2507 roestfrij stiel coil tube gemyske komponint, Ekwivalint Thermal Network Simulaasje Study of a Rare Earth Giant Magnetostrictive Transducer

Tankewol foar it besykjen fan Nature.com.Jo brûke in browserferzje mei beheinde CSS-stipe.Foar de bêste ûnderfining riede wy oan dat jo in bywurke browser brûke (of kompatibiliteitsmodus útskeakelje yn Internet Explorer).Derneist, om trochgeande stipe te garandearjen, litte wy de side sjen sûnder stilen en JavaScript.
Sliders dy't trije artikels per dia sjen litte.Brûk de efter- en folgjende knoppen om troch de dia's te bewegen, of de slide-controller-knoppen oan 'e ein om troch elke dia te bewegen.

• produkt Omskriuwing
• 2507 RVS coiled buizen út Sina

Kritysk foar it ûntwerp fan 'e gigantyske magnetostrictive transducer (GMT) is rappe en krekte analyze fan' e temperatuerferdieling.Termyske netwurkmodellering hat de foardielen fan lege komputaasjekosten en hege krektens en kin brûkt wurde foar GMT-termyske analyze.Lykwols, besteande termyske modellen hawwe beheinings yn it beskriuwen fan dizze komplekse termyske rezjyms yn GMT: de measte stúdzjes rjochtsje op stasjonêre steaten dy't kin net fange temperatuer feroarings;It wurdt algemien oannommen dat de temperatuerferdieling fan gigantyske magnetostrictive (GMM) roeden unifoarm is, mar de temperatuergradient oer de GMM-roede is tige wichtich fanwegen minne termyske konduktiviteit, de net-unifoarme ferliesferdieling fan 'e GMM wurdt komselden ynfierd yn' e termyske model.Dêrom, troch de boppesteande trije aspekten wiidweidich te beskôgjen, stelt dit dokumint it GMT Transitional Equivalent Heat Network (TETN) model.Earst, basearre op it ûntwerp en prinsipe fan wurking fan 'e longitudinale triljende HMT, wurdt in termyske analyze útfierd.Op dizze basis wurdt it ferwaarming elemint model fêststeld foar it HMT waarmte oerdracht proses en de oerienkommende model parameters wurde berekkene.Uteinlik wurdt de krektens fan it TETN-model foar spatiotemporale analyze fan transducertemperatuer kontroleare troch simulaasje en eksperimint.
It gigantyske magnetostrictive materiaal (GMM), nammentlik terfenol-D, hat de foardielen fan grutte magnetostriksje en hege enerzjytichtens.Dizze unike eigenskippen kinne brûkt wurde om te ûntwikkeljen reus magnetostrictive transducers (GMTs) dat kin brûkt wurde yn in breed skala oan tapassings lykas underwater akoestyske transducers, micromotors, lineêre actuators, ensfh 1,2.
Fan bysûndere soarch is it potinsjeel foar oververhitting fan subsea GMT's, dy't, as se op folsleine krêft en foar lange perioaden fan opwining operearje, signifikante hoemannichten waarmte kinne generearje fanwege har hege krêfttichte3,4.Dêrneist, troch de grutte koeffizient fan termyske útwreiding fan GMT en syn hege gefoelichheid foar eksterne temperatuer, syn útfier prestaasjes is nau besibbe oan temperatuer5,6,7,8.Yn technyske publikaasjes kinne GMT-termyske analysemetoaden wurde ferdield yn twa brede kategoryen9: numerike metoaden en lumped parameter metoaden.De einige elemintmetoade (FEM) is ien fan 'e meast brûkte numerike analysemetoaden.Xie et al.[10] brûkte de einige elemint metoade te simulearjen de ferdieling fan waarmte boarnen fan in reus magnetostrictive driuwfear en realisearre it ûntwerp fan de temperatuer kontrôle en cooling systeem fan it stasjon.Zhao et al.[11] fêstige in mienskiplike finite elemint simulaasje fan in turbulinte flow fjild en in temperatuer fjild, en boude in GMM yntelligint komponint temperatuer kontrôle apparaat basearre op de resultaten fan de einige elemint simulaasje.FEM is lykwols heul easken yn termen fan modelopset en berekkeningstiid.Om dizze reden wurdt FEM beskôge as in wichtige stipe foar offline berekkeningen, meast yn 'e konvertearûntwerpfaze.
