie tepla a prúdenie medzi uzlami.V tomto prípade sú zdroj tepla a tepelný výkon zodpovedajúci každému komponentu paralelne zapojené medzi uzol a spoločné nulové napätie zeme, aby sa vytvoril ekvivalentný model tepelnej siete.Ďalším krokom je výpočet parametrov tepelnej siete pre každý komponent modelu vrátane tepelného odporu, tepelnej kapacity a energetických strát.Nakoniec je model TETN implementovaný v SPICE na simuláciu.A môžete získať distribúciu teploty každej zložky GMT a jej zmenu v časovej oblasti.
Pre pohodlie modelovania a výpočtu je potrebné zjednodušiť tepelný model a ignorovať okrajové podmienky, ktoré majú malý vplyv na výsledky18,26.Model TETN navrhnutý v tomto článku je založený na nasledujúcich predpokladoch:
V GMT s náhodne navinutým vinutím nie je možné alebo potrebné simulovať polohu každého jednotlivého vodiča.V minulosti boli vyvinuté rôzne modelovacie stratégie na modelovanie prenosu tepla a distribúcie teploty vo vinutí: (1) zložená tepelná vodivosť, (2) priame rovnice založené na geometrii vodičov, (3) tepelný obvod ekvivalentný T29.
Kompozitnú tepelnú vodivosť a priame rovnice možno považovať za presnejšie riešenia ako ekvivalentný obvod T, ale závisia od viacerých faktorov, ako je materiál, geometria vodiča a objem zvyškového vzduchu vo vinutí, ktoré je ťažké určiť29.Naopak, tepelná schéma ekvivalentná T, hoci ide o približný model, je vhodnejšia30.Môže byť aplikovaný na budiacu cievku s pozdĺžnymi vibráciami GMT.
Všeobecná dutá valcová zostava použitá na znázornenie budiacej cievky a jej T-ekvivalentný tepelný diagram, získaný z riešenia tepelnej rovnice, sú znázornené na obr.3. Predpokladá sa, že tepelný tok v budiacej cievke je nezávislý v radiálnom a axiálnom smere.Obvodový tepelný tok je zanedbaný.V každom ekvivalentnom obvode T predstavujú dve svorky zodpovedajúcu povrchovú teplotu prvku a tretia svorka T6 predstavuje priemernú teplotu prvku.Strata zložky P6 sa zadáva ako bodový zdroj v uzle priemernej teploty vypočítanej vo „Výpočte tepelnej straty poľnej cievky“.V prípade nestacionárnej simulácie je tepelná kapacita C6 daná rovnicou.(1) je tiež pridaný do uzla Priemerná teplota.
Kde cec, ρec a Vec predstavujú špecifické teplo, hustotu a objem budiacej cievky.
V tabuľke.1 je znázornený tepelný odpor T-ekvivalentného tepelného obvodu budiacej cievky s dĺžkou lec, tepelnou vodivosťou λec, vonkajším polomerom rec1 a vnútorným polomerom rec2.
Cievky budičov a ich T-ekvivalentné tepelné obvody: (a) zvyčajne duté valcové prvky, (b) samostatné axiálne a radiálne T-ekvivalentné tepelné obvody.
Ekvivalentný okruh T sa tiež ukázal ako presný pre iné valcové zdroje tepla13.Ako hlavný zdroj tepla GMO má tyč HMM nerovnomerné rozloženie teploty v dôsledku nízkej tepelnej vodivosti, najmä pozdĺž osi tyče.Naopak, radiálnu nehomogenitu možno zanedbať, pretože radiálny tepelný tok tyče HMM je oveľa menší ako radiálny tepelný tok31.
Na presné znázornenie úrovne axiálnej diskretizácie tyče a získanie najvyššej teploty je tyč GMM reprezentovaná n uzlami rovnomerne rozmiestnenými v axiálnom smere a počet uzlov n modelovaných tyčou GMM musí byť nepárny.Počet ekvivalentných axiálnych tepelných obrysov je n T obrázok 4.
