2507 roostevabast terasest spiraaltoru keemiline komponent, haruldaste muldmetallide hiiglasliku magnetostriktiivse muunduri samaväärse soojusvõrgu simulatsiooniuuring

Täname, et külastasite veebisaiti Nature.com.Kasutate piiratud CSS-i toega brauseri versiooni.Parima kasutuskogemuse saamiseks soovitame kasutada uuendatud brauserit (või keelata Internet Exploreris ühilduvusrežiim).Lisaks näitame pideva toe tagamiseks saiti ilma stiilide ja JavaScriptita.
Liugurid, mis näitavad kolme artiklit slaidi kohta.Kasutage slaidide vahel liikumiseks nuppu Tagasi ja Järgmine või igal slaidil liikumiseks lõpus olevaid slaidijuhtnuppe.

• Tootekirjeldus
• 2507 Hiinast pärit roostevabast terasest keritud torud

Hiiglasliku magnetostriktiivse muunduri (GMT) konstruktsiooni jaoks on kriitilise tähtsusega temperatuurijaotuse kiire ja täpne analüüs.Soojusvõrgu modelleerimise eelisteks on madal arvutuskulu ja suur täpsus ning seda saab kasutada GMT termilise analüüsi jaoks.Olemasolevatel termilistel mudelitel on nende keeruliste soojusrežiimide kirjeldamisel GMT-s aga piirangud: enamik uuringuid keskendub statsionaarsetele olekutele, mis ei suuda temperatuurimuutusi tabada;Üldiselt eeldatakse, et hiiglaslike magnetostriktiivsete (GMM) varraste temperatuurijaotus on ühtlane, kuid temperatuurigradient GMM-i varraste vahel on halva soojusjuhtivuse tõttu väga oluline, GMM-i ebaühtlane kadude jaotus sisestatakse harva soojusesse. mudel.Seetõttu kehtestab käesolev dokument ülaltoodud kolme aspekti põhjalikult kaaludes GMT üleminekuekvivalentsoojusvõrgu (TETN) mudeli.Esiteks, pikisuunalise vibratsioonilise HMT konstruktsiooni ja tööpõhimõtte alusel viiakse läbi termiline analüüs.Selle alusel koostatakse kütteelemendi mudel HMT soojusülekande protsessi jaoks ja arvutatakse vastavad mudeli parameetrid.Lõpuks kontrollitakse TETN-mudeli täpsust muunduri temperatuuri ruumi-ajalise analüüsi jaoks simulatsiooni ja katsega.
Hiiglasliku magnetostriktiivse materjali (GMM), nimelt terfenool-D eelisteks on suur magnetostriktsioon ja kõrge energiatihedus.Neid ainulaadseid omadusi saab kasutada hiiglaslike magnetostriktiivsete andurite (GMT) väljatöötamiseks, mida saab kasutada paljudes rakendustes, nagu veealused akustilised muundurid, mikromootorid, lineaarajamid jne. 1,2.
Eriti murettekitav on merealuste GMT-de ülekuumenemise võimalus, mis täisvõimsusel ja pikka aega ergastades võivad oma suure võimsustiheduse tõttu tekitada märkimisväärses koguses soojust3,4.Lisaks on GMT suure soojuspaisumise koefitsiendi ja selle kõrge tundlikkuse tõttu välistemperatuuri suhtes selle väljundvõimsus tihedalt seotud temperatuuriga5,6,7,8.Tehnilistes väljaannetes võib GMT termoanalüüsi meetodid jagada kahte suurde kategooriasse9: arvmeetodid ja koondparameetrite meetodid.Lõplike elementide meetod (FEM) on üks enim kasutatavaid arvanalüüsi meetodeid.Xie et al.[10] kasutas hiiglasliku magnetostriktiivse ajami soojusallikate jaotuse simuleerimiseks lõplike elementide meetodit ning realiseeris ajami temperatuuri reguleerimise ja jahutussüsteemi konstruktsiooni.Zhao et al.[11] lõi turbulentse vooluvälja ja temperatuurivälja ühise lõplike elementide simulatsiooni ning ehitas lõplike elementide simulatsiooni tulemuste põhjal GMM-i intelligentse komponendi temperatuuri reguleerimise seadme.FEM on aga mudeli seadistamise ja arvutusaja osas väga nõudlik.Sel põhjusel peetakse FEM-i oluliseks võrguühenduseta arvutuste toeks, tavaliselt muunduri projekteerimisetapis.