De lumped parameter metoade, ornaris oantsjutten as it waarmte netwurk model, wurdt in soad brûkt yn termodynamyske analyze fanwege syn ienfâldige wiskundige foarm en hege berekkening snelheid12,13,14.Dizze oanpak spilet in wichtige rol yn it opheffen fan de termyske beheinings fan motoren 15, 16, 17. Mellor18 wie de earste dy't brûkte in ferbettere termyske lykweardich circuit T foar in model de motor waarmte oerdracht proses.Veres et al.19 makke in trijediminsjonaal model fan it termyske netwurk fan in permaninte magneet syngroane masine mei axiale stream.Boglietti et al.20 foarstelde fjouwer termyske netwurk modellen fan wikseljende kompleksiteit te foarsizze koarte-termyn termyske transients yn stator windings.Ta beslút, Wang et al.21 fêstige in detaillearre termyske lykweardich circuit foar eltse PMSM komponint en gearfette de termyske wjerstân fergeliking.Under nominale omstannichheden kin de flater binnen 5% kontrolearre wurde.
Yn de jierren 1990, it waarmte netwurk model begûn te wurde tapast op hege-power leechfrekwinsje converters.Dubus et al.22 ûntwikkele in waarmte netwurk model te beskriuwen stasjonêre waarmte oerdracht yn in dûbele-sided longitudinaal vibrator en klasse IV bocht sensor.Anjanappa et al.23 útfierd in 2D stasjonêre termyske analyze fan in magnetostrictive microdrive mei help fan in termyske netwurk model.Om de relaasje tusken thermyske strain fan Terfenol-D en GMT-parameters te studearjen, Zhu et al.24 fêstige in steady state lykweardich model foar berekkening fan termyske ferset en GMT-ferpleatsing.
GMT-temperatuerskatting is komplekser dan motorapplikaasjes.Troch de treflike termyske en magnetyske konduktiviteit fan 'e brûkte materialen, wurde de measte motorkomponinten beskôge op deselde temperatuer normaal fermindere ta ien knooppunt13,19.Troch de minne termyske konduktiviteit fan HMM's is de oanname fan in unifoarme temperatuerferdieling lykwols net mear korrekt.Dêrneist HMM hat in hiel lege magnetyske permeability, sadat de waarmte opwekt troch magnetyske ferliezen is meastal net-unifoarm lâns de HMM roede.Derneist is it measte fan it ûndersyk rjochte op steady-state simulaasjes dy't gjin rekken hâlde mei temperatuerferoaringen tidens GMT-operaasje.
Om de boppesteande trije technyske problemen op te lossen, brûkt dit artikel de GMT longitudinale trilling as it objekt fan stúdzje en modelleart ferskate dielen fan 'e transducer sekuer, benammen de GMM-roede.In model fan in folslein oergongslykweardich waarmnetwurk (TETN) GMT is makke.In einich elemint model en eksperiminteel platfoarm waarden boud om te testen de krektens en prestaasjes fan it TETN model foar transducer temperatuer spatiotemporal analyze.
It ûntwerp en geometryske ôfmjittings fan de longitudinaal oscillerende HMF wurde werjûn yn figuer 1a en b, respektivelik.
