Komponent kimik i tubit të mbështjelljes prej çeliku inoks 2507, Studimi i simulimit të rrjetit termik ekuivalent i një transduktori magnetik gjigant të tokës së rrallë

Faleminderit që vizituat Nature.com.Ju jeni duke përdorur një version të shfletuesit me mbështetje të kufizuar CSS.Për përvojën më të mirë, ju rekomandojmë të përdorni një shfletues të përditësuar (ose çaktivizoni modalitetin e përputhshmërisë në Internet Explorer).Përveç kësaj, për të siguruar mbështetje të vazhdueshme, ne e shfaqim sajtin pa stile dhe JavaScript.
Rrëshqitës që tregojnë tre artikuj për rrëshqitje.Përdorni butonat e pasëm dhe të ardhshëm për të lëvizur nëpër rrëshqitje, ose butonat e kontrolluesit të rrëshqitjes në fund për të lëvizur nëpër secilën rrëshqitje.

• përshkrim i produktit
• 2507 Tub me mbështjellje çelik inox nga Kina

Kritike për dizajnin e transduktorit gjigant magnetostrictive (GMT) është analiza e shpejtë dhe e saktë e shpërndarjes së temperaturës.Modelimi i rrjetit termik ka avantazhet e kostos së ulët llogaritëse dhe saktësisë së lartë dhe mund të përdoret për analizën termike GMT.Megjithatë, modelet ekzistuese termike kanë kufizime në përshkrimin e këtyre regjimeve komplekse termike në GMT: shumica e studimeve fokusohen në gjendjet stacionare që nuk mund të kapin ndryshimet e temperaturës;Në përgjithësi supozohet se shpërndarja e temperaturës së shufrave gjigante magnetostrictive (GMM) është uniforme, por gradienti i temperaturës përgjatë shufrës GMM është shumë domethënës për shkak të përçueshmërisë së dobët termike, shpërndarja jo uniforme e humbjeve të GMM futet rrallë në termik. model.Prandaj, duke marrë në konsideratë në mënyrë gjithëpërfshirëse tre aspektet e mësipërme, ky dokument krijon modelin e Rrjetit të Ngrohjes Ekuivalente Tranzicionale GMT (TETN).Së pari, bazuar në projektimin dhe parimin e funksionimit të HMT vibruese gjatësore, kryhet një analizë termike.Mbi këtë bazë, vendoset modeli i elementit ngrohës për procesin e transferimit të nxehtësisë HMT dhe llogariten parametrat përkatës të modelit.Së fundi, saktësia e modelit TETN për analizën hapësinore të temperaturës së transduktorit verifikohet me simulim dhe eksperiment.
Materiali gjigant magnetostrictive (GMM), përkatësisht terfenol-D, ka avantazhet e magnetostriksionit të madh dhe densitetit të lartë të energjisë.Këto veti unike mund të përdoren për të zhvilluar transduktorë gjigantë magnetostriktivë (GMT) që mund të përdoren në një gamë të gjerë aplikimesh si transduktorë akustikë nënujorë, mikromotorë, aktivizues linearë, etj. 1,2.
Shqetësues i veçantë është potenciali për mbinxehje të GMT-ve nënujore, të cilat, kur funksionojnë me fuqi të plotë dhe për periudha të gjata ngacmimi, mund të gjenerojnë sasi të konsiderueshme nxehtësie për shkak të densitetit të tyre të lartë të fuqisë3,4.Përveç kësaj, për shkak të koeficientit të madh të zgjerimit termik të GMT dhe ndjeshmërisë së tij të lartë ndaj temperaturës së jashtme, performanca e tij e daljes është e lidhur ngushtë me temperaturën 5,6,7,8.Në botimet teknike, metodat e analizës termike GMT mund të ndahen në dy kategori të gjera9: metodat numerike dhe metodat e parametrave të grumbulluara.Metoda e elementeve të fundme (FEM) është një nga metodat më të përdorura të analizës numerike.Xie et al.[10] përdori metodën e elementeve të fundme për të simuluar shpërndarjen e burimeve të nxehtësisë të një disku gjigant magnetostrictive dhe realizoi dizajnin e kontrollit të temperaturës dhe sistemit të ftohjes së makinës.Zhao et al.[11] krijoi një simulim të përbashkët të elementeve të fundme të një fushe rrjedhje të turbullt dhe një fushe të temperaturës, dhe ndërtoi një pajisje kontrolli të temperaturës inteligjente të komponentit GMM bazuar në rezultatet e simulimit të elementeve të fundme.Megjithatë, FEM është shumë kërkuese për sa i përket konfigurimit të modelit dhe kohës së llogaritjes.Për këtë arsye, FEM konsiderohet një mbështetje e rëndësishme për llogaritjet offline, zakonisht gjatë fazës së projektimit të konvertuesit.
