2507 vlekvrye staal spoelbuis chemiese komponent, Ekwivalente Termiese Netwerk Simulasie Studie van 'n Skaars Aarde Reuse Magnetostrictive Transducer

Dankie dat jy Nature.com besoek het.Jy gebruik 'n blaaierweergawe met beperkte CSS-ondersteuning.Vir die beste ervaring, beveel ons aan dat jy 'n opgedateerde blaaier gebruik (of versoenbaarheidsmodus in Internet Explorer deaktiveer).Daarbenewens, om deurlopende ondersteuning te verseker, wys ons die webwerf sonder style en JavaScript.
Sliders wat drie artikels per skyfie wys.Gebruik die terug- en volgende-knoppies om deur die skyfies te beweeg, of die skyfiebeheerknoppies aan die einde om deur elke skyfie te beweeg.

• Produk Beskrywing
• 2507 Roesvrye staal opgerolde buis uit China

Kritiek vir die ontwerp van die reuse-magnetostriktiewe transducer (GMT) is vinnige en akkurate ontleding van die temperatuurverspreiding.Termiese netwerkmodellering het die voordele van lae berekeningskoste en hoë akkuraatheid en kan vir GMT termiese analise gebruik word.Bestaande termiese modelle het egter beperkings in die beskrywing van hierdie komplekse termiese regimes in GMT: meeste studies fokus op stilstaande toestande wat nie temperatuurveranderinge kan vasvang nie;Daar word algemeen aanvaar dat die temperatuurverspreiding van reuse-magnetostriktiewe (GMM) stawe eenvormig is, maar die temperatuurgradiënt oor die GMM-staaf is baie betekenisvol as gevolg van swak termiese geleidingsvermoë, die nie-eenvormige verliesverspreiding van die GMM word selde in die termiese model.Daarom, deur die bogenoemde drie aspekte volledig te oorweeg, vestig hierdie dokument die GMT Transitional Equivalent Heat Network (TETN) model.Eerstens, gebaseer op die ontwerp en beginsel van werking van die longitudinale vibrerende HMT, word 'n termiese analise uitgevoer.Op hierdie basis word die verwarmingselementmodel vir die HMT-hitteoordragproses vasgestel en die ooreenstemmende modelparameters word bereken.Laastens word die akkuraatheid van die TETN-model vir omvormertemperatuur ruimte-temporale analise geverifieer deur simulasie en eksperiment.
Die reuse magnetostriktiewe materiaal (GMM), naamlik terfenol-D, het die voordele van groot magnetostriksie en hoë energiedigtheid.Hierdie unieke eienskappe kan gebruik word om reuse magnetostriktiewe omskakelaars (GMT's) te ontwikkel wat in 'n wye reeks toepassings gebruik kan word soos onderwater akoestiese omskakelaars, mikromotors, lineêre aktueerders, ens. 1,2.
Wat veral kommerwekkend is, is die potensiaal vir oorverhitting van ondersese GMT's, wat, wanneer dit op volle krag en vir lang periodes van opwinding bedryf word, aansienlike hoeveelhede hitte kan genereer as gevolg van hul hoë kragdigtheid3,4.Daarbenewens, as gevolg van die groot koëffisiënt van termiese uitsetting van GMT en sy hoë sensitiwiteit vir eksterne temperatuur, is sy uitsetprestasie nou verwant aan temperatuur5,6,7,8.In tegniese publikasies kan GMT termiese analise metodes in twee breë kategorieë verdeel word9: numeriese metodes en klonterige parameter metodes.Die eindige element metode (FEM) is een van die mees gebruikte numeriese analise metodes.Xie et al.[10] het die eindige element-metode gebruik om die verspreiding van hittebronne van 'n reuse-magnetostriktiewe aandrywing te simuleer en die ontwerp van die temperatuurbeheer- en verkoelingstelsel van die aandrywing gerealiseer.Zhao et al.[11] het 'n gesamentlike eindige-element-simulasie van 'n turbulente vloeiveld en 'n temperatuurveld opgestel, en 'n GMM intelligente komponent temperatuurbeheertoestel gebou wat gebaseer is op die resultate van die eindige element-simulasie.FEM is egter baie veeleisend in terme van modelopstelling en berekeningstyd.Om hierdie rede word FEM as 'n belangrike ondersteuning vir vanlyn berekeninge beskou, gewoonlik tydens die omsetterontwerpfase.
