Componente chimico del tubo a spirale in acciaio inossidabile 2507, studio di simulazione della rete termica equivalente di un trasduttore magnetostrittivo gigante di terre rare

Grazie per aver visitato Nature.com.Stai utilizzando una versione del browser con supporto CSS limitato.Per un'esperienza ottimale, ti consigliamo di utilizzare un browser aggiornato (o disattivare la modalità compatibilità in Internet Explorer).Inoltre, per garantire un supporto continuo, mostriamo il sito senza stili e JavaScript.
Dispositivi di scorrimento che mostrano tre articoli per diapositiva.Utilizza i pulsanti Indietro e Avanti per spostarti tra le diapositive oppure i pulsanti del controller diapositiva alla fine per spostarti tra ciascuna diapositiva.

• Descrizione del prodotto
• 2507 Tubi a spirale in acciaio inossidabile dalla Cina

Fondamentale per la progettazione del trasduttore magnetostrittivo gigante (GMT) è l'analisi rapida e accurata della distribuzione della temperatura.La modellazione della rete termica presenta i vantaggi di un basso costo computazionale e di un'elevata precisione e può essere utilizzata per l'analisi termica GMT.Tuttavia, i modelli termici esistenti presentano dei limiti nel descrivere questi complessi regimi termici nel GMT: la maggior parte degli studi si concentra su stati stazionari che non possono catturare i cambiamenti di temperatura;Si presume generalmente che la distribuzione della temperatura delle barre magnetostrittive giganti (GMM) sia uniforme, ma il gradiente di temperatura attraverso la barra GMM è molto significativo a causa della scarsa conduttività termica, la distribuzione non uniforme delle perdite del GMM viene raramente introdotta nel sistema termico. modello.Pertanto, considerando in modo esaustivo i tre aspetti sopra menzionati, il presente documento stabilisce il modello GMT Transitional Equivalent Heat Network (TETN).Innanzitutto, in base al design e al principio di funzionamento dell'HMT vibrante longitudinale, viene eseguita un'analisi termica.Su questa base viene stabilito il modello dell'elemento riscaldante per il processo di trasferimento del calore HMT e vengono calcolati i parametri del modello corrispondente.Infine, l'accuratezza del modello TETN per l'analisi spaziotemporale della temperatura del trasduttore viene verificata mediante simulazione ed esperimento.
Il materiale magnetostrittivo gigante (GMM), vale a dire il terfenolo-D, presenta i vantaggi di una grande magnetostrizione e di un'elevata densità di energia.Queste proprietà uniche possono essere utilizzate per sviluppare trasduttori magnetostrittivi giganti (GMT) che possono essere utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni come trasduttori acustici subacquei, micromotori, attuatori lineari, ecc. 1,2.
Di particolare preoccupazione è il potenziale di surriscaldamento dei GMT sottomarini che, se utilizzati a piena potenza e per lunghi periodi di eccitazione, possono generare quantità significative di calore a causa della loro elevata densità di potenza3,4.Inoltre, a causa dell'elevato coefficiente di dilatazione termica del GMT e della sua elevata sensibilità alla temperatura esterna, le sue prestazioni in uscita sono strettamente correlate alla temperatura5,6,7,8.Nelle pubblicazioni tecniche, i metodi di analisi termica GMT possono essere suddivisi in due grandi categorie9: metodi numerici e metodi a parametri concentrati.Il metodo degli elementi finiti (FEM) è uno dei metodi di analisi numerica più comunemente utilizzati.Xie et al.[10] hanno utilizzato il metodo degli elementi finiti per simulare la distribuzione delle fonti di calore di un gigantesco azionamento magnetostrittivo e hanno realizzato il progetto del sistema di controllo della temperatura e di raffreddamento dell'azionamento.Zhao et al.[11] hanno stabilito una simulazione congiunta agli elementi finiti di un campo di flusso turbolento e di un campo di temperatura e hanno costruito un dispositivo di controllo della temperatura dei componenti intelligenti GMM basato sui risultati della simulazione agli elementi finiti.Tuttavia, il metodo FEM è molto esigente in termini di impostazione del modello e tempo di calcolo.Per questo motivo il FEM è considerato un importante supporto per i calcoli offline, solitamente durante la fase di progettazione del convertitore.
