2507 nerūdijančio plieno ritės vamzdžio cheminis komponentas, lygiavertis retųjų žemių milžiniško magnetostrikcinio keitiklio terminio tinklo modeliavimo tyrimas

Dėkojame, kad apsilankėte Nature.com.Naudojate naršyklės versiją su ribotu CSS palaikymu.Norėdami gauti geriausią patirtį, rekomenduojame naudoti atnaujintą naršyklę (arba išjungti suderinamumo režimą „Internet Explorer“).Be to, norėdami užtikrinti nuolatinį palaikymą, svetainę rodome be stilių ir JavaScript.
Slankikliai, rodantys tris straipsnius vienoje skaidrėje.Norėdami pereiti per skaidres, naudokite mygtukus „Atgal“ ir „Kitas“ arba, norėdami pereiti per kiekvieną skaidrę, naudokite skaidrių valdiklio mygtukus pabaigoje.

• Prekės aprašymas
• 2507 Nerūdijančio plieno suvynioti vamzdžiai iš Kinijos

Milžiniško magnetostrikcinio keitiklio (GMT) konstrukcijai labai svarbu yra greita ir tiksli temperatūros pasiskirstymo analizė.Šiluminio tinklo modeliavimas turi mažų skaičiavimo sąnaudų ir didelio tikslumo pranašumus ir gali būti naudojamas GMT terminei analizei.Tačiau esami šiluminiai modeliai turi apribojimų aprašant šiuos sudėtingus terminius režimus GMT: dauguma tyrimų daugiausia dėmesio skiria stacionarioms būsenoms, kurios negali užfiksuoti temperatūros pokyčių;Paprastai daroma prielaida, kad milžiniškų magnetostrikcinių (GMM) strypų temperatūros pasiskirstymas yra vienodas, tačiau temperatūros gradientas visoje GMM lazdoje yra labai reikšmingas dėl prasto šilumos laidumo, todėl netolygus GMM nuostolių pasiskirstymas retai patenka į šiluminę sistemą. modelis.Todėl, visapusiškai įvertinus pirmiau minėtus tris aspektus, šiame dokumente nustatomas GMT pereinamojo ekvivalentinio šilumos tinklo (TETN) modelis.Pirmiausia, remiantis išilginio vibracinio HMT konstrukcija ir veikimo principu, atliekama šiluminė analizė.Tuo remiantis, HMT šilumos perdavimo procesui sudaromas šildymo elemento modelis ir apskaičiuojami atitinkami modelio parametrai.Galiausiai, TETN modelio tikslumas keitiklio temperatūros erdvėlaikinei analizei patikrinamas modeliuojant ir eksperimentuojant.
Milžiniška magnetostrikcinė medžiaga (GMM), ty terfenolis-D, turi didelės magnetostrikcijos ir didelio energijos tankio pranašumus.Šios unikalios savybės gali būti panaudotos kuriant milžiniškus magnetostrikcinius keitiklius (GMT), kurie gali būti naudojami įvairiose srityse, pavyzdžiui, povandeniniuose akustiniuose keitikliuose, mikrovarikliuose, linijinėse pavarose ir kt. 1,2.
Ypatingą susirūpinimą kelia galimybė perkaisti povandeninius GMT, kurie, kai jie veikia visa galia ir ilgą laiką sužadina, dėl didelio galios tankio gali generuoti didelį šilumos kiekį3,4.Be to, dėl didelio GMT šiluminio plėtimosi koeficiento ir didelio jautrumo išorinei temperatūrai jo išėjimo našumas yra glaudžiai susijęs su temperatūra5,6,7,8.Techniniuose leidiniuose GMT šiluminės analizės metodus galima suskirstyti į dvi plačias kategorijas9: skaitmeninius metodus ir vienkartinių parametrų metodus.Baigtinių elementų metodas (FEM) yra vienas iš dažniausiai naudojamų skaitmeninės analizės metodų.Xie ir kt.[10] panaudojo baigtinių elementų metodą milžiniškos magnetostrikcinės pavaros šilumos šaltinių pasiskirstymui imituoti ir realizavo pavaros temperatūros valdymo ir aušinimo sistemos konstrukciją.Zhao ir kt.[11] sukūrė bendrą turbulentinio srauto lauko ir temperatūros lauko baigtinių elementų modeliavimą ir, remdamasis baigtinių elementų modeliavimo rezultatais, sukonstravo GMM išmaniųjų komponentų temperatūros valdymo įrenginį.Tačiau FEM yra labai reiklus modelio nustatymo ir skaičiavimo laiko atžvilgiu.Dėl šios priežasties FEM laikoma svarbia atrama atliekant skaičiavimus neprisijungus, dažniausiai keitiklio projektavimo etape.
