2507 хемијска компонента цеви завојнице од нерђајућег челика, студија симулације еквивалентне топлотне мреже огромног магнетостриктивног претварача ретке земље

Хвала вам што сте посетили Натуре.цом.Користите верзију претраживача са ограниченом подршком за ЦСС.За најбоље искуство препоручујемо да користите ажурирани прегледач (или онемогућите режим компатибилности у Интернет Екплорер-у).Поред тога, да бисмо обезбедили сталну подршку, приказујемо сајт без стилова и ЈаваСцрипт-а.
Клизачи који приказују три чланка по слајду.Користите дугмад назад и следећи да бисте се кретали кроз слајдове или дугмад контролора слајдова на крају да бисте се кретали кроз сваки слајд.

• Опис производа
• 2507 Намотана цев од нерђајућег челика из Кине

Критична за дизајн огромног магнетостриктивног претварача (ГМТ) је брза и прецизна анализа расподеле температуре.Моделирање термичке мреже има предности ниске цене рачунара и високе тачности и може се користити за ГМТ термичку анализу.Међутим, постојећи термални модели имају ограничења у описивању ових сложених термичких режима у ГМТ: већина студија се фокусира на стационарна стања која не могу да обухвате промене температуре;Генерално се претпоставља да је расподела температуре џиновских магнетостриктивних (ГММ) штапова уједначена, али је температурни градијент преко ГММ штапа веома значајан због лоше топлотне проводљивости, неједнака расподела губитака ГММ се ретко уноси у термичку модел.Стога, свеобухватним разматрањем горња три аспекта, овај документ успоставља модел ГМТ Транситионал Екуивалент Хеат Нетворк (ТЕТН).Прво, на основу дизајна и принципа рада уздужног вибрационог ХМТ, врши се термичка анализа.На основу тога се успоставља модел грејног елемента за ХМТ процес преноса топлоте и израчунавају се одговарајући параметри модела.Коначно, тачност ТЕТН модела за просторно-временску анализу температуре трансдуктора је верификована симулацијом и експериментом.
Џиновски магнетостриктивни материјал (ГММ), односно терфенол-Д, има предности велике магнетострикције и велике густине енергије.Ова јединствена својства могу се користити за развој огромних магнетостриктивних претварача (ГМТ) који се могу користити у широком спектру апликација као што су подводни акустични претварачи, микромотори, линеарни актуатори, итд. 1,2.
Посебно забрињава могућност прегревања подморских ГМТ-а, који, када раде пуном снагом и током дугих периода побуде, могу генерисати значајне количине топлоте због своје велике густине снаге3,4.Поред тога, због великог коефицијента топлотног ширења ГМТ-а и његове високе осетљивости на спољашњу температуру, његове излазне перформансе су уско повезане са температуром5,6,7,8.У техничким публикацијама, методе ГМТ термичке анализе могу се поделити у две широке категорије9: нумеричке методе и методе са паушалним параметрима.Метода коначних елемената (ФЕМ) је једна од најчешће коришћених метода нумеричке анализе.Ксие ет ал.[10] је методом коначних елемената симулирао дистрибуцију извора топлоте џиновског магнетостриктивног погона и реализовао дизајн система за контролу температуре и хлађења погона.Зхао ет ал.[11] успоставио је заједничку симулацију поља турбулентног струјања и температурног поља помоћу коначних елемената и направио ГММ уређај за контролу температуре интелигентне компоненте на основу резултата симулације коначних елемената.Међутим, ФЕМ је веома захтеван у погледу подешавања модела и времена прорачуна.Из тог разлога, ФЕМ се сматра важном подршком за ванмрежне прорачуне, обично током фазе пројектовања претварача.
