2507 paslanmaz çelik bobin boru kimyasal bileşeni, Nadir Toprak Dev Manyetostriktif Dönüştürücünün Eşdeğer Termal Ağ Simülasyon Çalışması

Nature.com'u ziyaret ettiğiniz için teşekkür ederiz.Sınırlı CSS desteğine sahip bir tarayıcı sürümü kullanıyorsunuz.En iyi deneyim için güncellenmiş bir tarayıcı kullanmanızı (veya Internet Explorer'da Uyumluluk Modunu devre dışı bırakmanızı) öneririz.Ayrıca sürekli desteği sağlamak için siteyi stiller ve JavaScript olmadan gösteriyoruz.
Slayt başına üç makale gösteren kaydırıcılar.Slaytlar arasında ilerlemek için geri ve ileri düğmelerini veya her slaytta ilerlemek için sondaki slayt denetleyici düğmelerini kullanın.

• Ürün Açıklaması
• Çin'den 2507 Paslanmaz çelik sarmal boru

Dev manyetostriktif dönüştürücünün (GMT) tasarımı açısından kritik olan, sıcaklık dağılımının hızlı ve doğru analizidir.Termal ağ modelleme, düşük hesaplama maliyeti ve yüksek doğruluk avantajlarına sahiptir ve GMT termal analizi için kullanılabilir.Bununla birlikte, mevcut termal modellerin bu karmaşık termal rejimleri GMT'de tanımlama konusunda sınırlamaları vardır: çoğu çalışma, sıcaklık değişikliklerini yakalayamayan sabit durumlara odaklanır;Genellikle dev manyetostriktif (GMM) çubukların sıcaklık dağılımının tekdüze olduğu varsayılır, ancak GMM çubuğu boyunca sıcaklık gradyanı zayıf termal iletkenlik nedeniyle çok önemlidir; GMM'nin tekdüze olmayan kayıp dağılımı nadiren termal yapıya dahil edilir. modeli.Bu nedenle, yukarıdaki üç hususu kapsamlı bir şekilde ele alan bu belge, GMT Geçiş Eşdeğer Isı Ağı (TETN) modelini oluşturmaktadır.Öncelikle boyuna titreşimli HMT'nin tasarımı ve çalışma prensibine dayalı olarak bir termal analiz gerçekleştirilir.Bu temelde HMT ısı transfer prosesi için ısıtma elemanı modeli oluşturulmakta ve ilgili model parametreleri hesaplanmaktadır.Son olarak, dönüştürücü sıcaklığı uzaysal-zamansal analizi için TETN modelinin doğruluğu simülasyon ve deneyle doğrulanır.
Dev manyetostriktif malzeme (GMM), yani terfenol-D, büyük manyetostriksiyon ve yüksek enerji yoğunluğu avantajlarına sahiptir.Bu benzersiz özellikler, su altı akustik dönüştürücüler, mikromotorlar, doğrusal aktüatörler vb. gibi çok çeşitli uygulamalarda kullanılabilen dev manyetostriktif dönüştürücüler (GMT'ler) geliştirmek için kullanılabilir. 1,2.
Özellikle endişe verici olan, tam güçte ve uzun süreli uyarımlarda çalıştırıldığında yüksek güç yoğunluklarından dolayı önemli miktarlarda ısı üretebilen deniz altı GMT'lerin aşırı ısınma potansiyelidir3,4.Ayrıca GMT'nin büyük termal genleşme katsayısı ve dış sıcaklığa karşı yüksek duyarlılığı nedeniyle çıkış performansı sıcaklık5,6,7,8 ile yakından ilişkilidir.Teknik yayınlarda GMT termal analiz yöntemleri iki geniş kategoriye ayrılabilir9: sayısal yöntemler ve toplu parametre yöntemleri.Sonlu elemanlar yöntemi (FEM), en yaygın kullanılan sayısal analiz yöntemlerinden biridir.Xie ve diğerleri.[10] dev bir manyetostriktif sürücünün ısı kaynaklarının dağılımını simüle etmek için sonlu elemanlar yöntemini kullanmış ve sürücünün sıcaklık kontrol ve soğutma sisteminin tasarımını gerçekleştirmiştir.Zhao ve diğerleri.[11] türbülanslı bir akış alanı ve bir sıcaklık alanının ortak sonlu eleman simülasyonunu oluşturdular ve sonlu eleman simülasyonunun sonuçlarına dayanarak bir GMM akıllı bileşen sıcaklık kontrol cihazı oluşturdular.Ancak FEM, model kurulumu ve hesaplama süresi açısından oldukça zorludur.Bu nedenle FEM, genellikle dönüştürücü tasarım aşamasında çevrimdışı hesaplamalar için önemli bir destek olarak kabul edilir.