Ühendatud parameetrite meetodit, mida tavaliselt nimetatakse soojusvõrgu mudeliks, kasutatakse termodünaamilises analüüsis laialdaselt selle lihtsa matemaatilise vormi ja suure arvutuskiiruse tõttu12,13,14.See lähenemine mängib olulist rolli mootorite 15, 16, 17 termiliste piirangute kõrvaldamisel. Mellor18 oli esimene, kes kasutas mootori soojusülekande protsessi modelleerimiseks täiustatud termilist ekvivalentahelat T.Verez et al.19 loodi aksiaalse vooluga püsimagnetiga sünkroonmasina soojusvõrgu kolmemõõtmeline mudel.Boglietti et al.20 pakkusid välja neli erineva keerukusega soojusvõrgu mudelit, et ennustada lühiajalisi soojussiirdeid staatori mähistes.Lõpuks koostasid Wang jt 21 iga PMSM-i komponendi jaoks üksikasjaliku termiliselt ekvivalentse ahela ja võtsid kokku soojustakistuse võrrandi.Nominaalsetel tingimustel saab viga kontrollida 5% piires.
1990. aastatel hakati soojusvõrgu mudelit rakendama suure võimsusega madalsagedusmuunduritele.Dubus et al.22 töötasid välja soojusvõrgu mudeli statsionaarse soojusülekande kirjeldamiseks kahepoolses pikisuunalises vibraatoris ja IV klassi paindeanduris.Anjanappa jt 23 viisid läbi magnetostriktiivse mikrodraivi 2D statsionaarse termoanalüüsi, kasutades termovõrgu mudelit.Terfenol-D termilise tüve ja GMT parameetrite vahelise seose uurimiseks uurisid Zhu et al.24 loodi püsiseisundi ekvivalentmudel soojustakistuse ja GMT nihke arvutamiseks.
GMT temperatuuri hindamine on keerulisem kui mootorirakendused.Kasutatud materjalide suurepärase soojus- ja magnetjuhtivuse tõttu on enamik samal temperatuuril arvestatavaid mootorikomponente tavaliselt taandatud üheks sõlmeks13,19.HMM-ide halva soojusjuhtivuse tõttu ei ole aga ühtlase temperatuurijaotuse eeldus enam õige.Lisaks on HMM-il väga madal magnetiline läbilaskvus, mistõttu magnetkadude tekitatud soojus on tavaliselt mööda HMM-i varda ebaühtlane.Lisaks on suurem osa uuringutest keskendunud püsiseisundi simulatsioonidele, mis ei võta arvesse temperatuurimuutusi GMT töö ajal.
Ülaltoodud kolme tehnilise probleemi lahendamiseks kasutab see artikkel uurimisobjektina GMT pikisuunalist vibratsiooni ja modelleerib täpselt anduri erinevaid osi, eriti GMM varda.Loodud on täieliku üleminekuperioodi ekvivalentsoojusvõrgu (TETN) GMT mudel.Ehitati lõplike elementide mudel ja eksperimentaalne platvorm, et testida TETN-mudeli täpsust ja jõudlust muunduri temperatuuri ruumi-ajalise analüüsi jaoks.
Pikisuunas võnkuva HMF-i konstruktsioon ja geomeetrilised mõõtmed on näidatud vastavalt joonistel 1a ja fig.
Põhikomponentide hulka kuuluvad GMM-vardad, väljamähised, püsimagnetid (PM), ikked, padjad, puksid ja belleville vedrud.Ergastusmähis ja PMT tagavad HMM-i vardale vastavalt vahelduva magnetvälja ja alalisvoolu eelpingestusega magnetvälja.Korgist ja hülsist koosnev ike ja korpus on valmistatud pehmest DT4 rauast, millel on kõrge magnetiline läbilaskvus.Moodustab GIM-i ja PM-vardaga suletud magnetahela.Väljundvars ja surveplaat on valmistatud mittemagnetilisest 304 roostevabast terasest.Belleville vedrudega saab varrele rakendada stabiilse eelpinge.Kui ajamimähist läbib vahelduvvool, hakkab HMM-varras vastavalt vibreerima.
Joonisel fig.2 näitab soojusvahetuse protsessi GMT sees.GMM-vardad ja välimähised on GMT-de kaks peamist soojusallikat.Serpentiin annab oma soojuse üle kehale õhukonvektsiooni teel ja kaanele juhtivuse teel.HMM-varras tekitab vahelduva magnetvälja mõjul magnetkadusid ja soojus kandub läbi siseõhu konvektsiooni tõttu kestale ning juhtivuse tõttu püsimagnetile ja ikkele.Korpusele kantud soojus hajub seejärel konvektsiooni ja kiirguse abil väljapoole.Kui tekkiv soojus on võrdne ülekantava soojusega, saavutab GMT iga osa temperatuur stabiilse oleku.
