Хімічний компонент змійової труби з нержавіючої сталі 2507, еквівалентне моделювання теплової мережі Дослідження рідкоземельного гігантського магнітострикційного перетворювача

Дякуємо, що відвідали Nature.com.Ви використовуєте версію браузера з обмеженою підтримкою CSS.Для найкращої роботи радимо використовувати оновлений браузер (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer).Крім того, щоб забезпечити постійну підтримку, ми показуємо сайт без стилів і JavaScript.
Повзунки, що показують три статті на слайді.Використовуйте кнопки «Назад» і «Далі» для переходу між слайдами або кнопки керування слайдами в кінці для переходу між слайдами.

• Опис продукту
• 2507 Колтюбінг з нержавіючої сталі з Китаю

Вирішальним для конструкції гігантського магнітострикційного перетворювача (GMT) є швидкий і точний аналіз розподілу температури.Моделювання теплової мережі має такі переваги, як низька обчислювальна вартість і висока точність, і може використовуватися для термічного аналізу GMT.Однак існуючі теплові моделі мають обмеження в описі цих складних теплових режимів у GMT: більшість досліджень зосереджено на стаціонарних станах, які не можуть вловити зміни температури;Зазвичай вважається, що розподіл температури гігантських магнітострикційних (GMM) стрижнів є рівномірним, але градієнт температури вздовж стрижня GMM є дуже значним через погану теплопровідність, нерівномірний розподіл втрат GMM рідко вноситься в теплову систему. модель.Таким чином, шляхом всебічного розгляду вищевказаних трьох аспектів, цей документ встановлює модель GMT Transitional Equivalent Heat Network (TETN).Спочатку на основі конструкції та принципу дії поздовжнього вібраційного ГМТ проводиться термічний аналіз.На основі цього встановлюється модель нагрівального елемента для процесу теплообміну HMT і розраховуються відповідні параметри моделі.Нарешті, точність моделі TETN для просторово-часового аналізу температури перетворювача перевіряється шляхом моделювання та експерименту.
Гігантський магнітострикційний матеріал (GMM), а саме терфенол-D, має переваги великої магнітострикції та високої щільності енергії.Ці унікальні властивості можна використовувати для розробки гігантських магнітострикційних перетворювачів (GMT), які можна використовувати в широкому діапазоні застосувань, таких як підводні акустичні перетворювачі, мікромотори, лінійні приводи тощо. 1,2.
Особливе занепокоєння викликає можливість перегріву підводних GMT, які, коли працюють на повній потужності та протягом тривалих періодів збудження, можуть генерувати значну кількість тепла через їх високу щільність потужності3,4.Крім того, завдяки великому коефіцієнту теплового розширення GMT і його високій чутливості до зовнішньої температури, його продуктивність тісно пов’язана з температурою5,6,7,8.У технічних публікаціях методи термічного аналізу GMT можна розділити на дві великі категорії9: чисельні методи та методи зосереджених параметрів.Метод скінченних елементів (FEM) є одним із найбільш часто використовуваних методів чисельного аналізу.Xie та ін.[10] використовували метод скінченних елементів для моделювання розподілу джерел тепла гігантського магнітострикційного приводу та реалізували проект контролю температури та системи охолодження приводу.Чжао та ін.[11] встановили спільне кінцево-елементне моделювання поля турбулентного потоку та температурного поля та побудували інтелектуальний пристрій контролю температури компонентів GMM на основі результатів кінцево-елементного моделювання.Однак FEM є дуже вимогливим щодо налаштування моделі та часу розрахунку.З цієї причини FEM вважається важливою підтримкою для автономних обчислень, як правило, на етапі проектування конвертера.
