Component químic de tub de bobina d'acer inoxidable 2507, estudi de simulació de xarxa tèrmica equivalent d'un transductor magnetostrictiu gegant de terres rares

Gràcies per visitar Nature.com.Esteu utilitzant una versió del navegador amb suport CSS limitat.Per obtenir la millor experiència, us recomanem que utilitzeu un navegador actualitzat (o desactiveu el mode de compatibilitat a Internet Explorer).A més, per garantir un suport permanent, mostrem el lloc sense estils ni JavaScript.
Controls lliscants que mostren tres articles per diapositiva.Utilitzeu els botons enrere i següent per moure's per les diapositives, o els botons del controlador de diapositives al final per moure's per cada diapositiva.

• Descripció del producte
• 2507 Tubs enrotllats d'acer inoxidable de la Xina

L'anàlisi ràpida i precisa de la distribució de la temperatura és fonamental per al disseny del transductor magnetoestrictiu gegant (GMT).El modelatge de xarxes tèrmiques té els avantatges d'un baix cost computacional i una gran precisió i es pot utilitzar per a l'anàlisi tèrmica GMT.Tanmateix, els models tèrmics existents tenen limitacions per descriure aquests règims tèrmics complexos en GMT: la majoria dels estudis se centren en estats estacionaris que no poden captar els canvis de temperatura;En general, s'assumeix que la distribució de la temperatura de les barres magnetoestrictives gegants (GMM) és uniforme, però el gradient de temperatura a través de la vareta del GMM és molt significatiu a causa de la mala conductivitat tèrmica, la distribució de pèrdues no uniforme del GMM rarament s'introdueix a la tèrmica. model.Per tant, en considerar de manera exhaustiva els tres aspectes anteriors, aquest document estableix el model de xarxa de calor equivalent de transició GMT (TETN).En primer lloc, a partir del disseny i principi de funcionament de l'HMT vibratori longitudinal, es realitza una anàlisi tèrmica.Sobre aquesta base, s'estableix el model de l'element calefactor per al procés de transferència de calor HMT i es calculen els paràmetres del model corresponents.Finalment, la precisió del model TETN per a l'anàlisi espaciotemporal de la temperatura del transductor es verifica mitjançant simulació i experiment.
El material magnetoestrictiu gegant (GMM), és a dir, terfenol-D, té els avantatges d'una gran magnetostricció i una alta densitat d'energia.Aquestes propietats úniques es poden utilitzar per desenvolupar transductors magnetoestrictius gegants (GMT) que es poden utilitzar en una àmplia gamma d'aplicacions com ara transductors acústics submarins, micromotors, actuadors lineals, etc. 1,2.
De particular preocupació és el potencial de sobreescalfament dels GMT submarins, que, quan funcionen a plena potència i durant llargs períodes d'excitació, poden generar quantitats importants de calor a causa de la seva alta densitat de potència3,4.A més, a causa del gran coeficient d'expansió tèrmica de GMT i la seva alta sensibilitat a la temperatura externa, el seu rendiment de sortida està estretament relacionat amb la temperatura5,6,7,8.En publicacions tècniques, els mètodes d'anàlisi tèrmica GMT es poden dividir en dues grans categories9: mètodes numèrics i mètodes de paràmetres concentrats.El mètode dels elements finits (FEM) és un dels mètodes d'anàlisi numèric més utilitzats.Xie et al.[10] va utilitzar el mètode d'elements finits per simular la distribució de les fonts de calor d'un accionament magnetoestrictiu gegant i va realitzar el disseny del sistema de control de temperatura i refrigeració de l'accionament.Zhao et al.[11] va establir una simulació conjunta d'elements finits d'un camp de flux turbulent i un camp de temperatura, i va construir un dispositiu intel·ligent de control de temperatura de components GMM basat en els resultats de la simulació d'elements finits.Tanmateix, FEM és molt exigent pel que fa a la configuració del model i el temps de càlcul.Per aquest motiu, FEM es considera un suport important per als càlculs fora de línia, generalment durant la fase de disseny del convertidor.
