2507 бобина от неръждаема стомана, химичен компонент, еквивалентно симулационно изследване на топлинна мрежа на гигантски магнитострикционен преобразувател на редкоземни метали

Благодарим ви, че посетихте Nature.com.Използвате версия на браузър с ограничена поддръжка на CSS.За най-добро изживяване ви препоръчваме да използвате актуализиран браузър (или да деактивирате режима на съвместимост в Internet Explorer).Освен това, за да осигурим постоянна поддръжка, показваме сайта без стилове и JavaScript.
Плъзгачи, показващи три статии на слайд.Използвайте бутоните за връщане назад и напред, за да се движите през слайдовете, или бутоните за управление на плъзгачите в края, за да се движите през всеки слайд.

• Описание на продукта
• 2507 Спираловидни тръби от неръждаема стомана от Китай

От решаващо значение за дизайна на гигантския магнитостриктивен преобразувател (GMT) е бързият и точен анализ на разпределението на температурата.Моделирането на топлинна мрежа има предимствата на ниска изчислителна цена и висока точност и може да се използва за GMT топлинен анализ.Съществуващите топлинни модели обаче имат ограничения при описването на тези сложни топлинни режими в GMT: повечето изследвания се фокусират върху стационарни състояния, които не могат да уловят температурните промени;Обикновено се приема, че температурното разпределение на гигантските магнитострикционни (GMM) пръти е равномерно, но температурният градиент в GMM пръта е много значителен поради лоша топлопроводимост, неравномерното разпределение на загубите на GMM рядко се въвежда в топлинната модел.Ето защо, чрез изчерпателно разглеждане на горните три аспекта, този документ установява модела GMT за преходна еквивалентна топлинна мрежа (TETN).Първо, въз основа на дизайна и принципа на работа на надлъжния вибрационен HMT, се извършва термичен анализ.На тази основа се установява моделът на нагревателния елемент за процеса на пренос на топлина HMT и се изчисляват съответните параметри на модела.И накрая, точността на модела TETN за пространствено-времеви анализ на температурата на преобразувателя се проверява чрез симулация и експеримент.
Гигантският магнитострикционен материал (GMM), а именно терфенол-D, има предимствата на голяма магнитострикция и висока енергийна плътност.Тези уникални свойства могат да се използват за разработване на гигантски магнитострикционни преобразуватели (GMT), които могат да се използват в широк спектър от приложения като подводни акустични преобразуватели, микромотори, линейни задвижващи механизми и др. 1,2.
От особена загриженост е потенциалът за прегряване на подводните GMT, които, когато работят на пълна мощност и за дълги периоди на възбуждане, могат да генерират значителни количества топлина поради тяхната висока плътност на мощността3,4.В допълнение, поради големия коефициент на топлинно разширение на GMT и неговата висока чувствителност към външна температура, неговата изходна производителност е тясно свързана с температурата5,6,7,8.В техническите публикации методите за термичен анализ на GMT могат да бъдат разделени на две широки категории9: числени методи и методи с групирани параметри.Методът на крайните елементи (МКЕ) е един от най-често използваните числени методи за анализ.Xie и др.[10] използва метода на крайните елементи, за да симулира разпределението на източниците на топлина на гигантско магнитострикционно задвижване и реализира дизайна на системата за контрол на температурата и охлаждането на задвижването.Джао и др.[11] създадоха съвместна симулация с крайни елементи на турбулентно поле на потока и температурно поле и изградиха устройство за контрол на температурата на интелигентен компонент на GMM въз основа на резултатите от симулацията с крайни елементи.Въпреки това, FEM е много взискателен по отношение на настройката на модела и времето за изчисление.Поради тази причина FEM се счита за важна подкрепа за офлайн изчисления, обикновено по време на фазата на проектиране на конвертора.