Soojusülekande protsess pikisuunas võnkuvas GMOs: a – soojusvoo diagramm, b – peamised soojusülekande teed.
Lisaks ergutusmähise ja HMM-varda tekitatavale soojusele kogevad kõik suletud magnetahela komponendid magnetkadusid.Seega on püsimagnet, ike, kate ja hülss kokku lamineeritud, et vähendada GMT magnetkadu.
GMT termoanalüüsi TETN-mudeli koostamise peamised sammud on järgmised: esmalt rühmitage sama temperatuuriga komponendid kokku ja esitage iga komponent võrgus eraldi sõlmena, seejärel seostage need sõlmed sobiva soojusülekande avaldisega.soojusjuhtivus ja konvektsioon sõlmede vahel.Sellisel juhul ühendatakse soojusallikas ja igale komponendile vastav soojusvõimsus paralleelselt sõlme ja maanduse ühise nullpinge vahele, et ehitada samaväärne soojusvõrgu mudel.Järgmise sammuna arvutatakse mudeli iga komponendi soojusvõrgu parameetrid, sealhulgas soojustakistus, soojusmahtuvus ja võimsuskaod.Lõpuks rakendatakse TETN-i mudelit SPICE-s simuleerimiseks.Ja saate teada GMT iga komponendi temperatuurijaotuse ja selle muutuse ajapiirkonnas.
Modelleerimise ja arvutamise mugavuse huvides on vaja soojusmudelit lihtsustada ja ignoreerida piirtingimusi, mis tulemusi vähe mõjutavad18,26.Selles artiklis pakutud TETN-mudel põhineb järgmistel eeldustel:
GMT-s juhuslikult keritud mähistega on võimatu või vajalik simuleerida iga üksiku juhi asukohta.Varem on mähistes soojusülekande ja temperatuurijaotuse modelleerimiseks välja töötatud erinevaid modelleerimisstrateegiaid: (1) liitsoojusjuhtivus, (2) juhtide geomeetrial põhinevad otsevõrrandid, (3) T-ekvivalentne soojusahel29.
Komposiitsoojusjuhtivust ja otsevõrrandeid võib pidada täpsemateks lahendusteks kui samaväärset vooluahelat T, kuid need sõltuvad mitmetest teguritest, nagu materjal, juhi geomeetria ja jääkõhu maht mähises, mida on raske määrata29.Vastupidi, T-ekvivalentne soojusskeem, kuigi see on ligikaudne mudel, on mugavam30.Seda saab rakendada ergutusmähisele GMT pikisuunaliste vibratsioonidega.
Erguti mähise kujutamiseks kasutatav õõnes silindriline koost ja selle T-ekvivalendi termiline diagramm, mis on saadud soojusvõrrandi lahendusest, on näidatud joonisel fig.3. Eeldatakse, et soojusvoog ergutusmähises on radiaal- ja aksiaalsuunas sõltumatu.Ümbermõõdu soojusvoog on tähelepanuta jäetud.Igas ekvivalentses vooluringis T tähistavad kaks klemmi elemendi vastavat pinnatemperatuuri ja kolmas klemm T6 elemendi keskmist temperatuuri.P6 komponendi kadu sisestatakse punktallikana "Väli mähise soojuskao arvutuses" arvutatud keskmise temperatuuri sõlmes.Mittestatsionaarse simulatsiooni korral on soojusmahtuvus C6 antud võrrandiga.(1) lisatakse ka keskmise temperatuuri sõlme.
Kus cec, ρec ja Vec tähistavad vastavalt ergutusmähise erisoojust, tihedust ja mahtu.
Tabelis.1 näitab ergutusmähise T-ekvivalendi soojusahela soojustakistust pikkusega lec, soojusjuhtivusega λec, välisraadiusega rec1 ja siseraadiusega rec2.
Ergutipoolid ja nende T-ekvivalendid termoahelad: (a) tavaliselt õõnsad silindrilised elemendid, (b) eraldi aksiaalsed ja radiaalsed T-ekvivalendid termoahelad.
Samaväärne ahel T on osutunud täpseks ka teiste silindriliste soojusallikate jaoks13.Olles GMO peamiseks soojusallikaks, on HMM vardal madala soojusjuhtivuse tõttu ebaühtlane temperatuurijaotus, eriti piki varda telge.Vastupidi, radiaalset ebahomogeensust võib tähelepanuta jätta, kuna HMM-i varda radiaalne soojusvoog on palju väiksem kui radiaalne soojusvoog31.
