2507 kemijska komponenta cijevi zavojnice od nehrđajućeg čelika, studija simulacije ekvivalentne toplinske mreže divovskog magnetostriktivnog pretvarača rijetkih zemalja

Hvala vam što ste posjetili Nature.com.Koristite verziju pretraživača sa ograničenom podrškom za CSS.Za najbolje iskustvo, preporučujemo da koristite ažurirani pretraživač (ili onemogućite način kompatibilnosti u Internet Exploreru).Osim toga, kako bismo osigurali stalnu podršku, prikazujemo stranicu bez stilova i JavaScripta.
Klizači koji prikazuju tri članka po slajdu.Koristite dugmad za nazad i sledeće da se krećete kroz slajdove ili dugmad kontrolora slajdova na kraju za kretanje kroz svaki slajd.

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

Kritična za dizajn ogromnog magnetostriktivnog pretvarača (GMT) je brza i precizna analiza raspodjele temperature.Modeliranje termičke mreže ima prednosti niske računske cijene i visoke preciznosti i može se koristiti za GMT termičku analizu.Međutim, postojeći termalni modeli imaju ograničenja u opisivanju ovih složenih termičkih režima u GMT: većina studija se fokusira na stacionarna stanja koja ne mogu obuhvatiti promjene temperature;Općenito se pretpostavlja da je raspodjela temperature džinovskih magnetostriktivnih (GMM) štapova ujednačena, ali je temperaturni gradijent preko GMM štapa vrlo značajan zbog slabe toplinske provodljivosti, a nejednaka raspodjela gubitaka GMM rijetko se unosi u termalni model.Stoga, sveobuhvatnim razmatranjem gornja tri aspekta, ovaj dokument uspostavlja model GMT Transitional Equivalent Heat Network (TETN).Prvo, na osnovu dizajna i principa rada uzdužnog vibracionog HMT, vrši se termička analiza.Na osnovu toga se uspostavlja model grijaćeg elementa za HMT proces prijenosa topline i izračunavaju se odgovarajući parametri modela.Konačno, tačnost TETN modela za prostorno-vremensku analizu temperature pretvarača je potvrđena simulacijom i eksperimentom.
Divovski magnetostriktivni materijal (GMM), odnosno terfenol-D, ima prednosti velike magnetostrikcije i velike gustoće energije.Ova jedinstvena svojstva mogu se koristiti za razvoj ogromnih magnetostriktivnih pretvarača (GMT) koji se mogu koristiti u širokom spektru primjena kao što su podvodni akustični pretvarači, mikromotori, linearni aktuatori, itd. 1,2.
Posebno zabrinjava mogućnost pregrijavanja podmorskih GMT-a, koji, kada rade punom snagom i tokom dugih perioda pobude, mogu proizvesti 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, njegove izlazne performanse su usko povezane s temperaturom5,6,7,8.U tehničkim publikacijama, metode termičke analize GMT-a mogu se podijeliti u dvije široke kategorije9: numeričke metode i metode skupih parametara.Metoda konačnih elemenata (FEM) je jedna od najčešće korištenih metoda numeričke analize.Xie et al.[10] je koristio metodu konačnih elemenata za simulaciju distribucije izvora topline gigantskog magnetostriktivnog pogona i realizovao dizajn sistema za kontrolu temperature i hlađenja pogona.Zhao et al.[11] uspostavili su zajedničku simulaciju konačnih elemenata turbulentnog strujanja i temperaturnog polja i izgradili GMM inteligentni komponentni uređaj za kontrolu temperature na osnovu rezultata simulacije konačnih elemenata.Međutim, FEM je vrlo zahtjevan u pogledu podešavanja modela i vremena proračuna.Iz tog razloga, FEM se smatra važnom podrškom za vanmrežne proračune, obično tokom faze projektovanja pretvarača.
