2507 ruostumattomasta teräksestä valmistetun kelaputken kemiallinen komponentti, vastaavanlaisen lämpöverkon simulaatiotutkimus harvinaisen maametallin jättimäisestä magnetostriktiivisesta anturista

Kiitos vierailustasi Nature.comissa.Käytät selainversiota, jossa on rajoitettu CSS-tuki.Parhaan kokemuksen saamiseksi suosittelemme käyttämään päivitettyä selainta (tai poistamaan Yhteensopivuustila käytöstä Internet Explorerissa).Lisäksi jatkuvan tuen varmistamiseksi näytämme sivuston ilman tyylejä ja JavaScriptiä.
Liukusäätimet, joissa näkyy kolme artikkelia per dia.Käytä Takaisin- ja Seuraava-painikkeita liikkuaksesi diojen välillä tai diaohjaimen painikkeita lopussa.

• Tuotteen Kuvaus
• 2507 Ruostumattomasta teräksestä valmistettu kierreputki Kiinasta

Jättimäisen magnetostriktiivisen muuntimen (GMT) suunnittelun kannalta kriittistä on nopea ja tarkka lämpötilajakauman analyysi.Lämpöverkkomallinnuksen etuna on alhaiset laskentakustannukset ja korkea tarkkuus, ja sitä voidaan käyttää GMT-lämpöanalyysiin.Olemassa olevilla lämpömalleilla on kuitenkin rajoituksia näiden monimutkaisten lämpötilojen kuvaamisessa GMT:ssä: useimmat tutkimukset keskittyvät stationaarisiin tiloihin, jotka eivät pysty sieppaamaan lämpötilan muutoksia;Yleisesti oletetaan, että jättimäisten magnetostriktiivisten (GMM) sauvojen lämpötilajakauma on tasainen, mutta lämpötilagradientti GMM-sauvan poikki on erittäin merkittävä huonon lämmönjohtavuuden vuoksi. GMM:n epätasainen häviöjakauma tulee harvoin lämpöön. malli.Siksi tässä asiakirjassa perustetaan GMT Transitional Equivalent Heat Network (TETN) -malli ottamalla kattavasti huomioon edellä mainitut kolme näkökohtaa.Ensin suoritetaan pitkittäisvärähtelyn HMT:n suunnitteluun ja toimintaperiaatteeseen perustuva lämpöanalyysi.Tältä pohjalta muodostetaan lämmityselementtimalli HMT-lämmönsiirtoprosessille ja lasketaan vastaavat malliparametrit.Lopuksi TETN-mallin tarkkuus anturin lämpötilan spatiotemporaalista analyysiä varten varmistetaan simuloinnilla ja kokeella.
Jättimäisen magnetostriktiivisen materiaalin (GMM), nimittäin terfenoli-D:n etuna on suuri magnetostriktio ja korkea energiatiheys.Näiden ainutlaatuisten ominaisuuksien avulla voidaan kehittää jättimäisiä magnetostriktiivisia muuntimia (GMT), joita voidaan käyttää monenlaisissa sovelluksissa, kuten vedenalaisissa akustisissa muuntimissa, mikromoottoreissa, lineaarisissa toimilaitteissa jne. 1,2.
Erityisen huolestuttavaa on merenalaisten GMT-laitteiden ylikuumenemisen mahdollisuus, sillä täydellä teholla ja pitkiä viritysjaksoja käytettäessä ne voivat tuottaa merkittäviä lämpömääriä suuren tehotiheytensä vuoksi3,4.Lisäksi GMT:n suuren lämpölaajenemiskertoimen ja sen korkean ulkolämpötilaherkkyyden vuoksi sen lähtöteho liittyy läheisesti lämpötilaan5,6,7,8.Teknisissä julkaisuissa GMT-lämpöanalyysimenetelmät voidaan jakaa kahteen laajaan kategoriaan9: numeeriset menetelmät ja niputettu parametrimenetelmät.Elementtimenetelmä (FEM) on yksi yleisimmin käytetyistä numeerisista analyysimenetelmistä.Xie et ai.[10] simuloi elementtimenetelmällä jättimäisen magnetostriktiivisen käyttölaitteen lämmönlähteiden jakautumista ja toteutti taajuusmuuttajan lämpötilansäätö- ja jäähdytysjärjestelmän suunnittelun.Zhao et ai.[11] loi yhteisen elementtisimuloinnin turbulenttisesta virtauskentästä ja lämpötilakentästä ja rakensi GMM:n älykkään komponenttilämpötilan säätölaitteen elementtisimuloinnin tulosten perusteella.FEM on kuitenkin erittäin vaativa mallin asettamisen ja laskenta-ajan suhteen.Tästä syystä FEM:ää pidetään tärkeänä tukijana offline-laskelmille, yleensä muuntimen suunnitteluvaiheessa.
