Kemična komponenta tuljave iz nerjavečega jekla 2507, študija simulacije enakovrednega toplotnega omrežja velikanskega magnetostriktivnega pretvornika redkih zemelj

Hvala, ker ste obiskali Nature.com.Uporabljate različico brskalnika z omejeno podporo za CSS.Za najboljšo izkušnjo priporočamo, da uporabite posodobljen brskalnik (ali onemogočite način združljivosti v Internet Explorerju).Poleg tega, da zagotovimo stalno podporo, spletno mesto prikažemo brez slogov in JavaScripta.
Drsniki, ki prikazujejo tri članke na diapozitiv.Uporabite gumba za nazaj in naprej, da se premikate po diapozitivih, ali pa gumbe za krmiljenje diapozitivov na koncu, da se premikate po vsakem diapozitivu.

• Opis izdelka
• 2507 Zvita cev iz nerjavečega jekla iz Kitajske

Pri zasnovi velikanskega magnetostrikcijskega pretvornika (GMT) je ključnega pomena hitra in natančna analiza porazdelitve temperature.Modeliranje toplotnega omrežja ima prednosti nizkih računskih stroškov in visoke natančnosti ter se lahko uporablja za GMT toplotno analizo.Vendar imajo obstoječi toplotni modeli omejitve pri opisovanju teh kompleksnih toplotnih režimov v GMT: večina študij se osredotoča na stacionarna stanja, ki ne morejo zajeti temperaturnih sprememb;Na splošno se domneva, da je porazdelitev temperature velikanskih magnetostriktivnih (GMM) palic enakomerna, vendar je temperaturni gradient čez palico GMM zelo pomemben zaradi slabe toplotne prevodnosti, neenakomerna porazdelitev izgub GMM se redko vnese v toploto. model.Zato ta dokument s celovitim upoštevanjem zgornjih treh vidikov vzpostavlja model GMT prehodnega ekvivalentnega toplotnega omrežja (TETN).Najprej se na podlagi zasnove in principa delovanja vzdolžnega vibracijskega HMT izvede toplotna analiza.Na tej podlagi je vzpostavljen model grelnega elementa za proces prenosa toplote HMT in izračunani so ustrezni parametri modela.Končno je natančnost modela TETN za prostorsko-časovno analizo temperature pretvornika preverjena s simulacijo in eksperimentom.
Velikanski magnetostrikcijski material (GMM), in sicer terfenol-D, ima prednosti velike magnetostrikcije in visoke energijske gostote.Te edinstvene lastnosti je mogoče uporabiti za razvoj velikanskih magnetostrikcijskih pretvornikov (GMT), ki jih je mogoče uporabiti v številnih aplikacijah, kot so podvodni akustični pretvorniki, mikromotorji, linearni aktuatorji itd. 1,2.
Posebno zaskrbljujoče je možnost pregrevanja podvodnih GMT, ki lahko, ko delujejo s polno močjo in v dolgih obdobjih vzbujanja, zaradi svoje visoke gostote moči ustvarijo znatne količine toplote3,4.Poleg tega je zaradi velikega koeficienta toplotnega raztezanja GMT in njegove visoke občutljivosti na zunanjo temperaturo njegova izhodna zmogljivost tesno povezana s temperaturo5,6,7,8.V tehničnih publikacijah lahko metode termične analize GMT razdelimo v dve široki kategoriji9: numerične metode in metode z združenimi parametri.Metoda končnih elementov (MKE) je ena najpogosteje uporabljenih numeričnih analiznih metod.Xie et al.[10] je uporabil metodo končnih elementov za simulacijo porazdelitve toplotnih virov velikanskega magnetostrikcijskega pogona in realiziral zasnovo sistema za nadzor temperature in hlajenja pogona.Zhao et al.[11] vzpostavil skupno simulacijo polja turbulentnega toka in temperaturnega polja s končnimi elementi ter zgradil napravo za nadzor temperature inteligentnih komponent GMM na podlagi rezultatov simulacije s končnimi elementi.Vendar pa je MKE zelo zahteven glede nastavitve modela in časa izračuna.Zaradi tega se FEM šteje za pomembno podporo za izračune brez povezave, običajno v fazi načrtovanja pretvornika.