Die knopparametermetode, wat algemeen na verwys word as die hittenetwerkmodel, word wyd gebruik in termodinamiese analise as gevolg van sy eenvoudige wiskundige vorm en hoë berekeningspoed12,13,14.Hierdie benadering speel 'n belangrike rol in die uitskakeling van die termiese beperkings van enjins 15, 16, 17. Mellor18 was die eerste wat 'n verbeterde termiese ekwivalent kring T gebruik het om die enjin se hitte-oordragproses te modelleer.Verez et al.19 het 'n driedimensionele model van die termiese netwerk van 'n permanente magneet-sinchroniese masjien met aksiale vloei geskep.Boglietti et al.20 het vier termiese netwerkmodelle van wisselende kompleksiteit voorgestel om korttermyn termiese oorgange in statorwikkelings te voorspel.Laastens het Wang et al.21 'n gedetailleerde termiese ekwivalente stroombaan vir elke PMSM-komponent daargestel en die termiese weerstandsvergelyking opgesom.Onder nominale toestande kan die fout binne 5% beheer word.
In die 1990's het die hittenetwerkmodel op hoëkrag-laefrekwensie-omsetters begin toegepas word.Dubus et al.22 het 'n hittenetwerkmodel ontwikkel om stilstaande hitte-oordrag in 'n dubbelsydige longitudinale vibrator en klas IV buigsensor te beskryf.Anjanappa et al.23 het 'n 2D stilstaande termiese analise van 'n magnetostriktiewe mikroaandrywing uitgevoer met behulp van 'n termiese netwerkmodel.Om die verband tussen termiese spanning van Terfenol-D en GMT parameters te bestudeer, Zhu et al.24 'n bestendige toestand ekwivalent model vir termiese weerstand en GMT verplasing berekening.
GMT-temperatuurberaming is meer kompleks as enjintoepassings.As gevolg van die uitstekende termiese en magnetiese geleidingsvermoë van die materiaal wat gebruik word, word die meeste enjinkomponente wat by dieselfde temperatuur beskou word, gewoonlik tot 'n enkele nodus verminder13,19.As gevolg van die swak termiese geleidingsvermoë van HMM's, is die aanname van 'n eenvormige temperatuurverspreiding egter nie meer korrek nie.Daarbenewens het HMM 'n baie lae magnetiese deurlaatbaarheid, so die hitte wat deur magnetiese verliese gegenereer word, is gewoonlik nie-uniform langs die HMM-staaf nie.Daarbenewens is die meeste van die navorsing gefokus op bestendige-toestand simulasies wat nie rekening hou met temperatuur veranderinge tydens GMT werking nie.
Ten einde bogenoemde drie tegniese probleme op te los, gebruik hierdie artikel die GMT longitudinale vibrasie as die voorwerp van studie en modelleer verskillende dele van die transducer akkuraat, veral die GMM-staaf.'n Model van 'n volledige oorgangsekwivalente hittenetwerk (TETN) GMT is geskep.'n Eindige elementmodel en eksperimentele platform is gebou om die akkuraatheid en werkverrigting van die TETN-model vir transduktortemperatuur ruimte-temporele analise te toets.
Die ontwerp en geometriese afmetings van die longitudinaal ossillerende HMF word onderskeidelik in Fig. 1a en b getoon.