Yaygın olarak ısı ağı modeli olarak adlandırılan toplu parametre yöntemi, basit matematiksel formu ve yüksek hesaplama hızı nedeniyle termodinamik analizde yaygın olarak kullanılmaktadır12,13,14.Bu yaklaşım, motorların (15, 16, 17) termal sınırlamalarının ortadan kaldırılmasında önemli bir rol oynar. Mellor18, motor ısı transfer sürecini modellemek için geliştirilmiş termal eşdeğer devre T'yi kullanan ilk kişi oldu.Verez ve ark.Şekil 19, eksenel akışlı sabit mıknatıslı senkron bir makinenin termal ağının üç boyutlu bir modelini oluşturdu.Boglietti ve ark.20 stator sargılarındaki kısa süreli termal geçişleri tahmin etmek için değişen karmaşıklığa sahip dört termal ağ modeli önermiştir.Son olarak Wang ve ark.21 her bir PMSM bileşeni için ayrıntılı bir termal eşdeğer devre kurmuş ve termal direnç denklemini özetlemiştir.Nominal koşullar altında hata %5 dahilinde kontrol edilebilir.
1990'lı yıllarda yüksek güçlü düşük frekanslı dönüştürücülere ısı şebekesi modeli uygulanmaya başlandı.Dubus ve arkadaşları22 çift taraflı uzunlamasına vibratör ve sınıf IV bükülme sensöründeki sabit ısı transferini tanımlamak için bir ısı ağı modeli geliştirdiler.Anjanappa ve ark.23 bir termal ağ modeli kullanarak manyetostriktif bir mikro sürücünün 2 boyutlu sabit termal analizini gerçekleştirdi.Terfenol-D'nin termal gerilimi ile GMT parametreleri arasındaki ilişkiyi incelemek için Zhu ve ark.24, termal direnç ve GMT yer değiştirme hesaplaması için kararlı durum eşdeğer bir model oluşturdu.
GMT sıcaklık tahmini, motor uygulamalarından daha karmaşıktır.Kullanılan malzemelerin mükemmel termal ve manyetik iletkenliği nedeniyle, aynı sıcaklıkta kabul edilen çoğu motor bileşeni genellikle tek bir düğüme13,19 indirgenir.Bununla birlikte, HMM'lerin zayıf ısıl iletkenliği nedeniyle, düzgün bir sıcaklık dağılımı varsayımı artık doğru değildir.Ek olarak HMM'nin manyetik geçirgenliği çok düşüktür, dolayısıyla manyetik kayıplar tarafından üretilen ısı genellikle HMM çubuğu boyunca eşit değildir.Ayrıca araştırmaların çoğu, GMT işlemi sırasındaki sıcaklık değişikliklerini hesaba katmayan kararlı durum simülasyonlarına odaklanmıştır.
Yukarıdaki üç teknik sorunu çözmek için bu makale, çalışmanın amacı olarak GMT boylamsal titreşimini kullanıyor ve dönüştürücünün çeşitli parçalarını, özellikle de GMM çubuğunu doğru bir şekilde modelliyor.Tam bir geçiş eşdeğer ısı ağı (TETN) GMT modeli oluşturuldu.Dönüştürücü sıcaklığı uzay-zaman analizi için TETN modelinin doğruluğunu ve performansını test etmek amacıyla sonlu bir eleman modeli ve deneysel platform oluşturuldu.
Boyuna salınan HMF'nin tasarımı ve geometrik boyutları sırasıyla Şekil 1a ve b'de gösterilmektedir.