Метод зосереджених параметрів, який зазвичай називають моделлю теплової мережі, широко використовується в термодинамічному аналізі завдяки своїй простій математичній формі та високій швидкості обчислень12,13,14.Цей підхід відіграє важливу роль в усуненні теплових обмежень двигунів 15, 16, 17. Mellor18 був першим, хто використав покращену теплову еквівалентну схему T для моделювання процесу теплопередачі двигуна.Верез та ін.19 створено тривимірну модель теплової мережі постійних магнітів синхронної машини з осьовим потоком.Boglietti та ін.20 запропонували чотири моделі теплової мережі різної складності для прогнозування короткочасних теплових перехідних процесів в обмотках статора.Нарешті, Wang та ін.21 створили детальну теплову еквівалентну схему для кожного компонента PMSM і узагальнили рівняння теплового опору.При номінальних умовах похибка контролюється в межах 5%.
У 1990-х роках модель теплової мережі почала застосовуватися до потужних низькочастотних перетворювачів.Dubus та ін.22 розробили модель теплової мережі для опису стаціонарної теплопередачі в двосторонньому поздовжньому вібраторі та датчику вигину класу IV.Anjanappa та ін.23 виконали двовимірний стаціонарний тепловий аналіз магнітострикційного мікроприводу з використанням моделі теплової мережі.Щоб вивчити зв’язок між термічною деформацією Terfenol-D і параметрами GMT, Zhu et al.24 створено еквівалентну модель стаціонарного стану для розрахунку термічного опору та переміщення GMT.
Оцінка температури GMT є більш складною, ніж застосування двигуна.Завдяки чудовій тепло- та магнітній провідності матеріалів, які використовуються, більшість компонентів двигуна, які розглядаються при одній температурі, зазвичай зводяться до одного вузла13,19.Однак через низьку теплопровідність ТММ припущення про рівномірний розподіл температури більше не вірне.Крім того, HMM має дуже низьку магнітну проникність, тому тепло, що утворюється внаслідок магнітних втрат, зазвичай нерівномірне вздовж стрижня HMM.Крім того, більшість досліджень зосереджено на моделюванні стаціонарного режиму, яке не враховує зміни температури під час роботи GMT.
Щоб вирішити вищевказані три технічні проблеми, ця стаття використовує поздовжню вібрацію GMT як об’єкт дослідження та точно моделює різні частини перетворювача, особливо стрижень GMM.Створено модель повної перехідної еквівалентної теплової мережі (ТЕТМ) GMT.Скінченно-елементна модель і експериментальна платформа були побудовані для перевірки точності та ефективності моделі TETN для просторово-часового аналізу температури перетворювача.
Конструкція та геометричні розміри поздовжньо-коливального ПМП наведені на рис. 1а та б відповідно.
Ключові компоненти включають стрижні GMM, котушки поля, постійні магніти (PM), хомути, колодки, втулки та тарельчасті пружини.Котушка збудження та PMT забезпечують стрижень НММ змінним магнітним полем і магнітним полем зміщення постійного струму відповідно.Корпус і корпус, що складається з ковпака і гільзи, виготовлені з м'якого чавуну ДТ4, що володіє високою магнітною проникністю.Утворює замкнутий магнітний ланцюг зі стрижнем ГІМ і ПМ.Вихідний шток і натискна пластина виготовлені з немагнітної нержавіючої сталі 304.За допомогою тарельчатих пружин до штока можна застосувати стабільне попереднє напруження.Коли змінний струм проходить через котушку приводу, стрижень HMM буде вібрувати відповідно.
На рис.2 показано процес теплообміну всередині ГМТ.Стрижні GMM і котушки поля є двома основними джерелами тепла для GMT.Змійовик передає своє тепло тілу шляхом конвекції повітря всередині та кришці шляхом провідності.Стрижень НММ буде створювати магнітні втрати під дією змінного магнітного поля, а тепло буде передаватися до оболонки за рахунок конвекції через внутрішнє повітря, а до постійного магніту та ярма за рахунок провідності.Тепло, передане корпусу, потім розсіюється назовні шляхом конвекції та випромінювання.Коли утворене тепло дорівнює переданому теплу, температура кожної частини GMT досягає сталого стану.