Методът на групираните параметри, обикновено наричан модел на топлинна мрежа, се използва широко в термодинамичния анализ поради своята проста математическа форма и висока скорост на изчисление12,13,14.Този подход играе важна роля за елиминиране на термичните ограничения на двигатели 15, 16, 17. Mellor18 беше първият, който използва подобрена термична еквивалентна схема T за моделиране на процеса на топлопредаване на двигателя.Verez и др.19 създаде триизмерен модел на топлинната мрежа на синхронна машина с постоянен магнит с аксиален поток.Boglietti et al.20 предложи четири модела на термична мрежа с различна сложност за прогнозиране на краткосрочни термични преходни процеси в намотките на статора.Накрая, Wang et al.21 създават подробна термична еквивалентна схема за всеки PMSM компонент и обобщават уравнението на термичното съпротивление.При номинални условия грешката може да се контролира в рамките на 5%.
През 90-те години моделът на топлинната мрежа започва да се прилага за високомощни нискочестотни преобразуватели.Dubus et al.22 разработи модел на топлинна мрежа, за да опише стационарен пренос на топлина в двустранен надлъжен вибратор и сензор за огъване клас IV.Anjanappa et al.23 извършиха 2D стационарен термичен анализ на магнитострикционно микрозадвижване, използвайки модел на термична мрежа.За изследване на връзката между термичното напрежение на терфенол-D и GMT параметрите, Zhu et al.24 установи еквивалентен модел в стационарно състояние за термично съпротивление и изчисление на изместване по GMT.
Оценката на GMT температурата е по-сложна от приложенията на двигателя.Поради отличната термична и магнитна проводимост на използваните материали, повечето компоненти на двигателя, разглеждани при една и съща температура, обикновено се свеждат до един възел13,19.Въпреки това, поради лошата топлопроводимост на HMM, предположението за равномерно разпределение на температурата вече не е правилно.В допълнение, HMM има много ниска магнитна пропускливост, така че топлината, генерирана от магнитни загуби, обикновено е неравномерна по дължината на HMM пръта.В допълнение, повечето от изследванията са фокусирани върху симулации в стационарно състояние, които не отчитат температурните промени по време на GMT работа.
За да разреши горните три технически проблема, тази статия използва GMT надлъжната вибрация като обект на изследване и точно моделира различни части на преобразувателя, особено GMM пръта.Създаден е модел на пълна преходна еквивалентна топлинна мрежа (TETN) GMT.Бяха изградени модел с крайни елементи и експериментална платформа за тестване на точността и производителността на модела TETN за пространствено-времеви анализ на температурата на преобразувателя.
Дизайнът и геометричните размери на надлъжно осцилиращия HMF са показани съответно на Фиг. 1a и b.
Ключовите компоненти включват GMM пръти, полеви намотки, постоянни магнити (PM), вилки, подложки, втулки и конусовидни пружини.Възбуждащата намотка и PMT осигуряват на HMM пръта съответно променливо магнитно поле и DC отклонение.Яремът и тялото, състоящи се от капачка и втулка, са изработени от меко желязо DT4, което има висока магнитна пропускливост.Образува затворена магнитна верига с GIM и PM пръта.Изходното стебло и притискащата плоча са изработени от немагнитна неръждаема стомана 304.С пружините Belleville може да се приложи стабилно предварително напрежение към стеблото.Когато променлив ток преминава през задвижващата намотка, HMM прътът ще вибрира съответно.
На фиг.2 показва процеса на топлообмен вътре в GMT.GMM прътите и въздушните намотки са двата основни източника на топлина за GMT.Серпентината пренася топлината си към тялото чрез въздушна конвекция вътре и към капака чрез проводимост.Пръчката HMM ще създаде магнитни загуби под действието на променливо магнитно поле и топлината ще бъде прехвърлена към обвивката поради конвекция през вътрешния въздух и към постоянния магнит и ярема поради проводимостта.Топлината, прехвърлена към корпуса, след това се разсейва навън чрез конвекция и излъчване.Когато генерираната топлина е равна на пренесената топлина, температурата на всяка част от GMT достига стабилно състояние.
