2507 nerūsējošā tērauda spoles caurules ķīmiskā sastāvdaļa, līdzvērtīga termiskā tīkla simulācijas pētījums par milzīgu retzemju magnetostriktīvo devēju

Paldies, ka apmeklējāt vietni Nature.com.Jūs izmantojat pārlūkprogrammas versiju ar ierobežotu CSS atbalstu.Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, ieteicams izmantot atjauninātu pārlūkprogrammu (vai atspējot saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer).Turklāt, lai nodrošinātu pastāvīgu atbalstu, mēs rādām vietni bez stiliem un JavaScript.
Slīdņi, kas parāda trīs rakstus katrā slaidā.Izmantojiet pogas Atpakaļ un Nākamais, lai pārvietotos pa slaidiem, vai slaidu kontrollera pogas beigās, lai pārvietotos pa katru slaidu.

• Produkta apraksts
• 2507 Nerūsējošā tērauda tinuma caurules no Ķīnas

Milzīgā magnetostriktīvā devēja (GMT) konstrukcijai ļoti svarīga ir ātra un precīza temperatūras sadalījuma analīze.Termiskā tīkla modelēšanai ir zemas skaitļošanas izmaksas un augsta precizitāte, un to var izmantot GMT termiskai analīzei.Tomēr esošajiem termiskajiem modeļiem ir ierobežojumi, aprakstot šos sarežģītos termiskos režīmus GMT: lielākā daļa pētījumu koncentrējas uz stacionāriem stāvokļiem, kas nevar uztvert temperatūras izmaiņas;Parasti tiek pieņemts, ka milzīgo magnetostriktīvo (GMM) stieņu temperatūras sadalījums ir vienmērīgs, bet temperatūras gradients visā GMM stieņā ir ļoti nozīmīgs sliktas siltumvadītspējas dēļ, nevienmērīgs GMM zudumu sadalījums reti tiek ievadīts siltumā. modelis.Tāpēc, visaptveroši apsverot iepriekš minētos trīs aspektus, šajā dokumentā ir izveidots GMT pārejas ekvivalenta siltuma tīkla (TETN) modelis.Pirmkārt, pamatojoties uz garenvirziena vibrācijas HMT konstrukciju un darbības principu, tiek veikta termiskā analīze.Uz tā pamata tiek izveidots sildelementa modelis HMT siltuma pārneses procesam un aprēķināti atbilstošie modeļa parametri.Visbeidzot, TETN modeļa precizitāte devēja temperatūras spatiotemporālajai analīzei tiek pārbaudīta ar simulāciju un eksperimentu.
Milzu magnetostriktīvajam materiālam (GMM), proti, terfenolam-D, ir liela magnetostrikcija un augsts enerģijas blīvums.Šīs unikālās īpašības var izmantot, lai izstrādātu milzīgus magnetostriktīvos devējus (GMT), kurus var izmantot plašā lietojumu klāstā, piemēram, zemūdens akustiskajos devējos, mikromotoros, lineāros izpildmehānismos utt. 1,2.
Īpašas bažas rada zemūdens GMT pārkaršanas iespēja, kas, darbojoties ar pilnu jaudu un ilgstoši ierosinot, var radīt ievērojamu daudzumu siltuma to lielā jaudas blīvuma dēļ3,4.Turklāt, pateicoties lielajam GMT termiskās izplešanās koeficientam un tā augstajai jutībai pret ārējo temperatūru, tā izejas veiktspēja ir cieši saistīta ar temperatūru5,6,7,8.Tehniskajās publikācijās GMT termiskās analīzes metodes var iedalīt divās plašās kategorijās9: skaitliskās metodes un vienreizējo parametru metodes.Galīgo elementu metode (FEM) ir viena no visbiežāk izmantotajām skaitliskās analīzes metodēm.Xie et al.[10] izmantoja galīgo elementu metodi, lai modelētu milzu magnetostriktīvās piedziņas siltuma avotu sadalījumu un realizēja piedziņas temperatūras kontroles un dzesēšanas sistēmas konstrukciju.Zhao et al.[11] izveidoja apvienotu turbulentas plūsmas lauka un temperatūras lauka galīgo elementu simulāciju un izveidoja GMM viedo komponentu temperatūras kontroles ierīci, pamatojoties uz galīgo elementu simulācijas rezultātiem.Tomēr FEM ir ļoti prasīgs modeļa iestatīšanas un aprēķina laika ziņā.Šī iemesla dēļ FEM tiek uzskatīts par svarīgu atbalstu bezsaistes aprēķiniem, parasti pārveidotāja projektēšanas fāzē.