Wichtige komponinten omfetsje GMM-stangen, fjildspoelen, permaninte magneten (PM), jokken, pads, bussen en belleville-springen.De excitaasjespoel en PMT jouwe de HMM-staaf respektivelik in wikseljend magnetysk fjild en in DC-biasmagnetysk fjild.It jok en lichem, besteande út in pet en mouwe, binne makke fan DT4 sêft izer, dat hat in hege magnetyske permeabiliteit.Foarmet in sletten magnetyske circuit mei de GIM en PM rod.De útfierstam en drukplaat binne makke fan net-magnetysk 304 roestfrij stiel.Mei belleville springs kin in stabile foarspanning oan 'e stâle oanbrocht wurde.As in wikselstroom troch de driuwspul giet, sil de HMM-roede dienlik trilje.
Op fig.2 toant it proses fan waarmte-útwikseling binnen de GMT.GMM-stangen en fjildspoelen binne de twa wichtichste boarnen fan waarmte foar GMT's.De serpentine bringt syn waarmte oer nei it lichem troch loftkonveksje fan binnen en nei it lid troch konduksje.De HMM-roede sil magnetyske ferliezen meitsje ûnder de aksje fan in wikseljend magnetysk fjild, en waarmte sil wurde oerbrocht nei de shell troch konveksje troch de ynterne loft, en nei de permaninte magneet en jok troch konduksje.De waarmte dy't oerdroegen wurdt oan 'e saak wurdt dan nei bûten ferspraat troch konveksje en strieling.As de generearre waarmte gelyk is oan de oerdroegen waarmte, berikt de temperatuer fan elk diel fan 'e GMT in steady state.
It proses fan waarmte oerdracht yn in longitudinaal oscillerende GMO: a - waarmtestreamdiagram, b - wichtichste waarmte-oerdrachtpaden.
Neist de waarmte opwekt troch de exciter coil en HMM rod, ûnderfine alle komponinten fan in sletten magnetyske circuit magnetyske ferliezen.Sa wurde de permaninte magneet, jok, pet en mouw tegearre laminearre om it magnetyske ferlies fan 'e GMT te ferminderjen.
De wichtichste stappen yn it bouwen fan in TETN model foar GMT termyske analyze binne as folget: earst groep komponinten mei deselde temperatueren tegearre en fertsjintwurdigje elke komponint as in aparte knooppunt yn it netwurk, dan assosjearje dizze knopen mei de passende waarmte oerdracht útdrukking.waarmte conduction en convection tusken knopen.Yn dit gefal binne de waarmteboarne en de waarmteútfier dy't oerienkomt mei elke komponint parallel ferbûn tusken it knooppunt en de mienskiplike nulspanning fan 'e ierde om in lykweardich model fan it waarmnetwurk te bouwen.De folgjende stap is om de parameters fan it termyske netwurk te berekkenjen foar elke komponint fan it model, ynklusyf thermyske ferset, waarmtekapasiteit en krêftferlies.Uteinlik wurdt it TETN-model yn SPICE ymplementearre foar simulaasje.En jo kinne de temperatuerferdieling krije fan elke komponint fan GMT en syn feroaring yn it tiiddomein.
Foar it gemak fan modellering en berekkening is it needsaaklik om it thermyske model te ferienfâldigjen en de grinsbetingsten te negearjen dy't net folle ynfloed hawwe op 'e resultaten18,26.It yn dit artikel foarstelde TETN-model is basearre op de folgjende oannames:
Yn GMT mei willekeurich wûne windings is it ûnmooglik as nedich om de posysje fan elke yndividuele dirigint te simulearjen.Ferskate modellewurkstrategyen binne ûntwikkele yn it ferline foar it modellearjen fan waarmte oerdracht en temperatuerferdieling binnen windings: (1) gearstalde termyske conductivity, (2) direkte fergelikingen basearre op dirigint mjitkunde, (3) T-lykweardich termyske circuit29.
Gearstalde termyske konduktiviteit en direkte fergelikingen kinne wurde beskôge as krekter oplossingen as it lykweardige circuit T, mar se binne ôfhinklik fan ferskate faktoaren, lykas materiaal, dirigint mjitkunde en it folume fan oerbliuwende lucht yn 'e winding, dy't dreech te bepalen29.Krekt oarsom, it thermyske skema fan T-lykweardich, hoewol in likernôch model, is handiger30.It kin tapast wurde op 'e excitaasjespoel mei longitudinale trillingen fan' e GMT.