Metoda pavšalnih parametrov, običajno imenovana model toplotnega omrežja, se pogosto uporablja v termodinamični analizi zaradi svoje preproste matematične oblike in visoke hitrosti izračuna12,13,14.Ta pristop ima pomembno vlogo pri odpravljanju toplotnih omejitev motorjev 15, 16, 17. Mellor18 je bil prvi, ki je uporabil izboljšano toplotno enakovredno vezje T za modeliranje procesa prenosa toplote motorja.Verez et al.19 izdelal tridimenzionalni model toplotnega omrežja sinhronskega stroja s trajnimi magneti z aksialnim tokom.Boglietti et al.20 sta predlagala štiri modele toplotnega omrežja različne kompleksnosti za napovedovanje kratkotrajnih toplotnih prehodov v navitjih statorja.Na koncu so Wang et al.21 vzpostavili podrobno toplotno enakovredno vezje za vsako komponento PMSM in povzeli enačbo toplotnega upora.Pri nominalnih pogojih je napako mogoče nadzorovati v okviru 5%.
V devetdesetih letih prejšnjega stoletja se je model toplotnega omrežja začel uporabljati za nizkofrekvenčne pretvornike velike moči.Dubus et al.22 so razvili model toplotnega omrežja za opis stacionarnega prenosa toplote v dvostranskem vzdolžnem vibratorju in senzorju upogiba razreda IV.Anjanappa et al.23 sta izvedla 2D stacionarno toplotno analizo magnetostriktivnega mikropogona z uporabo modela toplotne mreže.Da bi preučili razmerje med toplotno obremenitvijo Terfenola-D in parametri GMT, so Zhu et al.24 je vzpostavil enakovreden model stabilnega stanja za toplotno upornost in izračun GMT premika.
Ocena GMT temperature je bolj zapletena kot aplikacije motorja.Zaradi odlične toplotne in magnetne prevodnosti uporabljenih materialov je večina komponent motorja, obravnavanih pri isti temperaturi, običajno zmanjšana na eno samo vozlišče13,19.Vendar pa zaradi slabe toplotne prevodnosti HMM predpostavka o enakomerni porazdelitvi temperature ni več pravilna.Poleg tega ima HMM zelo nizko magnetno prepustnost, zato je toplota, ki nastane zaradi magnetnih izgub, običajno neenakomerna vzdolž palice HMM.Poleg tega je večina raziskav osredotočena na simulacije stabilnega stanja, ki ne upoštevajo temperaturnih sprememb med delovanjem GMT.
Da bi rešili zgornje tri tehnične težave, ta članek uporablja vzdolžne vibracije GMT kot predmet študije in natančno modelira različne dele pretvornika, zlasti palico GMM.Izdelan je bil model popolnega prehodnega ekvivalentnega toplotnega omrežja (TETN) GMT.Model končnih elementov in eksperimentalna platforma sta bila izdelana za testiranje natančnosti in učinkovitosti modela TETN za prostorsko-časovno analizo temperature pretvornika.
Zasnova in geometrijske dimenzije vzdolžno nihajočega HMF so prikazane na sliki 1a oziroma b.
Ključne komponente vključujejo palice GMM, poljske tuljave, trajne magnete (PM), jarme, blazinice, puše in vzmeti Belleville.Vzbujevalna tuljava in PMT zagotavljata palici HMM izmenično magnetno polje oziroma enosmerno prednapetostno magnetno polje.Jarem in telo, sestavljeno iz kapice in tulca, sta izdelana iz mehkega železa DT4, ki ima visoko magnetno prepustnost.S palico GIM in PM tvori zaprt magnetni krog.Izhodno steblo in tlačna plošča sta izdelana iz nemagnetnega nerjavečega jekla 304.Z belleville vzmetmi se lahko na steblo izvede stabilna prednapetost.Ko skozi pogonsko tuljavo teče izmenični tok, bo palica HMM ustrezno vibrirala.
Na sl.2 prikazuje proces izmenjave toplote znotraj GMT.GMM palice in poljske tuljave so dva glavna vira toplote za GMT.Serpentin prenaša svojo toploto na telo s konvekcijo zraka v notranjosti in na pokrov s prevajanjem.Palica HMM bo pod delovanjem izmeničnega magnetnega polja ustvarjala magnetne izgube, toplota pa se bo zaradi konvekcije skozi notranji zrak prenašala na lupino, zaradi prevodnosti pa na trajni magnet in jarem.Toplota, prenesena na ohišje, se nato s konvekcijo in sevanjem odvaja navzven.Ko je proizvedena toplota enaka preneseni toploti, doseže temperatura vsakega dela GMT enakomerno stanje.