Vienreizējo parametru metode, ko parasti dēvē par siltumtīklu modeli, tiek plaši izmantota termodinamiskajā analīzē tās vienkāršās matemātiskās formas un lielā aprēķina ātruma dēļ12,13,14.Šai pieejai ir svarīga loma dzinēju 15, 16, 17 termisko ierobežojumu novēršanā. Mellor18 bija pirmais, kas izmantoja uzlabotu termiski ekvivalentu ķēdi T, lai modelētu dzinēja siltuma pārneses procesu.Verez et al.19 izveidots pastāvīgā magnēta sinhronās mašīnas ar aksiālo plūsmu termiskā tīkla trīsdimensiju modelis.Boglietti et al.20 ierosināja četrus dažādas sarežģītības termisko tīklu modeļus, lai prognozētu īslaicīgas termiskās pārejas statora tinumos.Visbeidzot, Wang et al.21 izveidoja detalizētu termiski ekvivalentu ķēdi katram PMSM komponentam un apkopoja termiskās pretestības vienādojumu.Nominālajos apstākļos kļūdu var kontrolēt 5% robežās.
Deviņdesmitajos gados siltumtīkla modeli sāka pielietot lieljaudas zemfrekvences pārveidotājiem.Dubus et al.22 izstrādāja siltuma tīkla modeli, lai aprakstītu stacionāru siltuma pārnesi divpusējā garenvirziena vibratorā un IV klases līkuma sensorā.Anjanappa et al.23 veica magnetostriktīvas mikrodziņas 2D stacionāro termisko analīzi, izmantojot termiskā tīkla modeli.Lai izpētītu saistību starp Terfenol-D termisko deformāciju un GMT parametriem, Zhu et al.24 izveidoja līdzsvara stāvokļa ekvivalentu modeli termiskās pretestības un GMT nobīdes aprēķināšanai.
GMT temperatūras novērtējums ir sarežģītāks nekā dzinēja lietojumos.Pateicoties izmantoto materiālu izcilajai siltumvadītspējai un magnētiskajai vadītspējai, lielākā daļa dzinēja komponentu, ko uzskata par vienu un to pašu temperatūru, parasti tiek samazināti līdz vienam mezglam13,19.Tomēr HMM sliktās siltumvadītspējas dēļ pieņēmums par vienmērīgu temperatūras sadalījumu vairs nav pareizs.Turklāt HMM ir ļoti zema magnētiskā caurlaidība, tāpēc siltums, ko rada magnētiskie zudumi, parasti ir nevienmērīgs gar HMM stieni.Turklāt lielākā daļa pētījumu ir vērsta uz līdzsvara stāvokļa simulācijām, kas neņem vērā temperatūras izmaiņas GMT darbības laikā.
Lai atrisinātu iepriekš minētās trīs tehniskās problēmas, šajā rakstā kā pētījuma objekts tiek izmantota GMT garenvirziena vibrācija un precīzi modelētas dažādas devēja daļas, īpaši GMM stieni.Ir izveidots pilnīga pārejas ekvivalenta siltumtīkla (TETN) GMT modelis.Tika izveidots galīgo elementu modelis un eksperimentālā platforma, lai pārbaudītu TETN modeļa precizitāti un veiktspēju devēja temperatūras spatiotemporālai analīzei.
Garenvirzienā oscilējošā HMF konstrukcija un ģeometriskie izmēri ir parādīti attiecīgi 1.a un b attēlā.