Процесът на пренос на топлина в надлъжно осцилиращ ГМО: а – диаграма на топлинния поток, б – главни пътища за пренос на топлина.
В допълнение към топлината, генерирана от бобината на възбудителя и HMM пръта, всички компоненти на затворена магнитна верига изпитват магнитни загуби.По този начин постоянният магнит, яремът, капачката и ръкавът са ламинирани заедно, за да се намалят магнитните загуби на GMT.
Основните стъпки в изграждането на TETN модел за термичен анализ на GMT са следните: първо групирайте компоненти с еднакви температури заедно и представяйте всеки компонент като отделен възел в мрежата, след това свържете тези възли с подходящия израз за топлопредаване.топлопроводимост и конвекция между възлите.В този случай топлинният източник и топлинната мощност, съответстваща на всеки компонент, са свързани паралелно между възела и общото нулево напрежение на земята, за да се изгради еквивалентен модел на топлинната мрежа.Следващата стъпка е да се изчислят параметрите на топлинната мрежа за всеки компонент на модела, включително термично съпротивление, топлинен капацитет и загуби на мощност.И накрая, моделът TETN е внедрен в SPICE за симулация.И можете да получите температурното разпределение на всеки компонент на GMT и неговата промяна във времевата област.
За удобство на моделирането и изчислението е необходимо да се опрости термичният модел и да се игнорират граничните условия, които имат малък ефект върху резултатите18,26.Моделът TETN, предложен в тази статия, се основава на следните допускания:
В GMT с произволно навити намотки е невъзможно или необходимо да се симулира позицията на всеки отделен проводник.В миналото са разработени различни стратегии за моделиране за моделиране на пренос на топлина и разпределение на температурата в намотките: (1) комбинирана топлопроводимост, (2) директни уравнения, базирани на геометрията на проводника, (3) Т-еквивалентна термична верига29.
Композитната топлопроводимост и директните уравнения могат да се считат за по-точни решения от еквивалентната схема T, но те зависят от няколко фактора, като материал, геометрия на проводника и обем на остатъчния въздух в намотката, които са трудни за определяне29.Напротив, Т-еквивалентната термична схема, макар и приблизителен модел, е по-удобна30.Може да се приложи към възбудителната намотка с надлъжни вибрации на GMT.
Общият кух цилиндричен възел, използван за представяне на възбудителната намотка, и нейната Т-еквивалентна термична диаграма, получена от решението на топлинното уравнение, са показани на фиг.3. Приема се, че топлинният поток във възбудителната намотка е независим в радиална и аксиална посока.Периферентният топлинен поток се пренебрегва.Във всяка еквивалентна схема T два извода представляват съответната повърхностна температура на елемента, а третият извод T6 представлява средната температура на елемента.Загубата на компонента P6 се въвежда като точков източник при възловата точка на средната температура, изчислена в „Изчисляване на топлинните загуби на възбуждаща намотка“.В случай на нестационарна симулация топлинният капацитет C6 се дава от уравнението.(1) също се добавя към възела Средна температура.
Където cec, ρec и Vec представляват съответно специфичната топлина, плътността и обема на възбуждащата намотка.
В табл.1 е показано термичното съпротивление на Т-еквивалентната термична верига на възбудителната намотка с дължина lec, топлопроводимост λec, външен радиус rec1 и вътрешен радиус rec2.
Намотки на възбудител и техните Т-еквивалентни термични вериги: (а) обикновено кухи цилиндрични елементи, (б) отделни аксиални и радиални Т-еквивалентни термични вериги.
Еквивалентната схема T също се оказа точна за други цилиндрични източници на топлина13.Като основен източник на топлина на ГМО, пръчката HMM има неравномерно разпределение на температурата поради ниската си топлопроводимост, особено по оста на пръчката.Напротив, радиалната нехомогенност може да бъде пренебрегната, тъй като радиалният топлинен поток на HMM пръта е много по-малък от радиалния топлинен поток31.