Kerrattu parametrimenetelmä, jota yleisesti kutsutaan lämpöverkkomalliksi, on laajalti käytetty termodynaamisessa analyysissä sen yksinkertaisen matemaattisen muodon ja suuren laskentanopeuden vuoksi12,13,14.Tällä lähestymistavalla on tärkeä rooli moottoreiden 15, 16, 17 lämpörajoitusten poistamisessa. Mellor18 käytti ensimmäisenä parannettua lämpöä vastaavaa piiriä T mallintamaan moottorin lämmönsiirtoprosessia.Verez et ai.19 loi kolmiulotteisen mallin kestomagneettisynkronisen koneen lämpöverkosta aksiaalivirralla.Boglietti et al.20 ehdottivat neljää vaihtelevan monimutkaisuuden lämpöverkkomallia lyhytaikaisten lämpötransienttien ennustamiseksi staattorikäämityksissä.Lopuksi Wang et al.21 loivat yksityiskohtaisen lämpöekvivalenttipiirin kullekin PMSM-komponentille ja tekivät yhteenvedon lämpöresistanssiyhtälöstä.Nimellisolosuhteissa virhe voidaan hallita 5 %:n sisällä.
1990-luvulla lämpöverkkomallia alettiin soveltaa suuritehoisiin matalataajuusmuuntajiin.Dubus ym.22 kehittivät lämpöverkkomallin kuvaamaan paikallaan olevaa lämmönsiirtoa kaksipuolisessa pitkittäisvärähtelijässä ja luokan IV taivutusanturissa.Anjanappa ym.23 suorittivat magnetostriktiivisen mikroaseman 2D stationaarisen lämpöanalyysin käyttämällä lämpöverkkomallia.Tutkiakseen Terfenol-D:n lämpökannan ja GMT-parametrien välistä suhdetta Zhu et ai.24 loi vakaan tilan vastaavan mallin lämpövastuksen ja GMT-siirtymän laskemiseen.
GMT-lämpötilan arviointi on monimutkaisempi kuin moottorisovellukset.Käytettyjen materiaalien erinomaisen lämmön- ja magneettisen johtavuuden ansiosta useimmat samassa lämpötilassa tarkastellut moottorin komponentit on yleensä pelkistetty yhdeksi solmuksi13,19.HMM:ien huonon lämmönjohtavuuden vuoksi oletus tasaisesta lämpötilajakaumasta ei kuitenkaan ole enää oikea.Lisäksi HMM:llä on erittäin alhainen magneettinen permeabiliteetti, joten magneettihäviöiden tuottama lämpö on yleensä epätasaista HMM-sauvalla.Lisäksi suurin osa tutkimuksesta keskittyy vakaan tilan simulaatioihin, jotka eivät ota huomioon lämpötilan muutoksia GMT-toiminnan aikana.
Yllä olevien kolmen teknisen ongelman ratkaisemiseksi tässä artikkelissa käytetään GMT-pitkittäisvärähtelyä tutkimuskohteena ja mallinnetaan tarkasti anturin eri osia, erityisesti GMM-tankoa.Malli täydellisestä siirtymävaiheen ekvivalenttilämpöverkosta (TETN) GMT on luotu.Elementtimalli ja kokeellinen alusta rakennettiin testaamaan TETN-mallin tarkkuutta ja suorituskykyä anturin lämpötilan spatiotemporaalista analyysiä varten.
