2507 cumpunente chimicu di tubu di bobina d'acciaio inossidabile, Studiu di simulazione di rete termale equivalente di un trasduttore magnetostrictivu gigante di terra rara.

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• Descrizzione di u produttu
• 2507 Tubi spiralati in acciaio inox da a Cina

Critica à u disignu di u trasduttore magnetostrictive gigante (GMT) hè una analisi rapida è precisa di a distribuzione di a temperatura.U mudellu di rete termale hà i vantaghji di u costu di calculu bassu è una alta precisione è pò esse usatu per l'analisi termale GMT.In ogni casu, i mudelli termali esistenti anu limitazioni in a descrizzione di sti regimi termali cumplessi in GMT: a maiò parte di i studii fucalizza nantu à stati stazionarii chì ùn ponu micca catturà cambiamenti di temperatura;In generale, si assume chì a distribuzione di temperatura di i bastoni magnetostrictive giganti (GMM) hè uniforme, ma u gradiente di temperatura in u bastone GMM hè assai significativu per via di una scarsa conductività termale, a distribuzione di perdita non uniforme di u GMM hè raramente introdutta in u termale. mudellu.Dunque, cunsiderà cumplettamente i trè aspetti sopra, stu documentu stabilisce u mudellu GMT Transitional Equivalent Heat Network (TETN).Prima, basatu annantu à u disignu è u principiu di funziunamentu di u HMT vibratori longitudinale, hè realizatu un analisi termale.In questa basa, u mudellu di l'elementu calefactore hè stabilitu per u prucessu di trasferimentu di calore HMT è i paràmetri di u mudellu currispondente sò calculati.Infine, a precisione di u mudellu TETN per l'analisi spatiotemporale di a temperatura di u transducer hè verificata da simulazione è esperimentu.
U materiale magnetostrictive gigante (GMM), vale à dì terfenol-D, hà i vantaghji di una grande magnetostriction è una alta densità di energia.Queste proprietà uniche ponu esse aduprate per sviluppà trasduttori magnetostrittivi giganti (GMT) chì ponu esse usatu in una larga gamma di applicazioni cum'è transducers acustici subacquei, micromotors, actuators lineari, etc. 1,2.
Una preoccupazione particulari hè u putenziale di surriscaldamentu di i GMT sottumarini, chì, quandu operanu à piena putenza è per longu periudi di eccitazione, ponu generà quantità significativa di calore per via di a so alta densità di putenza3,4.Inoltre, per via di u grande coefficient di espansione termale di GMT è a so alta sensibilità à a temperatura esterna, u so rendimentu di output hè strettamente ligatu à a temperatura5,6,7,8.In publicazioni tecnichi, i metudi di analisi termale GMT ponu esse divisi in dui larghe categurie9: metudi numerichi è metudi di parametri lumped.U metudu di elementi finiti (FEM) hè unu di i metudi di analisi numerica più cumunimenti utilizati.Xie et al.[10] hà utilizatu u metudu di l'elementu finitu per simulà a distribuzione di e fonti di calore di una unità magnetostrictive gigante è hà realizatu u disignu di u sistema di cuntrollu di temperatura è di rinfrescante di u drive.Zhao et al.[11] hà stabilitu una simulazione di elementi finiti cumuni di un campu di flussu turbulente è un campu di temperatura, è hà custruitu un dispositivu di cuntrollu di temperatura di cumpunenti intelligenti GMM basatu nantu à i risultati di a simulazione di l'elementu finitu.Tuttavia, FEM hè assai esigenti in quantu à a configurazione di u mudellu è u tempu di calculu.Per questu mutivu, FEM hè cunsideratu un supportu impurtante per i calculi offline, generalmente durante a fase di cuncepimentu di cunvertitore.
U metudu di paràmetru lumped, cumunamenti chjamatu u mudellu di rete di calore, hè largamente utilizatu in l'analisi termodinamica per via di a so forma matematica simplice è di a velocità di calculu alta12,13,14.Stu approcciu ghjoca un rolu impurtante in l'eliminazione di e limitazioni termali di i motori 15, 16, 17. Mellor18 hè statu u primu à utilizà un circuitu equivalenti termale perfezionatu T per mudificà u prucessu di trasferimentu di calore di u mutore.Verez et al.19 hà creatu un mudellu tridimensionale di a reta termale di una macchina sincrona di magneti permanenti cù flussu assiale.Boglietti et al.20 pruposti quattru mudelli di rete termale di varià cumplessità per predichendu i transitori termali à cortu termine in i bobinaghji di u stator.Infine, Wang et al.21 hà stabilitu un circuitu equivalente termale detallatu per ogni cumpunente PMSM è riassume l'equazioni di resistenza termale.In cundizioni nominali, l'errore pò esse cuntrullatu in 5%.