El mètode de paràmetres concentrats, comunament conegut com a model de xarxa de calor, s'utilitza àmpliament en l'anàlisi termodinàmica a causa de la seva forma matemàtica senzilla i la seva alta velocitat de càlcul12,13,14.Aquest enfocament juga un paper important en l'eliminació de les limitacions tèrmiques dels motors 15, 16, 17. Mellor18 va ser el primer a utilitzar un circuit tèrmic equivalent T millorat per modelar el procés de transferència de calor del motor.Verez et al.19 va crear un model tridimensional de la xarxa tèrmica d'una màquina síncrona d'imants permanents amb flux axial.Boglietti et al.20 van proposar quatre models de xarxa tèrmica de complexitat variable per predir transitoris tèrmics a curt termini en bobinatges de l'estator.Finalment, Wang et al.21 van establir un circuit tèrmic equivalent detallat per a cada component PMSM i van resumir l'equació de resistència tèrmica.En condicions nominals, l'error es pot controlar en un 5%.
A la dècada de 1990 es va començar a aplicar el model de xarxa de calor als convertidors de baixa freqüència d'alta potència.Dubus et al.22 van desenvolupar un model de xarxa de calor per descriure la transferència de calor estacionària en un vibrador longitudinal de doble cara i un sensor de flexió de classe IV.Anjanappa et al.23 van realitzar una anàlisi tèrmica estacionària 2D d'un microdrive magnetostrictiu mitjançant un model de xarxa tèrmica.Per estudiar la relació entre la tensió tèrmica de Terfenol-D i els paràmetres GMT, Zhu et al.24 va establir un model equivalent en estat estacionari per al càlcul de la resistència tèrmica i el desplaçament GMT.
L'estimació de la temperatura GMT és més complexa que les aplicacions del motor.A causa de l'excel·lent conductivitat tèrmica i magnètica dels materials utilitzats, la majoria dels components del motor considerats a la mateixa temperatura solen reduir-se a un sol node13,19.Tanmateix, a causa de la mala conductivitat tèrmica dels HMM, l'assumpció d'una distribució uniforme de la temperatura ja no és correcta.A més, l'HMM té una permeabilitat magnètica molt baixa, de manera que la calor generada per les pèrdues magnètiques sol ser no uniforme al llarg de la vareta HMM.A més, la major part de la investigació se centra en simulacions en estat estacionari que no tenen en compte els canvis de temperatura durant el funcionament GMT.
Per resoldre els tres problemes tècnics anteriors, aquest article utilitza la vibració longitudinal GMT com a objecte d'estudi i modela amb precisió diverses parts del transductor, especialment la vareta GMM.S'ha creat un model d'una xarxa de calor equivalent transicional completa (TETN) GMT.Es va construir un model d'elements finits i una plataforma experimental per provar la precisió i el rendiment del model TETN per a l'anàlisi espaciotemporal de la temperatura del transductor.
El disseny i les dimensions geomètriques de l'HMF oscil·lant longitudinalment es mostren a les figures 1a i b, respectivament.
Els components clau inclouen barres GMM, bobines de camp, imants permanents (PM), jous, coixinets, casquilles i molles Belleville.La bobina d'excitació i el PMT proporcionen a la vareta HMM un camp magnètic altern i un camp magnètic de polarització de CC, respectivament.El jou i el cos, format per una tapa i una màniga, estan fets de ferro tou DT4, que té una alta permeabilitat magnètica.Forma un circuit magnètic tancat amb la vareta GIM i PM.La tija de sortida i la placa de pressió estan fetes d'acer inoxidable 304 no magnètic.Amb les molles Belleville, es pot aplicar una pretensió estable a la tija.Quan un corrent altern passa per la bobina d'accionament, la vareta HMM vibrarà en conseqüència.
A la fig.La figura 2 mostra el procés d'intercanvi de calor dins del GMT.Les barres GMM i les bobines de camp són les dues principals fonts de calor per als GMT.La serpentina transfereix la seva calor al cos per convecció d'aire a l'interior i a la tapa per conducció.La vareta HMM crearà pèrdues magnètiques sota l'acció d'un camp magnètic altern i la calor es transferirà a la carcassa a causa de la convecció a través de l'aire intern i a l'imant permanent i al jou a causa de la conducció.La calor transferida a la caixa es dissipa a l'exterior per convecció i radiació.Quan la calor generada és igual a la calor transferida, la temperatura de cada part del GMT arriba a un estat estacionari.
