Химический компонент змеевиковой трубки из нержавеющей стали 2507, исследование моделирования эквивалентной тепловой сети редкоземельного гигантского магнитострикционного преобразователя

Благодарим вас за посещение Nature.com.Вы используете версию браузера с ограниченной поддержкой CSS.Для оптимальной работы мы рекомендуем вам использовать обновленный браузер (или отключить режим совместимости в Internet Explorer).Кроме того, для обеспечения постоянной поддержки мы показываем сайт без стилей и JavaScript.
Слайдеры, показывающие по три статьи на слайде.Используйте кнопки «Назад» и «Далее» для перемещения по слайдам или кнопки контроллера слайдов в конце для перемещения по каждому слайду.

• Описание продукта
• 2507 Колтюбинг из нержавеющей стали из Китая

Критическим моментом при разработке гигантского магнитострикционного преобразователя (GMT) является быстрый и точный анализ распределения температуры.Моделирование тепловой сети имеет преимущества низких вычислительных затрат и высокой точности и может использоваться для термического анализа по Гринвичу.Однако существующие тепловые модели имеют ограничения в описании этих сложных тепловых режимов по Гринвичу: большинство исследований сосредоточено на стационарных состояниях, которые не могут улавливать изменения температуры;Обычно предполагается, что распределение температуры гигантских магнитострикционных (ГММ) стержней однородно, но градиент температуры поперек стержня ГММ очень значителен из-за плохой теплопроводности, неравномерное распределение потерь ГММ редко вводится в термические процессы. модель.Таким образом, путем всестороннего рассмотрения трех вышеупомянутых аспектов, в этом документе установлена ​​модель GMT переходной эквивалентной тепловой сети (TETN).Сначала, исходя из конструкции и принципа работы продольно-вибрационного ГМТ, проводится термический анализ.На этой основе создается модель нагревательного элемента для процесса теплопередачи ГМТ и рассчитываются соответствующие параметры модели.Наконец, точность модели TETN для пространственно-временного анализа температуры преобразователя подтверждается моделированием и экспериментом.
Гигантский магнитострикционный материал (ГММ), а именно терфенол-Д, обладает преимуществами большой магнитострикции и высокой плотности энергии.Эти уникальные свойства могут быть использованы для разработки гигантских магнитострикционных преобразователей (ГМТ), которые можно использовать в широком спектре применений, таких как подводные акустические преобразователи, микродвигатели, линейные приводы и т. д. 1,2.
Особую озабоченность вызывает возможность перегрева подводных ГМТ, которые при работе на полной мощности и в течение длительных периодов возбуждения могут генерировать значительное количество тепла из-за своей высокой плотности мощности3,4.Кроме того, из-за большого коэффициента теплового расширения GMT и его высокой чувствительности к внешней температуре его выходные характеристики тесно связаны с температурой5,6,7,8.В технических публикациях методы термического анализа GMT можно разделить на две широкие категории9: численные методы и методы с сосредоточенными параметрами.Метод конечных элементов (МКЭ) является одним из наиболее часто используемых методов численного анализа.Се и др.В работе [10] методом конечных элементов моделировалось распределение источников тепла гигантского магнитострикционного привода и реализована конструкция системы контроля температуры и охлаждения привода.Чжао и др.[11] разработали совместное конечно-элементное моделирование поля турбулентного потока и температурного поля и построили интеллектуальное устройство контроля температуры компонентов GMM на основе результатов конечно-элементного моделирования.Однако FEM очень требователен к настройке модели и времени расчета.По этой причине FEM считается важным средством поддержки автономных расчетов, обычно на этапе проектирования преобразователя.