Sleutelkomponente sluit in GMM-stawe, veldspoele, permanente magnete (PM), jukke, pads, busse en belleville-vere.Die opwekkingspoel en PMT voorsien die HMM-staaf van onderskeidelik 'n afwisselende magneetveld en 'n GS-voorspanningsmagnetiese veld.Die juk en lyf, bestaande uit 'n dop en huls, is gemaak van DT4 sagte yster, wat 'n hoë magnetiese deurlaatbaarheid het.Vorm 'n geslote magnetiese stroombaan met die GIM- en PM-staaf.Die uitsetstam en drukplaat is gemaak van nie-magnetiese 304 vlekvrye staal.Met bellevillevere kan 'n stabiele voorspanning op die stam aangebring word.Wanneer 'n wisselstroom deur die dryfspoel gaan, sal die HMM-staaf dienooreenkomstig vibreer.
Op fig.2 toon die proses van hitte-uitruiling binne die GMT.GMM-stawe en veldspoele is die twee hoofbronne van hitte vir GMT's.Die slang dra sy hitte oor na die liggaam deur lugkonveksie binne en na die deksel deur geleiding.Die HMM-staaf sal magnetiese verliese skep onder die werking van 'n afwisselende magnetiese veld, en hitte sal oorgedra word na die dop as gevolg van konveksie deur die interne lug, en na die permanente magneet en juk as gevolg van geleiding.Die hitte wat na die omhulsel oorgedra word, word dan deur konveksie en bestraling na buite verdryf.Wanneer die hitte wat gegenereer word gelyk is aan die hitte wat oorgedra word, bereik die temperatuur van elke deel van die GMT 'n bestendige toestand.
Die proses van hitte-oordrag in 'n longitudinaal ossillerende GMO: a – hittevloeidiagram, b – hoof hitte-oordragpaaie.
Benewens die hitte wat deur die opwekkerspoel en HMM-staaf gegenereer word, ondervind alle komponente van 'n geslote magnetiese stroombaan magnetiese verliese.Dus, die permanente magneet, juk, dop en huls is saam gelamineer om die magnetiese verlies van die GMT te verminder.
Die hoofstappe in die bou van 'n TETN-model vir GMT-termiese analise is soos volg: groepeer eers komponente met dieselfde temperature saam en verteenwoordig elke komponent as 'n aparte nodus in die netwerk, assosieer dan hierdie nodusse met die toepaslike hitte-oordrag uitdrukking.hittegeleiding en konveksie tussen nodusse.In hierdie geval word die hittebron en die hitte-uitset wat ooreenstem met elke komponent in parallel verbind tussen die nodus en die gemeenskaplike nulspanning van die aarde om 'n ekwivalente model van die hittenetwerk te bou.Die volgende stap is om die parameters van die termiese netwerk vir elke komponent van die model te bereken, insluitend termiese weerstand, hittekapasiteit en kragverliese.Laastens word die TETN-model in SPICE geïmplementeer vir simulasie.En jy kan die temperatuurverspreiding van elke komponent van GMT en die verandering daarvan in die tyddomein kry.
Vir die gerief van modellering en berekening is dit nodig om die termiese model te vereenvoudig en die randtoestande wat min effek op die resultate het, te ignoreer18,26.Die TETN-model wat in hierdie artikel voorgestel word, is gebaseer op die volgende aannames:
In GMT met willekeurig gewikkelde windings, is dit onmoontlik of nodig om die posisie van elke individuele geleier te simuleer.Verskeie modelleringstrategieë is in die verlede ontwikkel om hitte-oordrag en temperatuurverspreiding binne windings te modelleer: (1) saamgestelde termiese geleidingsvermoë, (2) direkte vergelykings gebaseer op geleiergeometrie, (3) T-ekwivalente termiese stroombaan29.