Pituussuunnassa värähtelevän HMF:n rakenne ja geometriset mitat on esitetty kuvioissa 1a ja vastaavasti b.
Keskeisiä komponentteja ovat GMM-tangot, kenttäkelat, kestomagneetit (PM), ikeet, pehmusteet, holkit ja belleville-jouset.Herätyskela ja PMT tarjoavat HMM-sauvaan vuorottelevan magneettikentän ja DC-bias-magneettikentän, vastaavasti.Ies ja runko, joka koostuu korkista ja holkista, on valmistettu pehmeästä DT4-raudasta, jolla on korkea magneettinen läpäisevyys.Muodostaa suljetun magneettipiirin GIM- ja PM-sauvan kanssa.Ulostulovarsi ja painelevy on valmistettu ei-magneettisesta 304 ruostumattomasta teräksestä.Belleville-jousien avulla karaan voidaan kohdistaa vakaa esijännitys.Kun vaihtovirta kulkee käyttökelan läpi, HMM-tanko värisee vastaavasti.
KuvassaKuva 2 esittää lämmönvaihtoprosessia GMT:n sisällä.GMM-sauvat ja kenttäkelat ovat GMT:n kaksi tärkeintä lämmönlähdettä.Serpentiini siirtää lämpönsä kehoon ilman konvektiolla sisällä ja kannelle johtuen.HMM-sauva aiheuttaa magneettisia häviöitä vaihtuvan magneettikentän vaikutuksesta, ja lämpö siirtyy kuoreen sisäisen ilman kautta tapahtuvan konvektion vuoksi ja kestomagneettiin ja ikeeseen johtuen.Koteloon siirtynyt lämpö johdetaan sitten ulos konvektiolla ja säteilyllä.Kun syntyvä lämpö on yhtä suuri kuin siirretty lämpö, ​​GMT:n kunkin osan lämpötila saavuttaa vakaan tilan.
Lämmönsiirtoprosessi pituussuunnassa värähtelevässä GMO:ssa: a – lämpövirtauskaavio, b – päälämmönsiirtoreitit.
Herätinkelan ja HMM-sauvan tuottaman lämmön lisäksi suljetun magneettipiirin kaikki komponentit kärsivät magneettihäviöistä.Siten kestomagneetti, haarukka, kansi ja holkki on laminoitu yhteen GMT:n magneettisen häviön vähentämiseksi.
GMT-lämpöanalyysin TETN-mallin rakentamisen päävaiheet ovat seuraavat: ensin ryhmittele komponentit, joilla on sama lämpötila, yhteen ja esitä jokainen komponentti erillisenä solmuna verkossa, sitten liitä nämä solmut sopivaan lämmönsiirtolausekkeeseen.lämmön johtuminen ja konvektio solmujen välillä.Tällöin lämmönlähde ja kutakin komponenttia vastaava lämmöntuotto kytketään rinnan solmun ja maan yhteisen nollajännitteen väliin vastaavan lämpöverkon mallin rakentamiseksi.Seuraava vaihe on laskea lämpöverkon parametrit kullekin mallin komponentille, mukaan lukien lämpövastus, lämpökapasiteetti ja tehohäviöt.Lopuksi TETN-malli on toteutettu SPICE:ssä simulointia varten.Ja voit saada GMT:n kunkin komponentin lämpötilajakauman ja sen muutoksen aika-alueella.
Mallintamisen ja laskennan helpottamiseksi on tarpeen yksinkertaistaa lämpömallia ja jättää huomiotta rajaehdot, joilla on vain vähän vaikutusta tuloksiin18,26.Tässä artikkelissa ehdotettu TETN-malli perustuu seuraaviin oletuksiin:
GMT:ssä satunnaisesti kierretyillä käämeillä on mahdotonta tai tarpeellista simuloida jokaisen yksittäisen johtimen asentoa.Aiemmin on kehitetty erilaisia ​​mallinnusstrategioita lämmönsiirron ja lämpötilan jakautumisen mallintamiseksi käämien sisällä: (1) yhdistelämmönjohtavuus, (2) suorat yhtälöt, jotka perustuvat johtimen geometriaan, (3) T-ekvivalentti lämpöpiiri29.