Proces prenosa toplote v vzdolžno oscilirajočem GSO: a – diagram toplotnega toka, b – glavne poti prenosa toplote.
Poleg toplote, ki jo ustvarjata vzbujalna tuljava in palica HMM, vse komponente zaprtega magnetnega kroga doživljajo magnetne izgube.Tako so trajni magnet, jarem, pokrovček in tulec laminirani skupaj, da zmanjšajo magnetne izgube GMT.
Glavni koraki pri izdelavi modela TETN za termično analizo GMT so naslednji: najprej združite komponente z enakimi temperaturami in vsako komponento predstavite kot ločeno vozlišče v omrežju, nato pa ta vozlišča povežite z ustreznim izrazom prenosa toplote.prevajanje toplote in konvekcija med vozlišči.V tem primeru sta vir toplote in toplotna moč, ki ustreza vsaki komponenti, povezana vzporedno med vozliščem in skupno ničelno napetostjo zemlje, da se zgradi enakovredni model toplotnega omrežja.Naslednji korak je izračun parametrov toplotnega omrežja za vsako komponento modela, vključno s toplotnim uporom, toplotno kapaciteto in izgubami moči.Končno je model TETN implementiran v SPICE za simulacijo.Dobite lahko porazdelitev temperature vsake komponente GMT in njeno spremembo v časovni domeni.
Za udobje modeliranja in izračuna je treba poenostaviti toplotni model in zanemariti robne pogoje, ki malo vplivajo na rezultate18,26.Model TETN, predlagan v tem članku, temelji na naslednjih predpostavkah:
Pri GMT z naključno navitimi navitji je nemogoče ali potrebno simulirati položaj vsakega posameznega vodnika.V preteklosti so bile razvite različne strategije modeliranja za modeliranje prenosa toplote in porazdelitve temperature znotraj navitij: (1) sestavljena toplotna prevodnost, (2) neposredne enačbe na podlagi geometrije prevodnika, (3) T-ekvivalentno toplotno vezje29.
Kompozitna toplotna prevodnost in neposredne enačbe se lahko štejejo za natančnejše rešitve kot ekvivalentno vezje T, vendar so odvisne od več dejavnikov, kot so material, geometrija prevodnika in prostornina preostalega zraka v navitju, ki jih je težko določiti29.Nasprotno, T-ekvivalentna toplotna shema, čeprav je približen model, je primernejša30.Lahko se nanese na vzbujevalno tuljavo z vzdolžnimi vibracijami GMT.
Splošni votli cilindrični sklop, ki se uporablja za predstavitev vzbujalne tuljave, in njen T-ekvivalentni toplotni diagram, dobljen z rešitvijo toplotne enačbe, sta prikazana na sl.3. Predpostavlja se, da je toplotni tok v vzbujevalni tuljavi neodvisen v radialni in aksialni smeri.Obodni toplotni tok zanemarimo.V vsakem ekvivalentnem vezju T dva priključka predstavljata ustrezno površinsko temperaturo elementa, tretji priključek T6 pa predstavlja povprečno temperaturo elementa.Izguba komponente P6 je vnesena kot točkovni vir na povprečnem temperaturnem vozlišču, izračunanem v "Izračunu toplotne izgube v magnetni tuljavi".V primeru nestacionarne simulacije je toplotna kapaciteta C6 podana z enačbo.(1) je dodan tudi vozlišču Povprečna temperatura.
Pri čemer cec, ρec in Vec predstavljajo specifično toploto, gostoto in prostornino vzbujalne tuljave.
V tabeli.1 prikazuje toplotni upor T-ekvivalentnega toplotnega kroga vzbujalne tuljave z dolžino lec, toplotno prevodnostjo λec, zunanjim polmerom rec1 in notranjim polmerom rec2.
Vzbujevalne tuljave in njihova T-ekvivalentna toplotna vezja: (a) običajno votli cilindrični elementi, (b) ločena aksialna in radialna T-ekvivalentna toplotna vezja.
Enakovredno vezje T se je izkazalo za natančno tudi za druge cilindrične vire toplote13.Ker je palica HMM glavni vir toplote GSO, ima neenakomerno porazdelitev temperature zaradi nizke toplotne prevodnosti, zlasti vzdolž osi palice.Nasprotno, radialno nehomogenost lahko zanemarimo, saj je radialni toplotni tok palice HMM veliko manjši od radialnega toplotnega toka31.
