Kemijska komponenta zavojne cijevi od nehrđajućeg čelika 2507, Studija simulacije ekvivalentne toplinske mreže divovskog magnetostriktivnog pretvornika rijetke zemlje

Hvala što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju preglednika s ograničenom CSS podrškom.Za najbolje iskustvo preporučujemo da koristite ažurirani preglednik (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, web stranicu prikazujemo bez stilova i JavaScripta.
Klizači koji prikazuju tri članka po slajdu.Za pomicanje kroz slajdove koristite gumbe Natrag i Sljedeće ili gumbe za upravljanje slajdovima na kraju za kretanje kroz svaki slajd.

• Opis proizvoda
• 2507 Namotana cijev od nehrđajućeg čelika iz Kine

Presudna za dizajn divovskog magnetostrikcijskog pretvarača (GMT) je brza i točna analiza distribucije temperature.Modeliranje toplinske mreže ima prednosti niske računalne cijene i visoke točnosti te se može koristiti za GMT toplinsku analizu.Međutim, postojeći toplinski modeli imaju ograničenja u opisivanju ovih složenih toplinskih režima u GMT: većina studija usredotočena je na stacionarna stanja koja ne mogu uhvatiti temperaturne promjene;Općenito se pretpostavlja da je raspodjela temperature divovskih magnetostriktivnih (GMM) šipki ujednačena, ali je temperaturni gradijent preko GMM šipke vrlo značajan zbog loše toplinske vodljivosti, nejednolika raspodjela gubitaka GMM-a rijetko se uvodi u toplinsku model.Stoga, sveobuhvatnim razmatranjem gornja tri aspekta, ovaj dokument uspostavlja GMT model prijelazne ekvivalentne toplinske mreže (TETN).Najprije se na temelju dizajna i principa rada uzdužnog vibrirajućeg HMT-a provodi toplinska analiza.Na temelju toga se uspostavlja model grijaćeg elementa za HMT proces prijenosa topline i izračunavaju se odgovarajući parametri modela.Konačno, točnost TETN modela za prostorno-vremensku analizu temperature pretvarača potvrđena je simulacijom i eksperimentom.
Gigantski magnetostrikcijski materijal (GMM), odnosno terfenol-D, ima prednosti velike magnetostrikcije i visoke gustoće energije.Ova jedinstvena svojstva mogu se koristiti za razvoj ogromnih magnetostrikcijskih pretvarača (GMT) koji se mogu koristiti u širokom rasponu primjena kao što su podvodni akustični pretvarači, mikromotori, linearni aktuatori itd. 1,2.
Posebno zabrinjava mogućnost pregrijavanja podmorskih GMT-ova, koji, kada rade punom snagom i tijekom dugih razdoblja pobude, mogu generirati značajne količine topline zbog svoje velike gustoće snage3,4.Osim toga, zbog velikog koeficijenta toplinskog širenja GMT-a i njegove visoke osjetljivosti na vanjsku temperaturu, njegova izlazna izvedba usko je povezana s temperaturom5,6,7,8.U tehničkim publikacijama metode GMT toplinske analize mogu se podijeliti u dvije široke kategorije9: numeričke metode i metode skupnih parametara.Metoda konačnih elemenata (MKE) jedna je od najčešće korištenih numeričkih metoda analize.Xie i sur.[10] koristio je metodu konačnih elemenata za simulaciju distribucije izvora topline ogromnog magnetostrikcijskog pogona i realizirao dizajn sustava za kontrolu temperature i hlađenja pogona.Zhao i sur.[11] uspostavili su zajedničku simulaciju pomoću konačnih elemenata turbulentnog strujnog polja i temperaturnog polja te izradili GMM inteligentni uređaj za kontrolu temperature komponenti na temelju rezultata simulacije pomoću konačnih elemenata.Međutim, FEM je vrlo zahtjevan u pogledu postavljanja modela i vremena izračuna.Iz tog razloga, FEM se smatra važnom podrškom za offline izračune, obično tijekom faze projektiranja pretvarača.