Komposiittilämmönjohtavuutta ja suoria yhtälöitä voidaan pitää tarkempina ratkaisuina kuin vastaavaa piiriä T, mutta ne riippuvat useista tekijöistä, kuten materiaalista, johtimen geometriasta ja käämin jäännösilman määrästä, joita on vaikea määrittää29.Päinvastoin, T-ekvivalenttilämpökaavio, vaikka se on likimääräinen malli, on kätevämpi30.Sitä voidaan käyttää virityskelaan GMT:n pitkittäisvärähtelyillä.
Yleinen ontto sylinterimäinen kokoonpano, jota käytetään esittämään herätekelaa ja sen T-ekvivalenttilämpödiagrammi, joka on saatu lämpöyhtälön ratkaisusta, on esitetty kuvassa 1.3. Oletetaan, että lämpövuo herätekäämissä on riippumaton säteittäisessä ja aksiaalisessa suunnassa.Kehälämpövirta jätetään huomiotta.Jokaisessa vastaavassa piirissä T kaksi napaa edustaa elementin vastaavaa pintalämpötilaa ja kolmas napa T6 edustaa elementin keskilämpötilaa.P6-komponentin häviö syötetään pistelähteeksi "Kenttäkäämin lämpöhäviölaskennassa" lasketussa keskilämpötilasolmussa.Ei-stationaarisen simulaation tapauksessa lämpökapasiteetti C6 saadaan yhtälöstä.(1) lisätään myös Keskilämpötila-solmuun.
Missä cec, ρec ja Vec edustavat vastaavasti herätekelan ominaislämpöä, tiheyttä ja tilavuutta.
Taulukossa.Kuvassa 1 on esitetty virityskäämin T-ekvivalentin lämpöpiirin lämpöresistanssi pituudella lec, lämmönjohtavuudella λec, ulkosäteellä rec1 ja sisäsäteellä rec2.
Herätinkelat ja niiden T-ekvivalenttilämpöpiirit: (a) tavallisesti ontot lieriömäiset elementit, (b) erilliset aksiaaliset ja radiaaliset T-ekvivalenttilämpöpiirit.
Vastaava piiri T on myös osoittautunut tarkaksi muille sylinterimäisille lämmönlähteille13.GMO:n päälämmönlähteenä HMM-sauvan lämpötilajakauma on epätasainen sen alhaisen lämmönjohtavuuden vuoksi, erityisesti sauvan akselilla.Päinvastoin, säteittäinen epähomogeenisuus voidaan jättää huomiotta, koska HMM-sauvan säteittäinen lämpövirta on paljon pienempi kuin säteittäinen lämpövirta31.
Tangon aksiaalisen diskretisoinnin tason kuvaamiseksi tarkasti ja korkeimman lämpötilan saamiseksi GMM-sauvaa edustaa n solmua, jotka ovat tasaisin välein aksiaalisuunnassa, ja GMM-sauvan mallintamien solmujen lukumäärän n on oltava pariton.Vastaavien aksiaalisten lämpömuotojen lukumäärä on n T kuva 4.
GMM-palkin mallintamiseen käytettyjen solmujen lukumäärän n määrittämiseksi FEM-tulokset on esitetty kuvassa.5 viitteeksi.Kuten kuvassa näkyy.Kuviossa 4 solmujen lukumäärää n säädetään HMM-sauvan lämpökaaviossa.Jokainen solmu voidaan mallintaa T-ekvivalenttipiiriksi.FEM:n tuloksia verrattaessa kuvasta 5 näkyy, että yksi tai kolme solmua ei voi heijastaa tarkasti HIM-sauvan (pituus noin 50 mm) lämpötilajakaumaa GMO:ssa.Kun n nostetaan arvoon 5, simulointitulokset paranevat merkittävästi ja lähestyvät FEM:ää.n:n lisääminen edelleen antaa myös parempia tuloksia pidemmän laskenta-ajan kustannuksella.Siksi tässä artikkelissa valitaan 5 solmua GMM-palkin mallintamiseen.