Метод сосредоточенных параметров, обычно называемый моделью тепловой сети, широко используется в термодинамическом анализе благодаря своей простой математической форме и высокой скорости вычислений12,13,14.Этот подход играет важную роль в устранении тепловых ограничений двигателей 15, 16, 17. Меллор18 был первым, кто использовал улучшенную тепловую эквивалентную схему T для моделирования процесса теплопередачи двигателя.Верес и др.19 создана трехмерная модель тепловой сети синхронной машины на постоянных магнитах с осевым потоком.Боглитти и др.20 предложили четыре модели тепловой сети различной сложности для прогнозирования кратковременных тепловых переходных процессов в обмотках статора.Наконец, Ван и др.21 разработали подробную термическую эквивалентную схему для каждого компонента СДСМ и суммировали уравнение теплового сопротивления.В номинальных условиях погрешность может контролироваться в пределах 5%.
В 1990-е годы модель тепловой сети стала применяться к мощным низкочастотным преобразователям.Дубус и др.22 разработали модель тепловой сети для описания стационарной теплопередачи в двустороннем продольном вибраторе и датчике изгиба класса IV.Анжанаппа и др.23 выполнили 2D стационарный термический анализ магнитострикционного микропривода с использованием модели тепловой сети.Чтобы изучить связь между термической деформацией Терфенола-Д и параметрами GMT, Zhu et al.24 создали эквивалентную стационарную модель для расчета теплового сопротивления и смещения по Гринвичу.
Оценка температуры по Гринвичу является более сложной задачей, чем оценка температуры двигателя.Благодаря превосходной тепло- и магнитной проводимости используемых материалов большинство компонентов двигателя, находящихся при одной и той же температуре, обычно сводятся к одному узлу13,19.Однако из-за плохой теплопроводности HMM предположение о равномерном распределении температуры уже не верно.Кроме того, HMM имеет очень низкую магнитную проницаемость, поэтому тепло, выделяемое магнитными потерями, обычно неравномерно вдоль стержня HMM.Кроме того, большая часть исследований сосредоточена на стационарном моделировании, которое не учитывает изменения температуры во время работы по Гринвичу.
Чтобы решить три вышеупомянутые технические проблемы, в этой статье в качестве объекта исследования используется продольная вибрация GMT и точно моделируются различные части преобразователя, особенно стержень GMM.Создана модель полной переходной эквивалентной тепловой сети (ТЭТС) GMT.Модель конечных элементов и экспериментальная платформа были созданы для проверки точности и производительности модели TETN для пространственно-временного анализа температуры преобразователя.
Конструкция и геометрические размеры продольно-колеблющегося ВМП показаны на рис. 1а и б соответственно.
Ключевые компоненты включают стержни GMM, катушки возбуждения, постоянные магниты (ПМ), ярмо, колодки, втулки и тарельчатые пружины.Катушка возбуждения и ФЭУ создают на стержне ГММ переменное магнитное поле и магнитное поле смещения постоянного тока соответственно.Хомут и корпус, состоящий из колпака и втулки, изготовлены из мягкого железа ДТ4, обладающего высокой магнитной проницаемостью.Образует замкнутую магнитную цепь со стержнем ГИМ и ПМ.Выходной шток и нажимная пластина изготовлены из немагнитной нержавеющей стали 304.С помощью тарельчатых пружин к штоку можно приложить стабильное предварительное напряжение.Когда через катушку возбуждения проходит переменный ток, стержень HMM соответственно вибрирует.
На рис.2 показан процесс теплообмена внутри ГМТ.Стержни GMM и катушки возбуждения являются двумя основными источниками тепла для GMT.Змеевик передает тепло телу за счет конвекции воздуха внутри и крышке за счет проводимости.Стержень ХММ под действием переменного магнитного поля будет создавать магнитные потери, и тепло будет передаваться оболочке за счет конвекции через внутренний воздух, а постоянному магниту и ярму за счет проводимости.Тепло, переданное корпусу, затем рассеивается наружу за счет конвекции и излучения.Когда выделяемое тепло равно передаваемому теплу, температура каждой части GMT достигает устойчивого состояния.