Temel bileşenler arasında GMM çubukları, alan bobinleri, kalıcı mıknatıslar (PM), boyunduruklar, pedler, burçlar ve belleville yayları bulunur.Uyarma bobini ve PMT, HMM çubuğuna sırasıyla alternatif bir manyetik alan ve bir DC ön manyetik alan sağlar.Başlık ve manşondan oluşan boyunduruk ve gövde, yüksek manyetik geçirgenliğe sahip DT4 yumuşak demirden yapılmıştır.GIM ve PM çubuğu ile kapalı bir manyetik devre oluşturur.Çıkış gövdesi ve baskı plakası manyetik olmayan 304 paslanmaz çelikten yapılmıştır.Belleville yayları ile gövdeye sabit bir öngerilme uygulanabilir.Tahrik bobininden alternatif bir akım geçtiğinde HMM çubuğu buna göre titreyecektir.
Şek.Şekil 2, GMT içindeki ısı alışverişi sürecini göstermektedir.GMM çubukları ve alan bobinleri, GMT'ler için iki ana ısı kaynağıdır.Serpantin, ısısını içerideki hava taşınımıyla gövdeye, iletimle de kapağa aktarır.HMM çubuğu, alternatif bir manyetik alanın etkisi altında manyetik kayıplar yaratacak ve ısı, iç hava yoluyla konveksiyon nedeniyle kabuğa ve iletim nedeniyle kalıcı mıknatıs ve boyunduruğa aktarılacaktır.Kasaya aktarılan ısı daha sonra konveksiyon ve radyasyon yoluyla dışarıya dağıtılır.Üretilen ısı aktarılan ısıya eşit olduğunda GMT'nin her bir parçasının sıcaklığı sabit bir duruma ulaşır.
Boyuna salınan bir GDO'da ısı transferi süreci: a – ısı akış şeması, b – ana ısı transfer yolları.
Uyarıcı bobin ve HMM çubuğu tarafından üretilen ısıya ek olarak, kapalı bir manyetik devrenin tüm bileşenleri manyetik kayıplara maruz kalır.Böylece, GMT'nin manyetik kaybını azaltmak için kalıcı mıknatıs, boyunduruk, kapak ve manşon birlikte lamine edilmiştir.
GMT termal analizi için bir TETN modeli oluşturmanın ana adımları şu şekildedir: ilk önce aynı sıcaklıklara sahip bileşenleri bir arada gruplayın ve her bir bileşeni ağda ayrı bir düğüm olarak temsil edin, ardından bu düğümleri uygun ısı transferi ifadesiyle ilişkilendirin.Düğümler arasında ısı iletimi ve taşınım.Bu durumda, ısı kaynağı ve her bir bileşene karşılık gelen ısı çıkışı, ısı ağının eşdeğer bir modelini oluşturmak için düğüm ile dünyanın ortak sıfır voltajı arasına paralel olarak bağlanır.Bir sonraki adım, termal direnç, ısı kapasitesi ve güç kayıpları dahil olmak üzere modelin her bir bileşeni için termal ağın parametrelerini hesaplamaktır.Son olarak TETN modeli simülasyon için SPICE'ta uygulandı.Ve GMT'nin her bir bileşeninin sıcaklık dağılımını ve bunun zaman alanındaki değişimini elde edebilirsiniz.
Modelleme ve hesaplama kolaylığı açısından termal modeli basitleştirmek ve sonuçlara çok az etkisi olan sınır koşullarını göz ardı etmek gerekir18,26.Bu makalede önerilen TETN modeli aşağıdaki varsayımlara dayanmaktadır:
Rasgele sargılı GMT'de, her bir iletkenin konumunu simüle etmek imkansızdır veya gereklidir.Sargılar içindeki ısı transferini ve sıcaklık dağılımını modellemek için geçmişte çeşitli modelleme stratejileri geliştirilmiştir: (1) bileşik termal iletkenlik, (2) iletken geometrisine dayalı doğrudan denklemler, (3) T-eşdeğer termal devre29.