Saamgestelde termiese geleidingsvermoë en direkte vergelykings kan as meer akkurate oplossings as die ekwivalente stroombaan T beskou word, maar dit hang af van verskeie faktore, soos materiaal, geleiergeometrie en die volume oorblywende lug in die wikkeling, wat moeilik is om te bepaal29.Inteendeel, die T-ekwivalente termiese skema, hoewel 'n benaderde model, is geriefliker30.Dit kan toegepas word op die opwekkingsspoel met longitudinale vibrasies van die GMT.
Die algemene hol silindriese samestelling wat gebruik word om die opwekkerspoel voor te stel en sy T-ekwivalente termiese diagram, verkry uit die oplossing van die hittevergelyking, word in fig.3. Daar word aanvaar dat die hittevloed in die opwekkingsspoel onafhanklik is in die radiale en aksiale rigtings.Die omtrek hitte vloed word verwaarloos.In elke ekwivalente stroombaan T verteenwoordig twee terminale die ooreenstemmende oppervlaktemperatuur van die element, en die derde terminale T6 verteenwoordig die gemiddelde temperatuur van die element.Die verlies van die P6-komponent word ingevoer as 'n puntbron by die gemiddelde temperatuurnodus wat in die "Veldspoel-hitteverliesberekening" bereken is.In die geval van nie-stasionêre simulasie, word die hittekapasiteit C6 deur die vergelyking gegee.(1) word ook by die Gemiddelde temperatuur knoop gevoeg.
Waar cec, ρec en Vec onderskeidelik die spesifieke hitte, digtheid en volume van die opwekkingsspoel verteenwoordig.
In tabel.1 toon die termiese weerstand van die T-ekwivalente termiese stroombaan van die opwekkingspoel met lengte lec, termiese geleidingsvermoë λec, buitenste radius rec1 en binneradius rec2.
Opwekkerspoele en hul T-ekwivalente termiese stroombane: (a) gewoonlik hol silindriese elemente, (b) aparte aksiale en radiale T-ekwivalente termiese stroombane.
Die ekwivalente stroombaan T het ook getoon om akkuraat te wees vir ander silindriese hittebronne13.Om die hoofhittebron van die GMO te wees, het die HMM-staaf 'n ongelyke temperatuurverspreiding as gevolg van sy lae termiese geleidingsvermoë, veral langs die as van die staaf.Inteendeel, radiale inhomogeniteit kan verwaarloos word, aangesien die radiale hittevloed van die HMM-staaf baie minder is as die radiale hittevloed31.
Om die vlak van aksiale diskretisasie van die staaf akkuraat voor te stel en die hoogste temperatuur te verkry, word die GMM-staaf voorgestel deur n nodusse wat eweredig in die aksiale rigting gespasieer is, en die aantal nodusse n wat deur die GMM-staaf gemodelleer word, moet onewe wees.Die aantal ekwivalente aksiale termiese kontoere is n T figuur 4.
Om die aantal nodusse n te bepaal wat gebruik word om die GMM-staaf te modelleer, word die FEM-resultate in fig.5 as verwysing.Soos in fig.4, word die aantal nodusse n gereguleer in die termiese skema van die HMM-staaf.Elke nodus kan as 'n T-ekwivalente stroombaan gemodelleer word.Vergelyk die resultate van die FEM, vanaf Fig. 5, toon dat een of drie nodusse nie die temperatuurverspreiding van die HIM-staaf (ongeveer 50 mm lank) in die GMO akkuraat kan weerspieël nie.Wanneer n na 5 verhoog word, verbeter die simulasieresultate aansienlik en nader FEM.Om n verder te verhoog, gee ook beter resultate ten koste van langer berekeningstyd.Daarom, in hierdie artikel, word 5 nodusse gekies vir die modellering van die GMM-balk.