Vienkartinių parametrų metodas, paprastai vadinamas šilumos tinklo modeliu, dėl paprastos matematinės formos ir didelio skaičiavimo greičio yra plačiai naudojamas termodinaminėje analizėje12,13,14.Šis metodas atlieka svarbų vaidmenį pašalinant variklių 15, 16, 17 šiluminius apribojimus. Mellor18 pirmasis panaudojo patobulintą šiluminę ekvivalentinę grandinę T variklio šilumos perdavimo procesui modeliuoti.Verez ir kt.19 sukurtas trimatis nuolatinio magneto sinchroninės mašinos su ašiniu srautu šiluminio tinklo modelis.Boglietti ir kt.20 pasiūlė keturis įvairaus sudėtingumo šiluminio tinklo modelius, kad būtų galima numatyti trumpalaikius terminius pereinamuosius statoriaus apvijų pokyčius.Galiausiai Wang ir kt.21 sukūrė išsamią kiekvieno PMSM komponento šiluminę ekvivalentinę grandinę ir apibendrino šiluminės varžos lygtį.Esant nominalioms sąlygoms, paklaida gali būti kontroliuojama per 5%.
Dešimtajame dešimtmetyje šilumos tinklo modelis pradėtas taikyti didelės galios žemo dažnio keitikliams.Dubus ir kt.22 sukūrė šilumos tinklo modelį, skirtą aprašyti stacionarų šilumos perdavimą dvipusiame išilginiame vibratoriuje ir IV klasės lenkimo daviklyje.Anjanappa ir kt.23 atliko magnetostrikcinio mikropavaros 2D stacionarią šiluminę analizę, naudodami terminio tinklo modelį.Norėdami ištirti terfenolio-D šiluminės deformacijos ir GMT parametrų ryšį, Zhu ir kt.24 sukurtas pastovios būsenos ekvivalento modelis šiluminės varžos ir GMT poslinkio skaičiavimui.
GMT temperatūros įvertinimas yra sudėtingesnis nei variklio programos.Dėl puikaus naudojamų medžiagų šiluminio ir magnetinio laidumo dauguma variklio komponentų, laikomų toje pačioje temperatūroje, paprastai yra sumažinami iki vieno mazgo13,19.Tačiau dėl prasto HMM šilumos laidumo prielaida apie vienodą temperatūros pasiskirstymą nebėra teisinga.Be to, HMM turi labai mažą magnetinį pralaidumą, todėl magnetinių nuostolių generuojama šiluma paprastai būna netolygi išilgai HMM strypo.Be to, didžioji dalis tyrimų yra orientuota į pastovios būsenos modeliavimą, kuriame neatsižvelgiama į temperatūros pokyčius GMT veikimo metu.
Siekiant išspręsti aukščiau išvardintas tris technines problemas, šiame straipsnyje kaip tyrimo objektas naudojama GMT išilginė vibracija ir tiksliai modeliuojamos įvairios keitiklio dalys, ypač GMM strypas.Sukurtas pilno pereinamojo laikotarpio ekvivalentinio šilumos tinklo (TETN) GMT modelis.Buvo sukurtas baigtinių elementų modelis ir eksperimentinė platforma, siekiant patikrinti TETN modelio tikslumą ir našumą keitiklio temperatūros erdvėlaikinei analizei.
Išilgai svyruojančio HMF konstrukcija ir geometriniai matmenys parodyti atitinkamai 1a ir b pav.