Metoda e parametrave të grumbulluar, e njohur zakonisht si modeli i rrjetit të nxehtësisë, përdoret gjerësisht në analizën termodinamike për shkak të formës së saj të thjeshtë matematikore dhe shpejtësisë së lartë të llogaritjes12,13,14.Kjo qasje luan një rol të rëndësishëm në eliminimin e kufizimeve termike të motorëve 15, 16, 17. Mellor18 ishte i pari që përdori një qark të përmirësuar termik ekuivalent T për të modeluar procesin e transferimit të nxehtësisë së motorit.Verez etj.19 krijoi një model tredimensional të rrjetit termik të një makinerie sinkrone me magnet të përhershëm me rrjedhje boshtore.Boglietti et al.20 propozuan katër modele të rrjetit termik me kompleksitet të ndryshëm për të parashikuar kalimet termike afatshkurtra në mbështjelljet e statorit.Së fundi, Wang et al.21 krijuan një qark të detajuar ekuivalent termik për çdo komponent PMSM dhe përmblodhën ekuacionin e rezistencës termike.Në kushte nominale, gabimi mund të kontrollohet brenda 5%.
Në vitet 1990, modeli i rrjetit të ngrohjes filloi të aplikohej në konvertuesit me frekuencë të ulët të fuqisë së lartë.Dubus et al.22 zhvilluan një model të rrjetit të nxehtësisë për të përshkruar transferimin e palëvizshëm të nxehtësisë në një vibrator gjatësor të dyanshëm dhe sensor të përkuljes së klasës IV.Anjanappa et al.23 kryen një analizë termike stacionare 2D të një mikrodrive magnetostrictive duke përdorur një model të rrjetit termik.Për të studiuar marrëdhënien midis tendosjes termike të parametrave Terfenol-D dhe GMT, Zhu et al.24 vendosi një model ekuivalent të gjendjes së qëndrueshme për llogaritjen e rezistencës termike dhe zhvendosjes GMT.
Vlerësimi i temperaturës GMT është më kompleks se aplikimet e motorit.Për shkak të përçueshmërisë së shkëlqyer termike dhe magnetike të materialeve të përdorura, shumica e komponentëve të motorit të konsideruar në të njëjtën temperaturë zakonisht reduktohen në një nyje të vetme13,19.Megjithatë, për shkak të përçueshmërisë së dobët termike të HMM-ve, supozimi i një shpërndarje uniforme të temperaturës nuk është më i saktë.Përveç kësaj, HMM ka një përshkueshmëri magnetike shumë të ulët, kështu që nxehtësia e gjeneruar nga humbjet magnetike është zakonisht jo uniforme përgjatë shufrës HMM.Për më tepër, shumica e hulumtimit është fokusuar në simulimet e gjendjes së qëndrueshme që nuk marrin parasysh ndryshimet e temperaturës gjatë funksionimit GMT.
Për të zgjidhur tre problemet teknike të mësipërme, ky artikull përdor dridhjen gjatësore GMT si objekt studimi dhe modelon me saktësi pjesë të ndryshme të transduktorit, veçanërisht shufrën GMM.Është krijuar një model i një rrjeti të plotë ekuivalent të ngrohjes kalimtare (TETN) GMT.Një model i elementeve të fundme dhe një platformë eksperimentale u ndërtuan për të testuar saktësinë dhe performancën e modelit TETN për analizën hapësinore-kohore të temperaturës së transduktorit.
Dizajni dhe dimensionet gjeometrike të HMF-së gjatësore lëkundëse janë paraqitur në Fig. 1a dhe b, respektivisht.