Метода паушираних параметара, која се обично назива модел топлотне мреже, широко се користи у термодинамичкој анализи због своје једноставне математичке форме и велике брзине прорачуна12,13,14.Овај приступ игра важну улогу у елиминисању топлотних ограничења мотора 15, 16, 17. Меллор18 је био први који је користио побољшано топлотно еквивалентно коло Т за моделирање процеса преноса топлоте мотора.Верез и др.19 креирао тродимензионални модел термичке мреже синхроне машине са перманентним магнетом са аксијалним струјањем.Боглиетти и сар.20 су предложили четири модела термичке мреже различите сложености да би предвидели краткорочне термичке прелазе у намотајима статора.Коначно, Ванг ет ал.21 успоставили су детаљно термално еквивалентно коло за сваку ПМСМ компоненту и сумирали једначину топлотног отпора.Под номиналним условима, грешка се може контролисати унутар 5%.
Деведесетих година прошлог века модел топлотне мреже је почео да се примењује на нискофреквентне претвараче велике снаге.Дубус и сар.22 развили су модел топлотне мреже за описивање стационарног преноса топлоте у двостраном уздужном вибратору и сензору савијања класе ИВ.Ањаппа ет ал.23 извршили су 2Д стационарну термичку анализу магнетостриктивног микропокретача користећи модел термалне мреже.Да би проучавали везу између термичког напрезања Терфенол-Д и ГМТ параметара, Зху ет ал.24 успоставио је еквивалентни модел у стабилном стању за прорачун топлотне отпорности и ГМТ померања.
Процена ГМТ температуре је сложенија од апликација мотора.Због одличне топлотне и магнетне проводљивости коришћених материјала, већина компоненти мотора које се разматрају на истој температури обично се своде на један чвор13,19.Међутим, због лоше топлотне проводљивости ХММ-а, претпоставка о равномерној расподели температуре више није тачна.Поред тога, ХММ има веома ниску магнетну пермеабилност, тако да је топлота настала услед магнетних губитака обично неуједначена дуж ХММ штапа.Поред тога, већина истраживања је фокусирана на симулације у стабилном стању које не узимају у обзир промене температуре током ГМТ рада.
Да би се решила горња три техничка проблема, овај чланак користи ГМТ лонгитудиналне вибрације као предмет проучавања и прецизно моделује различите делове претварача, посебно ГММ штап.Креиран је модел комплетне прелазне еквивалентне топлотне мреже (ТЕТН) ГМТ.Модел коначних елемената и експериментална платформа су направљени да тестирају тачност и перформансе ТЕТН модела за просторно-временску анализу температуре претварача.
Дизајн и геометријске димензије уздужно осцилирајућег ХМФ-а приказане су на сл. 1а и б, респективно.
Кључне компоненте укључују ГММ шипке, намотаје поља, трајне магнете (ПМ), јармове, јастучиће, чауре и опруге са звоном.Побудни калем и ПМТ обезбеђују ХММ штапу наизменичним магнетним пољем и једносмерним магнетним пољем.Јарам и тело, који се састоје од капице и рукава, израђени су од меког гвожђа ДТ4, које има високу магнетну пропустљивост.Формира затворено магнетно коло са ГИМ и ПМ штапом.Излазна вретена и потисна плоча су направљени од немагнетног нерђајућег челика 304.Са звонастим опругама, стабилно преднапрезање се може применити на стабљику.Када наизменична струја прође кроз погонски калем, ХММ штап ће вибрирати у складу са тим.
На сл.2 приказује процес размене топлоте унутар ГМТ.ГММ шипке и калемови су два главна извора топлоте за ГМТ.Серпентин преноси своју топлоту на тело конвекцијом ваздуха изнутра и на поклопац кондукцијом.ХММ штап ће стварати магнетне губитке под дејством наизменичног магнетног поља, а топлота ће се пренети на шкољку услед конвекције кроз унутрашњи ваздух, а на перманентни магнет и јарам због проводљивости.Топлота која се преноси на кућиште се затим одводи напоље конвекцијом и зрачењем.Када је произведена топлота једнака топлоти која се преноси, температура сваког дела ГМТ достиже стабилно стање.
