2507 rozsdamentes acél tekercscső kémiai komponense, egyenértékű hőhálózat szimulációs vizsgálata egy ritkaföldfém óriás mágneses átalakítóról

Köszönjük, hogy meglátogatta a Nature.com oldalt.Olyan böngészőverziót használ, amely korlátozott CSS-támogatással rendelkezik.A legjobb élmény érdekében javasoljuk, hogy használjon frissített böngészőt (vagy tiltsa le a kompatibilitási módot az Internet Explorerben).Ezenkívül a folyamatos támogatás érdekében stílusok és JavaScript nélkül jelenítjük meg az oldalt.
Diánként három cikket mutató csúszkák.Használja a vissza és a következő gombokat a diák közötti mozgáshoz, vagy a végén lévő diavezérlő gombokat az egyes diák közötti mozgáshoz.

• termékleírás
• 2507 Rozsdamentes acél tekercses cső Kínából

Az óriás magnetostrikciós jelátalakító (GMT) tervezésénél kritikus fontosságú a hőmérséklet-eloszlás gyors és pontos elemzése.A hőhálózati modellezés előnye az alacsony számítási költség és a nagy pontosság, és felhasználható GMT hőelemzésre.A meglévő termikus modelleknek azonban korlátai vannak ezen összetett hőviszonyok leírásában a GMT-ben: a legtöbb tanulmány olyan stacionárius állapotokra összpontosít, amelyek nem képesek rögzíteni a hőmérséklet-változásokat;Általában feltételezik, hogy az óriás magnetostrikciós (GMM) rudak hőmérséklet-eloszlása ​​egyenletes, de a hőmérsékleti gradiens a GMM rúdon keresztül nagyon jelentős a rossz hővezető képesség miatt, a GMM nem egyenletes veszteségeloszlása ​​ritkán kerül be a hőbe. modell.Ezért a fenti három szempont átfogó mérlegelésével ez a dokumentum létrehozza a GMT átmeneti egyenértékű hőhálózat (TETN) modelljét.Először a longitudinális vibrációs HMT tervezése és működési elve alapján termikus elemzést végeznek.Ennek alapján elkészítik a fűtőelem-modellt a HMT hőátadási folyamathoz, és kiszámítják a megfelelő modellparamétereket.Végül szimulációval és kísérlettel igazoljuk a TETN modell pontosságát a transzducer hőmérséklet spatiotemporális elemzéséhez.
Az óriás magnetostrikciós anyag (GMM), nevezetesen a terfenol-D, nagy magnetostrikcióval és nagy energiasűrűséggel rendelkezik.Ezek az egyedülálló tulajdonságok felhasználhatók óriás magnetostrikciós jelátalakítók (GMT-k) kifejlesztésére, amelyek sokféle alkalmazásban használhatók, mint például víz alatti akusztikus átalakítók, mikromotorok, lineáris aktuátorok stb. 1,2.
Különös aggodalomra ad okot a tenger alatti GMT-k túlmelegedésének lehetősége, amelyek teljes teljesítménnyel és hosszú gerjesztéssel üzemeltetve jelentős mennyiségű hőt termelhetnek nagy teljesítménysűrűségük miatt3,4.Ezenkívül a GMT nagy hőtágulási együtthatója és a külső hőmérsékletre való nagy érzékenysége miatt kimeneti teljesítménye szorosan összefügg a hőmérséklettel5,6,7,8.A műszaki publikációkban a GMT termikus elemzési módszerek két nagy kategóriába sorolhatók9: numerikus módszerek és csomópontos paraméteres módszerek.A végeselemes módszer (FEM) az egyik leggyakrabban használt numerikus elemzési módszer.Xie et al.[10] a végeselemes módszerrel szimulálta egy óriási magnetostrikciós hajtás hőforrásainak eloszlását, és megvalósította a hajtás hőmérsékletszabályozási és hűtési rendszerének tervezését.Zhao et al.[11] létrehozta a turbulens áramlási mező és a hőmérsékleti mező együttes végeselemes szimulációját, és a végeselemes szimuláció eredményei alapján megépített egy GMM intelligens komponens hőmérséklet-szabályozó eszközt.A FEM azonban nagyon igényes a modellbeállítás és a számítási idő tekintetében.Emiatt a FEM az offline számítások fontos támogatója, általában a konverter tervezési szakaszában.