De algemiene holle silindryske gearkomste brûkt te fertsjintwurdigjen de exciter coil en syn T-lykweardich termyske diagram, krigen út de oplossing fan de waarmte fergeliking, wurde werjûn yn fig.3. It wurdt oannommen dat de waarmte flux yn 'e excitation coil is ûnôfhinklik yn' e radiale en axial rjochtingen.De circumferential waarmte flux wurdt ferwaarleazge.Yn elke lykweardige circuit T fertsjintwurdigje twa terminals de oerienkommende oerflaktemperatuer fan it elemint, en de tredde terminal T6 fertsjintwurdiget de gemiddelde temperatuer fan it elemint.It ferlies fan 'e P6-komponint wurdt ynfierd as in puntboarne op' e gemiddelde temperatuerknooppunt berekkene yn 'e "Berekkening fan waarmteferlies fan fjildspul".Yn it gefal fan net-stasjonêre simulaasje wurdt de waarmtekapasiteit C6 jûn troch de fergeliking.(1) wurdt ek tafoege oan de Gemiddelde temperatuer node.
Wêr't cec, ρec en Vec respektivelik de spesifike waarmte, tichtens en folume fan 'e excitaasjespoel fertsjintwurdigje.
Yn tabel.1 toant de termyske wjerstân fan de T-lykweardich termyske circuit fan de excitation coil mei lingte lec, termyske conductivity λec, bûtenste radius rec1 en binnenste radius rec2.
Exciter coils en harren T-lykweardich termyske circuits: (a) meastal holle silindryske eleminten, (b) aparte axial en radiale T-lykweardich termyske circuits.
It lykweardich circuit T hat ek bliken dien krekt te wêzen foar oare silindryske waarmteboarnen13.As de wichtichste waarmteboarne fan 'e GMO, hat de HMM-staaf in unjildige temperatuerferdieling troch syn lege termyske konduktiviteit, benammen lâns de as fan' e roede.Krektoarsom, radiale inhomogeniteit kin wurde negeare, om't de radiale waarmteflux fan 'e HMM-stang folle minder is as de radiale waarmteflux31.
Om it nivo fan axiale diskretisaasje fan 'e roede sekuer te fertsjintwurdigjen en de heechste temperatuer te krijen, wurdt de GMM-roede fertsjintwurdige troch n knopen dy't unifoarm yn' e axiale rjochting ferdield binne, en it oantal knopen n modeleare troch de GMM-roede moat ûneven wêze.It oantal lykweardige axiale termyske kontoeren is n T figuer 4.
Om it oantal knopen n te bepalen dat brûkt wurdt om de GMM-balke te modellearjen, wurde de FEM-resultaten werjûn yn fig.5 as referinsje.As werjûn yn fig.4, it oantal knopen n wurdt regele yn it termyske skema fan de HMM-roede.Elke knooppunt kin wurde modeleare as in T-lykweardich circuit.It fergelykjen fan de resultaten fan 'e FEM, fan Fig.As n wurdt ferhege nei 5, ferbetterje de simulaasjeresultaten signifikant en benaderje FEM.It fergrutsjen fan n fierder jout ek bettere resultaten op kosten fan langere berekkening tiid.Dêrom wurde yn dit artikel 5 knopen selektearre foar it modelleren fan de GMM-balke.
Op grûn fan de útfierde ferlykjende analyze wurdt it krekte termyske skema fan 'e HMM-roede werjûn yn Fig.P1-P5 respektivelik fertsjintwurdigje de totale termyske krêft fan de ferskate gebieten fan de roede, dat sil wurde besprutsen yn detail yn it folgjende haadstik.C1 ~ C5 binne de waarmtekapasiteit fan ferskate regio's, dy't kinne wurde berekkene troch de folgjende formule
dêr't crod, ρrod en Vrod oantsjutte de spesifike waarmte kapasiteit, tichtens en folume fan de HMM rod.