Pagrindiniai komponentai yra GMM strypai, lauko ritės, nuolatiniai magnetai (PM), jungai, trinkelės, įvorės ir belleville spyruoklės.Sužadinimo ritė ir PMT suteikia HMM lazdele atitinkamai kintamąjį magnetinį lauką ir DC poslinkio magnetinį lauką.Jungas ir korpusas, susidedantis iš dangtelio ir rankovės, pagaminti iš DT4 minkštos geležies, kuri pasižymi dideliu magnetiniu pralaidumu.Su GIM ir PM lazdele sudaro uždarą magnetinę grandinę.Išėjimo kotas ir slėgio plokštė pagaminti iš nemagnetinio 304 nerūdijančio plieno.Naudojant belleville spyruokles, ant koto galima pritaikyti stabilų išankstinį įtempimą.Kai kintamoji srovė praeina per pavaros ritę, HMM strypas atitinkamai vibruos.
Ant pav.2 parodytas šilumos mainų procesas GMT viduje.GMM strypai ir lauko ritės yra du pagrindiniai GMT šilumos šaltiniai.Serpantinas perduoda savo šilumą kūnui oro konvekcijos būdu viduje ir dangčiui laidumo būdu.HMM strypas sukurs magnetinius nuostolius veikiant kintamam magnetiniam laukui, o šiluma dėl konvekcijos per vidinį orą bus perduota į korpusą, o dėl laidumo - į nuolatinį magnetą ir jungą.Tada į korpusą perduota šiluma konvekcijos ir spinduliuotės būdu išsklaido į išorę.Kai generuojama šiluma lygi perduodamai šilumai, kiekvienos GMT dalies temperatūra pasiekia pastovią būseną.
Šilumos perdavimo procesas išilgai svyruojančiame GMO: a – šilumos srauto diagrama, b – pagrindiniai šilumos perdavimo keliai.
Be žadintuvo ritės ir HMM strypo generuojamos šilumos, visi uždaros magnetinės grandinės komponentai patiria magnetinių nuostolių.Taigi nuolatinis magnetas, jungas, dangtelis ir įvorė yra laminuoti kartu, kad būtų sumažintas GMT magnetinis praradimas.
Pagrindiniai GMT šiluminės analizės TETN modelio kūrimo žingsniai yra tokie: pirmiausia sugrupuokite komponentus, kurių temperatūra yra tokia pati, ir pavaizduokite kiekvieną komponentą kaip atskirą tinklo mazgą, tada susiekite šiuos mazgus su atitinkama šilumos perdavimo išraiška.šilumos laidumas ir konvekcija tarp mazgų.Šiuo atveju šilumos šaltinis ir kiekvieną komponentą atitinkanti šilumos išeiga yra sujungti lygiagrečiai tarp mazgo ir bendros nulinės žemės įtampos, kad būtų sukurtas lygiavertis šilumos tinklo modelis.Kitas žingsnis – apskaičiuoti kiekvieno modelio komponento šiluminio tinklo parametrus, įskaitant šiluminę varžą, šilumos talpą ir galios nuostolius.Galiausiai, TETN modelis yra įdiegtas SPICE modeliavimui.Ir jūs galite gauti kiekvieno GMT komponento temperatūros pasiskirstymą ir jo pasikeitimą laiko srityje.
Modeliavimo ir skaičiavimo patogumui būtina supaprastinti šiluminį modelį ir nepaisyti ribinių sąlygų, kurios turi mažai įtakos rezultatams18,26.Šiame straipsnyje siūlomas TETN modelis grindžiamas šiomis prielaidomis:
GMT su atsitiktinai suvyniotomis apvijomis neįmanoma arba būtina imituoti kiekvieno atskiro laidininko padėtį.Anksčiau buvo sukurtos įvairios modeliavimo strategijos, skirtos modeliuoti šilumos perdavimą ir temperatūros pasiskirstymą apvijose: (1) sudėtinis šilumos laidumas, (2) tiesioginės lygtys, pagrįstos laidininko geometrija, (3) T lygiavertė šiluminė grandinė29.