Процесс теплопередачи в продольно колеблющемся ГМО: а – схема теплового потока, б – основные пути теплопередачи.
Помимо тепла, выделяемого катушкой возбуждения и стержнем ГММ, все компоненты замкнутой магнитной цепи испытывают магнитные потери.Таким образом, постоянный магнит, ярмо, колпачок и втулка ламинированы вместе, чтобы уменьшить магнитные потери GMT.
Основные этапы построения модели TETN для термического анализа по Гринвичу заключаются в следующем: сначала сгруппируйте компоненты с одинаковыми температурами вместе и представьте каждый компонент как отдельный узел в сети, затем свяжите эти узлы с соответствующим выражением теплопередачи.теплопроводность и конвекция между узлами.В этом случае источник тепла и соответствующая каждому компоненту тепловая мощность подключаются параллельно между узлом и общим нулевым напряжением земли для построения эквивалентной модели тепловой сети.Следующим шагом является расчет параметров тепловой сети для каждого компонента модели, включая тепловое сопротивление, теплоемкость и потери мощности.Наконец, модель TETN реализована в SPICE для моделирования.И вы можете получить распределение температуры каждой компоненты GMT и ее изменение во временной области.
Для удобства моделирования и расчета необходимо упростить тепловую модель и игнорировать граничные условия, мало влияющие на результаты18,26.Модель TETN, предложенная в этой статье, основана на следующих предположениях:
В ГМТ с хаотично намотанными обмотками невозможно или необходимо моделировать положение каждого отдельного проводника.В прошлом для моделирования теплопередачи и распределения температуры внутри обмоток были разработаны различные стратегии моделирования: (1) сложная теплопроводность, (2) прямые уравнения, основанные на геометрии проводника, (3) Т-эквивалентная тепловая схема29.
Составные уравнения теплопроводности и прямые уравнения можно считать более точными решениями, чем схема замещения Т, но они зависят от ряда факторов, таких как материал, геометрия проводника и объем остаточного воздуха в обмотке, которые трудно определить29.Напротив, Т-эквивалентная тепловая схема хоть и является приближенной моделью, но более удобна30.Может быть применена катушка возбуждения с продольными колебаниями ГМТ.
Общий полый цилиндрический узел, используемый для представления катушки возбуждения, и ее Т-эквивалентная тепловая диаграмма, полученная из решения уравнения теплопроводности, показаны на рис.3. Предполагается, что тепловой поток в катушке возбуждения независим в радиальном и осевом направлениях.Окружным тепловым потоком пренебрегаем.В каждой эквивалентной схеме Т две клеммы представляют соответствующую температуру поверхности элемента, а третья клемма Т6 представляет среднюю температуру элемента.Потери компонента P6 вводятся как точечный источник в узле средней температуры, рассчитанный в разделе «Расчет теплопотерь катушки возбуждения».В случае нестационарного моделирования теплоемкость C6 определяется уравнением.(1) также добавляется в узел Средняя температура.
Где cec, ρec и Vec представляют собой удельную теплоемкость, плотность и объем катушки возбуждения соответственно.
В табл.1 показано термическое сопротивление Т-эквивалентной тепловой цепи катушки возбуждения длиной lec, теплопроводностью λec, внешним радиусом Rec1 и внутренним радиусом Rec2.
Катушки возбуждения и их Т-эквивалентные тепловые схемы: (а) обычно полые цилиндрические элементы, (б) отдельные осевые и радиальные Т-эквивалентные тепловые схемы.
Эквивалентная схема Т также показала свою точность и для других цилиндрических источников тепла13.Являясь основным источником тепла ГМО, стержень ГММ имеет неравномерное распределение температуры из-за низкой теплопроводности, особенно вдоль оси стержня.Напротив, радиальной неоднородностью можно пренебречь, поскольку радиальный тепловой поток стержня ГММ значительно меньше радиального теплового потока31.