Komponentët kryesorë përfshijnë shufrat GMM, mbështjelljet e fushës, magnetët e përhershëm (PM), zgjedhat, jastëkët, tufat dhe sustat belleville.Spiralja e ngacmimit dhe PMT i sigurojnë shufrës HMM një fushë magnetike alternative dhe një fushë magnetike të paragjykimit DC, përkatësisht.Zgjedha dhe trupi, i përbërë nga një kapak dhe mëngë, janë prej hekuri të butë DT4, i cili ka një përshkueshmëri të lartë magnetike.Formon një qark magnetik të mbyllur me shufrën GIM dhe PM.Trungu i daljes dhe pllaka e presionit janë prej çeliku inox jomagnetik 304.Me sustat belleville, mund të aplikohet një parandjesë e qëndrueshme në kërcell.Kur një rrymë alternative kalon përmes spirales së makinës, shufra HMM do të dridhet në përputhje me rrethanat.
Në fig.2 tregon procesin e shkëmbimit të nxehtësisë brenda GMT.Shufrat GMM dhe mbështjelljet e fushës janë dy burimet kryesore të nxehtësisë për GMT-të.Serpentina e transferon nxehtësinë e saj në trup me anë të konvekcionit të ajrit brenda dhe në kapak me përcjellje.Shufra HMM do të krijojë humbje magnetike nën veprimin e një fushe magnetike alternative, dhe nxehtësia do të transferohet në guaskë për shkak të konvekcionit përmes ajrit të brendshëm, dhe në magnetin e përhershëm dhe zgjedhën për shkak të përcjelljes.Nxehtësia e transferuar në kasë shpërndahet më pas në pjesën e jashtme me anë të konvekcionit dhe rrezatimit.Kur nxehtësia e gjeneruar është e barabartë me nxehtësinë e transferuar, temperatura e secilës pjesë të GMT arrin një gjendje të qëndrueshme.
Procesi i transferimit të nxehtësisë në një OMGJ luhatëse gjatësore: a – diagrami i rrjedhës së nxehtësisë, b – shtigjet kryesore të transferimit të nxehtësisë.
Përveç nxehtësisë së gjeneruar nga spiralja e ngacmuesit dhe shufra HMM, të gjithë përbërësit e një qarku magnetik të mbyllur përjetojnë humbje magnetike.Kështu, magneti i përhershëm, zgjedha, kapaku dhe mëngët janë të laminuara së bashku për të zvogëluar humbjen magnetike të GMT.
Hapat kryesorë në ndërtimin e një modeli TETN për analizën termike GMT janë si më poshtë: së pari gruponi komponentët me të njëjtat temperatura së bashku dhe përfaqësoni secilin komponent si një nyje të veçantë në rrjet, pastaj lidhni këto nyje me shprehjen e duhur të transferimit të nxehtësisë.përcjellja e nxehtësisë dhe konvekcioni ndërmjet nyjeve.Në këtë rast, burimi i nxehtësisë dhe prodhimi i nxehtësisë që korrespondon me secilin komponent lidhen paralelisht midis nyjes dhe tensionit të përbashkët zero të tokës për të ndërtuar një model ekuivalent të rrjetit të nxehtësisë.Hapi tjetër është llogaritja e parametrave të rrjetit termik për secilin komponent të modelit, duke përfshirë rezistencën termike, kapacitetin e nxehtësisë dhe humbjet e energjisë.Së fundi, modeli TETN është implementuar në SPICE për simulim.Dhe mund të merrni shpërndarjen e temperaturës së secilit komponent të GMT dhe ndryshimin e tij në domenin e kohës.
Për lehtësinë e modelimit dhe llogaritjes, është e nevojshme të thjeshtohet modeli termik dhe të injorohen kushtet kufitare që kanë pak efekt në rezultatet18,26.Modeli TETN i propozuar në këtë artikull bazohet në supozimet e mëposhtme:
Në GMT me mbështjellje të plagosur rastësisht, është e pamundur ose e nevojshme të simulohet pozicioni i secilit përcjellës individual.Strategji të ndryshme modelimi janë zhvilluar në të kaluarën për të modeluar transferimin e nxehtësisë dhe shpërndarjen e temperaturës brenda mbështjelljeve: (1) përçueshmëria termike e përbërë, (2) ekuacionet direkte të bazuara në gjeometrinë e përcjellësit, (3) qarku termik T-ekuivalent29.