За точно представяне на нивото на аксиална дискретизация на пръта и получаване на най-високата температура, GMM прътът е представен от n възли, равномерно разположени в аксиалната посока, а броят на възлите n, моделирани от GMM пръта, трябва да бъде нечетен.Броят на еквивалентните аксиални топлинни контури е n T фигура 4.
За да се определи броят на възлите n, използвани за моделиране на лентата GMM, резултатите от FEM са показани на фиг.5 като справка.Както е показано на фиг.4, броят на възлите n се регулира в термичната схема на пръта HMM.Всеки възел може да бъде моделиран като T-еквивалентна верига.Сравняването на резултатите от FEM, от фиг. 5 показва, че един или три възела не могат точно да отразят разпределението на температурата на HIM пръта (около 50 mm дълъг) в ГМО.Когато n се увеличи до 5, резултатите от симулацията се подобряват значително и се доближават до FEM.По-нататъшното увеличаване на n също дава по-добри резултати с цената на по-дълго време за изчисление.Следователно в тази статия са избрани 5 възела за моделиране на GMM лентата.
Въз основа на извършения сравнителен анализ, точната термична схема на пръта HMM е показана на фиг. 6. T1 ~ T5 е средната температура на пет секции (секция 1 ~ 5) на пръчката.P1-P5 съответно представляват общата топлинна мощност на различните области на пръта, които ще бъдат разгледани подробно в следващата глава.C1~C5 са топлинният капацитет на различните региони, който може да се изчисли по следната формула
където crod, ρrod и Vrod означават специфичния топлинен капацитет, плътността и обема на HMM пръта.
Използвайки същия метод, както за бобината на възбудителя, съпротивлението на топлопредаване на пръта HMM на фиг. 6 може да се изчисли като
където lrod, rrod и λrod представляват съответно дължината, радиуса и топлопроводимостта на GMM пръта.
За надлъжната вибрация GMT, изследвана в тази статия, останалите компоненти и вътрешният въздух могат да бъдат моделирани с конфигурация на един възел.
Тези зони могат да се считат за състоящи се от един или повече цилиндъра.Чисто проводяща топлообменна връзка в цилиндрична част се определя от закона за топлопроводимост на Фурие като
Където λnhs е топлопроводимостта на материала, lnhs е аксиалната дължина, rnhs1 и rnhs2 са съответно външният и вътрешният радиус на топлопреносния елемент.
Уравнение (5) се използва за изчисляване на радиалното термично съпротивление за тези зони, представено от RR4-RR12 на фигура 7. В същото време уравнение (6) се използва за изчисляване на аксиалното термично съпротивление, представено от RA15 до RA33 на фигура 7.
Топлинният капацитет на термична верига с един възел за горната област (включително C7–C15 на фиг. 7) може да се определи като
където ρnhs, cnhs и Vnhs са съответно дължината, специфичната топлина и обемът.
Конвективният топлопренос между въздуха вътре в GMT и повърхността на корпуса и околната среда се моделира с един резистор за термична проводимост, както следва:
където A е контактната повърхност, а h е коефициентът на топлопреминаване.Таблица 232 изброява някои типични h, използвани в топлинни системи.Според табл.2 коефициенти на топлопреминаване на термични съпротивления RH8–RH10 и RH14–RH18, представляващи конвекцията между HMF и околната среда на фиг.7 се приемат като постоянна стойност от 25 W/(m2 K).Останалите коефициенти на топлопреминаване са зададени равни на 10 W/(m2 K).
Съгласно вътрешния процес на пренос на топлина, показан на фигура 2, пълният модел на преобразувателя TETN е показан на фигура 7.