Il metodo dei parametri concentrati, comunemente indicato come modello della rete di calore, è ampiamente utilizzato nell'analisi termodinamica grazie alla sua forma matematica semplice e all'elevata velocità di calcolo12,13,14.Questo approccio gioca un ruolo importante nell'eliminazione delle limitazioni termiche dei motori 15, 16, 17. Mellor18 è stato il primo a utilizzare un circuito equivalente termico T migliorato per modellare il processo di trasferimento del calore del motore.Verez et al.19 è stato realizzato un modello tridimensionale della rete termica di una macchina sincrona a magneti permanenti a flusso assiale.Boglietti et al.20 hanno proposto quattro modelli di rete termica di varia complessità per prevedere i transitori termici a breve termine negli avvolgimenti dello statore.Infine, Wang et al.21 hanno stabilito un circuito equivalente termico dettagliato per ciascun componente PMSM e hanno riassunto l'equazione della resistenza termica.In condizioni nominali, l'errore può essere controllato entro il 5%.
Negli anni ’90, il modello della rete di calore cominciò ad essere applicato ai convertitori a bassa frequenza ad alta potenza.Dubus et al.22 hanno sviluppato un modello di rete di calore per descrivere il trasferimento di calore stazionario in un vibratore longitudinale a doppia faccia e un sensore di curvatura di classe IV.Anjanappa et al.23 hanno eseguito un'analisi termica stazionaria 2D di un microdrive magnetostrittivo utilizzando un modello di rete termica.Per studiare la relazione tra la deformazione termica del Terfenol-D e i parametri GMT, Zhu et al.24 ha stabilito un modello equivalente allo stato stazionario per il calcolo della resistenza termica e dello spostamento GMT.
La stima della temperatura GMT è più complessa delle applicazioni sui motori.A causa dell'ottima conducibilità termica e magnetica dei materiali utilizzati, la maggior parte dei componenti del motore considerati alla stessa temperatura sono solitamente ridotti ad un unico nodo13,19.Tuttavia, a causa della scarsa conduttività termica degli HMM, l’ipotesi di una distribuzione uniforme della temperatura non è più corretta.Inoltre, l'HMM ha una permeabilità magnetica molto bassa, quindi il calore generato dalle perdite magnetiche è solitamente non uniforme lungo l'asta dell'HMM.Inoltre, la maggior parte della ricerca si concentra su simulazioni di stato stazionario che non tengono conto dei cambiamenti di temperatura durante il funzionamento GMT.
Per risolvere i tre problemi tecnici sopra menzionati, questo articolo utilizza la vibrazione longitudinale del GMT come oggetto di studio e modella accuratamente varie parti del trasduttore, in particolare l'asta del GMM.È stato creato un modello di rete transitoria di calore equivalente (TETN) GMT completa.Sono stati costruiti un modello a elementi finiti e una piattaforma sperimentale per testare l'accuratezza e le prestazioni del modello TETN per l'analisi spaziotemporale della temperatura del trasduttore.
Il design e le dimensioni geometriche dell'HMF oscillante longitudinalmente sono mostrati rispettivamente nelle Figure 1a e b.
I componenti chiave includono aste GMM, bobine di campo, magneti permanenti (PM), gioghi, cuscinetti, boccole e molle Belleville.La bobina di eccitazione e il PMT forniscono rispettivamente all'asta HMM un campo magnetico alternato e un campo magnetico polarizzato CC.Il giogo e il corpo, costituiti da cappuccio e manicotto, sono realizzati in ferro dolce DT4, che ha un'elevata permeabilità magnetica.Forma un circuito magnetico chiuso con il GIM e l'asta PM.Lo stelo di uscita e la piastra di pressione sono realizzati in acciaio inossidabile 304 non magnetico.Con le molle Belleville è possibile applicare allo stelo una precompressione stabile.Quando una corrente alternata passa attraverso la bobina di comando, l'asta dell'HMM vibrerà di conseguenza.
Nella fig.2 mostra il processo di scambio termico all'interno del GMT.Le aste GMM e le bobine di campo sono le due principali fonti di calore per i GMT.La serpentina cede il suo calore al corpo per convezione dell'aria interna e al coperchio per conduzione.L'asta HMM creerà perdite magnetiche sotto l'azione di un campo magnetico alternato e il calore verrà trasferito al guscio per convezione attraverso l'aria interna e al magnete permanente e al giogo per conduzione.Il calore trasferito alla cassa viene poi dissipato verso l'esterno per convezione e irraggiamento.Quando il calore generato è uguale al calore trasferito, la temperatura di ciascuna parte del GMT raggiunge uno stato stazionario.