Metoda skupnih parametara, koja se obično naziva modelom toplinske mreže, naširoko se koristi u termodinamičkoj analizi zbog svog jednostavnog matematičkog oblika i velike brzine izračuna12,13,14.Ovaj pristup igra važnu ulogu u uklanjanju toplinskih ograničenja motora 15, 16, 17. Mellor18 je prvi upotrijebio poboljšani toplinski ekvivalentni krug T za modeliranje procesa prijenosa topline motora.Verez i sur.19 izradio je trodimenzionalni model toplinske mreže sinkronog stroja s permanentnim magnetom s aksijalnim strujanjem.Boglietti i sur.20 predložili su četiri modela toplinske mreže različite složenosti za predviđanje kratkoročnih toplinskih prijelaza u namotima statora.Konačno, Wang et al.21 uspostavili su detaljan toplinski ekvivalentni krug za svaku PMSM komponentu i saželi jednadžbu toplinskog otpora.Pod nominalnim uvjetima, greška se može kontrolirati unutar 5%.
Devedesetih godina prošlog stoljeća model toplinske mreže počeo se primjenjivati ​​na niskofrekventne pretvarače velike snage.Dubus et al.22 razvili su model toplinske mreže za opisivanje stacionarnog prijenosa topline u dvostranom uzdužnom vibratoru i senzoru zavoja klase IV.Anjanappa et al.23 izveli su 2D stacionarnu toplinsku analizu magnetostrikcijskog mikropogona koristeći model toplinske mreže.Za proučavanje odnosa između toplinskog naprezanja Terfenola-D i GMT parametara, Zhu et al.24 uspostavio je ekvivalentni model stabilnog stanja za toplinski otpor i izračun GMT pomaka.
Procjena GMT temperature je složenija od aplikacija motora.Zbog izvrsne toplinske i magnetske vodljivosti korištenih materijala, većina komponenti motora koje se razmatraju na istoj temperaturi obično se svode na jedan čvor13,19.Međutim, zbog slabe toplinske vodljivosti HMM-a, pretpostavka o ravnomjernoj raspodjeli temperature više nije točna.Osim toga, HMM ima vrlo nisku magnetsku propusnost, tako da je toplina koju stvaraju magnetski gubici obično nejednolika duž HMM šipke.Osim toga, većina istraživanja usmjerena je na simulacije stabilnog stanja koje ne uzimaju u obzir promjene temperature tijekom GMT rada.
Kako bi se riješila gornja tri tehnička problema, ovaj članak koristi GMT uzdužne vibracije kao predmet proučavanja i precizno modelira različite dijelove pretvornika, posebno GMM šipku.Izrađen je model cjelovite prijelazne ekvivalentne toplinske mreže (TETN) GMT.Izgrađeni su model konačnih elemenata i eksperimentalna platforma za testiranje točnosti i performansi TETN modela za prostorno-vremensku analizu temperature pretvarača.
Dizajn i geometrijske dimenzije uzdužno oscilirajućeg HMF-a prikazane su na sl. 1a i b.
Ključne komponente uključuju GMM šipke, zavojnice polja, trajne magnete (PM), jarmove, jastučiće, čahure i belleville opruge.Uzbudna zavojnica i PMT osiguravaju šipku HMM izmjenično magnetsko polje, odnosno DC prednaponsko magnetsko polje.Jaram i tijelo, koje se sastoji od kapice i rukavca, izrađeni su od mekog željeza DT4, koje ima visoku magnetsku propusnost.Formira zatvoreni magnetski krug s GIM i PM šipkom.Izlazna osovina i pritisna ploča izrađeni su od nemagnetskog nehrđajućeg čelika 304.S belleville oprugama može se primijeniti stabilno prednaprezanje na stabljiku.Kada izmjenična struja prolazi kroz pogonsku zavojnicu, HMM šipka će vibrirati u skladu s tim.
Na sl.2 prikazuje proces izmjene topline unutar GMT.GMM šipke i zavojnice polja dva su glavna izvora topline za GMT.Serpentin svoju toplinu prenosi na tijelo konvekcijom zraka iznutra i na poklopac kondukcijom.Šipka HMM stvarat će magnetske gubitke pod djelovanjem izmjeničnog magnetskog polja, a toplina će se konvekcijom kroz unutarnji zrak prenositi na ljusku, a kondukcijom na permanentni magnet i jaram.Toplina prenesena na kućište zatim se odvodi prema van konvekcijom i zračenjem.Kada je proizvedena toplina jednaka prenesenoj toplini, temperatura svakog dijela GMT-a doseže stabilno stanje.