Varda aksiaalse diskretiseerimise taseme täpseks esitamiseks ja kõrgeima temperatuuri saamiseks on GMM-i varras esindatud n telgsuunas ühtlaselt paigutatud sõlmega ja GMM-i vardaga modelleeritud sõlmede arv n peab olema paaritu.Ekvivalentsete teljesuunaliste soojuskontuuride arv on n T joonis 4.
GMM-riba modelleerimiseks kasutatavate sõlmede arvu n määramiseks on FEM-i tulemused näidatud joonisel fig.5 viitena.Nagu on näidatud joonisel fig.4 on sõlmede arv n reguleeritud HMM-varda termilises skeemis.Iga sõlme saab modelleerida T-ekvivalendi ahelana.FEM-i tulemuste võrdlemine näitab jooniselt 5, et üks või kolm sõlme ei suuda täpselt kajastada HIM-i varda (umbes 50 mm pikkuse) temperatuurijaotust GMO-s.Kui n-i suurendatakse 5-ni, paranevad simulatsiooni tulemused märkimisväärselt ja lähenevad FEM-ile.n edasine suurendamine annab ka paremaid tulemusi pikema arvutusaja hinnaga.Seetõttu valitakse selles artiklis GMM-riba modelleerimiseks 5 sõlme.
Läbiviidud võrdleva analüüsi põhjal on HMM varda täpne termiline skeem näidatud joonisel 6. T1 ~ T5 on pulga viie sektsiooni (sektsioon 1 ~ 5) keskmine temperatuur.P1-P5 tähistavad vastavalt varda erinevate piirkondade soojuslikku koguvõimsust, mida käsitletakse üksikasjalikult järgmises peatükis.C1~C5 on erinevate piirkondade soojusmahtuvus, mida saab arvutada järgmise valemiga
kus crod, ρrod ja Vrod tähistavad HMM varda erisoojusmahtu, tihedust ja mahtu.
Kasutades sama meetodit nagu ergutusmähise puhul, saab joonisel 6 kujutatud HMM varda soojusülekandetakistuse arvutada järgmiselt.
kus lrod, rrod ja λrod tähistavad vastavalt GMM varda pikkust, raadiust ja soojusjuhtivust.
Selles artiklis uuritud pikisuunalise vibratsiooni GMT jaoks saab ülejäänud komponente ja siseõhku modelleerida ühe sõlme konfiguratsiooniga.
Neid alasid võib käsitada ühest või mitmest silindrist koosnevana.Puhtalt juhtiv soojusvahetusühendus silindrilises osas on defineeritud Fourier' soojusjuhtivuse seadusega kui
Kus λnhs on materjali soojusjuhtivus, lnhs on aksiaalne pikkus, rnhs1 ja rnhs2 on vastavalt soojusülekandeelemendi välimine ja sisemine raadius.
Võrrandit (5) kasutatakse nende alade radiaalse soojustakistuse arvutamiseks, mida kujutab joonisel 7 RR4-RR12. Samal ajal kasutatakse võrrandit (6) aksiaalse soojustakistuse arvutamiseks, mis on kujutatud joonisel RA15 kuni RA33. 7.
Ühe sõlme soojusahela soojusmahtuvust ülaltoodud piirkonna jaoks (kaasa arvatud C7–C15 joonisel 7) saab määrata järgmiselt.
kus ρnhs, cnhs ja Vnhs on vastavalt pikkus, erisoojus ja maht.
Konvektiivne soojusülekanne GMT sees oleva õhu ja korpuse pinna ning keskkonna vahel on modelleeritud ühe soojusjuhtivustakistiga järgmiselt:
kus A on kontaktpind ja h on soojusülekandetegur.Tabelis 232 on loetletud mõned tüüpilised soojussüsteemides kasutatavad h.Tabeli järgi.2 soojustakistuste RH8–RH10 ja RH14–RH18 soojusülekandetegurit, mis kujutavad HMF-i ja keskkonna vahelist konvektsiooni joonisel fig.7 on võetud konstantse väärtusena 25 W/(m2 K).Ülejäänud soojusülekandetegurid on seatud võrdseks 10 W/(m2 K).
Vastavalt joonisel 2 näidatud sisemisele soojusülekande protsessile on joonisel 7 näidatud TETN-muunduri täielik mudel.