Mei help fan deselde metoade as foar de exciter coil, de waarmte oerdracht wjerstân fan de HMM staaf yn Fig. 6 kin wurde berekkene as
dêr't lrod, rrod en λrod respektivelik de lingte, radius en termyske conductivity fan de GMM rod.
Foar de longitudinale trilling GMT studearre yn dit artikel, de oerbleaune komponinten en ynterne lucht kinne wurde modelearre mei ien knooppunt konfiguraasje.
Dizze gebieten kinne wurde beskôge as besteande út ien of mear silinders.In suver conductive waarmtewikselferbining yn in silindrysk diel wurdt definiearre troch de Fourier-warmtegeliedingswet as
Wêr't λnhs de termyske konduktiviteit fan it materiaal is, is lnhs de axiale lingte, rnhs1 en rnhs2 binne respektivelik de bûtenste en binnenste radii fan it waarmte-oerdrachtelemint.
Fergeliking (5) wurdt brûkt om de radiale termyske wjerstân foar dizze gebieten te berekkenjen, fertsjintwurdige troch RR4-RR12 yn figuer 7. Tagelyk wurdt fergeliking (6) brûkt om de axiale termyske wjerstân te berekkenjen, fertsjintwurdige fan RA15 oant RA33 yn figuer 7.
De waarmtekapasiteit fan in termyske circuit fan ien knooppunt foar it boppesteande gebiet (ynklusyf C7-C15 yn Fig. 7) kin bepaald wurde as
wêrby't ρnhs, cnhs en Vnhs respektivelik de lingte, spesifike waarmte en folume binne.
De konvektive waarmteferfier tusken de loft yn 'e GMT en it oerflak fan' e saak en de omjouwing wurdt modeleare mei in ienige termyske konduksjewjerstân as folget:
dêr't A is it kontakt oerflak en h is de waarmte oerdracht koeffizient.Tabel 232 list guon typyske h brûkt yn termyske systemen.Neffens tabel.2 waarmte oerdracht koeffizienten fan termyske wjerstannen RH8-RH10 en RH14-RH18, fertsjintwurdigje de konveksje tusken de HMF en it miljeu yn fig.7 wurde nommen as in konstante wearde fan 25 W / (m2 K).De oerbleaune waarmte oerdracht koeffizienten wurde ynsteld gelyk oan 10 W / (m2 K).
Neffens it ynterne waarmte-oerdrachtproses werjûn yn figuer 2, wurdt it folsleine model fan 'e TETN-konverter werjûn yn figuer 7.
As werjûn yn fig.7, de GMT longitudinale trilling is ferdield yn 16 knopen, dy't wurde fertsjintwurdige troch reade stippen.De temperatuerknooppunten ôfbylde yn it model oerienkomme mei de gemiddelde temperatueren fan 'e respektivelike komponinten.Omjouwingstemperatuer T0, GMM stangtemperatuer T1 ~ T5, exciter coil temperatuer T6, permaninte magneet temperatuer T7 en T8, jok temperatuer T9 ~ T10, case temperatuer T11 ~ T12 en T14, binnenlucht temperatuer T13 en útfier rod temperatuer T15.Derneist is elke knooppunt ferbûn mei it termyske potinsjeel fan 'e grûn fia C1 ~ C15, dy't respektivelik de termyske kapasiteit fan elk gebiet fertsjintwurdigje.P1 ~ P6 is de totale waarmteútfier fan respektivelik GMM-staaf en exciterspoel.Dêrneist wurde 54 termyske wjerstannen brûkt om de conductive en convective wjerstân tsjin waarmte oerdracht tusken neistlizzende knopen te fertsjintwurdigjen, dy't waarden berekkene yn 'e foarige seksjes.Tabel 3 toant de ferskate termyske skaaimerken fan de converter materialen.