Proces prijenosa topline u uzdužno oscilirajućem GMO-u: a – dijagram toka topline, b – glavni putovi prijenosa topline.
Uz toplinu koju stvara uzbudna zavojnica i štap HMM, sve komponente zatvorenog magnetskog kruga doživljavaju magnetske gubitke.Stoga su trajni magnet, jaram, poklopac i rukavac laminirani zajedno kako bi se smanjio magnetski gubitak GMT-a.
Glavni koraci u izgradnji TETN modela za GMT toplinsku analizu su sljedeći: prvo grupirajte komponente s istim temperaturama zajedno i predstavljajte svaku komponentu kao zaseban čvor u mreži, zatim povežite te čvorove s odgovarajućim izrazom prijenosa topline.provođenje topline i konvekcija između čvorova.U ovom slučaju, izvor topline i izlaz topline koji odgovara svakoj komponenti povezani su paralelno između čvora i zajedničkog nultog napona zemlje kako bi se izgradio ekvivalentni model toplinske mreže.Sljedeći korak je izračunavanje parametara toplinske mreže za svaku komponentu modela, uključujući toplinski otpor, toplinski kapacitet i gubitke snage.Konačno, TETN model je implementiran u SPICE za simulaciju.I možete dobiti distribuciju temperature svake komponente GMT-a i njezinu promjenu u vremenskoj domeni.
Radi praktičnosti modeliranja i proračuna, potrebno je pojednostaviti toplinski model i zanemariti rubne uvjete koji imaju mali učinak na rezultate18,26.TETN model predložen u ovom članku temelji se na sljedećim pretpostavkama:
U GMT s nasumično namotanim namotima nemoguće je ili potrebno simulirati položaj svakog pojedinačnog vodiča.U prošlosti su razvijene različite strategije modeliranja za modeliranje prijenosa topline i raspodjele temperature unutar namota: (1) složena toplinska vodljivost, (2) izravne jednadžbe temeljene na geometriji vodiča, (3) T-ekvivalentni toplinski krug29.
Kompozitna toplinska vodljivost i izravne jednadžbe mogu se smatrati točnijim rješenjima od ekvivalentnog kruga T, ali ovise o nekoliko čimbenika, kao što su materijal, geometrija vodiča i volumen zaostalog zraka u namotu, koje je teško odrediti29.Naprotiv, T-ekvivalentna toplinska shema, iako je približan model, prikladnija je30.Može se primijeniti na uzbudni svitak s uzdužnim vibracijama GMT.
Opći šuplji cilindrični sklop koji se koristi za prikaz uzbudne zavojnice i njegov T-ekvivalentni toplinski dijagram, dobiven iz rješenja toplinske jednadžbe, prikazani su na sl.3. Pretpostavlja se da je toplinski tok u uzbudnom svitku neovisan u radijalnom i aksijalnom smjeru.Obodni toplinski tok se zanemaruje.U svakom ekvivalentnom krugu T, dva terminala predstavljaju odgovarajuću temperaturu površine elementa, a treći terminal T6 predstavlja prosječnu temperaturu elementa.Gubitak komponente P6 unosi se kao točkasti izvor na čvoru prosječne temperature izračunate u "Izračunu toplinskog gubitka zavojnice".U slučaju nestacionarne simulacije toplinski kapacitet C6 dan je jednadžbom.(1) također se dodaje čvoru Prosječna temperatura.
Gdje cec, ρec i Vec predstavljaju specifičnu toplinu, gustoću i volumen uzbudne zavojnice.
U tablici.Slika 1 prikazuje toplinski otpor T-ekvivalentnog toplinskog kruga uzbudne zavojnice s duljinom lec, toplinskom vodljivošću λec, vanjskim radijusom rec1 i unutarnjim radijusom rec2.
Uzbudni svici i njihovi T-ekvivalentni toplinski krugovi: (a) obično šuplji cilindrični elementi, (b) odvojeni aksijalni i radijalni T-ekvivalentni toplinski krugovi.
Ekvivalentni krug T također se pokazao točnim za druge cilindrične izvore topline13.Budući da je glavni izvor topline GMO-a, HMM šipka ima neravnomjernu raspodjelu temperature zbog niske toplinske vodljivosti, osobito duž osi šipke.Naprotiv, radijalna nehomogenost se može zanemariti, budući da je radijalni toplinski tok štapa HMM mnogo manji od radijalnog toplinskog toka31.