Kompozit termal iletkenlik ve doğrudan denklemler, eşdeğer devre T'den daha doğru çözümler olarak kabul edilebilir, ancak bunlar malzeme, iletken geometrisi ve sargıdaki artık havanın hacmi gibi belirlenmesi zor olan çeşitli faktörlere bağlıdır29.Aksine, T-eşdeğer termal şeması, yaklaşık bir model olmasına rağmen daha uygundur30.GMT'nin boyuna titreşimleri ile uyarma bobinine uygulanabilir.
Uyarıcı bobini temsil etmek için kullanılan genel içi boş silindirik düzenek ve ısı denkleminin çözümünden elde edilen T-eşdeğer termal diyagramı, Şekil 2'de gösterilmektedir.3. Uyarma bobinindeki ısı akısının radyal ve eksenel yönlerde bağımsız olduğu varsayılmaktadır.Çevresel ısı akısı ihmal edilmiştir.Her eşdeğer devrede (T), iki terminal elemanın karşılık gelen yüzey sıcaklığını temsil eder ve üçüncü terminal (T6), elemanın ortalama sıcaklığını temsil eder.P6 bileşeninin kaybı, “Saha bobini ısı kaybı hesaplamasında” hesaplanan ortalama sıcaklık düğümünde nokta kaynak olarak girilir.Durağan olmayan simülasyon durumunda ısı kapasitesi C6 denklemle verilir.(1) ayrıca Ortalama sıcaklık düğümüne eklenir.
Burada cec, ρec ve Vec sırasıyla uyarma bobininin özgül ısısını, yoğunluğunu ve hacmini temsil eder.
Masada.Şekil 1, uyarma bobininin T eşdeğer termal devresinin termal direncini uzunluk lec, termal iletkenlik λec, dış yarıçap rec1 ve iç yarıçap rec2 ile gösterir.
Uyarıcı bobinleri ve bunların T-eşdeğer termal devreleri: (a) genellikle içi boş silindirik elemanlar, (b) ayrı eksenel ve radyal T-eşdeğer termal devreler.
Eşdeğer devre T'nin diğer silindirik ısı kaynakları için de doğru olduğu gösterilmiştir13.GDO'nun ana ısı kaynağı olan HMM çubuğu, düşük ısı iletkenliği nedeniyle özellikle çubuğun ekseni boyunca eşit olmayan bir sıcaklık dağılımına sahiptir.Aksine, HMM çubuğunun radyal ısı akısı radyal ısı akısı31'den çok daha az olduğundan radyal homojensizlik ihmal edilebilir.
Çubuğun eksenel ayrıklaştırma seviyesini doğru bir şekilde temsil etmek ve en yüksek sıcaklığı elde etmek için, GMM çubuğu eksenel yönde eşit aralıklarla yerleştirilmiş n düğümle temsil edilir ve GMM çubuğu tarafından modellenen n düğüm sayısının tek olması gerekir.Eşdeğer eksenel termal konturların sayısı n T şekil 4'tür.
GMM çubuğunu modellemek için kullanılan düğüm sayısını n belirlemek için FEM sonuçları şekil 2'de gösterilmektedir.Referans olarak 5.Şekil 2'de gösterildiği gibi.Şekil 4'te, n düğümlerinin sayısı HMM çubuğunun termal şemasında düzenlenir.Her düğüm bir T-eşdeğer devre olarak modellenebilir.Şekil 5'teki FEM sonuçları karşılaştırıldığında, bir veya üç düğümün GDO'daki HIM çubuğunun (yaklaşık 50 mm uzunluğunda) sıcaklık dağılımını doğru şekilde yansıtamadığı görülmektedir.N 5'e artırıldığında simülasyon sonuçları önemli ölçüde iyileşir ve FEM'e yaklaşır.N'nin daha da arttırılması, daha uzun hesaplama süresi pahasına daha iyi sonuçlar verir.Bu nedenle bu makalede GMM çubuğunun modellenmesi için 5 düğüm seçilmiştir.