Процес теплообміну в поздовжньо-коливальному ГМО: а – схема теплового потоку, б – основні шляхи теплообміну.
На додаток до тепла, що виділяється котушкою збудника та стрижнем НММ, усі компоненти замкнутого магнітного кола відчувають магнітні втрати.Таким чином, постійний магніт, ярмо, ковпачок і гільза ламіновані разом, щоб зменшити магнітні втрати GMT.
Основні етапи побудови моделі TETN для термічного аналізу GMT такі: спочатку згрупуйте разом компоненти з однаковими температурами та відобразіть кожен компонент як окремий вузол у мережі, а потім зв’яжіть ці вузли з відповідним виразом теплопередачі.теплопровідність і конвекція між вузлами.У цьому випадку джерело тепла та теплова потужність, відповідна кожному компоненту, підключаються паралельно між вузлом і загальною нульовою напругою землі для побудови еквівалентної моделі теплової мережі.Наступним кроком є ​​розрахунок параметрів теплової мережі для кожного компонента моделі, включаючи тепловий опір, теплоємність і втрати потужності.Нарешті, модель TETN реалізована в SPICE для моделювання.І ви можете отримати розподіл температури кожного компонента GMT і його зміни в часовій області.
Для зручності моделювання та розрахунку необхідно спростити теплову модель і не враховувати граничні умови, які мало впливають на результати18,26.Модель TETN, запропонована в цій статті, базується на таких припущеннях:
У GMT з довільно намотаними обмотками неможливо або необхідно імітувати положення кожного окремого провідника.У минулому були розроблені різні стратегії моделювання для моделювання теплопередачі та розподілу температури в обмотках: (1) складна теплопровідність, (2) прямі рівняння на основі геометрії провідника, (3) Т-еквівалентна теплова схема29.
Композитна теплопровідність і прямі рівняння можна вважати більш точними рішеннями, ніж еквівалентна схема T, але вони залежать від кількох факторів, таких як матеріал, геометрія провідника та об’єм залишкового повітря в обмотці, які важко визначити29.Навпаки, Т-еквівалентна теплова схема, хоч і є наближеною моделлю, є більш зручною30.Його можна застосувати до котушки збудження з поздовжніми коливаннями ГМТ.
Загальний порожнистий циліндричний вузол, який використовується для представлення котушки збудника, і його Т-еквівалентна теплова діаграма, отримана з розв’язку рівняння теплопровідності, показані на рис.3. Вважається, що тепловий потік у котушці збудження є незалежним у радіальному та осьовому напрямках.Тепловим потоком по окружності знехтувати.У кожній еквівалентній схемі T дві клеми представляють відповідну температуру поверхні елемента, а третя клема T6 представляє середню температуру елемента.Втрата компонента P6 вводиться як точкове джерело у вузлі середньої температури, розрахованому в «Розрахунку теплових втрат обмотки збудження».У випадку нестаціонарного моделювання теплоємність C6 задана рівнянням.(1) також додається до вузла Середня температура.
Де cec, ρec і Vec представляють питому теплоємність, густину та об’єм котушки збудження відповідно.
У табл.1 показано тепловий опір Т-еквівалентної теплової схеми котушки збудження з довжиною lec, теплопровідністю λec, зовнішнім радіусом rec1 і внутрішнім радіусом rec2.
Котушки збудника та їх Т-еквівалентні теплові схеми: (а) зазвичай порожнисті циліндричні елементи, (б) окремі аксіальні та радіальні Т-еквівалентні теплові схеми.
Еквівалентна схема T також виявилася точною для інших циліндричних джерел тепла13.Будучи основним джерелом тепла ГМО, стрижень НММ має нерівномірний розподіл температури через низьку теплопровідність, особливо вздовж осі стрижня.Навпаки, радіальною неоднорідністю можна знехтувати, оскільки радіальний тепловий потік стрижня НММ значно менший за радіальний тепловий потік31.