Kako bi se točno prikazala razina aksijalne diskretizacije šipke i postigla najviša temperatura, GMM šipka je predstavljena s n čvorova ravnomjerno raspoređenih u aksijalnom smjeru, a broj čvorova n modeliranih GMM šipkom mora biti neparan.Broj ekvivalentnih aksijalnih toplinskih kontura je n T slika 4.
Za određivanje broja čvorova n korištenih za modeliranje GMM šipke, FEM rezultati prikazani su na sl.5 kao referenca.Kao što je prikazano na sl.4, broj čvorova n reguliran je u toplinskoj shemi štapa HMM.Svaki čvor se može modelirati kao T-ekvivalentni krug.Usporedbom rezultata FEM-a, sa slike 5. vidljivo je da jedan ili tri čvora ne mogu točno odražavati raspodjelu temperature HIM šipke (oko 50 mm duge) u GMO-u.Kada se n poveća na 5, rezultati simulacije se značajno poboljšavaju i približavaju FEM.Daljnje povećanje n također daje bolje rezultate po cijenu duljeg vremena izračuna.Stoga je u ovom članku odabrano 5 čvorova za modeliranje GMM trake.
Na temelju provedene usporedne analize, točna toplinska shema HMM šipke prikazana je na slici 6. T1 ~ T5 je prosječna temperatura pet sekcija (odjeljak 1 ~ 5) šipke.P1-P5 redom predstavljaju ukupnu toplinsku snagu različitih područja štapa, o čemu će se detaljno raspravljati u sljedećem poglavlju.C1~C5 su toplinski kapacitet različitih područja, koji se može izračunati sljedećom formulom
gdje crod, ρrod i Vrod označavaju specifični toplinski kapacitet, gustoću i volumen štapa HMM.
Koristeći istu metodu kao za uzbudnu zavojnicu, otpor prijenosu topline HMM šipke na slici 6 može se izračunati kao
gdje lrod, rrod i λrod predstavljaju duljinu, radijus i toplinsku vodljivost šipke GMM.
Za uzdužnu vibraciju GMT proučavanu u ovom članku, preostale komponente i unutarnji zrak mogu se modelirati s konfiguracijom jednog čvora.
Za te se površine može smatrati da se sastoje od jednog ili više cilindara.Čisto vodljiva veza za izmjenu topline u cilindričnom dijelu definirana je Fourierovim zakonom o provođenju topline kao
Gdje je λnhs toplinska vodljivost materijala, lnhs je aksijalna duljina, rnhs1 i rnhs2 su vanjski odnosno unutarnji radijus elementa za prijenos topline.
Jednadžba (5) se koristi za izračunavanje radijalnog toplinskog otpora za ova područja, predstavljenog s RR4-RR12 na slici 7. U isto vrijeme, jednadžba (6) se koristi za izračunavanje aksijalnog toplinskog otpora, predstavljenog od RA15 do RA33 na slici 7.
Toplinski kapacitet toplinskog kruga jednog čvora za gore navedeno područje (uključujući C7–C15 na slici 7) može se odrediti kao
gdje su ρnhs, cnhs i Vnhs duljina, specifična toplina i volumen.
Konvekcijski prijenos topline između zraka unutar GMT-a i površine kućišta i okoline modeliran je s jednim otpornikom toplinske vodljivosti kako slijedi:
gdje je A dodirna površina, a h koeficijent prolaza topline.Tablica 232 navodi neke tipične h koji se koriste u toplinskim sustavima.Prema tablici.2 koeficijenta prijenosa topline toplinskih otpora RH8–RH10 i RH14–RH18, koji predstavljaju konvekciju između HMF-a i okoline na sl.7 uzimaju se kao konstantna vrijednost od 25 W/(m2 K).Preostali koeficijenti prolaza topline postavljeni su na 10 W/(m2 K).
Prema unutarnjem procesu prijenosa topline prikazanom na slici 2, potpuni model TETN pretvarača prikazan je na slici 7.