Na určenie počtu uzlov n použitých na modelovanie tyče GMM sú výsledky MKP znázornené na obr.5 ako referenciu.Ako je znázornené na obr.4 je počet uzlov n regulovaný v tepelnej schéme tyče HMM.Každý uzol môže byť modelovaný ako T-ekvivalentný obvod.Porovnanie výsledkov MKP z obr. 5 ukazuje, že jeden alebo tri uzly nemôžu presne odrážať distribúciu teploty tyče HIM (asi 50 mm dlhej) v GMO.Keď sa n zvýši na 5, výsledky simulácie sa výrazne zlepšia a priblížia sa k MKP.Ďalšie zvyšovanie n tiež poskytuje lepšie výsledky za cenu dlhšieho výpočtového času.Preto je v tomto článku vybraných 5 uzlov na modelovanie tyče GMM.
Na základe vykonanej porovnávacej analýzy je presná tepelná schéma tyče HMM znázornená na obr. 6. T1 ~ T5 je priemerná teplota piatich sekcií (sekcia 1 ~ 5) tyčinky.P1-P5 reprezentujú celkový tepelný výkon rôznych oblastí tyče, ktorý bude podrobne diskutovaný v nasledujúcej kapitole.C1~C5 sú tepelná kapacita rôznych oblastí, ktoré možno vypočítať podľa nasledujúceho vzorca
kde crod, ρrod a Vrod označujú špecifickú tepelnú kapacitu, hustotu a objem tyče HMM.
Použitím rovnakej metódy ako pre budiacu cievku je možné vypočítať odpor prestupu tepla tyče HMM na obr.
kde lrod, rrod a λrod predstavujú dĺžku, polomer a tepelnú vodivosť tyče GMM.
Pre pozdĺžne vibrácie GMT študované v tomto článku môžu byť zostávajúce komponenty a vnútorný vzduch modelované s konfiguráciou jedného uzla.
Tieto oblasti možno považovať za oblasti pozostávajúce z jedného alebo viacerých valcov.Čisto vodivé teplovýmenné spojenie vo valcovej časti je definované Fourierovým zákonom o vedení tepla ako
Kde λnhs je tepelná vodivosť materiálu, lnhs je axiálna dĺžka, rnhs1 a rnhs2 sú vonkajšie a vnútorné polomery teplovýmenného prvku.
Rovnica (5) sa používa na výpočet radiálneho tepelného odporu pre tieto oblasti, reprezentované RR4-RR12 na obrázku 7. Zároveň sa rovnica (6) používa na výpočet axiálneho tepelného odporu, znázorneného od RA15 do RA33 na obrázku. 7.
Tepelnú kapacitu jedného uzla tepelného okruhu pre vyššie uvedenú oblasť (vrátane C7–C15 na obr. 7) možno určiť ako
kde ρnhs, cnhs a Vnhs sú dĺžka, špecifické teplo a objem.
Konvekčný prenos tepla medzi vzduchom vo vnútri GMT a povrchom puzdra a prostredím je modelovaný pomocou jediného tepelnovodivého odporu nasledovne:
kde A je kontaktná plocha a h je súčiniteľ prestupu tepla.Tabuľka 232 uvádza niektoré typické h používané v tepelných systémoch.Podľa tabuľky.2 koeficienty prestupu tepla tepelných odporov RH8–RH10 a RH14–RH18, reprezentujúce konvekciu medzi HMF a prostredím na obr.7 sa berú ako konštantná hodnota 25 W/(m2 K).Zvyšné koeficienty prestupu tepla sú nastavené na 10 W/(m2 K).
Podľa procesu vnútorného prenosu tepla znázorneného na obrázku 2 je kompletný model konvertora TETN znázornený na obrázku 7.