Galvenās sastāvdaļas ir GMM stieņi, lauka spoles, pastāvīgie magnēti (PM), jūgi, spilventiņi, bukses un belleville atsperes.Ierosmes spole un PMT nodrošina HMM stieni ar attiecīgi mainīgu magnētisko lauku un līdzstrāvas novirzes magnētisko lauku.Jūga un korpuss, kas sastāv no vāciņa un uzmavas, ir izgatavoti no DT4 mīkstā dzelzs, kam ir augsta magnētiskā caurlaidība.Ar GIM un PM stieni veido slēgtu magnētisko ķēdi.Izejas kāts un spiediena plāksne ir izgatavoti no nemagnētiska 304 nerūsējošā tērauda.Izmantojot belleville atsperes, kātam var uzlikt stabilu priekšspriegojumu.Kad maiņstrāva iet caur piedziņas spoli, HMM stienis attiecīgi vibrēs.
Uz att.2 parāda siltuma apmaiņas procesu GMT iekšienē.GMM stieņi un lauka spoles ir divi galvenie GMT siltuma avoti.Serpentīns nodod savu siltumu ķermenim ar gaisa konvekciju iekšpusē un vākam ar vadīšanu.HMM stienis radīs magnētiskos zudumus mainīga magnētiskā lauka iedarbībā, un siltums tiks pārnests uz korpusu konvekcijas dēļ caur iekšējo gaisu un uz pastāvīgo magnētu un jūgu vadītspējas dēļ.Siltums, kas pārnests uz korpusu, pēc tam tiek izkliedēts uz ārpusi ar konvekciju un starojumu.Kad radītais siltums ir vienāds ar nodoto siltumu, katras GMT daļas temperatūra sasniedz līdzsvara stāvokli.
Siltuma pārneses process gareniski svārstošā ĢMO: a – siltuma plūsmas diagramma, b – galvenie siltuma pārneses ceļi.
Papildus ierosinātāja spoles un HMM stieņa radītajam siltumam visiem slēgtās magnētiskās ķēdes komponentiem rodas magnētiskie zudumi.Tādējādi pastāvīgais magnēts, jūgs, vāciņš un uzmava ir laminēti kopā, lai samazinātu GMT magnētiskos zudumus.
Galvenie soļi, veidojot TETN modeli GMT termiskai analīzei, ir šādi: vispirms grupējiet komponentus ar vienādām temperatūrām un attēlojiet katru komponentu kā atsevišķu tīkla mezglu, pēc tam saistiet šos mezglus ar atbilstošu siltuma pārneses izteiksmi.siltuma vadīšana un konvekcija starp mezgliem.Šajā gadījumā siltuma avots un katrai sastāvdaļai atbilstošā siltuma jauda ir savienoti paralēli starp mezglu un kopējo zemes nulles spriegumu, lai izveidotu līdzvērtīgu siltumtīkla modeli.Nākamais solis ir katrai modeļa sastāvdaļai aprēķināt siltumtīkla parametrus, ieskaitot siltuma pretestību, siltumietilpību un jaudas zudumus.Visbeidzot, TETN modelis ir ieviests SPICE modelēšanai.Un jūs varat iegūt katras GMT komponentes temperatūras sadalījumu un tā izmaiņas laika domēnā.
Modelēšanas un aprēķinu ērtībai ir nepieciešams vienkāršot termisko modeli un ignorēt robežnosacījumus, kas maz ietekmē rezultātus18,26.Šajā rakstā piedāvātais TETN modelis ir balstīts uz šādiem pieņēmumiem:
GMT ar nejauši uztītiem tinumiem nav iespējams vai nepieciešams simulēt katra atsevišķa vadītāja pozīciju.Agrāk ir izstrādātas dažādas modelēšanas stratēģijas, lai modelētu siltuma pārnesi un temperatūras sadalījumu tinumos: (1) saliktā siltumvadītspēja, (2) tiešie vienādojumi, kuru pamatā ir vadītāja ģeometrija, (3) T-ekvivalenta siltuma ķēde29.