Il processo di trasferimento del calore in un OGM oscillante longitudinalmente: a – diagramma del flusso di calore, b – principali percorsi di trasferimento del calore.
Oltre al calore generato dalla bobina eccitatrice e dall'asta HMM, tutti i componenti di un circuito magnetico chiuso subiscono perdite magnetiche.Pertanto, il magnete permanente, il giogo, il cappuccio e il manicotto sono laminati insieme per ridurre la perdita magnetica del GMT.
I passaggi principali nella costruzione di un modello TETN per l'analisi termica GMT sono i seguenti: prima raggruppare insieme i componenti con le stesse temperature e rappresentare ciascun componente come un nodo separato nella rete, quindi associare questi nodi con l'appropriata espressione di trasferimento di calore.conduzione del calore e convezione tra i nodi.In questo caso, la sorgente di calore e la potenza termica corrispondente a ciascun componente sono collegate in parallelo tra il nodo e la tensione zero comune della terra per costruire un modello equivalente della rete di calore.Il passo successivo è calcolare i parametri della rete termica per ciascun componente del modello, inclusa la resistenza termica, la capacità termica e le perdite di potenza.Infine, il modello TETN è implementato in SPICE per la simulazione.E puoi ottenere la distribuzione della temperatura di ciascun componente del GMT e il suo cambiamento nel dominio del tempo.
Per comodità di modellazione e calcolo, è necessario semplificare il modello termico e ignorare le condizioni al contorno che hanno scarso effetto sui risultati18,26.Il modello TETN proposto in questo articolo si basa sui seguenti presupposti:
Nel GMT con avvolgimenti avvolti casualmente è impossibile o necessario simulare la posizione di ogni singolo conduttore.In passato sono state sviluppate varie strategie di modellazione per modellare il trasferimento di calore e la distribuzione della temperatura all'interno degli avvolgimenti: (1) conduttività termica composta, (2) equazioni dirette basate sulla geometria del conduttore, (3) circuito termico T-equivalente29.
La conducibilità termica composita e le equazioni dirette possono essere considerate soluzioni più accurate rispetto al circuito equivalente T, ma dipendono da diversi fattori, come il materiale, la geometria del conduttore e il volume di aria residua nell'avvolgimento, che sono difficili da determinare29.Al contrario, lo schema termico T-equivalente, pur essendo un modello approssimativo, è più conveniente30.Può essere applicato alla bobina di eccitazione con vibrazioni longitudinali del GMT.
L'insieme generale cilindrico cavo utilizzato per rappresentare la bobina eccitatrice e il suo diagramma termico T-equivalente, ottenuto dalla soluzione dell'equazione del calore, sono mostrati in fig.3. Si presuppone che il flusso di calore nella bobina di eccitazione sia indipendente nelle direzioni radiale e assiale.Si trascura il flusso termico circonferenziale.In ciascun circuito equivalente T, due terminali rappresentano la corrispondente temperatura superficiale dell'elemento, e il terzo terminale T6 rappresenta la temperatura media dell'elemento.La perdita della componente P6 viene inserita come sorgente puntiforme in corrispondenza del nodo di temperatura media calcolata nel “Calcolo delle dispersioni termiche della bobina di campo”.Nel caso della simulazione non stazionaria, la capacità termica C6 è data dall'equazione.(1) viene aggiunto anche al nodo Temperatura media.
Dove cec, ρec e Vec rappresentano rispettivamente il calore specifico, la densità e il volume della bobina di eccitazione.
Nella tabella.1 mostra la resistenza termica del circuito termico equivalente T della bobina di eccitazione con lunghezza lec, conduttività termica λec, raggio esterno rec1 e raggio interno rec2.
Bobine eccitatrici e loro circuiti termici equivalenti a T: (a) elementi cilindrici solitamente cavi, (b) circuiti termici equivalenti a T assiali e radiali separati.
Il circuito equivalente T si è dimostrato accurato anche per altre fonti di calore cilindriche13.Essendo la principale fonte di calore dell'OGM, l'asta HMM ha una distribuzione non uniforme della temperatura a causa della sua bassa conduttività termica, soprattutto lungo l'asse dell'asta.Al contrario, la disomogeneità radiale può essere trascurata, poiché il flusso di calore radiale dell’asta HMM è molto inferiore al flusso di calore radiale31.