Za natančno predstavitev stopnje aksialne diskretizacije palice in doseganje najvišje temperature je palica GMM predstavljena z n vozlišči, ki so enakomerno razporejeni v aksialni smeri, število vozlišč n, ki jih modelira palica GMM, pa mora biti liho.Število ekvivalentnih aksialnih toplotnih kontur je n T slika 4.
Za določitev števila vozlišč n, uporabljenih za modeliranje palice GMM, so rezultati FEM prikazani na sl.5 kot referenca.Kot je prikazano na sl.4 je število vozlišč n regulirano v toplotni shemi palice HMM.Vsako vozlišče je mogoče modelirati kot T-ekvivalentno vezje.Primerjava rezultatov FEM na sliki 5 kaže, da eno ali tri vozlišča ne morejo natančno odražati porazdelitve temperature palice HIM (dolge približno 50 mm) v GSO.Ko se n poveča na 5, se rezultati simulacije bistveno izboljšajo in se približajo FEM.Nadaljnje povečevanje n prav tako daje boljše rezultate na račun daljšega časa izračuna.Zato je v tem članku izbranih 5 vozlišč za modeliranje vrstice GMM.
Na podlagi opravljene primerjalne analize je natančna toplotna shema palice HMM prikazana na sliki 6. T1 ~ T5 je povprečna temperatura petih odsekov (odsek 1 ~ 5) palice.P1–P5 predstavlja skupno toplotno moč različnih območij palice, o čemer bomo podrobneje razpravljali v naslednjem poglavju.C1~C5 so toplotne kapacitete različnih regij, ki jih je mogoče izračunati po naslednji formuli
kjer crod, ρrod in Vrod označujejo specifično toplotno kapaciteto, gostoto in prostornino palice HMM.
Z uporabo iste metode kot za vzbujevalno tuljavo lahko upornost prenosa toplote palice HMM na sliki 6 izračunamo kot
kjer lrod, rrod in λrod predstavljajo dolžino, polmer in toplotno prevodnost palice GMM.
Za vzdolžne vibracije GMT, ki jih proučujemo v tem članku, je mogoče preostale komponente in notranji zrak modelirati s konfiguracijo enega vozlišča.
Ta območja lahko štejemo za sestavljena iz enega ali več valjev.Čisto prevodno povezavo za izmenjavo toplote v valjastem delu definira Fourierjev zakon toplotne prevodnosti kot
Kjer je λnhs toplotna prevodnost materiala, lnhs osna dolžina, rnhs1 in rnhs2 sta zunanji in notranji polmer elementa za prenos toplote.
Enačba (5) se uporablja za izračun radialne toplotne upornosti za ta območja, ki jo na sliki 7 predstavlja RR4-RR12. Istočasno se enačba (6) uporablja za izračun aksialne toplotne upornosti, ki je na sliki predstavljena od RA15 do RA33 7.
Toplotno kapaciteto toplotnega kroga z enim vozliščem za zgornje območje (vključno s C7–C15 na sliki 7) je mogoče določiti kot
kjer so ρnhs, cnhs in Vnhs dolžina, specifična toplota oziroma prostornina.
Konvektivni prenos toplote med zrakom znotraj GMT ter površino ohišja in okoljem je modeliran z enim uporom za toplotno prevodnost, kot sledi:
kjer je A kontaktna površina in h koeficient toplotne prehodnosti.Tabela 232 navaja nekaj tipičnih h, ki se uporabljajo v toplotnih sistemih.Glede na tabelo.2 koeficienta toplotnega prehoda toplotnih uporov RH8–RH10 in RH14–RH18, ki predstavljata konvekcijo med HMF in okoljem na sl.7 vzamemo kot konstantno vrednost 25 W/(m2 K).Preostali koeficienti toplotne prehodnosti so nastavljeni na 10 W/(m2 K).
Glede na notranji proces prenosa toplote, prikazan na sliki 2, je celoten model pretvornika TETN prikazan na sliki 7.