El procés de transferència de calor en un OMG oscil·lant longitudinalment: a - diagrama de flux de calor, b - vies principals de transferència de calor.
A més de la calor generada per la bobina excitadora i la vareta HMM, tots els components d'un circuit magnètic tancat experimenten pèrdues magnètiques.Així, l'imant permanent, el jou, la tapa i la màniga es laminen junts per reduir la pèrdua magnètica del GMT.
Els passos principals per construir un model TETN per a l'anàlisi tèrmica GMT són els següents: primer agrupeu els components amb les mateixes temperatures junts i representeu cada component com un node separat a la xarxa, després associau aquests nodes amb l'expressió de transferència de calor adequada.conducció de calor i convecció entre nodes.En aquest cas, la font de calor i la sortida de calor corresponent a cada component es connecten en paral·lel entre el node i la tensió zero comú de la terra per construir un model equivalent de la xarxa de calor.El següent pas és calcular els paràmetres de la xarxa tèrmica per a cada component del model, incloent la resistència tèrmica, la capacitat calorífica i les pèrdues de potència.Finalment, el model TETN s'implementa a SPICE per a la simulació.I podeu obtenir la distribució de temperatura de cada component de GMT i el seu canvi en el domini temporal.
Per a la comoditat de la modelització i el càlcul, cal simplificar el model tèrmic i ignorar les condicions de contorn que tenen poc efecte en els resultats18,26.El model TETN proposat en aquest article es basa en els següents supòsits:
En GMT amb bobinatges enrotllats aleatòriament, és impossible o necessari simular la posició de cada conductor individual.En el passat s'han desenvolupat diverses estratègies de modelització per modelar la transferència de calor i la distribució de la temperatura dins dels bobinatges: (1) conductivitat tèrmica composta, (2) equacions directes basades en la geometria del conductor, (3) circuit tèrmic equivalent a T29.
La conductivitat tèrmica composta i les equacions directes es poden considerar solucions més precises que el circuit equivalent T, però depenen de diversos factors, com el material, la geometria del conductor i el volum d'aire residual al bobinat, que són difícils de determinar29.Per contra, l'esquema tèrmic T-equivalent, tot i que és un model aproximat, és més convenient30.Es pot aplicar a la bobina d'excitació amb vibracions longitudinals del GMT.
A la fig.3. Se suposa que el flux de calor a la bobina d'excitació és independent en les direccions radial i axial.Es descuida el flux de calor circumferencial.En cada circuit equivalent T, dos terminals representen la temperatura superficial corresponent de l'element, i el tercer terminal T6 representa la temperatura mitjana de l'element.La pèrdua del component P6 s'introdueix com a font puntual al node de temperatura mitjana calculat al "Càlcul de la pèrdua de calor de la bobina de camp".En el cas de la simulació no estacionària, la capacitat calorífica C6 ve donada per l'equació.(1) també s'afegeix al node Temperatura mitjana.
On cec, ρec i Vec representen la calor específica, la densitat i el volum de la bobina d'excitació, respectivament.
En taula.La figura 1 mostra la resistència tèrmica del circuit tèrmic T-equivalent de la bobina d'excitació amb longitud lec, conductivitat tèrmica λec, radi exterior rec1 i radi interior rec2.
Bobines d'excitació i els seus circuits tèrmics equivalents a T: (a) normalment elements cilíndrics buits, (b) circuits tèrmics equivalents a T axials i radials separats.
El circuit equivalent T també ha demostrat ser precís per a altres fonts de calor cilíndriques13.En ser la principal font de calor de l'OMG, la vareta HMM té una distribució desigual de la temperatura a causa de la seva baixa conductivitat tèrmica, especialment al llarg de l'eix de la vareta.Per contra, la deshomogeneïtat radial es pot descuidar, ja que el flux de calor radial de la vareta HMM és molt menor que el flux de calor radial31.