A lumped paraméteres módszert, amelyet általában hőhálózati modellnek neveznek, egyszerű matematikai formája és nagy számítási sebessége miatt széles körben alkalmazzák a termodinamikai elemzésben12,13,14.Ez a megközelítés fontos szerepet játszik a 15, 16, 17 motorok termikus korlátainak kiküszöbölésében. A Mellor18 volt az első, aki egy továbbfejlesztett T termikus egyenértékű áramkört használt a motor hőátadási folyamatának modellezésére.Verez et al.A 19. ábra egy axiális áramlású állandó mágneses szinkrongép hőhálózatának háromdimenziós modelljét készítette el.Boglietti és munkatársai 20 négy, változó komplexitású hőhálózati modellt javasoltak az állórész tekercsek rövid távú hőtranzienseinek előrejelzésére.Végül Wang és munkatársai21 részletes termikus ekvivalens áramkört állítottak fel minden PMSM komponenshez, és összefoglalták a hőellenállási egyenletet.Névleges körülmények között a hiba 5%-on belül szabályozható.
Az 1990-es években a hőhálózati modellt nagy teljesítményű, alacsony frekvenciájú átalakítókra kezdték alkalmazni.Dubus és munkatársai 22 hőhálózati modellt fejlesztettek ki a kétoldalas hosszvibrátorban és IV. osztályú hajlítási érzékelőben az álló hőátadás leírására.Anjanappa és munkatársai23 egy magnetostrikciós mikromeghajtó 2D-s stacionárius hőelemzését végezték el hőhálózati modell segítségével.A Terfenol-D termikus alakváltozása és a GMT paraméterek közötti kapcsolat tanulmányozására Zhu et al.24 steady state ekvivalens modellt állított fel a hőellenállás és a GMT elmozdulás számítására.
A GMT hőmérséklet becslése bonyolultabb, mint a motoralkalmazások esetében.A felhasznált anyagok kiváló hő- és mágneses vezetőképessége miatt a legtöbb azonos hőmérsékleten figyelembe vett motoralkatrész általában egyetlen csomópontra redukálódik13,19.A HMM-ek rossz hővezető képessége miatt azonban már nem helytálló az egyenletes hőmérséklet-eloszlás feltételezése.Ezenkívül a HMM nagyon alacsony mágneses permeabilitással rendelkezik, így a mágneses veszteségek által termelt hő általában nem egyenletes a HMM rúd mentén.Ezen túlmenően, a legtöbb kutatás az állandósult állapotú szimulációkra összpontosul, amelyek nem veszik figyelembe a hőmérséklet-változásokat a GMT működés során.
A fenti három műszaki probléma megoldása érdekében ez a cikk a GMT longitudinális rezgést használja tanulmányozási tárgyként, és pontosan modellezi a jelátalakító különböző részeit, különösen a GMM rudat.Elkészült a teljes átmeneti egyenértékű hőhálózat (TETN) GMT modellje.Egy végeselem-modellt és egy kísérleti platformot építettek a TETN modell pontosságának és teljesítményének tesztelésére a transzducer hőmérséklet tér-idő-analíziséhez.
A hosszirányban oszcilláló HMF tervezési és geometriai méreteit az 1a. és b. ábra mutatja.
A kulcsfontosságú komponensek közé tartoznak a GMM rudak, a terepi tekercsek, az állandó mágnesek (PM), a jármák, a betétek, a perselyek és a belleville rugók.A gerjesztőtekercs és a PMT a HMM rudat váltakozó mágneses mezővel és egyenáramú előfeszítésű mágneses mezővel látja el.A járom és a test, amely sapkából és hüvelyből áll, DT4 lágyvasból készül, amely nagy mágneses áteresztőképességgel rendelkezik.Zárt mágneses áramkört képez a GIM és a PM rúddal.A kimeneti szár és nyomólemez nem mágneses 304-es rozsdamentes acélból készül.A belleville rugók segítségével stabil előfeszítést lehet alkalmazni a száron.Amikor váltóáram halad át a meghajtó tekercsen, a HMM rúd ennek megfelelően rezegni fog.
ábrán.A 2. ábra a hőcsere folyamatát mutatja a GMT-n belül.A GMM-rudak és a terepi tekercsek a GMT-k két fő hőforrása.A szerpentin belső légáramlással adja át hőjét a testnek, vezetés útján pedig a fedélnek.A HMM rúd váltakozó mágneses tér hatására mágneses veszteségeket hoz létre, és a hő a belső levegőn keresztüli konvekció miatt a héjra, a vezetés miatt pedig az állandó mágnesre és a járomra kerül.A tokba átadott hő ezután konvekcióval és sugárzással kifelé távozik.Ha a termelt hő egyenlő az átadott hővel, a GMT egyes részeinek hőmérséklete eléri az állandósult állapotot.