Metoda pauširanih parametara, koja se obično naziva model toplotne mreže, široko se koristi u termodinamičkoj analizi zbog svoje jednostavne matematičke forme i velike brzine proračuna12,13,14.Ovaj pristup igra važnu ulogu u eliminisanju termičkih ograničenja motora 15, 16, 17. Mellor18 je bio prvi koji je koristio poboljšani termički ekvivalentni krug T za modeliranje procesa prijenosa topline motora.Verez i dr.19 kreirao je trodimenzionalni model termičke mreže sinhrone mašine sa permanentnim magnetom sa aksijalnim strujanjem.Boglietti et al.20 su predložili četiri modela termičke mreže različite složenosti za predviđanje kratkotrajnih termičkih prijelaza u namotajima statora.Konačno, Wang et al.21 uspostavili su detaljno termalno ekvivalentno kolo za svaku PMSM komponentu i sumirali jednačinu termičkog otpora.Pod nominalnim uslovima, greška se može kontrolisati unutar 5%.
1990-ih, 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 savijanja klase IV.Anjappa et al.23 izvršili su 2D stacionarnu termičku analizu magnetostriktivnog mikropogona koristeći model termalne mreže.Da bi proučili vezu između termičkog naprezanja Terfenol-D i GMT parametara, Zhu et al.24 uspostavio je ekvivalentni model stabilnog stanja za proračun toplinske otpornosti i GMT pomaka.
Procjena GMT temperature je složenija od aplikacija motora.Zbog odlične toplinske i magnetske provodljivosti korištenih materijala, većina komponenti motora koje se razmatraju na istoj temperaturi obično se svode na jedan čvor13,19.Međutim, zbog loše toplotne provodljivosti HMM-a, pretpostavka o ravnomernoj raspodeli temperature više nije tačna.Osim toga, HMM ima vrlo nisku magnetnu permeabilnost, tako da je toplina koju stvaraju magnetni gubici obično neujednačena duž HMM štapa.Osim toga, većina istraživanja je fokusirana na simulacije u stabilnom stanju koje ne uzimaju u obzir promjene temperature tokom GMT rada.
Kako bi se riješila gornja tri tehnička problema, ovaj članak koristi GMT longitudinalne vibracije kao predmet proučavanja i precizno modelira različite dijelove pretvarača, posebno GMM šipku.Izrađen je model kompletne tranzicione ekvivalentne toplotne mreže (TETN) GMT.Model konačnih elemenata i eksperimentalna platforma su napravljeni za testiranje tačnosti i performansi TETN modela za prostorno-vremensku analizu temperature sonde.
Dizajn i geometrijske dimenzije uzdužno oscilirajućeg HMF-a prikazane su na slikama 1a i b, respektivno.
Ključne komponente uključuju GMM šipke, namotaje polja, trajne magnete (PM), jarmove, jastučiće, čahure i opruge.Pobudni kalem i PMT obezbeđuju HMM štapu naizmeničnim magnetnim poljem i jednosmernim magnetnim poljem.Jaram i telo, koji se sastoje od kape i rukava, izrađeni su od mekog gvožđa DT4, koje ima visoku magnetnu permeabilnost.Formira zatvoreni magnetni krug sa GIM i PM štapom.Izlazna vretena i potisna ploča izrađeni su od nemagnetnog nerđajućeg čelika 304.Sa zvonastim oprugama može se primijeniti stabilno prednaprezanje na vretenu.Kada naizmjenična struja prođe kroz pogonski kalem, HMM štap će vibrirati u skladu s tim.
Na sl.2 prikazuje proces razmene toplote unutar GMT.GMM štapovi i zavojnice su dva glavna izvora topline za GMT.Serpentin prenosi svoju toplinu na tijelo konvekcijom zraka unutra, a na poklopac vođenjem.HMM štap će stvarati magnetne gubitke pod dejstvom naizmeničnog magnetnog polja, a toplota će se preneti na školjku usled konvekcije kroz unutrašnji vazduh, a na permanentni magnet i jaram usled provodljivosti.Toplota koja se prenosi na kućište se zatim konvekcijom i zračenjem odvodi prema van.Kada je generirana toplina jednaka prenesenoj toplini, temperatura svakog dijela GMT-a dostiže stabilno stanje.
Proces prijenosa topline u longitudinalno oscilirajućem GMO: a – dijagram toka topline, b – glavni putevi prijenosa topline.