Чтобы точно представить уровень осевой дискретизации стержня и получить самую высокую температуру, стержень ГММ представлен n узлами, равномерно расположенными в осевом направлении, и количество узлов n, моделируемых стержнем ГММ, должно быть нечетным.Число эквивалентных осевых тепловых контуров составляет n T рисунок 4.
Для определения количества узлов n, используемых для моделирования стержня GMM, результаты МКЭ показаны на рис.5 в качестве ссылки.Как показано на рис.4, в тепловой схеме стержня ГММ регламентировано количество узлов n.Каждый узел можно смоделировать как Т-эквивалентную схему.Сравнивая результаты МКЭ, из рис. 5 видно, что один или три узла не могут точно отражать распределение температуры стержня ВИМ (длиной около 50 мм) в ГМО.Когда n увеличивается до 5, результаты моделирования значительно улучшаются и приближаются к FEM.Дальнейшее увеличение n также дает лучшие результаты за счет увеличения времени вычислений.Поэтому в данной статье выбрано 5 узлов для моделирования стержня ГММ.
На основании проведенного сравнительного анализа точная тепловая схема стержня ГММ представлена ​​на рис. 6. Т1~Т5 - средняя температура пяти участков (секции 1~5) стержня.P1-P5 соответственно представляют собой общую тепловую мощность различных областей стержня, которая будет подробно рассмотрена в следующей главе.C1~C5 — теплоемкость различных регионов, которую можно рассчитать по следующей формуле
где crod, ρrod и Vrod обозначают удельную теплоемкость, плотность и объем стержня ГММ.
Используя тот же метод, что и для катушки возбуждения, сопротивление теплопередаче стержня HMM на рис. 6 можно рассчитать как
где lrod, rrod и λrod представляют длину, радиус и теплопроводность стержня GMM соответственно.
Для продольной вибрации GMT, изучаемой в этой статье, остальные компоненты и внутренний воздух можно смоделировать с помощью конфигурации с одним узлом.
Эти области можно рассматривать как состоящие из одного или нескольких цилиндров.Чисто кондуктивное теплообменное соединение в цилиндрической детали определяется законом теплопроводности Фурье как
Где λnhs — теплопроводность материала, lnhs — осевая длина, rnhs1 и rnhs2 — внешний и внутренний радиусы теплопередающего элемента соответственно.
Уравнение (5) используется для расчета радиального термического сопротивления для этих областей, обозначенных RR4-RR12 на рисунке 7. В то же время уравнение (6) используется для расчета осевого термического сопротивления, представленного от RA15 до RA33 на рисунке. 7.
Теплоемкость одноузловой тепловой схемы для указанного участка (включая С7–С15 на рис. 7) можно определить как
где ρnhs, cnhs и Vnhs — длина, теплоемкость и объем соответственно.
Конвективный теплообмен между воздухом внутри GMT, поверхностью корпуса и окружающей средой моделируется с помощью одного резистора теплопроводности следующим образом:
где A — поверхность контакта, h — коэффициент теплопередачи.В Таблице 232 перечислены некоторые типичные значения h, используемые в тепловых системах.Согласно табл.2 коэффициенты теплопередачи термосопротивлений RH8–RH10 и RH14–RH18, представляющие конвекцию между ВМП и окружающей средой на рис.7 принимаются за постоянное значение 25 Вт/(м2 К).Остальные коэффициенты теплопередачи принимаются равными 10 Вт/(м2 К).
В соответствии с процессом внутренней теплопередачи, показанным на рисунке 2, полная модель преобразователя ТЭТН показана на рисунке 7.