Kot je prikazano na sl.7 je vzdolžna vibracija GMT razdeljena na 16 vozlov, ki so predstavljeni z rdečimi pikami.Temperaturna vozlišča, prikazana v modelu, ustrezajo povprečnim temperaturam zadevnih komponent.Temperatura okolja T0, temperatura palice GMM T1~T5, temperatura tuljave vzbujalnika T6, temperatura trajnega magneta T7 in T8, temperatura jarma T9~T10, temperatura ohišja T11~T12 in T14, temperatura zraka v prostoru T13 in temperatura izhodne palice T15.Poleg tega je vsako vozlišče povezano s toplotnim potencialom tal prek C1 ~ C15, ki predstavljajo toplotno zmogljivost posameznega območja.P1~P6 je skupna toplotna moč palice GMM oziroma vzbujalne tuljave.Poleg tega se uporablja 54 toplotnih uporov za predstavitev prevodnega in konvekcijskega upora za prenos toplote med sosednjimi vozlišči, ki so bili izračunani v prejšnjih razdelkih.Tabela 3 prikazuje različne toplotne lastnosti materialov pretvornika.
Natančna ocena količin izgub in njihove porazdelitve je ključnega pomena za izvajanje zanesljivih toplotnih simulacij.Toplotne izgube, ki jih povzroči GMT, lahko razdelimo na magnetne izgube palice GMM, Joulove izgube vzbujevalne tuljave, mehanske izgube in dodatne izgube.Upoštevane dodatne izgube in mehanske izgube so relativno majhne in jih je mogoče zanemariti.
Upornost vzbujalne tuljave izmeničnega toka vključuje: enosmerni upor Rdc in kožni upor Rs.
kjer sta f in N frekvenca in število ovojev vzbujalnega toka.lCu in rCu sta notranji in zunanji polmer tuljave, dolžina tuljave in polmer bakrene magnetne žice, kot je določeno z njeno številko AWG (American Wire Gauge).ρCu je upornost njegovega jedra.µCu je magnetna prepustnost njegovega jedra.
Dejansko magnetno polje znotraj poljske tuljave (solenoida) ni enakomerno po dolžini palice.Ta razlika je še posebej opazna zaradi manjše magnetne prepustnosti palic HMM in PM.Je pa vzdolžno simetrična.Porazdelitev magnetnega polja neposredno določa porazdelitev magnetnih izgub palice HMM.Zato je za merjenje dejanske porazdelitve izgub vzeta tridelna palica, prikazana na sliki 8.
Magnetno izgubo lahko dobimo z merjenjem dinamične histerezne zanke.Na podlagi eksperimentalne platforme, prikazane na sliki 11, so bile izmerjene tri dinamične histerezne zanke.Pod pogojem, da je temperatura palice GMM stabilna pod 50 °C, programabilni AC napajalnik (Chroma 61512) poganja magnetno tuljavo v določenem območju, kot je prikazano na sliki 8, frekvenca magnetnega polja, ki ga ustvari preskusni tok in posledična gostota magnetnega pretoka se izračunata z integracijo napetosti, inducirane v indukcijski tuljavi, povezani s palico GIM.Neobdelani podatki so bili preneseni iz zapisovalnika pomnilnika (MR8875-30 na dan) in obdelani v programski opremi MATLAB, da se pridobijo izmerjene dinamične histerezne zanke, prikazane na sliki 9.
Izmerjene dinamične histerezne zanke: (a) odsek 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) odsek 1/5: fm = 1000 Hz, (c) odsek 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) odsek 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) odsek 3: Bm = 0,07228 T, (f) odsek 3: fm = 1000 Hz.
Glede na literaturo 37 se lahko skupna magnetna izguba Pv na enoto prostornine palic HMM izračuna po naslednji formuli:
kjer je ABH merilno območje na krivulji BH pri frekvenci magnetnega polja fm, ki je enaka frekvenci vzbujalnega toka f.
Na podlagi Bertottijeve metode ločevanja izgub38 se lahko magnetna izguba na enoto mase Pm palice GMM izrazi kot vsota izgube zaradi histereze Ph, izgube zaradi vrtinčnega toka Pe in nenormalne izgube Pa (13):
Z inženirskega vidika38 lahko nenormalne izgube in izgube zaradi vrtinčnih tokov združimo v en izraz, imenovan popolne izgube zaradi vrtinčnih tokov.Tako lahko formulo za izračun izgub poenostavimo na naslednji način:
v enačbi.(13)~(14) kjer je Bm amplituda magnetne gostote vzbujalnega magnetnega polja.kh in kc sta histerezni faktor izgube in skupni faktor izgube zaradi vrtinčnega toka.