A hőátadás folyamata hosszirányban oszcilláló GMO-ban: a – hőáramlási diagram, b – fő hőátadási utak.
A gerjesztő tekercs és a HMM rúd által termelt hő mellett a zárt mágneses áramkör minden alkatrésze mágneses veszteséget szenved.Így az állandó mágnes, a járom, a kupak és a hüvely össze van laminálva, hogy csökkentsék a GMT mágneses veszteségét.
A GMT termikus elemzéshez szükséges TETN modell felépítésének fő lépései a következők: először csoportosítsuk össze az azonos hőmérsékletű komponenseket, és minden komponenst külön csomópontként ábrázoljunk a hálózatban, majd társítsuk ezeket a csomópontokat a megfelelő hőátadási kifejezéssel.hővezetés és konvekció a csomópontok között.Ebben az esetben az egyes komponenseknek megfelelő hőforrást és hőteljesítményt párhuzamosan kapcsolják a csomópont és a föld közös nulla feszültsége közé, hogy a hőhálózat egyenértékű modelljét építsék ki.A következő lépés a hőhálózat paramétereinek kiszámítása a modell egyes összetevőihez, beleértve a hőellenállást, a hőkapacitást és a teljesítményveszteségeket.Végül a TETN modellt a SPICE-ben implementálták szimuláció céljából.És megkaphatja a GMT egyes összetevőinek hőmérséklet-eloszlását és változását az időtartományban.
A modellezés és számítás kényelme érdekében a termikus modellt egyszerűsíteni kell, és figyelmen kívül kell hagyni azokat a peremfeltételeket, amelyek kevéssé hatnak az eredményekre18,26.A cikkben javasolt TETN-modell a következő feltevéseken alapul:
GMT-ben véletlenszerűen tekercselt tekercsekkel lehetetlen vagy szükséges az egyes vezetők helyzetének szimulálása.A tekercseken belüli hőátadás és hőmérséklet-eloszlás modellezésére korábban különféle modellezési stratégiákat fejlesztettek ki: (1) összetett hővezető képesség, (2) vezetőgeometrián alapuló direkt egyenletek, (3) T-egyenértékű hőáramkör29.
A kompozit hővezetési tényező és a direkt egyenletek pontosabb megoldásnak tekinthetők, mint a T ekvivalens áramkör, de ezek több tényezőtől is függnek, mint például az anyagtól, a vezető geometriától és a tekercsben lévő maradék levegő térfogatától, amelyeket nehéz meghatározni29.Éppen ellenkezőleg, a T-egyenértékű termikus séma, bár közelítő modell, kényelmesebb30.A GMT hosszirányú rezgéseivel a gerjesztőtekercsre alkalmazható.
A gerjesztőtekercs ábrázolására használt általános üreges hengeres összeállítás és a hőegyenlet megoldásából kapott T-ekvivalens hődiagramja az 1. ábrán látható.3. Feltételezzük, hogy a gerjesztő tekercsben a hőáram radiális és axiális irányban független.A kerületi hőáramot figyelmen kívül hagyjuk.Minden egyenértékű T áramkörben két kapocs az elem megfelelő felületi hőmérsékletét, a harmadik T6 pedig az elem átlagos hőmérsékletét jelenti.A P6 komponens vesztesége pontforrásként kerül megadásra a „Mezőtekercs hőveszteségszámítása”-ban számított átlagos hőmérsékleti csomóponton.Nem stacionárius szimuláció esetén a C6 hőkapacitást az egyenlet adja meg.(1) szintén hozzáadódik az Átlagos hőmérséklet csomóponthoz.
Ahol cec, ρec és Vec a gerjesztőtekercs fajhőjét, sűrűségét és térfogatát jelentik.
táblázatban.Az 1. ábra a gerjesztőtekercs T-egyenértékű hőáramkörének hőellenállását mutatja lec hosszúsággal, λec hővezető képességgel, rec1 külső sugárral és rec2 belső sugárral.
Gerjesztőtekercsek és T-egyenértékű hőáramköreik: (a) általában üreges hengeres elemek, (b) különálló axiális és radiális T-egyenértékű hőáramkörök.
A T egyenértékű áramkör más hengeres hőforrások esetén is pontosnak bizonyult13.A GMO fő hőforrásaként a HMM rúd alacsony hővezető képessége miatt egyenetlen hőmérséklet-eloszlást mutat, különösen a rúd tengelye mentén.Ellenkezőleg, a radiális inhomogenitás elhanyagolható, mivel a HMM rúd radiális hőárama sokkal kisebb, mint a sugárirányú hőáram31.