Sudėtinės šilumos laidumo ir tiesioginės lygtys gali būti laikomos tikslesniais sprendimais nei lygiavertė grandinė T, tačiau jos priklauso nuo keleto veiksnių, tokių kaip medžiaga, laidininko geometrija ir liekamojo oro tūris apvijoje, kuriuos sunku nustatyti29.Priešingai, T ekvivalento šiluminė schema, nors ir apytikslis modelis, yra patogesnė30.Jis gali būti taikomas sužadinimo ritei su išilginėmis GMT vibracijomis.
Bendras tuščiaviduris cilindrinis mazgas, naudojamas vaizduoti sužadinimo ritę, ir jo T ekvivalento šiluminė diagrama, gauta iš šilumos lygties sprendimo, parodyta fig.3. Daroma prielaida, kad šilumos srautas žadinimo ritėje yra nepriklausomas radialine ir ašine kryptimis.Apskrities šilumos srautas nepaisomas.Kiekvienoje ekvivalentinėje grandinėje T du gnybtai reiškia atitinkamą elemento paviršiaus temperatūrą, o trečiasis gnybtas T6 – vidutinę elemento temperatūrą.P6 komponento nuostoliai įvedami kaip taškinis šaltinis vidutinės temperatūros mazge, apskaičiuotame „Lauko ritės šilumos nuostolių skaičiavime“.Nestacionaraus modeliavimo atveju šilumos talpa C6 pateikiama lygtimi.(1) taip pat pridedamas prie vidutinės temperatūros mazgo.
Kai cec, ρec ir Vec reiškia atitinkamai sužadinimo ritės savitąją šilumą, tankį ir tūrį.
Lentelėje.1 parodyta žadinimo ritės T lygiavertės šiluminės grandinės šiluminė varža, kurios ilgis lec, šilumos laidumas λec, išorinis spindulys rec1 ir vidinis spindulys rec2.
Sužadinimo ritės ir joms T ekvivalentinės šiluminės grandinės: a) dažniausiai tuščiaviduriai cilindriniai elementai, b) atskiros ašinės ir radialinės T ekvivalentinės šiluminės grandinės.
Lygiavertė grandinė T taip pat pasirodė esanti tiksli kitiems cilindriniams šilumos šaltiniams13.Būdamas pagrindinis GMO šilumos šaltinis, HMM lazdelė dėl mažo šilumos laidumo pasiskirsto netolygiai, ypač išilgai strypo ašies.Priešingai, radialinio nehomogeniškumo galima nepaisyti, nes HMM strypo radialinis šilumos srautas yra daug mažesnis nei radialinis šilumos srautas31.
Norint tiksliai atvaizduoti strypo ašinės diskretizacijos lygį ir gauti aukščiausią temperatūrą, GMM strypą vaizduoja n mazgų, vienodai išdėstytų ašine kryptimi, o GMM lazdele modeliuojamų mazgų skaičius n turi būti nelyginis.Lygiaverčių ašinių šiluminių kontūrų skaičius yra n T 4 pav.
Norint nustatyti mazgų skaičių n, naudojamą modeliuojant GMM juostą, FEM rezultatai parodyti fig.5 kaip nuoroda.Kaip parodyta pav.4, mazgų skaičius n reguliuojamas HMM strypo šiluminėje schemoje.Kiekvienas mazgas gali būti modeliuojamas kaip T lygiavertė grandinė.Lyginant FEM rezultatus, iš 5 pav. matyti, kad vienas ar trys mazgai negali tiksliai atspindėti HIM strypo (apie 50 mm ilgio) temperatūros pasiskirstymo GMO.Kai n padidinamas iki 5, modeliavimo rezultatai žymiai pagerėja ir artėja prie FEM.Toliau didinant n taip pat gaunami geresni rezultatai ilgesnio skaičiavimo laiko kaina.Todėl šiame straipsnyje GMM juostai modeliuoti pasirinkti 5 mazgai.