Përçueshmëria termike e përbërë dhe ekuacionet direkte mund të konsiderohen zgjidhje më të sakta se qarku ekuivalent T, por ato varen nga disa faktorë, si materiali, gjeometria e përcjellësit dhe vëllimi i ajrit të mbetur në mbështjellje, të cilët janë të vështirë të përcaktohen29.Përkundrazi, skema termike ekuivalente T, edhe pse një model i përafërt, është më i përshtatshëm30.Mund të aplikohet në bobinën e ngacmimit me dridhje gjatësore të GMT.
Asambleja e përgjithshme cilindrike e zbrazët e përdorur për të përfaqësuar bobinën ngacmuese dhe diagrami termik i tij T-ekuivalent, i marrë nga zgjidhja e ekuacionit të nxehtësisë, janë paraqitur në fig.3. Supozohet se fluksi i nxehtësisë në bobinën e ngacmimit është i pavarur në drejtimet radiale dhe boshtore.Fluksi rrethues i nxehtësisë është lënë pas dore.Në çdo qark ekuivalent T, dy terminale përfaqësojnë temperaturën përkatëse të sipërfaqes së elementit, dhe terminali i tretë T6 përfaqëson temperaturën mesatare të elementit.Humbja e komponentit P6 futet si burim i pikës në nyjen mesatare të temperaturës të llogaritur në "Llogaritjen e humbjes së nxehtësisë së spirales në terren".Në rastin e simulimit jo-stacionar, kapaciteti i nxehtësisë C6 jepet nga ekuacioni.(1) shtohet gjithashtu në nyjen e temperaturës mesatare.
Ku cec, ρec dhe Vec përfaqësojnë respektivisht nxehtësinë specifike, densitetin dhe vëllimin e bobinës së ngacmimit.
Në tabelë.1 tregon rezistencën termike të qarkut termik T-ekuivalent të bobinës së ngacmimit me gjatësi lec, përçueshmëri termike λec, rreze e jashtme rec1 dhe rreze të brendshme rec2.
Bobinat ngacmuese dhe qarqet termike të tyre T-ekuivalente: (a) elemente cilindrike zakonisht të zbrazëta, (b) qarqe termike të ndara aksiale dhe radiale me ekuivalent T.
Qarku ekuivalent T është treguar i saktë edhe për burimet e tjera cilindrike të nxehtësisë13.Duke qenë burimi kryesor i nxehtësisë i OMGJ-së, shufra HMM ka një shpërndarje të pabarabartë të temperaturës për shkak të përçueshmërisë së ulët termike, veçanërisht përgjatë boshtit të shufrës.Përkundrazi, johomogjeniteti radial mund të neglizhohet, pasi fluksi radial i nxehtësisë i shufrës HMM është shumë më i vogël se fluksi radial i nxehtësisë31.
Për të paraqitur me saktësi nivelin e diskretimit boshtor të shufrës dhe për të marrë temperaturën më të lartë, shufra GMM përfaqësohet nga n nyje të vendosura në mënyrë uniforme në drejtimin boshtor dhe numri i nyjeve n të modeluara nga shufra GMM duhet të jetë tek.Numri i kontureve termike aksiale ekuivalente është n T figura 4.
Për të përcaktuar numrin e nyjeve n të përdorura për të modeluar shiritin GMM, rezultatet FEM janë paraqitur në fig.5 si referencë.Siç tregohet në fig.4, numri i nyjeve n rregullohet në skemën termike të shufrës HMM.Çdo nyje mund të modelohet si një qark T-ekuivalent.Krahasimi i rezultateve të FEM, nga Fig. 5 tregon se një ose tre nyje nuk mund të pasqyrojnë me saktësi shpërndarjen e temperaturës së shufrës HIM (rreth 50 mm e gjatë) në OMGJ.Kur n rritet në 5, rezultatet e simulimit përmirësohen ndjeshëm dhe i afrohen FEM.Rritja e mëtejshme e n jep gjithashtu rezultate më të mira me koston e kohës më të gjatë të llogaritjes.Prandaj, në këtë artikull zgjidhen 5 nyje për modelimin e shiritit GMM.