Saliktos siltumvadītspējas un tiešos vienādojumus var uzskatīt par precīzākiem risinājumiem nekā līdzvērtīgo ķēdi T, taču tie ir atkarīgi no vairākiem faktoriem, piemēram, materiāla, vadītāja ģeometrijas un atlikušā gaisa tilpuma tinumā, kurus ir grūti noteikt29.Gluži pretēji, T-ekvivalenta termiskā shēma, lai gan ir aptuvens modelis, ir ērtāka30.To var pielietot ierosmes spolei ar GMT garenvirziena vibrācijām.
Vispārīgais dobais cilindriskais mezgls, ko izmanto, lai attēlotu ierosinātāja spoli, un tā T-ekvivalentā termiskā diagramma, kas iegūta no siltuma vienādojuma risinājuma, ir parādīta attēlā.3. Tiek pieņemts, ka siltuma plūsma ierosmes spolē ir neatkarīga radiālajā un aksiālajā virzienā.Apkārtējā siltuma plūsma ir atstāta novārtā.Katrā ekvivalentajā ķēdē T divi spailes apzīmē atbilstošo elementa virsmas temperatūru, bet trešais spailes T6 apzīmē elementa vidējo temperatūru.P6 komponentes zudums tiek ievadīts kā punktveida avots vidējā temperatūras mezglā, kas aprēķināts “Lauka spoles siltuma zudumu aprēķinā”.Nestacionāras simulācijas gadījumā siltumietilpība C6 tiek dota ar vienādojumu.(1) tiek pievienots arī mezglam Vidējā temperatūra.
Kur cec, ρec un Vec ir attiecīgi ierosmes spoles īpatnējais siltums, blīvums un tilpums.
Tabulā.1 parāda ierosmes spoles T-ekvivalentas termiskās ķēdes termisko pretestību ar garumu lec, siltumvadītspēju λec, ārējo rādiusu rec1 un iekšējo rādiusu rec2.
Ierosinātāju spoles un to T-ekvivalentās termiskās ķēdes: a) parasti dobi cilindriski elementi, b) atsevišķas aksiālās un radiālās T-ekvivalentās termiskās ķēdes.
Līdzvērtīgā ķēde T ir precīza arī citiem cilindriskiem siltuma avotiem13.Tā kā HMM stienim ir galvenais ĢMO siltuma avots, tā zemās siltumvadītspējas dēļ temperatūras sadalījums ir nevienmērīgs, īpaši gar stieņa asi.Gluži pretēji, radiālo neviendabīgumu var neņemt vērā, jo HMM stieņa radiālā siltuma plūsma ir daudz mazāka nekā radiālā siltuma plūsma31.
Lai precīzi attēlotu stieņa aksiālās diskretizācijas līmeni un iegūtu augstāko temperatūru, GMM stieni attēlo n mezgli, kas vienmērīgi izvietoti aksiālā virzienā, un ar GMM stieni modelēto mezglu skaitam n jābūt nepāra.Ekvivalentu aksiālo termisko kontūru skaits ir n T 4. attēls.
Lai noteiktu GMM joslas modelēšanai izmantoto mezglu skaitu n, FEM rezultāti ir parādīti attēlā.5 kā atsauci.Kā parādīts attēlā.4, mezglu skaits n tiek regulēts HMM stieņa termiskajā shēmā.Katru mezglu var modelēt kā T-ekvivalentu ķēdi.Salīdzinot FEM rezultātus, no 5. attēla redzams, ka viens vai trīs mezgli nevar precīzi atspoguļot HIM stieņa (apmēram 50 mm gara) temperatūras sadalījumu ĢMO.Kad n tiek palielināts līdz 5, simulācijas rezultāti ievērojami uzlabojas un tuvojas FEM.Palielinot n, tiek iegūti arī labāki rezultāti uz ilgāka aprēķina laika rēķina.Tāpēc šajā rakstā GMM joslas modelēšanai ir atlasīti 5 mezgli.
Pamatojoties uz veikto salīdzinošo analīzi, precīza HMM stieņa termiskā shēma ir parādīta 6. attēlā. T1 ~ T5 ir piecu nūjas sekciju (1. ~ 5. sekcija) vidējā temperatūra.P1-P5 attiecīgi atspoguļo dažādu stieņa zonu kopējo siltuma jaudu, kas tiks detalizēti apskatīta nākamajā nodaļā.C1 ~ C5 ir dažādu reģionu siltumietilpība, ko var aprēķināt pēc šādas formulas
kur crod, ρrod un Vrod apzīmē HMM stieņa īpatnējo siltumietilpību, blīvumu un tilpumu.