Per rappresentare accuratamente il livello di discretizzazione assiale dell'asta e ottenere la temperatura più alta, l'asta GMM è rappresentata da n nodi uniformemente distanziati nella direzione assiale e il numero di nodi n modellati dall'asta GMM deve essere dispari.Il numero di contorni termici assiali equivalenti è n T figura 4.
Per determinare il numero di nodi n utilizzati per modellare la barra GMM, i risultati FEM sono mostrati in fig.5 come riferimento.Come mostrato in fig.4, il numero di nodi n è regolato nello schema termico dell'asta HMM.Ciascun nodo può essere modellato come un circuito T-equivalente.Confrontando i risultati del FEM, dalla Fig. 5 si vede che uno o tre nodi non possono riflettere accuratamente la distribuzione della temperatura dell'asta HIM (lunga circa 50 mm) nell'OGM.Quando n viene aumentato a 5, i risultati della simulazione migliorano significativamente e si avvicinano al FEM.Aumentando ulteriormente n si ottengono risultati migliori anche a scapito di tempi di calcolo più lunghi.Pertanto, in questo articolo, vengono selezionati 5 nodi per la modellazione della barra GMM.
Sulla base dell'analisi comparativa effettuata, l'esatto schema termico della bacchetta HMM è mostrato in Fig. 6. T1 ~ T5 è la temperatura media di cinque sezioni (sezione 1 ~ 5) della bacchetta.P1-P5 rappresentano rispettivamente la potenza termica totale delle varie zone dell'asta, di cui parleremo in dettaglio nel prossimo capitolo.C1~C5 sono la capacità termica delle diverse regioni, che può essere calcolata con la seguente formula
dove crod, ρrod e Vrod indicano la capacità termica specifica, la densità e il volume dell'asta HMM.
Utilizzando lo stesso metodo utilizzato per la bobina eccitatrice, la resistenza al trasferimento di calore dell'asta HMM nella Fig. 6 può essere calcolata come
dove lrod, rrod e λrod rappresentano rispettivamente la lunghezza, il raggio e la conduttività termica dell'asta GMM.
Per la vibrazione longitudinale GMT studiata in questo articolo, i restanti componenti e l'aria interna possono essere modellati con una configurazione a nodo singolo.
Queste aree possono essere considerate costituite da uno o più cilindri.Un collegamento di scambio termico puramente conduttivo in una parte cilindrica è definito dalla legge di conduzione del calore di Fourier come
Dove λnhs è la conduttività termica del materiale, lnhs è la lunghezza assiale, rnhs1 e rnhs2 sono rispettivamente i raggi esterno ed interno dell'elemento di trasferimento del calore.
L'equazione (5) viene utilizzata per calcolare la resistenza termica radiale per queste aree, rappresentata da RR4-RR12 nella Figura 7. Allo stesso tempo, l'equazione (6) viene utilizzata per calcolare la resistenza termica assiale, rappresentata da RA15 a RA33 nella Figura 7.
La capacità termica di un circuito termico a nodo singolo per l'area sopra (compresi C7 – C15 in Fig. 7) può essere determinata come
dove ρnhs, cnhs e Vnhs sono rispettivamente la lunghezza, il calore specifico e il volume.
Il trasferimento di calore convettivo tra l'aria all'interno del GMT e la superficie della cassa e l'ambiente è modellato con un singolo resistore di conduzione termica come segue:
dove A è la superficie di contatto e h è il coefficiente di scambio termico.La Tabella 232 elenca alcune h tipiche utilizzate negli impianti termici.Secondo la tabella.2 coefficienti di scambio termico delle resistenze termiche RH8–RH10 e RH14–RH18, che rappresentano la convezione tra l'HMF e l'ambiente in fig.7 sono presi come valore costante di 25 W/(m2 K).I restanti coefficienti di scambio termico sono posti pari a 10 W/(m2 K).
Secondo il processo di trasferimento del calore interno mostrato nella Figura 2, il modello completo del convertitore TETN è mostrato nella Figura 7.