A rúd axiális diszkretizációs szintjének pontos ábrázolásához és a legmagasabb hőmérséklet eléréséhez a GMM rudat n csomópont képviseli, amelyek axiális irányban egyenletesen vannak elhelyezve, és a GMM rúd által modellezett n csomópontok számának páratlannak kell lennie.Az egyenértékű axiális hőkontúrok száma n T 4. ábra.
A GMM sáv modellezéséhez használt n csomópontok számának meghatározásához a FEM eredményeket az 1. ábra mutatja.5 referenciaként.ábrán látható módon.A 4. ábrán az n csomópontok számát a HMM rúd termikus sémája szabályozza.Mindegyik csomópont T-egyenértékű áramkörként modellezhető.A FEM eredményeit összehasonlítva az 5. ábrán látható, hogy egy vagy három csomópont nem tudja pontosan tükrözni a HIM rúd (körülbelül 50 mm hosszú) hőmérséklet-eloszlását a GMO-ban.Ha n-t 5-re növeljük, a szimulációs eredmények jelentősen javulnak, és megközelítik a FEM-et.Az n további növelése is jobb eredményeket ad hosszabb számítási idő árán.Ezért ebben a cikkben 5 csomópont van kiválasztva a GMM-sáv modellezéséhez.
Az elvégzett összehasonlító elemzés alapján a HMM rúd pontos termikus sémája a 6. ábrán látható. T1 ~ T5 a rúd öt szakaszának (1 - 5. szakasz) átlagos hőmérséklete.A P1-P5 a rúd különböző területeinek teljes hőteljesítményét jelenti, amelyet a következő fejezetben részletesen tárgyalunk.A C1~C5 a különböző régiók hőkapacitása, amely a következő képlettel számítható ki
ahol crod, ρrod és Vrod jelöli a HMM rúd fajlagos hőkapacitását, sűrűségét és térfogatát.
Ugyanazzal a módszerrel, mint a gerjesztő tekercsnél, a 6. ábrán látható HMM rúd hőátadási ellenállása a következőképpen számítható ki:
ahol lrod, rrod és λrod jelentik a GMM rúd hosszát, sugarát és hővezető képességét.
A jelen cikkben vizsgált longitudinális rezgés GMT esetében a fennmaradó alkatrészek és a belső levegő egyetlen csomópont konfigurációval modellezhető.
Ezek a területek egy vagy több hengerből állónak tekinthetők.A tisztán vezetőképes hőcserélő kapcsolatot egy hengeres részben a Fourier hővezetési törvény határozza meg:
Ahol λnhs az anyag hővezető képessége, lnhs a tengelyirányú hossza, rnhs1 és rnhs2 a hőátadó elem külső és belső sugara.
Az (5) egyenlet ezen területek sugárirányú hőellenállásának kiszámítására szolgál, amelyet a 7. ábrán RR4-RR12 ábrázol. Ugyanakkor a (6) egyenletet az axiális hőellenállás kiszámítására használjuk, amelyet az RA15-től RA33-ig ábrázol az ábrán. 7.
Egy csomópontos hőáramkör hőkapacitása a fenti területen (beleértve a 7. ábrán a C7–C15-öt is) a következőképpen határozható meg:
ahol ρnhs, cnhs és Vnhs a hossz, a fajhő és a térfogat.
A GMT belsejében lévő levegő és a ház felülete, valamint a környezet közötti konvektív hőátadást egyetlen hővezető ellenállással modellezzük az alábbiak szerint:
ahol A az érintkezési felület és h a hőátbocsátási tényező.A 232. táblázat felsorol néhány jellemző h-t a termikus rendszerekben.táblázat szerint.2 hőátbocsátási tényező az RH8–RH10 és RH14–RH18 hőellenállásokra, amelyek a HMF és a környezet közötti konvekciót reprezentálják az ábrán.7 értéket 25 W/(m2 K) állandó értéknek vesszük.A fennmaradó hőátbocsátási együtthatók 10 W/(m2 K) értékre vannak beállítva.
A 2. ábrán látható belső hőátadási folyamat szerint a TETN konverter teljes modellje a 7. ábrán látható.