Remiantis atlikta lyginamąja analize, tiksli HMM strypo šiluminė schema parodyta 6 pav. T1 ~ T5 yra vidutinė penkių lazdos sekcijų (sekcija 1 ~ 5) temperatūra.P1-P5 atitinkamai reiškia bendrą įvairių strypo sričių šiluminę galią, kuri bus išsamiai aptarta kitame skyriuje.C1 ~ C5 yra skirtingų regionų šilumos talpa, kurią galima apskaičiuoti pagal šią formulę
kur crod, ρrod ir Vrod žymi specifinę HMM strypo šiluminę talpą, tankį ir tūrį.
Naudojant tą patį metodą kaip ir žadintuvo ritės atveju, HMM strypo šilumos perdavimo varža 6 pav. gali būti apskaičiuota kaip
kur lrod, rrod ir λrod reiškia atitinkamai GMM strypo ilgį, spindulį ir šilumos laidumą.
Šiame straipsnyje tirtai išilginei vibracijai GMT likusieji komponentai ir vidinis oras gali būti modeliuojami naudojant vieno mazgo konfigūraciją.
Šios sritys gali būti laikomos sudarytomis iš vieno ar daugiau cilindrų.Grynai laidi šilumos mainų jungtis cilindrinėje dalyje apibrėžiama Furjė šilumos laidumo dėsniu kaip
Kur λnhs yra medžiagos šilumos laidumas, lnhs yra ašinis ilgis, rnhs1 ir rnhs2 yra atitinkamai išorinis ir vidinis šilumos perdavimo elemento spindulys.
Šių sričių radialinei šiluminei varžai apskaičiuoti naudojama (5) lygtis, 7 paveiksle pavaizduota RR4-RR12. Tuo pačiu metu (6) lygtis naudojama ašinei šiluminei varžai, pavaizduotai nuo RA15 iki RA33 paveiksle, apskaičiuoti. 7.
Vieno mazgo šiluminės grandinės šiluminė galia aukščiau nurodytoje srityje (įskaitant C7–C15 7 pav.) gali būti nustatyta kaip
kur ρnhs, cnhs ir Vnhs yra atitinkamai ilgis, savitoji šiluma ir tūris.
Konvekcinis šilumos perdavimas tarp GMT viduje esančio oro ir korpuso paviršiaus bei aplinkos modeliuojamas vienu šilumos laidumo rezistoriumi taip:
kur A – kontaktinis paviršius, o h – šilumos perdavimo koeficientas.232 lentelėje išvardytos kai kurios tipinės šiluminėse sistemose naudojamos h.Pagal lentelę.2 šiluminės varžos RH8–RH10 ir RH14–RH18 šilumos perdavimo koeficientai, vaizduojantys konvekciją tarp HMF ir aplinkos fig.7 laikomi pastovia 25 W/(m2 K) verte.Likę šilumos perdavimo koeficientai nustatomi lygūs 10 W/(m2 K).
Pagal vidinį šilumos perdavimo procesą, parodytą 2 paveiksle, visas TETN keitiklio modelis parodytas 7 paveiksle.
Kaip parodyta pav.7, GMT išilginė vibracija yra padalinta į 16 mazgų, kurie yra pavaizduoti raudonais taškais.Modelyje pavaizduoti temperatūros mazgai atitinka atitinkamų komponentų vidutines temperatūras.Aplinkos temperatūra T0, GMM strypo temperatūra T1 ~ T5, žadintuvo ritės temperatūra T6, nuolatinio magneto temperatūra T7 ir T8, jungo temperatūra T9 ~ T10, korpuso temperatūra T11 ~ T12 ir T14, patalpų oro temperatūra T13 ir išėjimo strypo temperatūra T15.Be to, kiekvienas mazgas yra prijungtas prie žemės šiluminio potencialo per C1 ~ C15, kurie atitinkamai atspindi kiekvienos srities šiluminę talpą.P1 ~ P6 yra bendra GMM strypo ir žadintuvo ritės šiluminė galia.Be to, 54 šiluminės varžos yra naudojamos laidžiajai ir konvekcinei varžai šilumos perdavimui tarp gretimų mazgų parodyti, kurios buvo apskaičiuotos ankstesniuose skyriuose.3 lentelėje parodytos įvairios keitiklio medžiagų šiluminės charakteristikos.