Ako je znázornené na obr.7 je pozdĺžna vibrácia GMT rozdelená na 16 uzlov, ktoré sú znázornené červenými bodkami.Teplotné uzly zobrazené v modeli zodpovedajú priemerným teplotám príslušných komponentov.Teplota okolia T0, teplota tyče GMM T1~T5, teplota cievky budiča T6, teplota permanentného magnetu T7 a T8, teplota jarma T9~T10, teplota puzdra T11~T12 a T14, teplota vnútorného vzduchu T13 a teplota výstupnej tyče T15.Okrem toho je každý uzol spojený s tepelným potenciálom zeme cez C1 ~ C15, ktoré predstavujú tepelnú kapacitu každej oblasti, resp.P1~P6 je celkový tepelný výkon tyče GMM a cievky budiča.Okrem toho sa na vyjadrenie vodivého a konvekčného odporu proti prenosu tepla medzi susednými uzlami používa 54 tepelných odporov, ktoré boli vypočítané v predchádzajúcich častiach.Tabuľka 3 ukazuje rôzne tepelné charakteristiky materiálov konvertora.
Presný odhad objemov strát a ich distribúcie je rozhodujúci pre vykonávanie spoľahlivých tepelných simulácií.Tepelné straty generované GMT možno rozdeliť na magnetickú stratu tyče GMM, stratu Joule v cievke budiča, mechanickú stratu a dodatočnú stratu.Dodatočné straty a mechanické straty, ktoré sa berú do úvahy, sú relatívne malé a možno ich zanedbať.
Odpor budiacej cievky striedavého prúdu zahŕňa: jednosmerný odpor Rdc a odpor kože Rs.
kde f a N sú frekvencia a počet závitov budiaceho prúdu.lCu a rCu sú vnútorný a vonkajší polomer cievky, dĺžka cievky a polomer medeného magnetického drôtu, ako je definované jeho číslom AWG (American Wire Gauge).ρCu je odpor jeho jadra.µCu je magnetická permeabilita jeho jadra.
Skutočné magnetické pole vo vnútri cievky poľa (solenoidu) nie je rovnomerné po celej dĺžke tyče.Tento rozdiel je obzvlášť viditeľný v dôsledku nižšej magnetickej permeability tyčí HMM a PM.Ale je pozdĺžne symetrický.Rozloženie magnetického poľa priamo určuje rozloženie magnetických strát tyče HMM.Preto na vyjadrenie skutočného rozdelenia strát sa na meranie použije trojdielna tyč znázornená na obrázku 8.
Magnetickú stratu možno získať meraním dynamickej hysteréznej slučky.Na základe experimentálnej platformy znázornenej na obrázku 11 boli namerané tri dynamické hysterézne slučky.Za podmienky, že teplota tyče GMM je stabilná pod 50 °C, programovateľný zdroj striedavého prúdu (Chroma 61512) poháňa budiacu cievku v určitom rozsahu, ako je znázornené na obrázku 8, frekvencia magnetického poľa generovaného skúšobný prúd a výsledná hustota magnetického toku sa vypočítajú integrovaním napätia indukovaného v indukčnej cievke pripojenej ku GIM tyči.Nespracované údaje boli stiahnuté z pamäťového loggeru (MR8875-30 za deň) a spracované v softvéri MATLAB, aby sa získali namerané dynamické hysterézne slučky znázornené na obr.
Namerané slučky dynamickej hysterézie: (a) úsek 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) úsek 1/5: fm = 1000 Hz, (c) úsek 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) úsek 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) časť 3: Bm = 0,07228 T, (f) časť 3: fm = 1000 Hz.
Podľa literatúry 37 možno celkovú magnetickú stratu Pv na jednotku objemu tyčí HMM vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:
kde ABH je meraná plocha na krivke BH pri frekvencii magnetického poľa fm rovnej frekvencii budiaceho prúdu f.
Na základe metódy separácie strát podľa Bertottiho38 možno magnetickú stratu na jednotku hmotnosti Pm tyče GMM vyjadriť ako súčet straty hysterézy Ph, straty vírivým prúdom Pe a anomálnej straty Pa (13):
Z technického hľadiska38 možno anomálne straty a straty vírivými prúdmi spojiť do jedného pojmu nazývaného celková strata vírivými prúdmi.Vzorec na výpočet strát možno teda zjednodušiť takto:
v rovnici.(13)~(14) kde Bm je amplitúda magnetickej hustoty budiaceho magnetického poľa.kh a kc sú hysterézny stratový činiteľ a celkový stratový činiteľ vírivých prúdov.