Процес преноса топлоте у лонгитудинално осцилирајућем ГМО: а – дијаграм тока топлоте, б – главни путеви преноса топлоте.
Поред топлоте коју генерише завојница и ХММ штап, све компоненте затвореног магнетног кола доживљавају магнетне губитке.Дакле, трајни магнет, јарам, капа и рукав су ламинирани заједно да би се смањио магнетни губитак ГМТ-а.
Главни кораци у изградњи ТЕТН модела за ГМТ термичку анализу су следећи: прво групишу компоненте са истим температурама заједно и представљају сваку компоненту као посебан чвор у мрежи, а затим повежу ове чворове са одговарајућим изразом преноса топлоте.провођење топлоте и конвекција између чворова.У овом случају, извор топлоте и излаз топлоте који одговарају свакој компоненти су паралелно повезани између чвора и заједничког нултог напона земље да би се изградио еквивалентни модел топлотне мреже.Следећи корак је израчунавање параметара топлотне мреже за сваку компоненту модела, укључујући топлотни отпор, топлотни капацитет и губитке снаге.Коначно, ТЕТН модел је имплементиран у СПИЦЕ за симулацију.И можете добити дистрибуцију температуре сваке компоненте ГМТ-а и њену промену у временском домену.
Ради погодности моделирања и прорачуна, потребно је поједноставити термички модел и занемарити граничне услове који мало утичу на резултате18,26.ТЕТН модел предложен у овом чланку заснива се на следећим претпоставкама:
У ГМТ са насумично намотаним намотајима, немогуће је или неопходно симулирати положај сваког појединачног проводника.Различите стратегије моделирања су развијене у прошлости за моделирање преноса топлоте и расподеле температуре унутар намотаја: (1) сложена топлотна проводљивост, (2) директне једначине засноване на геометрији проводника, (3) Т-еквивалентно топлотно коло29.
Композитне топлотне проводљивости и директне једначине могу се сматрати прецизнијим решењима од еквивалентног кола Т, али зависе од неколико фактора, као што су материјал, геометрија проводника и запремина заосталог ваздуха у намотају, које је тешко одредити29.Напротив, Т-еквивалентна термичка шема, иако је приближан модел, је погоднија30.Може се применити на побудни калем са уздужним вибрацијама ГМТ-а.
Општи шупљи цилиндрични склоп који се користи за представљање намотаја побудника и његов Т-еквивалентни термички дијаграм, добијен из решења једначине топлоте, приказани су на сл.3. Претпоставља се да је топлотни ток у побудном калему независан у радијалном и аксијалном правцу.Обимни топлотни ток је занемарен.У сваком еквивалентном колу Т, два терминала представљају одговарајућу температуру површине елемента, а трећи терминал Т6 представља просечну температуру елемента.Губитак компоненте П6 се уноси као тачкасти извор на средњем температурном чвору израчунатом у „Прорачуну топлотног губитка калемова поља“.У случају нестационарне симулације, топлотни капацитет Ц6 је дат једначином.(1) се такође додаје чвору Просечна температура.
Где цец, ρец и Вец представљају специфичну топлоту, густину и запремину побудног намотаја, респективно.
У табели.На слици 1 приказан је топлотни отпор Т-еквивалентног термичког кола побудног намотаја дужине лец, топлотне проводљивости λец, спољашњег радијуса рец1 и унутрашњег радијуса рец2.
Намотаји побудника и њихови Т-еквивалентни термални кругови: (а) обично шупљи цилиндрични елементи, (б) одвојени аксијални и радијални Т-еквивалентни термални кругови.
Еквивалентно коло Т се такође показало тачним за друге цилиндричне изворе топлоте13.Као главни извор топлоте ГМО, ХММ штап има неравномерну дистрибуцију температуре због ниске топлотне проводљивости, посебно дуж осе штапа.Напротив, радијална нехомогеност се може занемарити, пошто је радијални топлотни ток ХММ штапа много мањи од радијалног топлотног флукса31.