Bazuar në analizën krahasuese të kryer, skema e saktë termike e shufrës HMM është paraqitur në figurën 6. T1 ~ T5 është temperatura mesatare e pesë seksioneve (seksioni 1 ~ 5) të shkopit.P1-P5 përkatësisht përfaqësojnë fuqinë totale termike të zonave të ndryshme të shufrës, e cila do të diskutohet në detaje në kapitullin vijues.C1~C5 janë kapaciteti termik i rajoneve të ndryshme, të cilat mund të llogariten me formulën e mëposhtme
ku crod, ρrod dhe Vrod tregojnë kapacitetin specifik të nxehtësisë, densitetin dhe vëllimin e shufrës HMM.
Duke përdorur të njëjtën metodë si për bobinën ngacmues, rezistenca e transferimit të nxehtësisë së shufrës HMM në Fig. 6 mund të llogaritet si
ku lrod, rrod dhe λrod përfaqësojnë përkatësisht gjatësinë, rrezen dhe përçueshmërinë termike të shufrës GMM.
Për dridhjen gjatësore GMT të studiuar në këtë artikull, përbërësit e mbetur dhe ajri i brendshëm mund të modelohen me një konfigurim të vetëm nyjesh.
Këto zona mund të konsiderohen se përbëhen nga një ose më shumë cilindra.Një lidhje thjesht përçuese e shkëmbimit të nxehtësisë në një pjesë cilindrike përcaktohet nga ligji i përçueshmërisë së nxehtësisë Fourier si
Ku λnhs është përçueshmëria termike e materialit, lnhs është gjatësia boshtore, rnhs1 dhe rnhs2 janë respektivisht rrezet e jashtme dhe të brendshme të elementit të transferimit të nxehtësisë.
Ekuacioni (5) përdoret për të llogaritur rezistencën termike radiale për këto zona, të përfaqësuar nga RR4-RR12 në Figurën 7. Në të njëjtën kohë, ekuacioni (6) përdoret për të llogaritur rezistencën termike boshtore, e përfaqësuar nga RA15 në RA33 në figurë. 7.
Kapaciteti i nxehtësisë i një qarku termik me një nyje për zonën e mësipërme (përfshirë C7-C15 në Fig. 7) mund të përcaktohet si
ku ρnhs, cnhs dhe Vnhs janë respektivisht gjatësia, nxehtësia specifike dhe vëllimi.
Transferimi konvektiv i nxehtësisë midis ajrit brenda GMT dhe sipërfaqes së kutisë dhe mjedisit modelohet me një rezistencë të vetme përçueshmërie termike si më poshtë:
ku A është sipërfaqja e kontaktit dhe h është koeficienti i transferimit të nxehtësisë.Tabela 232 liston disa h tipike të përdorura në sistemet termike.Sipas tabelës.2 koeficientë të transferimit të nxehtësisë të rezistencave termike RH8–RH10 dhe RH14–RH18, që përfaqësojnë konvekcionin midis HMF dhe mjedisit në fig.7 merren si vlerë konstante prej 25 W/(m2 K).Koeficientët e mbetur të transferimit të nxehtësisë vendosen të barabartë me 10 W/(m2 K).
Sipas procesit të transferimit të nxehtësisë së brendshme të paraqitur në Figurën 2, modeli i plotë i konvertuesit TETN është paraqitur në Figurën 7.
Siç tregohet në fig.7, dridhja gjatësore GMT është e ndarë në 16 nyje, të cilat përfaqësohen nga pika të kuqe.Nyjet e temperaturës të paraqitura në model korrespondojnë me temperaturat mesatare të komponentëve përkatës.Temperatura e ambientit T0, temperatura e shufrës GMM T1~T5, temperatura e bobinës së ngacmuesit T6, temperatura e magnetit të përhershëm T7 dhe T8, temperatura e zgjedhës T9~T10, temperatura e kasës T11~T12 dhe T14, temperatura e ajrit të brendshëm T13 dhe temperatura e shufrës së daljes T15.Përveç kësaj, çdo nyje lidhet me potencialin termik të tokës përmes C1 ~ C15, të cilat përfaqësojnë përkatësisht kapacitetin termik të çdo zone.P1~P6 është prodhimi total i nxehtësisë së shufrës GMM dhe spirales ngacmuese përkatësisht.Për më tepër, 54 rezistenca termike përdoren për të përfaqësuar rezistencën përçuese dhe konvektive ndaj transferimit të nxehtësisë midis nyjeve ngjitur, të cilat u llogaritën në seksionet e mëparshme.Tabela 3 tregon karakteristikat e ndryshme termike të materialeve të konvertuesit.