Gebaseer op die vergelykende analise wat uitgevoer is, word die presiese termiese skema van die HMM-staaf in Fig. 6 getoon. T1 ~ T5 is die gemiddelde temperatuur van vyf afdelings (afdeling 1 ~ 5) van die stok.P1-P5 verteenwoordig onderskeidelik die totale termiese krag van die verskillende areas van die staaf, wat in die volgende hoofstuk in detail bespreek sal word.C1~C5 is die hittekapasiteit van verskillende streke, wat deur die volgende formule bereken kan word
waar crod, ρrod en Vrod die spesifieke hittekapasiteit, digtheid en volume van die HMM-staaf aandui.
Deur dieselfde metode as vir die opwekkerspoel te gebruik, kan die hitte-oordragweerstand van die HMM-staaf in Fig. 6 bereken word as
waar lrod, rrod en λrod onderskeidelik die lengte, radius en termiese geleidingsvermoë van die GMM-staaf verteenwoordig.
Vir die longitudinale vibrasie GMT wat in hierdie artikel bestudeer word, kan die oorblywende komponente en interne lug gemodelleer word met 'n enkele nodus konfigurasie.
Hierdie areas kan beskou word as bestaande uit een of meer silinders.'n Suiwer geleidende hitte-uitruilverbinding in 'n silindriese deel word deur die Fourier-warmtegeleidingswet gedefinieer as
Waar λnhs die termiese geleidingsvermoë van die materiaal is, is lnhs die aksiale lengte, rnhs1 en rnhs2 is onderskeidelik die buitenste en binneste radiusse van die hitte-oordragelement.
Vergelyking (5) word gebruik om die radiale termiese weerstand vir hierdie areas te bereken, voorgestel deur RR4-RR12 in Figuur 7. Terselfdertyd word Vergelyking (6) gebruik om die aksiale termiese weerstand, voorgestel van RA15 tot RA33 in Figuur, te bereken 7.
Die hittekapasiteit van 'n enkele nodus termiese stroombaan vir die bogenoemde area (insluitend C7–C15 in Fig. 7) kan bepaal word as
waar ρnhs, cnhs en Vnhs onderskeidelik die lengte, spesifieke hitte en volume is.
Die konvektiewe hitte-oordrag tussen die lug binne die GMT en die oppervlak van die omhulsel en die omgewing word soos volg met 'n enkele termiese geleidingsweerstand gemodelleer:
waar A die kontakoppervlak is en h die hitte-oordragkoëffisiënt is.Tabel 232 lys 'n paar tipiese h wat in termiese stelsels gebruik word.Volgens tabel.2 hitte-oordragkoëffisiënte van termiese weerstande RH8–RH10 en RH14–RH18, wat die konveksie tussen die HMF en die omgewing in fig.7 word geneem as 'n konstante waarde van 25 W/(m2 K).Die oorblywende hitte-oordragkoëffisiënte word gelyk aan 10 W/(m2 K) gestel.
Volgens die interne hitte-oordragproses wat in Figuur 2 getoon word, word die volledige model van die TETN-omsetter in Figuur 7 getoon.
Soos in fig.7, is die GMT longitudinale vibrasie verdeel in 16 knope, wat deur rooi kolletjies voorgestel word.Die temperatuurnodes wat in die model uitgebeeld word, stem ooreen met die gemiddelde temperature van die onderskeie komponente.Omgewingstemperatuur T0, GMM-staaftemperatuur T1~T5, opwekkerspoeltemperatuur T6, permanente magneettemperatuur T7 en T8, juktemperatuur T9~T10, omhulseltemperatuur T11~T12 en T14, binnenshuise lugtemperatuur T13 en uitsetstaaftemperatuur T15.Daarbenewens is elke nodus verbind met die termiese potensiaal van die grond deur C1 ~ C15, wat onderskeidelik die termiese kapasiteit van elke area verteenwoordig.P1~P6 is die totale hitte-uitset van GMM-staaf en opwekkerspoel onderskeidelik.Daarbenewens word 54 termiese weerstande gebruik om die geleidende en konvektiewe weerstand teen hitte-oordrag tussen aangrensende nodusse voor te stel, wat in die vorige afdelings bereken is.Tabel 3 toon die verskillende termiese eienskappe van die omsettermateriale.