Щоб точно представити рівень осьової дискретності стрижня та отримати найвищу температуру, стрижень GMM представлений n вузлами, рівномірно розташованими в осьовому напрямку, а кількість вузлів n, змодельованих стрижнем GMM, має бути непарною.Кількість еквівалентних осьових теплових контурів n T рис.4.
Для визначення кількості вузлів n, які використовуються для моделювання бруска GMM, результати FEM показані на рис.5 як довідник.Як показано на рис.4 в тепловій схемі стрижня НММ регулюється кількість вузлів n.Кожен вузол можна моделювати як T-еквівалентну схему.Порівнюючи результати FEM, на рис. 5 видно, що один або три вузли не можуть точно відобразити розподіл температури стрижня HIM (довжиною близько 50 мм) у ГМО.Коли n збільшується до 5, результати моделювання значно покращуються та наближаються до FEM.Подальше збільшення n також дає кращі результати за рахунок більшого часу обчислення.Тому в даній статті обрано 5 вузлів для моделювання смуги GMM.
На основі проведеного порівняльного аналізу точна теплова схема стержня НММ показана на рис. 6. T1 ~ T5 — середня температура п’яти секцій (секція 1 ~ 5) стрижня.P1-P5 відповідно представляють загальну теплову потужність різних ділянок стрижня, які будуть детально розглянуті в наступному розділі.C1~C5 – теплоємність різних областей, яку можна розрахувати за такою формулою
де crod, ρrod і Vrod позначають питому теплоємність, густину та об’єм стрижня НММ.
Використовуючи той самий метод, що й для котушки збудника, опір теплопередачі стрижня HMM на рис. 6 можна розрахувати як
де lrod, rrod і λrod представляють довжину, радіус і теплопровідність стрижня GMM відповідно.
Для поздовжньої вібрації GMT, дослідженої в цій статті, інші компоненти та внутрішнє повітря можна змоделювати за допомогою конфігурації одного вузла.
Ці області можна вважати такими, що складаються з одного або кількох циліндрів.Чисто провідне теплообмінне з'єднання в циліндричній частині визначається законом теплопровідності Фур'є як
Де λnhs – теплопровідність матеріалу, lnhs – осьова довжина, rnhs1 і rnhs2 – зовнішній і внутрішній радіуси теплообмінного елемента відповідно.
Рівняння (5) використовується для розрахунку радіального теплового опору для цих областей, представленого RR4-RR12 на малюнку 7. У той же час, рівняння (6) використовується для розрахунку осьового теплового опору, представленого від RA15 до RA33 на малюнку 7.
Теплоємність одного вузла теплового контуру для вищевказаної області (включаючи C7–C15 на рис. 7) можна визначити як
де ρnhs, cnhs, Vnhs – довжина, питома теплоємність та об’єм відповідно.
Конвективний теплообмін між повітрям усередині GMT і поверхнею корпусу та навколишнім середовищем моделюється за допомогою одного резистора теплопровідності таким чином:
де A – поверхня контакту, h – коефіцієнт тепловіддачі.У таблиці 232 наведено деякі типові h, що використовуються в теплових системах.Відповідно до табл.2 коефіцієнти теплопередачі теплових опорів RH8–RH10 і RH14–RH18, що представляють конвекцію між HMF і навколишнім середовищем на рис.7 прийнято за постійне значення 25 Вт/(м2 К).Решта коефіцієнтів тепловіддачі встановлюються рівними 10 Вт/(м2 К).
Відповідно до внутрішнього процесу теплопередачі, показаного на малюнку 2, повна модель перетворювача TETN показана на малюнку 7.