Да би се тачно представио ниво аксијалне дискретизације штапа и добила највиша температура, ГММ штап је представљен са н чворова равномерно распоређених у аксијалном правцу, а број чворова н моделованих ГММ штапом мора бити непаран.Број еквивалентних аксијалних термичких контура је н Т слика 4.
Да би се одредио број чворова н који се користи за моделирање ГММ траке, резултати ФЕМ-а су приказани на сл.5 као референца.Као што је приказано на сл.4, број чворова н је регулисан у термалној шеми штапа ХММ.Сваки чвор се може моделовати као Т-еквивалентно коло.Упоређивање резултата ФЕМ-а, са слике 5 показује да један или три чвора не могу тачно да одражавају расподелу температуре ХИМ штапа (дужине око 50 мм) у ГМО.Када се н повећа на 5, резултати симулације се значајно побољшавају и приближавају се ФЕМ.Даље повећање н такође даје боље резултате по цену дужег времена рачунања.Због тога је у овом чланку одабрано 5 чворова за моделирање ГММ траке.
На основу спроведене упоредне анализе, тачна термичка шема ХММ штапа је приказана на слици 6. Т1 ~ Т5 је просечна температура пет делова (секција 1 ~ 5) штапа.П1-П5 респективно представљају укупну топлотну снагу различитих области штапа, о чему ће се детаљно говорити у следећем поглављу.Ц1~Ц5 су топлотни капацитети различитих региона, који се могу израчунати по следећој формули
где црод, ρрод и Врод означавају специфични топлотни капацитет, густину и запремину ХММ штапа.
Користећи исти метод као за калем узбуђивача, отпор преноса топлоте ХММ штапа на слици 6 може се израчунати као
где лрод, ррод и λрод представљају дужину, полупречник и топлотну проводљивост ГММ штапа, респективно.
За уздужне вибрације ГМТ који се проучавају у овом чланку, преостале компоненте и унутрашњи ваздух могу се моделовати са конфигурацијом једног чвора.
За ове области се може сматрати да се састоје од једног или више цилиндара.Чисто проводљива веза за размену топлоте у цилиндричном делу дефинисана је Фуријеовим законом провођења топлоте као
Где је λнхс топлотна проводљивост материјала, лнхс је аксијална дужина, рнхс1 и рнхс2 су спољашњи и унутрашњи радијуси елемента за пренос топлоте, респективно.
Једначина (5) се користи за израчунавање радијалног топлотног отпора за ове области, представљене са РР4-РР12 на слици 7. У исто време, једначина (6) се користи за израчунавање аксијалног топлотног отпора, представљеног од РА15 до РА33 на слици. 7.
Топлотни капацитет топлотног кола једног чвора за горњу област (укључујући Ц7–Ц15 на слици 7) може се одредити као
где су ρнхс, цнхс и Внхс дужина, специфична топлота и запремина, респективно.
Конвективни пренос топлоте између ваздуха унутар ГМТ-а и површине кућишта и околине је моделован са једним отпорником топлотне проводљивости на следећи начин:
где је А контактна површина а х коефицијент пролаза топлоте.Табела 232 наводи неке типичне х које се користе у термичким системима.Према табели.2 коефицијента преноса топлоте топлотних отпора РХ8–РХ10 и РХ14–РХ18, који представљају конвекцију између ХМФ-а и околине на сл.7 се узимају као константна вредност од 25 В/(м2 К).Преостали коефицијенти преноса топлоте су подешени на 10 В/(м2 К).
Према унутрашњем процесу преноса топлоте приказаном на слици 2, комплетан модел ТЕТН претварача је приказан на слици 7.