Vlerësimi i saktë i vëllimeve të humbjeve dhe shpërndarja e tyre është kritike për kryerjen e simulimeve termike të besueshme.Humbja e nxehtësisë e gjeneruar nga GMT mund të ndahet në humbjen magnetike të shufrës GMM, humbjen e xhaulit të spirales ngacmuese, humbjen mekanike dhe humbjen shtesë.Humbjet shtesë dhe humbjet mekanike të marra në konsideratë janë relativisht të vogla dhe mund të neglizhohen.
Rezistenca e mbështjelljes së ngacmimit të ac përfshin: rezistencën dc Rdc dhe rezistencën e lëkurës Rs.
ku f dhe N janë frekuenca dhe numri i rrotullimeve të rrymës së ngacmimit.lCu dhe rCu janë rrezet e brendshme dhe të jashtme të spirales, gjatësia e spirales dhe rrezja e telit magnetik të bakrit siç përcaktohet nga numri i tij AWG (American Wire Gauge).ρCu është rezistenca e bërthamës së saj.μCu është përshkueshmëria magnetike e bërthamës së saj.
Fusha magnetike aktuale brenda spirales së fushës (solenoid) nuk është uniforme përgjatë gjatësisë së shufrës.Ky ndryshim është veçanërisht i dukshëm për shkak të përshkueshmërisë më të ulët magnetike të shufrave HMM dhe PM.Por është simetrik gjatësor.Shpërndarja e fushës magnetike përcakton drejtpërdrejt shpërndarjen e humbjeve magnetike të shufrës HMM.Prandaj, për të pasqyruar shpërndarjen reale të humbjeve, merret për matje një shufër me tre seksione, e paraqitur në figurën 8.
Humbja magnetike mund të merret duke matur ciklin dinamik të histerezës.Bazuar në platformën eksperimentale të paraqitur në Figurën 11, u matën tre unaza dinamike të histerezës.Nën kushtin që temperatura e shufrës GMM të jetë e qëndrueshme nën 50°C, furnizimi me energji AC i programueshëm (Chroma 61512) drejton spiralen e fushës në një interval të caktuar, siç tregohet në figurën 8, frekuenca e fushës magnetike të krijuar nga rryma e provës dhe densiteti i fluksit magnetik që rezulton llogariten duke integruar tensionin e induktuar në bobinën e induksionit të lidhur me shufrën GIM.Të dhënat e papërpunuara u shkarkuan nga regjistruesi i memories (MR8875-30 në ditë) dhe u përpunuan në softuerin MATLAB për të marrë ciklin e histerezës dinamike të matur të treguar në Fig. 9.
Cipat e histerezës dinamike të matura: (a) seksioni 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) seksioni 1/5: fm = 1000 Hz, (c) seksioni 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) seksioni 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) seksioni 3: Bm = 0,07228 T, (f) seksioni 3: fm = 1000 Hz.
Sipas literaturës 37, humbja totale magnetike Pv për njësi vëllimi të shufrave HMM mund të llogaritet duke përdorur formulën e mëposhtme:
ku ABH është zona matëse në kurbën BH në frekuencën e fushës magnetike fm e barabartë me frekuencën e rrymës së ngacmimit f.
Bazuar në metodën e ndarjes së humbjeve Bertotti38, humbja magnetike për njësi të masës Pm të një shufre GMM mund të shprehet si shuma e humbjes së histerezës Ph, humbjes së rrymës vorbull Pe dhe humbjes anormale Pa (13):
Nga një këndvështrim inxhinierik38, humbjet anormale dhe humbjet e rrymës vorbull mund të kombinohen në një term të quajtur humbje totale e rrymës vorbull.Kështu, formula për llogaritjen e humbjeve mund të thjeshtohet si më poshtë:
në ekuacion.(13)~(14) ku Bm është amplituda e densitetit magnetik të fushës magnetike emocionuese.kh dhe kc janë faktori i humbjes së histerezës dhe faktori i humbjes totale të rrymës vorbull.