In l'anni 1990, u mudellu di rete di calore hà cuminciatu à esse appiicatu à i cunvertitori di bassa freccia d'alta putenza.Dubus et al.22 hà sviluppatu un mudellu di rete di calore per discriverà u trasferimentu di calore stazionariu in un vibratore longitudinale à doppia faccia è un sensor di curvatura di classa IV.Anjanappa et al.23 hà realizatu un analisi termale stazionariu 2D di un microdrive magnetostrictive cù un mudellu di rete termale.Per studià a rilazioni trà i ceppi termali di Terfenol-D è i paràmetri GMT, Zhu et al.24 hà stabilitu un mudellu equivalente à u statu fermu per a resistenza termale è u calculu di spostamentu GMT.
A stima di a temperatura GMT hè più cumplessa cà l'applicazioni di u mutore.A causa di l'eccellente conductività termale è magnetica di i materiali utilizati, a maiò parte di i cumpunenti di u mutore cunsiderate à a listessa temperatura sò generalmente ridotti à un unicu node13,19.In ogni casu, per via di a povira conductività termale di HMM, l'assunzione di una distribuzione uniforme di temperatura ùn hè più curretta.Inoltre, HMM hà una permeabilità magnetica assai bassa, cusì u calore generatu da perdite magnetichi ùn hè di solitu micca uniformi longu u bastone HMM.Inoltre, a maiò parte di a ricerca hè cuncintrata nantu à simulazioni di u statu fermu chì ùn cuntanu micca i cambiamenti di temperatura durante l'operazione GMT.
Per risolve i trè prublemi tecnichi sopra, stu articulu usa a vibrazione longitudinale GMT cum'è l'ughjettu di studiu è modella cù precisione diverse parti di u transducer, in particulare u bastone GMM.Hè statu creatu un mudellu di una rete di calore equivalente transizionale cumpleta (TETN) GMT.Un mudellu di elementi finiti è una piattaforma sperimentale sò stati custruiti per pruvà l'accuratezza è a prestazione di u mudellu TETN per l'analisi spatiotemporale di a temperatura di trasduttore.
U disignu è e dimensioni geomètrica di l'HMF oscillante longitudinalmente sò mostrati in Fig. 1a è b, rispettivamente.
I cumpunenti chjave includenu barre GMM, bobine di campu, magneti permanenti (PM), gioghi, cuscinetti, boccole è molle Belleville.A bobina di eccitazione è PMT furnisce l'asta HMM cun un campu magneticu alternante è un campu magneticu DC bias, rispettivamente.U giogo è u corpu, custituitu da un capu è una manica, sò fatti di ferru DT4, chì hà una alta permeabilità magnetica.Forma un circuitu magneticu chjusu cù a barra GIM è PM.U fustu di output è a piastra di pressione sò fatti di acciaio inox 304 non magneticu.Cù belleville springs, un prestress stabile pò esse appiicatu à u troncu.Quandu un currente alternatu passa per a bobina d'accionamentu, a barra HMM vibrerà in cunseguenza.
Nantu à fig.2 mostra u prucessu di scambiu di calore in u GMT.I bastoni GMM è i bobine di campu sò e duie fonti principali di calore per i GMT.A serpentina trasferisce u so calore à u corpu per a cunvezione di l'aria in l'internu è à a tapa per cunduzzione.U bastone HMM hà da creà perditi magnetichi sottu à l'azzione di un campu magneticu alternante, è u calore serà trasferitu à a cunchiglia per via di a convezione à traversu l'aria interna, è à u magnetu permanente è u jugulu per a cunduzzione.U calore trasferitu à u casu hè poi dissipatu à l'esternu da a cunvezione è a radiazione.Quandu u calore generatu hè uguali à u calore trasfirutu, a temperatura di ogni parte di u GMT righjunghji un statu stabile.
U prucessu di trasferimentu di calore in un OGM oscillante longitudinalmente: a - diagramma di flussu di calore, b - camini principali di trasferimentu di calore.
In più di u calore generatu da a bobina exciter è a barra HMM, tutti i cumpunenti di un circuitu magneticu chjusu sperimentanu perdite magnetiche.Cusì, u magnetu permanente, u jugo, u capu è a manica sò laminati inseme per riduce a perdita magnetica di u GMT.