Suoritetun vertailevan analyysin perusteella HMM-sauvan tarkka lämpökaavio on esitetty kuvassa 6. T1 ~ T5 on kepin viiden osan (osio 1 - 5) keskilämpötila.P1-P5 edustavat vastaavasti tangon eri alueiden kokonaislämpötehoa, jota käsitellään yksityiskohtaisesti seuraavassa luvussa.C1-C5 ovat eri alueiden lämpökapasiteettia, joka voidaan laskea seuraavalla kaavalla
jossa crod, ρrod ja Vrod tarkoittavat HMM-sauvan ominaislämpökapasiteettia, tiheyttä ja tilavuutta.
Kuvan 6 HMM-sauvan lämmönsiirtovastus voidaan laskea samalla menetelmällä kuin herätekelalle.
missä lrod, rrod ja λrod edustavat vastaavasti GMM-sauvan pituutta, sädettä ja lämmönjohtavuutta.
Tässä artikkelissa tutkitun pitkittäisvärähtelyn GMT:n osalta loput komponentit ja sisäilma voidaan mallintaa yhden solmun konfiguraatiolla.
Näiden alueiden voidaan katsoa koostuvan yhdestä tai useammasta sylinteristä.Puhtaasti johtava lämmönvaihtoliitäntä lieriömäisessä osassa määritellään Fourier-lämmönjohtavuuslain mukaan
Missä λnhs on materiaalin lämmönjohtavuus, lnhs on aksiaalinen pituus, rnhs1 ja rnhs2 ovat lämmönsiirtoelementin ulko- ja sisäsäteet.
Yhtälöä (5) käytetään näiden alueiden radiaalisen lämpöresistanssin laskemiseen, jota edustaa RR4-RR12 kuvassa 7. Samanaikaisesti yhtälöä (6) käytetään laskemaan aksiaalinen lämpöresistanssi, joka on esitetty kuvassa RA15 - RA33 7.
Yhden solmun lämpöpiirin lämpökapasiteetti yllä olevalle alueelle (mukaan lukien C7–C15 kuvassa 7) voidaan määrittää seuraavasti:
missä ρnhs, cnhs ja Vnhs ovat pituus, ominaislämpö ja tilavuus, vastaavasti.
GMT:n sisällä olevan ilman ja kotelon pinnan ja ympäristön välinen konvektiivinen lämmönsiirto mallinnetaan yhdellä lämmönjohtavuusvastuksella seuraavasti:
missä A on kosketuspinta ja h on lämmönsiirtokerroin.Taulukossa 232 on lueteltu joitain tyypillisiä lämpöjärjestelmissä käytettyjä h-arvoja.Taulukon mukaan.2 lämpöresistanssien RH8–RH10 ja RH14–RH18 lämmönsiirtokerrointa, jotka edustavat HMF:n ja ympäristön välistä konvektiota kuvassa 1.7 otetaan vakioarvoksi 25 W/(m2 K).Loput lämmönsiirtokertoimet asetetaan 10 W/(m2 K).
Kuvassa 2 esitetyn sisäisen lämmönsiirtoprosessin mukaisesti TETN-muuntimen täydellinen malli on esitetty kuvassa 7.
Kuten kuvassa näkyy.Kuvassa 7 GMT pitkittäinen värähtely on jaettu 16 solmuun, joita edustavat punaiset pisteet.Mallissa kuvatut lämpötilasolmut vastaavat vastaavien komponenttien keskilämpötiloja.Ympäristön lämpötila T0, GMM-tangon lämpötila T1-T5, herätekelan lämpötila T6, kestomagneettien lämpötila T7 ja T8, ikeen lämpötila T9-T10, kotelon lämpötila T11-T12 ja T14, sisäilman lämpötila T13 ja lähtösauvan lämpötila T15.Lisäksi jokainen solmu on kytketty maan lämpöpotentiaaliin C1 ~ C15 kautta, jotka edustavat kunkin alueen lämpökapasiteettia, vastaavasti.P1-P6 on GMM-sauvan ja herätekäämin kokonaislämpöteho.Lisäksi käytetään 54 lämpöresistanssia edustamaan vierekkäisten solmujen välistä lämmönsiirtovastusta, jotka on laskettu edellisissä osissa.Taulukossa 3 on esitetty muuntimen materiaalien erilaiset lämpöominaisuudet.