Per representar amb precisió el nivell de discretització axial de la vareta i obtenir la temperatura més alta, la vareta GMM es representa per n nodes espaiats uniformement en la direcció axial i el nombre de nodes n modelats per la vareta GMM ha de ser senar.El nombre de contorns tèrmics axials equivalents és n T figura 4.
Per determinar el nombre de nodes n utilitzats per modelar la barra GMM, els resultats de FEM es mostren a la fig.5 com a referència.Com es mostra a la fig.4, el nombre de nodes n està regulat en l'esquema tèrmic de la vareta HMM.Cada node es pot modelar com un circuit T-equivalent.Comparant els resultats de la FEM, a la figura 5 es mostra que un o tres nodes no poden reflectir amb precisió la distribució de temperatura de la vareta HIM (uns 50 mm de llarg) a l'OGM.Quan n augmenta a 5, els resultats de la simulació milloren significativament i s'acosten a FEM.Augmentar encara més n també dóna millors resultats a costa d'un temps de càlcul més llarg.Per tant, en aquest article es seleccionen 5 nodes per modelar la barra GMM.
A partir de l'anàlisi comparativa realitzada, a la figura 6 es mostra l'esquema tèrmic exacte de la vareta HMM. T1 ~ T5 és la temperatura mitjana de cinc seccions (secció 1 ~ 5) de la vareta.P1-P5 representen respectivament la potència tèrmica total de les diferents zones de la vareta, que es tractarà amb detall al capítol següent.C1 ~ C5 són la capacitat calorífica de diferents regions, que es pot calcular mitjançant la fórmula següent
on crod, ρrod i Vrod denoten la capacitat tèrmica específica, la densitat i el volum de la vareta HMM.
Utilitzant el mateix mètode que per a la bobina excitadora, la resistència a la transferència de calor de la vareta HMM de la figura 6 es pot calcular com
on lrod, rrod i λrod representen la longitud, el radi i la conductivitat tèrmica de la vareta GMM, respectivament.
Per a la vibració longitudinal GMT estudiada en aquest article, els components restants i l'aire intern es poden modelar amb una configuració de node únic.
Aquestes àrees es poden considerar com a formades per un o més cilindres.Una connexió d'intercanvi de calor purament conductora en una part cilíndrica es defineix per la llei de conducció de calor de Fourier com
On λnhs és la conductivitat tèrmica del material, lnhs és la longitud axial, rnhs1 i rnhs2 són els radis exterior i interior de l'element de transferència de calor, respectivament.
L'equació (5) s'utilitza per calcular la resistència tèrmica radial d'aquestes àrees, representada per RR4-RR12 a la figura 7. Al mateix temps, l'equació (6) s'utilitza per calcular la resistència tèrmica axial, representada de RA15 a RA33 a la figura 7.
La capacitat calorífica d'un circuit tèrmic d'un sol node per a l'àrea anterior (incloent C7–C15 a la figura 7) es pot determinar com
on ρnhs, cnhs i Vnhs són la longitud, la calor específica i el volum, respectivament.
La transferència de calor convectiva entre l'aire dins del GMT i la superfície de la caixa i l'entorn es modela amb una única resistència de conducció tèrmica de la següent manera:
on A és la superfície de contacte i h el coeficient de transferència de calor.La taula 232 enumera alguns h típics utilitzats en sistemes tèrmics.Segons la Taula.2 coeficients de transferència de calor de les resistències tèrmiques RH8–RH10 i RH14–RH18, que representen la convecció entre l'HMF i l'entorn a la fig.7 es prenen com un valor constant de 25 W/(m2 K).Els coeficients de transferència de calor restants s'estableixen iguals a 10 W/(m2 K).
Segons el procés de transferència de calor interna que es mostra a la figura 2, el model complet del convertidor TETN es mostra a la figura 7.