Tikslus nuostolių apimčių ir jų pasiskirstymo įvertinimas yra labai svarbus norint atlikti patikimus šiluminius modeliavimus.GMT generuojamus šilumos nuostolius galima suskirstyti į GMM strypo magnetinius nuostolius, žadintuvo ritės džaulio nuostolius, mechaninius nuostolius ir papildomus nuostolius.Papildomi nuostoliai ir mechaniniai nuostoliai, į kuriuos atsižvelgiama, yra palyginti nedideli ir gali būti nepaisyti.
Kintamosios srovės sužadinimo ritės varža apima: nuolatinės srovės varžą Rdc ir odos varžą Rs.
čia f ir N yra žadinimo srovės dažnis ir apsisukimų skaičius.lCu ir rCu yra ritės vidinis ir išorinis spindulys, ritės ilgis ir varinės magnetinės vielos spindulys, apibrėžtas jo AWG (American Wire Gauge) numeriu.ρCu yra jo šerdies varža.µCu yra jo šerdies magnetinis pralaidumas.
Tikrasis magnetinis laukas lauko ritės (solenoido) viduje nėra vienodas per visą strypo ilgį.Šis skirtumas ypač pastebimas dėl mažesnio HMM ir PM strypų magnetinio pralaidumo.Bet jis yra išilgai simetriškas.Magnetinio lauko pasiskirstymas tiesiogiai lemia HMM strypo magnetinių nuostolių pasiskirstymą.Todėl, norint atspindėti tikrąjį nuostolių pasiskirstymą, matavimui imamas trijų sekcijų strypas, parodytas 8 paveiksle.
Magnetinius nuostolius galima gauti išmatuojant dinaminės histerezės kilpą.Remiantis eksperimentine platforma, parodyta 11 paveiksle, buvo išmatuotos trys dinaminės histerezės kilpos.Jei GMM strypo temperatūra yra stabili žemesnė nei 50 °C, programuojamas kintamosios srovės maitinimo šaltinis (Chroma 61512) varo lauko ritę tam tikru diapazonu, kaip parodyta 8 paveiksle, magnetinio lauko generuojamo magnetinio lauko dažniu. bandomoji srovė ir gaunamas magnetinio srauto tankis apskaičiuojami integruojant įtampą, indukuotą indukcinėje ritėje, prijungtoje prie GIM strypo.Neapdoroti duomenys buvo atsisiųsti iš atminties registratoriaus (MR8875-30 per dieną) ir apdoroti MATLAB programine įranga, kad būtų gautos išmatuotos dinaminės histerezės kilpos, parodytos 9 pav.
Išmatuotos dinaminės histerezės kilpos: a) 1/5 sekcija: Bm = 0,044735 T, b) 1/5 sekcija: fm = 1000 Hz, c) 2/4 sekcija: Bm = 0,05955 T, (d ) 2 sekcija/ 4: fm = 1000 Hz, e) 3 sekcija: Bm = 0,07228 T, f) 3 sekcija: fm = 1000 Hz.
Remiantis literatūra 37, bendrieji magnetiniai nuostoliai Pv HMM strypų tūrio vienetui gali būti apskaičiuojami pagal šią formulę:
kur ABH yra matavimo plotas BH kreivėje, kai magnetinio lauko dažnis fm lygus sužadinimo srovės dažniui f.
Remiantis Bertotti nuostolių atskyrimo metodu38, GMM lazdelės masės vieneto Pm magnetiniai nuostoliai gali būti išreikšti histerezės nuostolių Ph, sūkurinės srovės nuostolių Pe ir anomalinių nuostolių Pa suma (13):
Žvelgiant iš inžinerinės perspektyvos38, anomalūs nuostoliai ir sūkurinių srovių nuostoliai gali būti sujungti į vieną terminą, vadinamą bendru sūkurinės srovės nuostoliu.Taigi nuostolių apskaičiavimo formulę galima supaprastinti taip:
lygtyje.(13) ~ (14) čia Bm yra jaudinančio magnetinio lauko magnetinio tankio amplitudė.kh ir kc yra histerezės nuostolių koeficientas ir bendras sūkurinės srovės nuostolių koeficientas.