Gerçekleştirilen karşılaştırmalı analize dayanarak, HMM çubuğunun tam termal şeması Şekil 6'da gösterilmektedir. T1 ~ T5, çubuğun beş bölümünün (bölüm 1 ~ 5) ortalama sıcaklığıdır.P1-P5 sırasıyla çubuğun çeşitli alanlarının toplam termal gücünü temsil eder ve bir sonraki bölümde ayrıntılı olarak tartışılacaktır.C1~C5 farklı bölgelerin ısı kapasitesidir ve aşağıdaki formülle hesaplanabilir.
burada crod, ρrod ve Vrod, HMM çubuğunun spesifik ısı kapasitesini, yoğunluğunu ve hacmini belirtir.
Uyarıcı bobinle aynı yöntemi kullanarak, Şekil 6'daki HMM çubuğunun ısı transfer direnci şu şekilde hesaplanabilir:
burada lrod, rrod ve λrod sırasıyla GMM çubuğunun uzunluğunu, yarıçapını ve termal iletkenliğini temsil eder.
Bu makalede incelenen boyuna titreşim GMT'si için geri kalan bileşenler ve iç hava, tek düğüm konfigürasyonuyla modellenebilir.
Bu alanlar bir veya daha fazla silindirden oluşmuş gibi düşünülebilir.Silindirik bir parçadaki tamamen iletken bir ısı alışverişi bağlantısı, Fourier ısı iletim yasasıyla şu şekilde tanımlanır:
Burada λnhs malzemenin ısı iletkenliği, lnhs eksenel uzunluk, rnhs1 ve rnhs2 ısı transfer elemanının sırasıyla dış ve iç yarıçaplarıdır.
Şekil 7'de RR4-RR12 ile temsil edilen bu alanlar için Denklem (5), radyal termal direnci hesaplamak için kullanılır. Aynı zamanda, Şekil 7'de RA15'ten RA33'e kadar temsil edilen eksenel termal direnci hesaplamak için Denklem (6) kullanılır. 7.
Yukarıdaki alan için (Şekil 7'deki C7-C15 dahil) tek düğümlü termal devrenin ısı kapasitesi şu şekilde belirlenebilir:
burada ρnhs, cnhs ve Vnhs sırasıyla uzunluk, özgül ısı ve hacimdir.
GMT içindeki hava ile kasa yüzeyi ve çevre arasındaki konvektif ısı transferi, tek bir termal iletim direnci ile aşağıdaki şekilde modellenmiştir:
burada A temas yüzeyi ve h ısı transfer katsayısıdır.Tablo 232'de termal sistemlerde kullanılan bazı tipik h'ler listelenmektedir.Tabloya göre.Şekil 2'de HMF ile çevre arasındaki konveksiyonu temsil eden RH8–RH10 ve RH14–RH18 termal dirençlerinin 2 ısı transfer katsayıları.7, 25 W/(m2 K) sabit değeri olarak alınmıştır.Geri kalan ısı transfer katsayıları 10 W/(m2 K)'ye eşit olarak ayarlanmıştır.
Şekil 2'de gösterilen iç ısı transfer sürecine göre TETN dönüştürücünün tam modeli Şekil 7'de gösterilmektedir.
Şekil 2'de gösterildiği gibi.Şekil 7'de, GMT boyuna titreşimi kırmızı noktalarla temsil edilen 16 knot'a bölünmüştür.Modelde gösterilen sıcaklık düğümleri, ilgili bileşenlerin ortalama sıcaklıklarına karşılık gelir.Ortam sıcaklığı T0, GMM çubuk sıcaklığı T1~T5, uyarıcı bobin sıcaklığı T6, sabit mıknatıs sıcaklığı T7 ve T8, boyunduruk sıcaklığı T9~T10, kasa sıcaklığı T11~T12 ve T14, iç hava sıcaklığı T13 ve çıkış çubuğu sıcaklığı T15.Ek olarak her düğüm, sırasıyla her alanın termal kapasitesini temsil eden C1 ~ C15 aracılığıyla zeminin termal potansiyeline bağlanır.P1~P6 sırasıyla GMM çubuğunun ve uyarıcı bobinin toplam ısı çıkışıdır.Ek olarak, önceki bölümlerde hesaplanan, bitişik düğümler arasındaki ısı transferine karşı iletken ve konvektif direnci temsil etmek için 54 termal direnç kullanılmıştır.Tablo 3 dönüştürücü malzemelerinin çeşitli termal özelliklerini göstermektedir.