Osim topline koju generira zavojnica pobudnika i HMM štap, sve komponente zatvorenog magnetnog kola doživljavaju magnetne gubitke.Dakle, trajni magnet, jaram, kapa i rukav su laminirani zajedno kako bi se smanjio magnetni gubitak GMT-a.
Glavni koraci u izgradnji TETN modela za GMT termičku analizu su sljedeći: prvo grupišu komponente sa istim temperaturama zajedno i predstavljaju svaku komponentu kao poseban čvor u mreži, a zatim povežu ove čvorove s odgovarajućim izrazom prijenosa topline.provodljivost toplote i konvekcija između čvorova.U ovom slučaju, izvor topline i izlaz topline koji odgovara svakoj komponenti su paralelno povezani 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 njenu promjenu u vremenskom domenu.
Radi praktičnosti modeliranja i proračuna, potrebno je pojednostaviti termički model i zanemariti granične uvjete koji imaju mali utjecaj na rezultate18,26.TETN model predložen u ovom članku zasniva se na sljedećim pretpostavkama:
U GMT sa nasumično namotanim namotajima, nemoguće je ili potrebno simulirati položaj svakog pojedinačnog vodiča.Različite strategije modeliranja su razvijene u prošlosti za modeliranje prijenosa topline i raspodjele temperature unutar namotaja: (1) složena toplotna provodljivost, (2) direktne jednačine zasnovane na geometriji provodnika, (3) T-ekvivalentni termalni krug29.
Kompozitne toplinske provodljivosti i direktne jednačine mogu se smatrati preciznijim rješenjima od ekvivalentnog kola T, ali zavise od nekoliko faktora, kao što su materijal, geometrija vodiča i zapremina zaostalog zraka u namotu, koje je teško odrediti29.Naprotiv, T-ekvivalentna termička šema, iako je približan model, je pogodnija30.Može se primijeniti na pobudni kalem sa uzdužnim vibracijama GMT-a.
Opšti šuplji cilindrični sklop koji se koristi za predstavljanje namotaja pobudnika i njegov T-ekvivalentni termalni dijagram, dobijen iz rješenja jednačine topline, prikazani su na sl.3. Pretpostavlja se da je toplinski tok u pobudnom svitku nezavisan u radijalnom i aksijalnom smjeru.Obodni toplotni tok je zanemaren.U svakom ekvivalentnom kolu T, dva terminala predstavljaju odgovarajuću temperaturu površine elementa, a treći terminal T6 predstavlja prosječnu temperaturu elementa.Gubitak komponente P6 se ​​unosi kao tačkasti izvor na srednjem temperaturnom čvoru izračunatom u „Izračunu toplotnih gubitaka zavojnice“.U slučaju nestacionarne simulacije, toplotni kapacitet C6 je dat jednadžbom.(1) se također dodaje čvoru Prosječna temperatura.
Pri čemu cec, ρec i Vec predstavljaju specifičnu toplinu, gustinu i zapreminu pobuđivača, respektivno.
U tabeli.Na slici 1 prikazan je toplotni otpor T-ekvivalentnog termičkog kola uzbudnog svitka dužine lec, toplotne provodljivosti λec, spoljašnjeg radijusa rec1 i unutrašnjeg radijusa rec2.
Zavojnice pobudnika i njihovi T-ekvivalentni termalni krugovi: (a) obično šuplji cilindrični elementi, (b) odvojeni aksijalni i radijalni T-ekvivalentni termalni krugovi.
Ekvivalentno kolo T se također pokazalo preciznim za druge cilindrične izvore topline13.Budući da je glavni izvor topline GMO-a, HMM štap ima neravnomjernu raspodjelu temperature zbog svoje niske toplinske provodljivosti, posebno duž ose štapa.Naprotiv, radijalna nehomogenost se može zanemariti, jer je radijalni toplotni tok HMM štapa mnogo manji od radijalnog toplotnog fluksa31.
Da bi se precizno prikazao nivo aksijalne diskretizacije štapa i dobila najviša temperatura, GMM štap je predstavljen sa n čvorova ravnomerno raspoređenih u aksijalnom smeru, a broj čvorova n modelovanih GMM štapom mora biti neparan.Broj ekvivalentnih aksijalnih termičkih kontura je n T slika 4.