Com es mostra a la fig.7, la vibració longitudinal GMT es divideix en 16 nusos, representats per punts vermells.Els nodes de temperatura representats al model corresponen a les temperatures mitjanes dels components respectius.Temperatura ambient T0, temperatura de la barra GMM T1 ~ T5, temperatura de la bobina excitadora T6, temperatura de l'imant permanent T7 i T8, temperatura del jou T9 ~ T10, temperatura de la caixa T11 ~ T12 i T14, temperatura de l'aire interior T13 i temperatura de la barra de sortida T15.A més, cada node està connectat al potencial tèrmic del sòl a través de C1 ~ C15, que representen la capacitat tèrmica de cada àrea, respectivament.P1 ~ P6 és la sortida de calor total de la vareta GMM i la bobina excitadora respectivament.A més, s'utilitzen 54 resistències tèrmiques per representar la resistència conductora i convectiva a la transferència de calor entre nodes adjacents, que es van calcular en els apartats anteriors.La taula 3 mostra les diferents característiques tèrmiques dels materials convertidors.
L'estimació precisa dels volums de pèrdues i la seva distribució és fonamental per realitzar simulacions tèrmiques fiables.La pèrdua de calor generada pel GMT es pot dividir en la pèrdua magnètica de la vareta GMM, la pèrdua de Joule de la bobina excitadora, la pèrdua mecànica i la pèrdua addicional.Les pèrdues addicionals i les pèrdues mecàniques que es tenen en compte són relativament petites i es poden descuidar.
La resistència de la bobina d'excitació de CA inclou: la resistència de CC Rdc i la resistència de la pell Rs.
on f i N són la freqüència i el nombre de voltes del corrent d'excitació.lCu i rCu són els radis interior i exterior de la bobina, la longitud de la bobina i el radi del cable magnètic de coure definit pel seu nombre AWG (American Wire Gauge).ρCu és la resistivitat del seu nucli.µCu és la permeabilitat magnètica del seu nucli.
El camp magnètic real dins de la bobina de camp (solenoide) no és uniforme al llarg de la vareta.Aquesta diferència és especialment notable a causa de la menor permeabilitat magnètica de les barres HMM i PM.Però és simètric longitudinalment.La distribució del camp magnètic determina directament la distribució de les pèrdues magnètiques de la vareta HMM.Per tant, per reflectir la distribució real de les pèrdues, es pren per mesurar una vareta de tres seccions, que es mostra a la figura 8.
La pèrdua magnètica es pot obtenir mesurant el bucle d'histèresi dinàmica.A partir de la plataforma experimental que es mostra a la figura 11, es van mesurar tres bucles dinàmics d'histèresi.Amb la condició que la temperatura de la vareta GMM sigui estable per sota dels 50 ° C, la font d'alimentació CA programable (Chroma 61512) condueix la bobina de camp en un rang determinat, tal com es mostra a la figura 8, la freqüència del camp magnètic generat pel El corrent de prova i la densitat de flux magnètic resultant es calculen integrant la tensió induïda a la bobina d'inducció connectada a la vareta GIM.Les dades en brut es van descarregar del registrador de memòria (MR8875-30 per dia) i es van processar al programari MATLAB per obtenir els bucles d'histèresi dinàmic mesurats que es mostren a la figura 9.
Bucles d'histèresi dinàmic mesurats: (a) secció 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) secció 1/5: fm = 1000 Hz, (c) secció 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) secció 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) secció 3: Bm = 0,07228 T, (f) secció 3: fm = 1000 Hz.
Segons la literatura 37, la pèrdua magnètica total Pv per unitat de volum de barres HMM es pot calcular mitjançant la fórmula següent:
on ABH és l'àrea de mesura de la corba BH a la freqüència del camp magnètic fm igual a la freqüència del corrent d'excitació f.
Basant-se en el mètode de separació de pèrdues de Bertotti38, la pèrdua magnètica per unitat de massa Pm d'una vareta GMM es pot expressar com la suma de la pèrdua d'histèresi Ph, la pèrdua de corrent de Foucault Pe i la pèrdua anòmala Pa (13):
Des d'una perspectiva d'enginyeria38, les pèrdues anòmales i les pèrdues per corrents de Foucault es poden combinar en un terme anomenat pèrdua total de corrents de Foucault.Així, la fórmula per calcular les pèrdues es pot simplificar de la següent manera:
en l'equació.(13)~(14) on Bm és l'amplitud de la densitat magnètica del camp magnètic excitant.kh i kc són el factor de pèrdua per histèresi i el factor de pèrdua total per corrents de Foucault.