Izmantojot to pašu metodi kā ierosinātāja spolei, HMM stieņa siltuma pārneses pretestību 6. attēlā var aprēķināt kā
kur lrod, rrod un λrod apzīmē attiecīgi GMM stieņa garumu, rādiusu un siltumvadītspēju.
Šajā rakstā pētītajai garenvirziena vibrācijai GMT atlikušos komponentus un iekšējo gaisu var modelēt ar viena mezgla konfigurāciju.
Var uzskatīt, ka šīs zonas sastāv no viena vai vairākiem cilindriem.Tīri vadošs siltuma apmaiņas savienojums cilindriskā daļā ir definēts ar Furjē siltuma vadīšanas likumu kā
Kur λnhs ir materiāla siltumvadītspēja, lnhs ir aksiālais garums, rnhs1 un rnhs2 ir attiecīgi siltuma pārneses elementa ārējais un iekšējais rādiuss.
Vienādojumu (5) izmanto, lai aprēķinātu šo apgabalu radiālo termisko pretestību, kas attēlota ar RR4-RR12 7. attēlā. Tajā pašā laikā vienādojumu (6) izmanto, lai aprēķinātu aksiālo termisko pretestību, kas attēlota no RA15 līdz RA33 attēlā. 7.
Viena mezgla termiskās ķēdes siltumietilpību iepriekšminētajā zonā (ieskaitot C7–C15 7. attēlā) var noteikt kā
kur ρnhs, cnhs un Vnhs ir attiecīgi garums, īpatnējais siltums un tilpums.
Konvektīvā siltuma pārnese starp gaisu GMT iekšpusē un korpusa virsmu un vidi tiek modelēta ar vienu siltumvadītspējas rezistoru šādi:
kur A ir saskares virsma un h ir siltuma pārneses koeficients.232. tabulā ir uzskaitītas dažas tipiskās h, ko izmanto siltuma sistēmās.Saskaņā ar tabulu.2 siltuma pretestības RH8–RH10 un RH14–RH18 siltuma pārneses koeficienti, kas attēlo konvekciju starp HMF un vidi attēlā.7 tiek pieņemti kā nemainīga vērtība 25 W/(m2 K).Atlikušie siltuma pārneses koeficienti ir iestatīti vienādi ar 10 W/(m2 K).
Saskaņā ar iekšējo siltuma pārneses procesu, kas parādīts 2. attēlā, pilns TETN pārveidotāja modelis ir parādīts 7. attēlā.
Kā parādīts attēlā.7, GMT garenvirziena vibrācija ir sadalīta 16 mezglos, kas ir attēloti ar sarkaniem punktiem.Modelī attēlotie temperatūras mezgli atbilst attiecīgo komponentu vidējām temperatūrām.Apkārtējās vides temperatūra T0, GMM stieņa temperatūra T1 ~ T5, ierosinātāja spoles temperatūra T6, pastāvīgā magnēta temperatūra T7 un T8, jūga temperatūra T9 ~ T10, korpusa temperatūra T11 ~ T12 un T14, iekštelpu gaisa temperatūra T13 un izejas stieņa temperatūra T15.Turklāt katrs mezgls ir savienots ar zemes termisko potenciālu caur C1 ~ C15, kas attiecīgi atspoguļo katras zonas siltuma jaudu.P1 ~ P6 ir attiecīgi GMM stieņa un ierosinātāja spoles kopējā siltuma jauda.Turklāt 54 siltuma pretestības tiek izmantotas, lai attēlotu vadošo un konvektīvo pretestību siltuma pārnesei starp blakus esošajiem mezgliem, kas tika aprēķināti iepriekšējās sadaļās.3. tabulā parādīti pārveidotāja materiālu dažādie termiskie raksturlielumi.