Da bi se odredio broj čvorova n koji se koristi za modeliranje GMM trake, FEM rezultati su prikazani na sl.5 kao referenca.Kao što je prikazano na sl.4, broj čvorova n je reguliran u termalnoj shemi HMM štapa.Svaki čvor se može modelirati kao T-ekvivalentno kolo.Upoređujući rezultate FEM-a, sa slike 5 se vidi da jedan ili tri čvora ne mogu precizno odražavati raspodjelu temperature HIM štapa (dužine oko 50 mm) u GMO-u.Kada se n poveća na 5, rezultati simulacije se značajno poboljšavaju i približavaju se FEM.Dalje povećanje n također daje bolje rezultate po cijenu dužeg vremena računanja.Stoga je u ovom članku odabrano 5 čvorova za modeliranje GMM trake.
Na osnovu provedene komparativne analize, točna termička shema HMM štapa prikazana je na slici 6. T1 ~ T5 je prosječna temperatura pet sekcija (sekcija 1 ~ 5) štapa.P1-P5 respektivno predstavljaju ukupnu toplinsku snagu različitih područja štapa, o čemu će se detaljno govoriti u sljedećem poglavlju.C1~C5 su toplinski kapaciteti različitih regija, koji se mogu izračunati po sljedećoj formuli
gdje crod, ρrod i Vrod označavaju specifični toplinski kapacitet, gustinu i zapreminu HMM štapa.
Koristeći istu metodu kao i za uzbuđivač, otpor prijenosa topline HMM štapa na slici 6 može se izračunati kao
gde lrod, rrod i λrod predstavljaju dužinu, poluprečnik i toplotnu provodljivost GMM štapa, respektivno.
Za uzdužne vibracije GMT proučavane u ovom članku, preostale komponente i unutrašnji zrak mogu se modelirati s konfiguracijom jednog čvora.
Ova područja se mogu smatrati da se sastoje od jednog ili više cilindara.Čisto vodljiva veza za izmjenu topline u cilindričnom dijelu definirana je Fourierovim zakonom provodljivosti topline kao
Gdje je λnhs toplinska provodljivost materijala, lnhs je aksijalna dužina, rnhs1 i rnhs2 su vanjski i unutrašnji radijusi elementa za prijenos topline, respektivno.
Jednačina (5) se koristi za izračunavanje radijalnog toplotnog otpora za ove oblasti, predstavljene sa RR4-RR12 na slici 7. Istovremeno, jednačina (6) se koristi za izračunavanje aksijalnog toplotnog otpora, predstavljenog od RA15 do RA33 na slici 7.
Toplotni kapacitet toplotnog kruga jednog čvora za gornju oblast (uključujući C7–C15 na slici 7) može se odrediti kao
gde su ρnhs, cnhs i Vnhs dužina, specifična toplota i zapremina, respektivno.
Konvektivni prijenos topline između zraka unutar GMT-a i površine kućišta i okoline je modeliran s jednim otpornikom toplinske provodljivosti na sljedeći način:
gdje je A kontaktna površina, a h koeficijent prijelaza topline.Tabela 232 navodi neke tipične h korištene u toplinskim sistemima.Prema tabeli.2 koeficijenta prenosa toplote toplotnih otpora RH8–RH10 i RH14–RH18, koji predstavljaju konvekciju između HMF-a i okoline na sl.7 se uzimaju kao konstantna vrijednost od 25 W/(m2 K).Preostali koeficijenti prolaza topline su postavljeni na 10 W/(m2 K).
Prema unutrašnjem procesu prijenosa topline prikazanom na slici 2, kompletan model TETN pretvarača prikazan je na slici 7.