Nagu on näidatud joonisel fig.7, GMT pikisuunaline vibratsioon on jagatud 16 sõlmeks, mida tähistavad punased täpid.Mudelil kujutatud temperatuurisõlmed vastavad vastavate komponentide keskmistele temperatuuridele.Ümbritsev temperatuur T0, GMM varda temperatuur T1 ~ T5, ergutusmähise temperatuur T6, püsimagneti temperatuur T7 ja T8, ike temperatuur T9 ~ T10, korpuse temperatuur T11 ~ T12 ja T14, siseõhu temperatuur T13 ja väljundvarda temperatuur T15.Lisaks on iga sõlm ühendatud maapinna soojuspotentsiaaliga läbi C1 ~ C15, mis tähistavad vastavalt iga piirkonna soojusvõimsust.P1 ~ P6 on vastavalt GMM-varda ja ergutusmähise kogusoojusvõimsus.Lisaks kasutatakse 54 soojustakistust külgnevate sõlmede vahelise soojusülekande juhtivuse ja konvektiivsuse tähistamiseks, mis arvutati eelmistes jaotistes.Tabelis 3 on toodud muunduri materjalide erinevad termilised omadused.
Kadude mahtude ja nende jaotuse täpne hindamine on usaldusväärsete soojussimulatsioonide läbiviimiseks ülioluline.GMT poolt tekitatud soojuskadu võib jagada GMM-i varda magnetkaoks, ergutusmähise džauli kaoks, mehaaniliseks kadudeks ja lisakaoks.Arvesse võetavad lisakaod ja mehaanilised kaod on suhteliselt väikesed ja neid võib tähelepanuta jätta.
Vahelduvvoolu ergutusmähise takistus hõlmab: alalisvoolu takistust Rdc ja nahatakistust Rs.
kus f ja N on ergutusvoolu sagedus ja pöörete arv.lCu ja rCu on mähise sise- ja välisraadiused, mähise pikkus ja vaskmagnettraadi raadius, mis on määratletud selle AWG (Ameerika juhtmemõõturi) numbriga.ρCu on selle tuuma eritakistus.µCu on selle südamiku magnetiline läbilaskvus.
Tegelik magnetväli väljamähises (solenoid) ei ole kogu varda pikkuses ühtlane.See erinevus on eriti märgatav HMM ja PM varraste väiksema magnetilise läbilaskvuse tõttu.Kuid see on pikisuunas sümmeetriline.Magnetvälja jaotus määrab otseselt HMM varda magnetkadude jaotuse.Seetõttu võetakse kadude tegeliku jaotuse kajastamiseks mõõtmiseks kolmesektsiooniline varras, mis on näidatud joonisel 8.
Magnetkao saab saada dünaamilise hüstereesi ahela mõõtmisega.Joonisel 11 näidatud katseplatvormi põhjal mõõdeti kolm dünaamilist hüstereesisilmust.Tingimusel, et GMM-i varda temperatuur on stabiilne alla 50 °C, juhib programmeeritav vahelduvvoolu toiteallikas (Chroma 61512) välja mähist teatud vahemikus, nagu on näidatud joonisel 8, mis on genereeritud magnetvälja sagedus. katsevool ja sellest tulenev magnetvoo tihedus arvutatakse GIM-vardaga ühendatud induktsioonmähises indutseeritud pinge integreerimise teel.Toorandmed laaditi alla mälulogerist (MR8875-30 päevas) ja töödeldi MATLAB tarkvaras, et saada joonisel 9 näidatud mõõdetud dünaamilise hüstereesi silmused.
Mõõdetud dünaamilise hüstereesi silmused: (a) lõik 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) lõik 1/5: fm = 1000 Hz, (c) lõik 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) lõik 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) lõik 3: Bm = 0,07228 T, (f) lõik 3: fm = 1000 Hz.
Kirjanduse 37 kohaselt saab kogu magnetkao Pv HMM-varraste mahuühiku kohta arvutada järgmise valemi abil:
kus ABH on mõõtmisala BH kõveral magnetvälja sagedusel fm, mis on võrdne ergutusvoolu sagedusega f.
Bertotti kadude eraldamise meetodil38 lähtudes saab GMM-pulga magnetkao massiühiku Pm kohta väljendada hüstereesikao Ph, pöörisvoolukao Pe ja anomaalse kao Pa (13) summana:
Tehnilisest vaatenurgast38 saab anomaalsed kaod ja pöörisvoolukadud ühendada üheks terminiks, mida nimetatakse pöörisvoolu kogukaod.Seega saab kadude arvutamise valemit lihtsustada järgmiselt:
võrrandis.(13)~(14) kus Bm on erutava magnetvälja magnettiheduse amplituud.kh ja kc on hüstereesi kadude tegur ja kogu pöörisvoolu kadude tegur.