Akkurate skatting van verliesvolumes en hul verspreiding is van kritieke belang om betroubare termiese simulasies uit te voer.Die hitteverlies wat deur die GMT gegenereer word, kan verdeel word in die magnetiese verlies van die GMM-staaf, die Joule-verlies van die opwekkerspoel, die meganiese verlies en die bykomende verlies.Die bykomende verliese en meganiese verliese wat in ag geneem word, is relatief klein en kan afgeskeep word.
Die WS-opwekkingspoelweerstand sluit in: die dc-weerstand Rdc en die velweerstand Rs.
waar f en N die frekwensie en aantal windings van die opwekkingstroom is.lCu en rCu is die binne- en buiteradiusse van die spoel, die lengte van die spoel en die radius van die koper magnetiese draad soos gedefinieer deur sy AWG (American Wire Gauge) nommer.ρCu is die weerstand van sy kern.µCu is die magnetiese deurlaatbaarheid van sy kern.
Die werklike magnetiese veld binne die veldspoel (solenoïde) is nie eenvormig oor die lengte van die staaf nie.Hierdie verskil is veral opvallend as gevolg van die laer magnetiese deurlaatbaarheid van die HMM- en PM-stawe.Maar dit is longitudinaal simmetries.Die verspreiding van die magnetiese veld bepaal direk die verspreiding van magnetiese verliese van die HMM-staaf.Daarom, om die werklike verspreiding van verliese te weerspieël, word 'n drie-seksie staaf, getoon in Figuur 8, geneem vir meting.
Die magnetiese verlies kan verkry word deur die dinamiese histerese lus te meet.Gebaseer op die eksperimentele platform wat in Figuur 11 getoon word, is drie dinamiese histerese-lusse gemeet.Onder die voorwaarde dat die temperatuur van die GMM-staaf stabiel onder 50°C is, dryf die programmeerbare AC-kragtoevoer (Chroma 61512) die veldspoel in 'n sekere reeks aan, soos in Figuur 8 getoon, die frekwensie van die magnetiese veld wat deur die toetsstroom en die gevolglike magnetiese vloeddigtheid word bereken deur die integrasie van spanning geïnduseer in die induksiespoel wat aan die GIM-staaf gekoppel is.Die rou data is afgelaai vanaf die geheuelogger (MR8875-30 per dag) en verwerk in MATLAB sagteware om die gemete dinamiese histeresis lusse te verkry wat in Fig. 9 getoon word.
Gemeet dinamiese histerese-lusse: (a) seksie 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) seksie 1/5: fm = 1000 Hz, (c) seksie 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) seksie 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) afdeling 3: Bm = 0,07228 T, (f) afdeling 3: fm = 1000 Hz.
Volgens literatuur 37 kan die totale magnetiese verlies Pv per volume-eenheid van HMM-stawe bereken word deur die volgende formule te gebruik:
waar ABH die meetarea op die BH-kromme is by die magnetiese veldfrekwensie fm gelyk aan die opwekkingstroomfrekwensie f.
Gebaseer op die Bertotti verlies skeiding metode38, kan die magnetiese verlies per eenheid massa Pm van 'n GMM staaf uitgedruk word as die som van die histerese verlies Ph, die werwelstroom verlies Pe en die anomale verlies Pa (13):
Vanuit 'n ingenieursperspektief38 kan abnormale verliese en wervelstroomverliese gekombineer word in een term wat totale werwelstroomverlies genoem word.Die formule vir die berekening van verliese kan dus soos volg vereenvoudig word:
in die vergelyking.(13)~(14) waar Bm die amplitude van die magnetiese digtheid van die opwindende magnetiese veld is.kh en kc is die histereseverliesfaktor en die totale wervelstroomverliesfaktor.