Kao što je prikazano na sl.7, GMT uzdužna vibracija podijeljena je na 16 čvorova, koji su predstavljeni crvenim točkama.Temperaturni čvorovi prikazani u modelu odgovaraju prosječnim temperaturama odgovarajućih komponenti.Temperatura okoline T0, temperatura GMM šipke T1~T5, temperatura uzbudne zavojnice T6, temperatura trajnog magneta T7 i T8, temperatura jarma T9~T10, temperatura kućišta T11~T12 i T14, temperatura unutarnjeg zraka T13 i temperatura izlazne šipke T15.Osim toga, svaki čvor je povezan s toplinskim potencijalom tla preko C1 ~ C15, koji predstavljaju toplinski kapacitet svakog područja.P1~P6 je ukupna toplinska snaga GMM šipke i uzbudne zavojnice.Osim toga, 54 toplinska otpora koriste se za predstavljanje vodljivog i konvekcijskog otpora prijenosu topline između susjednih čvorova, koji su izračunati u prethodnim odjeljcima.Tablica 3 prikazuje različite toplinske karakteristike materijala pretvarača.
Točna procjena volumena gubitaka i njihove distribucije kritični su za izvođenje pouzdanih toplinskih simulacija.Gubitak topline koji generira GMT može se podijeliti na magnetski gubitak GMM šipke, Jouleov gubitak uzbudne zavojnice, mehanički gubitak i dodatni gubitak.Dodatni gubici i mehanički gubici uzeti u obzir su relativno mali i mogu se zanemariti.
Otpor izmjeničnog uzbudnog svitka uključuje: istosmjerni otpor Rdc i otpor kože Rs.
gdje su f i N frekvencija i broj zavoja uzbudne struje.lCu i rCu su unutarnji i vanjski radijus zavojnice, duljina zavojnice i polumjer bakrene magnetske žice kako je definirano AWG (American Wire Gauge) brojem.ρCu je otpor njegove jezgre.µCu je magnetska permeabilnost njegove jezgre.
Stvarno magnetsko polje unutar zavojnice polja (solenoida) nije ravnomjerno duž duljine šipke.Ova razlika je posebno uočljiva zbog manje magnetske propusnosti HMM i PM šipki.Ali je uzdužno simetričan.Raspodjela magnetskog polja izravno određuje raspodjelu magnetskih gubitaka štapa HMM.Stoga, kako bi se odrazila stvarna raspodjela gubitaka, za mjerenje se uzima šipka s tri presjeka, prikazana na slici 8.
Magnetski gubitak može se dobiti mjerenjem dinamičke petlje histereze.Na temelju eksperimentalne platforme prikazane na slici 11, izmjerene su tri dinamičke petlje histereze.Pod uvjetom da je temperatura GMM šipke stabilna ispod 50°C, programabilno napajanje izmjeničnom strujom (Chroma 61512) pokreće zavojnicu polja u određenom rasponu, kao što je prikazano na slici 8, frekvencije magnetskog polja koje generira ispitna struja i rezultirajuća gustoća magnetskog toka izračunavaju se integriranjem napona induciranog u indukcijskom svitku spojenom na GIM šipku.Neobrađeni podaci preuzeti su iz memorijskog zapisivača (MR8875-30 dnevno) i obrađeni u softveru MATLAB kako bi se dobile izmjerene dinamičke petlje histereze prikazane na slici 9.
Izmjerene petlje dinamičke histereze: (a) dionica 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) dionica 1/5: fm = 1000 Hz, (c) dionica 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) dionica 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) odjeljak 3: Bm = 0,07228 T, (f) odjeljak 3: fm = 1000 Hz.
Prema literaturi 37, ukupni magnetski gubitak Pv po jedinici volumena HMM šipki može se izračunati pomoću sljedeće formule:
gdje je ABH mjerno područje na BH krivulji pri frekvenciji magnetskog polja fm jednakoj frekvenciji uzbudne struje f.
Na temelju Bertottijeve metode odvajanja gubitaka38, magnetski gubitak po jedinici mase Pm GMM šipke može se izraziti kao zbroj gubitka zbog histereze Ph, gubitka zbog vrtložne struje Pe i anomalnog gubitka Pa (13):
Iz inženjerske perspektive38, anomalni gubici i gubici na vrtložne struje mogu se kombinirati u jedan pojam koji se zove ukupni gubitak na vrtložne struje.Stoga se formula za izračun gubitaka može pojednostaviti na sljedeći način:
u jednadžbi.(13)~(14) gdje je Bm amplituda magnetske gustoće pobudnog magnetskog polja.kh i kc su faktor gubitka histereze i ukupni faktor gubitka vrtložne struje.