Häviötilavuuksien ja niiden jakautumisen tarkka estimointi on kriittistä luotettavien lämpösimulaatioiden suorittamiseksi.GMT:n tuottama lämpöhäviö voidaan jakaa GMM-sauvan magneettihäviöön, herätekelan Joule-häviöön, mekaaniseen häviöön ja lisähäviöön.Huomioon otettavat lisähäviöt ja mekaaniset häviöt ovat suhteellisen pieniä ja ne voidaan jättää huomiotta.
AC-virityskelan resistanssi sisältää: tasavirtaresistanssin Rdc ja ihoresistanssin Rs.
missä f ja N ovat viritysvirran taajuus ja kierrosten lukumäärä.lCu ja rCu ovat kelan sisä- ja ulkosäteet, kelan pituus ja kuparimagneettilangan säde sen AWG-numerolla (American Wire Gauge) määritettynä.ρCu on sen ytimen ominaisvastus.µCu on sen ytimen magneettinen permeabiliteetti.
Kenttäkäämin (solenoidin) sisällä oleva todellinen magneettikenttä ei ole tasainen tangon pituudella.Tämä ero on erityisen havaittavissa johtuen HMM- ja PM-sauvojen alhaisemmasta magneettisesta läpäisevyydestä.Mutta se on pituussuunnassa symmetrinen.Magneettikentän jakautuminen määrittää suoraan HMM-sauvan magneettihäviöiden jakautumisen.Siksi todellista hävikkijakaumaa kuvastaa mittaukseen otetaan kuvassa 8 esitetty kolmiosainen sauva.
Magneettinen häviö voidaan saada mittaamalla dynaaminen hystereesisilmukka.Kuvassa 11 esitetyn koealustan perusteella mitattiin kolme dynaamista hystereesisilmukkaa.Edellyttäen, että GMM-sauvan lämpötila on vakaa alle 50 °C, ohjelmoitava AC-virtalähde (Chroma 61512) ohjaa kenttäkelaa tietyllä alueella, kuten kuvassa 8, magneettikentän synnyttämän taajuuden. testivirta ja tuloksena oleva magneettivuon tiheys lasketaan integroimalla GIM-sauvaan kytkettyyn induktiokelaan indusoitunut jännite.Raakadata ladattiin muistiloggerista (MR8875-30 päivässä) ja käsiteltiin MATLAB-ohjelmistossa, jotta saatiin kuvassa 9 esitetyt mitatut dynaamiset hystereesisilmukat.
Mitatut dynaamiset hystereesisilmukat: (a) osa 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) osa 1/5: fm = 1000 Hz, (c) osa 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) jakso 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) osa 3: Bm = 0,07228 T, (f) osa 3: fm = 1000 Hz.
Kirjallisuuden 37 mukaan kokonaismagneettinen häviö Pv HMM-sauvojen tilavuusyksikköä kohti voidaan laskea seuraavalla kaavalla:
jossa ABH on mittausalue BH-käyrällä magneettikentän taajuudella fm, joka on yhtä suuri kuin viritysvirran taajuus f.
Bertottin häviöerotusmenetelmän38 perusteella GMM-sauvan magneettinen häviö massayksikköä kohti Pm voidaan ilmaista hystereesihäviön Ph, pyörrevirtahäviön Pe ja anomaalisen häviön Pa (13) summana:
Teknisestä näkökulmasta38 poikkeavat häviöt ja pyörrevirtahäviöt voidaan yhdistää yhdeksi termiksi, jota kutsutaan kokonaispyörrevirtahäviöksi.Siten tappioiden laskentakaavaa voidaan yksinkertaistaa seuraavasti:
yhtälössä.(13)~(14) jossa Bm on herättävän magneettikentän magneettisen tiheyden amplitudi.kh ja kc ovat hystereesihäviökerroin ja kokonaispyörrevirtahäviökerroin.