Precīzs zaudējumu apjomu un to sadalījuma novērtējums ir būtisks, lai veiktu uzticamas termiskās simulācijas.Siltuma zudumus, ko rada GMT, var iedalīt GMM stieņa magnētiskajos zudumos, ierosinātāja spoles džoula zudumos, mehāniskajos zudumos un papildu zudumos.Papildu zudumi un mehāniskie zudumi, kas tiek ņemti vērā, ir salīdzinoši nelieli, un tos var neievērot.
Maiņstrāvas ierosmes spoles pretestība ietver: līdzstrāvas pretestību Rdc un ādas pretestību Rs.
kur f un N ir ierosmes strāvas frekvence un apgriezienu skaits.lCu un rCu ir spoles iekšējais un ārējais rādiuss, spoles garums un vara magnētiskā stieples rādiuss, kas noteikts ar tā AWG (amerikāņu stieples mērītāja) numuru.ρCu ir tā kodola pretestība.µCu ir tā kodola magnētiskā caurlaidība.
Faktiskais magnētiskais lauks lauka spoles (solenoīda) iekšpusē nav vienmērīgs visā stieņa garumā.Šī atšķirība ir īpaši pamanāma HMM un PM stieņu zemākas magnētiskās caurlaidības dēļ.Bet tas ir gareniski simetrisks.Magnētiskā lauka sadalījums tieši nosaka HMM stieņa magnētisko zudumu sadalījumu.Tāpēc, lai atspoguļotu reālo zaudējumu sadalījumu, mērījumiem tiek ņemts trīs sekciju stienis, kas parādīts 8. attēlā.
Magnētiskos zudumus var iegūt, mērot dinamisko histerēzes cilpu.Pamatojoties uz eksperimentālo platformu, kas parādīta 11. attēlā, tika izmērītas trīs dinamiskās histerēzes cilpas.Ar nosacījumu, ka GMM stieņa temperatūra ir stabila zem 50°C, programmējamais maiņstrāvas barošanas avots (Chroma 61512) vada lauka spoli noteiktā diapazonā, kā parādīts 8. attēlā, magnētiskā lauka frekvenci, ko rada testa strāvu un iegūto magnētiskās plūsmas blīvumu aprēķina, integrējot spriegumu, kas inducēts indukcijas spolē, kas savienota ar GIM stieni.Neapstrādātie dati tika lejupielādēti no atmiņas reģistrētāja (MR8875-30 dienā) un apstrādāti MATLAB programmatūrā, lai iegūtu izmērītās dinamiskās histerēzes cilpas, kas parādītas 9. attēlā.
Izmērītās dinamiskās histerēzes cilpas: (a) 1/5 sekcija: Bm = 0,044735 T, (b) 1/5 sekcija: fm = 1000 Hz, c) 2/4. sadaļa: Bm = 0,05955 T, (d) 2. sadaļa. 4: fm = 1000 Hz, (e) 3. sadaļa: Bm = 0,07228 T, (f) 3. sadaļa: fm = 1000 Hz.
Saskaņā ar literatūru 37 kopējo magnētisko zudumu Pv uz HMM stieņu tilpuma vienību var aprēķināt, izmantojot šādu formulu:
kur ABH ir mērījumu laukums uz BH līknes pie magnētiskā lauka frekvences fm, kas vienāda ar ierosmes strāvas frekvenci f.
Pamatojoties uz Bertoti zudumu atdalīšanas metodi38, GMM stieņa magnētiskos zudumus uz masas vienību Pm var izteikt kā histerēzes zuduma Ph, virpuļstrāvas zuduma Pe un anomālo zudumu Pa (13) summu:
No inženierijas viedokļa38 anomālos zudumus un virpuļstrāvas zudumus var apvienot vienā terminā, ko sauc par kopējo virpuļstrāvas zudumu.Tādējādi zaudējumu aprēķināšanas formulu var vienkāršot šādi:
vienādojumā.(13) ~ (14) kur Bm ir aizraujošā magnētiskā lauka magnētiskā blīvuma amplitūda.kh un kc ir histerēzes zuduma koeficients un kopējais virpuļstrāvas zuduma koeficients.