Come mostrato in fig.7, la vibrazione longitudinale GMT è divisa in 16 nodi, rappresentati da punti rossi.I nodi di temperatura rappresentati nel modello corrispondono alle temperature medie dei rispettivi componenti.Temperatura ambiente T0, temperatura stelo GMM T1~T5, temperatura bobina eccitatrice T6, temperatura magnete permanente T7 e T8, temperatura giogo T9~T10, temperatura involucro T11~T12 e T14, temperatura aria interna T13 e temperatura stelo di uscita T15.Inoltre, ciascun nodo è collegato al potenziale termico del terreno tramite C1 ~ C15, che rappresentano rispettivamente la capacità termica di ciascuna area.P1~P6 è la potenza termica totale rispettivamente dell'asta GMM e della bobina eccitatrice.Inoltre, per rappresentare la resistenza conduttiva e convettiva al trasferimento di calore tra nodi adiacenti, vengono utilizzate 54 resistenze termiche, calcolate nelle sezioni precedenti.La tabella 3 mostra le varie caratteristiche termiche dei materiali del convertitore.
Una stima accurata dei volumi di perdita e della loro distribuzione è fondamentale per eseguire simulazioni termiche affidabili.La perdita di calore generata dal GMT può essere suddivisa in perdita magnetica dell'asta GMM, perdita Joule della bobina eccitatrice, perdita meccanica e perdita aggiuntiva.Le perdite aggiuntive e meccaniche prese in considerazione sono relativamente piccole e possono essere trascurate.
La resistenza della bobina di eccitazione in ca comprende: la resistenza in cc Rdc e la resistenza di pelle Rs.
dove f e N sono la frequenza e il numero di spire della corrente di eccitazione.lCu e rCu sono i raggi interno ed esterno della bobina, la lunghezza della bobina e il raggio del filo magnetico di rame come definito dal suo numero AWG (American Wire Gauge).ρCu è la resistività del suo nucleo.µCu è la permeabilità magnetica del suo nucleo.
Il campo magnetico effettivo all'interno della bobina di campo (solenoide) non è uniforme lungo la lunghezza dell'asta.Questa differenza è particolarmente evidente a causa della minore permeabilità magnetica delle aste HMM e PM.Ma è longitudinalmente simmetrico.La distribuzione del campo magnetico determina direttamente la distribuzione delle perdite magnetiche dell'asta HMM.Pertanto, per riflettere la reale distribuzione delle perdite, per la misurazione viene presa un'asta a tre sezioni, mostrata nella Figura 8.
La perdita magnetica può essere ottenuta misurando il ciclo di isteresi dinamica.Sulla base della piattaforma sperimentale mostrata nella Figura 11, sono stati misurati tre cicli di isteresi dinamica.A condizione che la temperatura dell'asta GMM sia stabile al di sotto di 50°C, l'alimentatore CA programmabile (Chroma 61512) guida la bobina di campo in un certo intervallo, come mostrato nella Figura 8, la frequenza del campo magnetico generato dall'asta GMM la corrente di prova e la densità del flusso magnetico risultante vengono calcolate integrando la tensione indotta nella bobina di induzione collegata all'asta GIM.I dati grezzi sono stati scaricati dal registratore di memoria (MR8875-30 al giorno) ed elaborati nel software MATLAB per ottenere i cicli di isteresi dinamica misurati mostrati in Fig. 9.
Cicli di isteresi dinamica misurati: (a) sezione 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) sezione 1/5: fm = 1000 Hz, (c) sezione 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) sezione 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) sezione 3: Bm = 0,07228 T, (f) sezione 3: fm = 1000 Hz.
Secondo la letteratura 37, la perdita magnetica totale Pv per unità di volume delle aste HMM può essere calcolata utilizzando la seguente formula:
dove ABH è l'area di misura sulla curva BH alla frequenza del campo magnetico fm pari alla frequenza della corrente di eccitazione f.
In base al metodo di separazione delle perdite Bertotti38, la perdita magnetica per unità di massa Pm di un'asta GMM può essere espressa come la somma della perdita per isteresi Ph, della perdita per corrente parassita Pe e della perdita anomala Pa (13):
Da un punto di vista ingegneristico38, le perdite anomale e le perdite per correnti parassite possono essere combinate in un unico termine chiamato perdita totale per correnti parassite.Pertanto, la formula per il calcolo delle perdite può essere semplificata come segue:
nell'equazione.(13)~(14) dove Bm è l'ampiezza della densità magnetica del campo magnetico eccitante.kh e kc sono il fattore di perdita per isteresi e il fattore di perdita totale per correnti parassite.