Као што је приказано на сл.7, ГМТ уздужна вибрација је подељена на 16 чворова, који су представљени црвеним тачкама.Температурни чворови приказани у моделу одговарају просечним температурама одговарајућих компоненти.Температура околине Т0, температура ГММ штапа Т1~Т5, температура намотаја узбуђивача Т6, температура трајног магнета Т7 и Т8, температура јарма Т9~Т10, температура кућишта Т11~Т12 и Т14, температура унутрашњег ваздуха Т13 и температура излазног штапа Т15.Поред тога, сваки чвор је повезан са термичким потенцијалом земље преко Ц1 ~ Ц15, који представљају термички капацитет сваке области, респективно.П1~П6 је укупна топлотна снага ГММ штапа и побудног намотаја, респективно.Поред тога, 54 топлотна отпора се користе за представљање проводног и конвективног отпора преносу топлоте између суседних чворова, који су израчунати у претходним одељцима.Табела 3 показује различите термичке карактеристике материјала конвертера.
Тачна процена запремине губитака и њихова дистрибуција је критична за извођење поузданих термичких симулација.Губитак топлоте који генерише ГМТ може се поделити на магнетни губитак ГММ штапа, џулов губитак намотаја узбуђивача, механички губитак и додатни губитак.Додатни губици и механички губици који се узимају у обзир су релативно мали и могу се занемарити.
Отпор намотаја побуде наизменичне струје обухвата: отпор једносмерне струје Рдц и отпор коже Рс.
где су ф и Н фреквенција и број обртаја побудне струје.лЦу и рЦу су унутрашњи и спољашњи радијуси завојнице, дужина завојнице и полупречник бакарне магнетне жице као што је дефинисано њеним АВГ (Америцан Вире Гауге) бројем.ρЦу је отпор његовог језгра.µЦу је магнетна пермеабилност његовог језгра.
Стварно магнетно поље унутар намотаја поља (соленоида) није равномерно по дужини штапа.Ова разлика је посебно уочљива због мање магнетне пермеабилности ХММ и ПМ штапова.Али је уздужно симетричан.Расподела магнетног поља директно одређује расподелу магнетних губитака ХММ штапа.Због тога, да би се одразила стварна расподела губитака, за мерење се узима штап од три дела, приказан на слици 8.
Магнетски губитак се може добити мерењем динамичке хистерезисне петље.На основу експерименталне платформе приказане на слици 11, измерене су три динамичке хистерезисне петље.Под условом да је температура ГММ штапа стабилна испод 50°Ц, програмабилно напајање наизменичном струјом (Цхрома 61512) покреће завојницу поља у одређеном опсегу, као што је приказано на слици 8, ​​фреквенција магнетног поља коју генерише испитна струја и резултујућа густина магнетног флукса се израчунавају интегрисањем напона индукованог у индукционом калему повезаном са ГИМ штапом.Необрађени подаци су преузети са меморијског логера (МР8875-30 дневно) и обрађени у МАТЛАБ софтверу да би се добиле измерене петље динамичке хистерезе приказане на слици 9.
Измерене петље динамичке хистерезе: (а) пресек 1/5: Бм = 0,044735 Т, (б) пресек 1/5: фм = 1000 Хз, (ц) пресек 2/4: Бм = 0,05955 Т, (д) ​​пресек 2/ 4: фм = 1000 Хз, (е) одељак 3: Бм = 0,07228 Т, (ф) део 3: фм = 1000 Хз.
Према литератури 37, укупан магнетни губитак Пв по јединици запремине ХММ штапова може се израчунати коришћењем следеће формуле:
где је АБХ мерно подручје на БХ кривој на фреквенцији магнетног поља фм једнакој фреквенцији побудне струје ф.
На основу Бертотијеве методе раздвајања губитака38, магнетни губитак по јединици масе Пм ГММ штапа може се изразити као збир губитка на хистерези Пх, губитка вртложне струје Пе и аномалног губитка Па (13):
Из инжењерске перспективе38, аномални губици и губици вртложним струјама могу се комбиновати у један термин који се назива укупни губитак на вртложне струје.Дакле, формула за израчунавање губитака може се поједноставити на следећи начин:
у једначини.(13)~(14) где је Бм амплитуда магнетне густине узбудљивог магнетног поља.кх и кц су фактор губитка хистерезе и укупни фактор губитка на вртложне струје.