Както е показано на фиг.7, GMT надлъжната вибрация е разделена на 16 възела, които са представени с червени точки.Температурните възли, изобразени в модела, съответстват на средните температури на съответните компоненти.Околна температура T0, температура на пръта на GMM T1~T5, температура на възбуждащата намотка T6, температура на постоянен магнит T7 и T8, температура на хомут T9~T10, температура на корпуса T11~T12 и T14, температура на вътрешния въздух T13 и температура на изходния прът T15.В допълнение, всеки възел е свързан с топлинния потенциал на земята чрез C1 ~ C15, които представляват съответно топлинния капацитет на всяка област.P1~P6 е общата топлинна мощност съответно на GMM пръта и възбудителната намотка.В допълнение, 54 термични съпротивления се използват за представяне на проводимо и конвективно съпротивление на пренос на топлина между съседни възли, които бяха изчислени в предишните раздели.Таблица 3 показва различните термични характеристики на преобразувателните материали.
Точната оценка на обемите на загубите и тяхното разпределение е от решаващо значение за извършването на надеждни топлинни симулации.Топлинните загуби, генерирани от GMT, могат да бъдат разделени на магнитни загуби на GMM пръта, загуби на джаул от бобината на възбудителя, механични загуби и допълнителни загуби.Взетите под внимание допълнителни загуби и механични загуби са сравнително малки и могат да бъдат пренебрегнати.
Съпротивлението на променливотокова възбудителна намотка включва: постояннотоковото съпротивление Rdc и външното съпротивление Rs.
където f и N са честотата и броя на навивките на възбудителния ток.lCu и rCu са вътрешният и външният радиус на намотката, дължината на намотката и радиусът на медния магнитен проводник, както е определено от неговия AWG номер (Американски габарит на проводника).ρCu е съпротивлението на неговата сърцевина.µCu е магнитната пропускливост на сърцевината му.
Действителното магнитно поле вътре в бобината на полето (соленоид) не е равномерно по дължината на пръта.Тази разлика е особено забележима поради по-ниската магнитна проницаемост на пръчките HMM и PM.Но е надлъжно симетричен.Разпределението на магнитното поле пряко определя разпределението на магнитните загуби на HMM пръта.Следователно, за да се отрази реалното разпределение на загубите, за измерване се взема трисекционен прът, показан на фигура 8.
Магнитната загуба може да се получи чрез измерване на динамичната верига на хистерезис.Въз основа на експерименталната платформа, показана на Фигура 11, бяха измерени три динамични вериги на хистерезис.При условие, че температурата на GMM пръта е стабилна под 50°C, програмируемото променливотоково захранване (Chroma 61512) задвижва полевата намотка в определен диапазон, както е показано на Фигура 8, честотата на магнитното поле, генерирано от изпитвателният ток и получената плътност на магнитния поток се изчисляват чрез интегриране на напрежението, индуцирано в индукционната бобина, свързана към GIM пръта.Необработените данни бяха изтеглени от регистратора на паметта (MR8875-30 на ден) и обработени в софтуера MATLAB, за да се получат измерените динамични вериги на хистерезис, показани на Фиг. 9.
Измерени вериги на динамичен хистерезис: (a) секция 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) секция 1/5: fm = 1000 Hz, (c) секция 2/4: Bm = 0,05955 T, (d) секция 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) секция 3: Bm = 0,07228 T, (f) секция 3: fm = 1000 Hz.
Според литература 37, общата магнитна загуба Pv на единица обем на HMM пръти може да се изчисли по следната формула:
където ABH е зоната на измерване върху кривата BH при честота на магнитното поле fm, равна на честотата на възбуждащия ток f.
Въз основа на метода за разделяне на загубите на Бертоти38, магнитната загуба на единица маса Pm на GMM прът може да се изрази като сумата от загубата на хистерезис Ph, загубата на вихров ток Pe и аномалната загуба Pa (13):
От инженерна гледна точка38, аномалните загуби и загубите от вихрови токове могат да бъдат комбинирани в един термин, наречен пълна загуба от вихрови токове.Така формулата за изчисляване на загубите може да бъде опростена, както следва:
в уравнението.(13)~(14) където Bm е амплитудата на магнитната плътност на възбуждащото магнитно поле.kh и kc са коефициентът на загуба на хистерезис и коефициентът на загуба на общия вихров ток.