Kao što je prikazano na sl.7, GMT longitudinalna vibracija je podijeljena na 16 čvorova, koji su predstavljeni crvenim tačkama.Temperaturni čvorovi prikazani u modelu odgovaraju prosječnim temperaturama odgovarajućih komponenti.Temperatura okoline T0, temperatura GMM štapa T1~T5, temperatura namotaja uzbuđivača T6, temperatura permanentnog magneta T7 i T8, temperatura jarma T9~T10, temperatura kućišta T11~T12 i T14, temperatura unutrašnjeg zraka T13 i temperatura izlazne šipke T15.Osim toga, svaki čvor je povezan s termičkim potencijalom tla preko C1 ~ C15, koji predstavljaju toplinski kapacitet svake oblasti, respektivno.P1~P6 je ukupna toplotna snaga GMM štapa i pobudnog zavojnice, respektivno.Osim toga, 54 termička otpora se koriste za predstavljanje vodljivog i konvektivnog otpora prijenosu topline između susjednih čvorova, koji su izračunati u prethodnim odjeljcima.Tabela 3 prikazuje različite termičke karakteristike materijala pretvarača.
Precizna procjena volumena gubitaka i njihova distribucija je kritična za izvođenje pouzdanih termičkih simulacija.Gubitak topline koji generiše GMT može se podijeliti na magnetni gubitak GMM štapa, džulov gubitak uzbuđivača, mehanički gubitak i dodatni gubitak.Dodatni gubici i mehanički gubici koji se uzimaju u obzir su relativno mali i mogu se zanemariti.
Otpor namotaja pobude naizmeničnom strujom uključuje: jednosmerni otpor Rdc i otpor kože Rs.
gdje su f i N frekvencija i broj zavoja pobudne struje.lCu i rCu su unutrašnji i vanjski radijusi zavojnice, dužina zavojnice i polumjer bakarne magnetne žice kao što je definirano njenim AWG (American Wire Gauge) brojem.ρCu je otpornost njegovog jezgra.µCu je magnetna permeabilnost njegovog jezgra.
Stvarno magnetsko polje unutar zavojnice polja (solenoida) nije ravnomjerno duž dužine štapa.Ova razlika je posebno uočljiva zbog manje magnetne permeabilnosti HMM i PM štapova.Ali je uzdužno simetrična.Raspodjela magnetnog polja direktno određuje raspodjelu magnetnih gubitaka HMM štapa.Stoga, da bi se odrazila stvarna raspodjela gubitaka, za mjerenje se uzima trodijelni štap, prikazan na slici 8.
Magnetski gubitak se može dobiti mjerenjem petlje dinamičke histereze.Na osnovu eksperimentalne platforme prikazane na slici 11, izmjerene su tri dinamičke histerezne petlje.Pod uslovom da je temperatura GMM štapa stabilna ispod 50°C, programabilno napajanje naizmeničnom strujom (Chroma 61512) pokreće zavojnicu polja u određenom opsegu, kao što je prikazano na slici 8, frekvencija magnetnog polja koju generiše ispitna struja i rezultujuća gustina magnetnog fluksa izračunavaju se integracijom napona indukovanog u induktivnom namotaju spojenom na GIM štap.Sirovi podaci su preuzeti iz memorijskog logera (MR8875-30 po danu) i obrađeni u MATLAB softveru da bi se dobile izmjerene petlje dinamičke histereze prikazane na slici 9.
Izmjerene petlje dinamičke histereze: (a) presjek 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) dio 1/5: fm = 1000 Hz, (c) dio 2/4: Bm = 0,05955 T, (d) dio 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) dio 3: Bm = 0,07228 T, (f) dio 3: fm = 1000 Hz.
Prema literaturi 37, ukupni magnetni gubitak Pv po jedinici volumena HMM štapova može se izračunati korištenjem sljedeće formule:
gdje je ABH mjerna površina na BH krivulji na frekvenciji magnetskog polja fm jednakoj frekvenciji pobudne struje f.
Na osnovu Bertottijeve metode razdvajanja gubitaka38, magnetni gubitak po jedinici mase Pm GMM štapa može se izraziti kao zbir gubitka na histerezi Ph, gubitka vrtložne struje Pe i anomalnog gubitka Pa (13):
Iz inženjerske perspektive38, anomalni gubici i gubici vrtložnim strujama mogu se kombinirati u jedan pojam koji se naziva ukupni gubitak vrtložne struje.Dakle, formula za izračunavanje gubitaka može se pojednostaviti na sljedeći način:
u jednačini.(13)~(14) gdje je Bm amplituda magnetske gustine uzbudljivog magnetnog polja.kh i kc su faktor gubitka histereze i ukupni faktor gubitka na vrtložne struje.