ábrán látható módon.A 7. ábrán a GMT hosszirányú rezgés 16 csomóra van felosztva, amelyeket piros pontok képviselnek.A modellben ábrázolt hőmérsékleti csomópontok az adott komponensek átlaghőmérsékletének felelnek meg.Környezeti hőmérséklet T0, GMM rúd hőmérséklet T1 ~ T5, gerjesztő tekercs hőmérséklet T6, állandó mágnes hőmérséklet T7 és T8, járom hőmérséklet T9 ~ T10, ház hőmérséklet T11 ~ T12 és T14, beltéri levegő hőmérséklet T13 és kimeneti rúd hőmérséklet T15.Ezenkívül minden csomópont a föld termikus potenciáljához csatlakozik a C1 ~ C15-ön keresztül, amelyek az egyes területek hőkapacitását jelentik.P1~P6 a GMM rúd és a gerjesztő tekercs teljes hőteljesítménye.Ezenkívül 54 hőellenállást használnak a szomszédos csomópontok közötti hőátadás vezetőképes és konvektív ellenállásának ábrázolására, amelyeket az előző szakaszokban számítottunk ki.A 3. táblázat bemutatja a konverter anyagok különböző termikus jellemzőit.
A veszteségmennyiségek és eloszlásuk pontos becslése kritikus fontosságú a megbízható hőszimulációk elvégzéséhez.A GMT által generált hőveszteség felosztható a GMM rúd mágneses veszteségére, a gerjesztőtekercs Joule veszteségére, a mechanikai veszteségre és a járulékos veszteségre.A figyelembe vett járulékos veszteségek és mechanikai veszteségek viszonylag kicsik és elhanyagolhatóak.
Az AC gerjesztő tekercs ellenállása a következőket tartalmazza: az Rdc egyenáramú ellenállás és az Rs bőrellenállás.
ahol f és N a gerjesztőáram frekvenciája és fordulatszáma.Az lCu és rCu a tekercs belső és külső sugara, a tekercs hossza és a réz mágneses huzal sugara, az AWG (amerikai huzalmérő) szám szerint.ρCu a magjának ellenállása.µCu a magjának mágneses permeabilitása.
A tekercsen belüli tényleges mágneses tér (szolenoid) nem egyenletes a rúd hosszában.Ez a különbség különösen szembetűnő a HMM és PM rudak alacsonyabb mágneses permeabilitása miatt.De hosszirányban szimmetrikus.A mágneses tér eloszlása ​​közvetlenül meghatározza a HMM rúd mágneses veszteségeinek eloszlását.Ezért a veszteségek valós eloszlásának tükrözésére a 8. ábrán látható háromrészes rudat veszünk mérésre.
A mágneses veszteség a dinamikus hiszterézis hurok mérésével határozható meg.A 11. ábrán látható kísérleti platform alapján három dinamikus hiszterézis hurkot mértünk.Abban az esetben, ha a GMM rúd hőmérséklete stabilan 50 °C alatt van, a programozható AC tápegység (Chroma 61512) egy bizonyos tartományban hajtja meg a tekercset, amint az a 8. ábrán látható, a mágneses mező által generált mágneses tér frekvenciáján. A tesztáram és a kapott mágneses fluxussűrűség kiszámítása a GIM rúdhoz csatlakoztatott indukciós tekercsben indukált feszültség integrálásával történik.A nyers adatokat letöltöttük a memórianaplózóból (MR8875-30 naponta), és MATLAB szoftverben feldolgoztuk, hogy megkapjuk a 9. ábrán látható mért dinamikus hiszterézis hurkokat.
Mért dinamikus hiszterézis hurkok: (a) szakasz 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) szakasz 1/5: fm = 1000 Hz, (c) szakasz 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) szakasz 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) 3. szakasz: Bm = 0,07228 T, (f) 3. szakasz: fm = 1000 Hz.
A 37. szakirodalom szerint a HMM rudak térfogategységére eső Pv teljes mágneses veszteség a következő képlettel számítható ki:
ahol ABH a mérési terület a BH görbén az fm mágneses tér frekvenciáján, amely megegyezik a gerjesztőáram f frekvenciájával.
A Bertotti-veszteség-elválasztási módszer38 alapján egy GMM-rúd egységnyi tömegére eső Pm mágneses vesztesége a Ph hiszterézisveszteség, az örvényáram-veszteség Pe és az anomális Pa veszteség összegeként fejezhető ki (13):
Mérnöki szempontból38 az anomális veszteségeket és az örvényáram-veszteségeket össze lehet vonni egy kifejezéssel, amelyet teljes örvényáram-veszteségnek neveznek.Így a veszteségek kiszámításának képlete a következőképpen egyszerűsíthető:
az egyenletben.(13)~(14) ahol Bm a gerjesztő mágneses tér mágneses sűrűségének amplitúdója.kh és kc a hiszterézis veszteségi tényező és a teljes örvényáram veszteségi tényező.