Как показано на рис.7 продольная вибрация по Гринвичу разделена на 16 узлов, которые обозначены красными точками.Температурные узлы, изображенные в модели, соответствуют средним температурам соответствующих компонентов.Температура окружающей среды T0, температура стержня GMM T1~T5, температура катушки возбудителя T6, температура постоянного магнита T7 и T8, температура ярма T9~T10, температура корпуса T11~T12 и T14, температура воздуха в помещении T13 и температура выходного стержня T15.Кроме того, каждый узел подключен к тепловому потенциалу земли через C1 ~ C15, которые представляют собой тепловую мощность каждой области соответственно.P1~P6 — общая тепловая мощность стержня GMM и катушки возбудителя соответственно.Кроме того, 54 тепловых сопротивления используются для представления кондуктивного и конвективного сопротивления теплопередаче между соседними узлами, которые были рассчитаны в предыдущих разделах.В таблице 3 показаны различные тепловые характеристики материалов преобразователя.
Точная оценка объемов потерь и их распределения имеет решающее значение для выполнения надежного теплового моделирования.Тепловые потери, генерируемые GMT, можно разделить на магнитные потери стержня GMM, джоулевые потери катушки возбуждения, механические потери и дополнительные потери.Учтенные дополнительные потери и механические потери относительно невелики и ими можно пренебречь.
Сопротивление катушки возбуждения переменного тока включает в себя: сопротивление постоянному току Rdc и сопротивление кожи Rs.
где f и N — частота и число витков тока возбуждения.lCu и rCu — внутренний и внешний радиусы катушки, длина катушки и радиус медного магнитного провода, определяемый его номером AWG (американский калибр проводов).ρCu — удельное сопротивление его ядра.µCu — магнитная проницаемость его ядра.
Фактическое магнитное поле внутри катушки возбуждения (соленоида) не является однородным по длине стержня.Эта разница особенно заметна из-за меньшей магнитной проницаемости стержней ХММ и ПМ.Но он продольно-симметричен.Распределение магнитного поля напрямую определяет распределение магнитных потерь стержня ГММ.Поэтому, чтобы отразить реальное распределение потерь, для измерения взят трехсекционный стержень, показанный на рисунке 8.
Магнитные потери можно определить путем измерения динамической петли гистерезиса.На основе экспериментальной платформы, показанной на рисунке 11, были измерены три петли динамического гистерезиса.При условии, что температура стержня GMM стабильна ниже 50°C, программируемый источник переменного тока (Chroma 61512) приводит в движение катушку возбуждения в определенном диапазоне, как показано на рисунке 8, частота магнитного поля, генерируемого Испытательный ток и результирующая плотность магнитного потока рассчитываются путем интегрирования напряжения, индуцируемого в индукционной катушке, подключенной к стержню ГИМ.Необработанные данные были загружены из регистратора памяти (MR8875-30 в день) и обработаны в программном обеспечении MATLAB для получения измеренных динамических петель гистерезиса, показанных на рис. 9.
Измеренные петли динамического гистерезиса: (а) участок 1/5: Bm = 0,044735 Тл, (б) участок 1/5: fm = 1000 Гц, (в) участок 2/4: Bm = 0,05955 Тл, (г) участок 2/ 4: fm = 1000 Гц, (д) ​​участок 3: Bm = 0,07228 T, (е) участок 3: fm = 1000 Гц.
Согласно литературе 37, общие магнитные потери Pv на единицу объема стержней из ГММ можно рассчитать по следующей формуле:
где ABH — площадь измерения на кривой BH при частоте магнитного поля fm, равной частоте тока возбуждения f.
На основе метода разделения потерь Бертотти38 магнитные потери на единицу массы Pm стержня GMM можно выразить как сумму гистерезисных потерь Ph, потерь на вихревые токи Pe и аномальных потерь Pa (13):
С инженерной точки зрения38 аномальные потери и потери на вихревые токи можно объединить в один термин, называемый полными потерями на вихревые токи.Таким образом, формулу расчета потерь можно упростить следующим образом:
в уравнении.(13)~(14) где Bm — амплитуда магнитной плотности возбуждающего магнитного поля.kh и kc — коэффициент гистерезисных потерь и общий коэффициент потерь на вихревые токи.