Kayıp hacimlerinin ve bunların dağılımının doğru tahmini, güvenilir termal simülasyonlar gerçekleştirmek için kritik öneme sahiptir.GMT tarafından üretilen ısı kaybı, GMM çubuğunun manyetik kaybına, uyarıcı bobinin Joule kaybına, mekanik kayıplara ve ek kayıplara bölünebilir.Dikkate alınan ek kayıplar ve mekanik kayıplar nispeten küçüktür ve ihmal edilebilir.
Ac uyarma bobini direnci şunları içerir: DC direnci Rdc ve cilt direnci Rs.
burada f ve N, uyarma akımının frekansı ve dönüş sayısıdır.lCu ve rCu, AWG (American Wire Gauge) numarasıyla tanımlandığı şekliyle bobinin iç ve dış yarıçapları, bobinin uzunluğu ve bakır manyetik telin yarıçapıdır.ρCu çekirdeğinin direncidir.µCu çekirdeğinin manyetik geçirgenliğidir.
Alan bobininin (solenoid) içindeki gerçek manyetik alan, çubuğun uzunluğu boyunca eşit değildir.Bu fark özellikle HMM ve PM çubuklarının manyetik geçirgenliğinin düşük olması nedeniyle belirgindir.Ancak uzunlamasına simetriktir.Manyetik alanın dağılımı doğrudan HMM çubuğunun manyetik kayıplarının dağılımını belirler.Bu nedenle kayıpların gerçek dağılımını yansıtmak amacıyla, ölçüm için Şekil 8'de gösterilen üç bölümlü bir çubuk alınır.
Manyetik kayıp, dinamik histerezis döngüsünün ölçülmesiyle elde edilebilir.Şekil 11'de gösterilen deney platformuna dayanarak üç dinamik histerezis döngüsü ölçüldü.GMM çubuğunun sıcaklığının 50°C'nin altında sabit olması koşuluyla, programlanabilir AC güç kaynağı (Chroma 61512), alan bobinini, Şekil 8'de gösterildiği gibi, alan bobini tarafından oluşturulan manyetik alanın frekansı olan belirli bir aralıkta çalıştırır. test akımı ve ortaya çıkan manyetik akı yoğunluğu, GIM çubuğuna bağlı endüksiyon bobininde indüklenen voltajın entegre edilmesiyle hesaplanır.Ham veriler, bellek kaydediciden (günde MR8875-30) indirildi ve Şekil 9'da gösterilen ölçülen dinamik histerezis döngülerini elde etmek için MATLAB yazılımında işlendi.
Ölçülen dinamik histerezis döngüleri: (a) bölüm 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) bölüm 1/5: fm = 1000 Hz, (c) bölüm 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) bölüm 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) bölüm 3: Bm = 0,07228 T, (f) bölüm 3: fm = 1000 Hz.
Literatür 37'ye göre, HMM çubuklarının birim hacmi başına toplam manyetik kayıp Pv aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:
burada ABH, manyetik alan frekansı fm'de uyarma akımı frekansı f'ye eşit olan BH eğrisi üzerindeki ölçüm alanıdır.
Bertotti kayıp ayırma yöntemine38 dayanarak, bir GMM çubuğunun birim kütlesi başına Pm manyetik kaybı, histerezis kaybı Ph, girdap akımı kaybı Pe ve anormal kayıp Pa'nın toplamı olarak ifade edilebilir (13):
Mühendislik açısından38, anormal kayıplar ve girdap akımı kayıpları, toplam girdap akımı kaybı adı verilen bir terimde birleştirilebilir.Böylece kayıpları hesaplama formülü aşağıdaki gibi basitleştirilebilir:
denklemde.(13)~(14) burada Bm, heyecan verici manyetik alanın manyetik yoğunluğunun genliğidir.kh ve kc histerezis kayıp faktörü ve toplam girdap akımı kayıp faktörüdür.