Як показано на рис.7, поздовжня вібрація GMT розділена на 16 вузлів, які представлені червоними крапками.Температурні вузли, зображені на моделі, відповідають середнім температурам відповідних компонентів.Температура навколишнього середовища T0, температура стрижня GMM T1~T5, температура котушки збудження T6, температура постійного магніту T7 і T8, температура ярма T9~T10, температура корпусу T11~T12 і T14, температура повітря в приміщенні T13 і температура вихідного стрижня T15.Крім того, кожен вузол підключений до теплового потенціалу землі через C1 ~ C15, які представляють теплову потужність кожної області відповідно.P1~P6 — загальна теплова потужність стрижня GMM і котушки збудника відповідно.Крім того, 54 теплових опору використовуються для представлення кондуктивного та конвективного опору теплопередачі між сусідніми вузлами, які були розраховані в попередніх розділах.У таблиці 3 наведені різні теплові характеристики матеріалів перетворювача.
Точна оцінка об’ємів втрат та їх розподілу має вирішальне значення для виконання надійного теплового моделювання.Втрати тепла, створені GMT, можна розділити на магнітні втрати стрижня GMM, втрати Джоуля котушки збудника, механічні втрати та додаткові втрати.Додаткові втрати та механічні втрати, які враховуються, відносно малі і ними можна знехтувати.
Опір котушки збудження змінного струму включає: опір постійному струму Rdc і опір шкіри Rs.
де f і N – частота і число витків струму збудження.lCu та rCu — це внутрішній і зовнішній радіуси котушки, довжина котушки та радіус мідного магнітного дроту, визначені його номером AWG (американський калібр дроту).ρCu – питомий опір його серцевини.µCu — магнітна проникність його ядра.
Фактичне магнітне поле всередині котушки поля (соленоїда) неоднорідне по довжині стрижня.Ця різниця особливо помітна через меншу магнітну проникність стрижнів НММ і ПМ.Але він поздовжньо симетричний.Розподіл магнітного поля безпосередньо визначає розподіл магнітних втрат стрижня НММ.Тому для відображення реального розподілу втрат для вимірювання береться трисекційний стрижень, зображений на рисунку 8.
Магнітні втрати можна отримати шляхом вимірювання динамічної петлі гістерезису.На основі експериментальної платформи, показаної на малюнку 11, було виміряно три динамічні петлі гістерезису.За умови, що температура стрижня GMM стабільна нижче 50°C, програмоване джерело живлення змінного струму (Chroma 61512) керує котушкою збудження в певному діапазоні, як показано на малюнку 8, частота магнітного поля, створюваного Випробувальний струм і результуюча щільність магнітного потоку обчислюються шляхом інтегрування напруги, індукованої в індукційній котушці, підключеній до стрижня GIM.Необроблені дані були завантажені з реєстратора пам’яті (MR8875-30 на день) і оброблені в програмному забезпеченні MATLAB для отримання виміряних динамічних петель гістерезису, показаних на рис. 9.
Виміряні петлі динамічного гістерезису: (a) ділянка 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) ділянка 1/5: fm = 1000 Гц, (c) ділянка 2/4: Bm = 0,05955 T, (d) ділянка 2/ 4: fm = 1000 Гц, (e) ділянка 3: Bm = 0,07228 T, (f) ділянка 3: fm = 1000 Гц.
Відповідно до літератури 37, загальні магнітні втрати Pv на одиницю об’єму стрижнів HMM можна розрахувати за такою формулою:
де ABH – площа вимірювання на кривій BH при частоті магнітного поля fm, що дорівнює частоті струму збудження f.
На основі методу поділу втрат Бертотті38 магнітні втрати на одиницю маси Pm стрижня GMM можна виразити як суму втрат на гістерезис Ph, втрат на вихрові струми Pe та аномальних втрат Pa (13):
З інженерної точки зору38, аномальні втрати та втрати на вихрові струми можна об’єднати в один термін, який називається загальними втратами на вихрові струми.Таким чином, формулу для розрахунку збитків можна спростити так:
в рівнянні.(13)~(14) де Bm – амплітуда магнітної щільності збуджуючого магнітного поля.kh і kc – коефіцієнт втрат на гістерезис і загальний коефіцієнт втрат на вихрові струми.