Akkurate skatting fan ferliesvoluminten en har ferdieling is kritysk foar it útfieren fan betroubere termyske simulaasjes.It waarmteferlies generearre troch de GMT kin wurde ferdield yn it magnetyske ferlies fan 'e GMM-roede, it Joule-ferlies fan' e exciter-spul, it meganyske ferlies, en it ekstra ferlies.De ekstra ferliezen en meganyske ferliezen yn rekken brocht binne relatyf lyts en kinne wurde ferwaarleazge.
De wjerstân fan AC excitation coil omfettet: de dc ferset Rdc en de hûd ferset Rs.
wêrby't f en N de frekwinsje en it oantal beurten fan 'e excitaasjestroom binne.lCu en rCu binne de binnen- en bûtenradius fan 'e spoel, de lingte fan' e spoel, en de straal fan 'e koperen magnetyske draad lykas definieare troch syn AWG (American Wire Gauge) nûmer.ρCu is de resistiviteit fan syn kearn.µCu is de magnetyske permeabiliteit fan syn kearn.
De eigentlike magnetyske fjild binnen it fjild coil (solenoid) is net unifoarm lâns de lingte fan de roede.Dit ferskil is benammen opfallend troch de legere magnetyske permeabiliteit fan 'e HMM- en PM-stangen.Mar it is longitudinaal symmetrysk.De ferdieling fan it magnetyske fjild bepaalt direkt de ferdieling fan magnetyske ferliezen fan 'e HMM-roede.Dêrom, om de echte ferdieling fan ferliezen te reflektearjen, wurdt in trije-seksje stang, werjûn yn figuer 8, nommen foar mjitting.
It magnetyske ferlies kin wurde krigen troch it mjitten fan de dynamyske hysteresis-lus.Op grûn fan it eksperimintele platfoarm werjûn yn figuer 11, waarden trije dynamyske hysteresis loops mjitten.Under de betingst dat de temperatuer fan 'e GMM-staaf stabyl is ûnder 50 ° C, driuwt de programmeerbere AC-voeding (Chroma 61512) de fjildspoel yn in bepaald berik, lykas werjûn yn figuer 8, de frekwinsje fan it magnetyske fjild generearre troch de teststroom en de resultearjende magnetyske fluxdichtheid wurde berekkene troch it yntegrearjen fan spanning dy't yn 'e ynduksjespoel ferbûn is mei de GIM-roede.De rauwe gegevens waarden ynladen fan 'e ûnthâldlogger (MR8875-30 per dei) en ferwurke yn MATLAB-software om de mjitten dynamyske hysteresis-loops te krijen yn Fig.
Gemeten dynamyske hysteresis loops: (a) seksje 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) seksje 1/5: fm = 1000 Hz, (c) seksje 2/4: Bm = 0,05955 T, (d) seksje 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) seksje 3: Bm = 0,07228 T, (f) seksje 3: fm = 1000 Hz.
Neffens literatuer 37 kin it totale magnetyske ferlies Pv per ienheid folume fan HMM-stangen wurde berekkene mei de folgjende formule:
wêrby't ABH it mjitgebiet is op 'e BH-kromme by de magnetyske fjildfrekwinsje fm gelyk oan de eksitaasjestroomfrekwinsje f.
Op grûn fan 'e Bertotti-ferliesskiedingsmetoade38 kin it magnetyske ferlies per ienheid massa Pm fan in GMM-staaf útdrukt wurde as de som fan it hysteresisferlies Ph, it wervelstroomferlies Pe en it anomale ferlies Pa (13):
Ut in technyk perspektyf38 kinne abnormale ferliezen en wervelstromferlies wurde kombinearre yn ien term neamd totaal wervelstroomferlies.Sa kin de formule foar it berekkenjen fan ferliezen as folget ferienfâldige wurde:
yn 'e fergeliking.(13) ~ (14) wêrby't Bm de amplitude is fan 'e magnetyske tichtens fan it spannende magnetyske fjild.kh en kc binne de hysteresis-ferliesfaktor en de totale wervelstroomferliesfaktor.