I passi principali in a custruzzione di un mudellu TETN per l'analisi termale GMT sò i seguenti: cumpunenti di primu gruppu cù e stesse temperature inseme è rapprisentanu ogni cumpunente cum'è un nodu separatu in a reta, poi assuciate sti nodi cù l'espressione di trasferimentu di calore adattatu.cunduzzione di u calore è cunvezzione trà i nodi.In questu casu, a fonte di calore è a pruduzzione di calore currispundenti à ogni cumpunente sò cunnessi in parallelu trà u node è a tensione di u zero cumunu di a terra per custruisce un mudellu equivalente di a reta di calore.U prossimu passu hè di calculà i paràmetri di a reta termale per ogni cumpunente di u mudellu, cumprese a resistenza termale, a capacità di calore è a perdita di energia.Infine, u mudellu TETN hè implementatu in SPICE per a simulazione.È pudete ottene a distribuzione di temperatura di ogni cumpunente di GMT è u so cambiamentu in u duminiu di u tempu.
Per a cunvenzione di u mudellu è u calculu, hè necessariu simplificà u mudellu termale è ignurà e cundizioni di cunfini chì anu pocu effettu nantu à i risultati18,26.U mudellu TETN prupostu in questu articulu hè basatu annantu à i seguenti supposizioni:
In GMT cù avvolgimenti di ferita aleatoriu, hè impussibile o necessariu di simulà a pusizione di ogni cunduttore individuale.Diverse strategie di modellazione sò state sviluppate in u passatu per mudificà u trasferimentu di calore è a distribuzione di a temperatura in l'avvolgimenti: (1) conductività termale cumposta, (2) equazioni dirette basate nantu à a geometria di u cunduttore, (3) circuitu termale equivalente à T29.
A conductività termale composta è l'equazioni dirette ponu esse cunsiderate solu suluzione più precisa chè u circuitu equivalente T, ma dipendenu di parechji fatturi, cum'è u materiale, a geometria di u cunduttore è u voluminu di l'aria residuale in u bobinamentu, chì sò difficiuli di determinà29.À u cuntrariu, u schema termale T-equivalente, ancu s'ellu hè un mudellu apprussimativu, hè più convenient30.Pò esse appiicatu à a bobina di eccitazione cù vibrazioni longitudinali di u GMT.
L'assemblea cilindrica cavu generale utilizata per rapprisintà a bobina di l'excitazione è u so diagramma termicu T-equivalente, ottenutu da a suluzione di l'equazioni di u calore, sò mostrati in a fig.3. Si assume chì u flussu di calore in a bobina d'excitazione hè indipindente in a direzzione radiale è assiale.U flussu di calore circunferencial hè trascuratatu.In ogni circuitu equivalente T, dui terminali rapprisentanu a temperatura di a superficia currispondente di l'elementu, è u terzu terminal T6 rapprisenta a temperatura media di l'elementu.A perdita di u cumpunente P6 hè entrata cum'è una fonte puntuale à u node di temperatura media calculata in u "Calculu di perdita di calore di bobina di campu".In u casu di simulazione non-stazionariu, a capacità di calore C6 hè datu da l'equazioni.(1) hè ancu aghjuntu à u node di temperatura media.
Induve cec, ρec è Vec rapprisentanu u calore specificu, a densità è u voluminu di a bobina d'excitazione, rispettivamente.
In tavula.1 mostra a resistenza termica di u circuitu termale T-equivalente di a bobina d'excitazione cù a lunghezza lec, a conductività termale λec, u raghju esterno rec1 è u raghju internu rec2.
Bobine d'exciter è i so circuiti termichi T-equivalenti: (a) elementi cilindrici di solitu cavu, (b) circuiti termichi T-equivalenti assiali è radiali separati.
U circuitu equivalente T hà ancu dimustratu per esse precisu per altre fonti di calore cilindricu13.Essendu a fonte di calore principale di l'OGM, u bastone HMM hà una distribuzione di temperatura irregolare per via di a so bassa conductività termale, soprattuttu longu l'assi di u bastone.À u cuntrariu, l'inhomogeneità radiale pò esse trascurata, postu chì u flussu di calore radiale di a barra HMM hè assai menu di u flussu di calore radiale31.
Per rapprisintà accuratamente u livellu di discretizazione assiale di u bastone è ottene a temperatura più altu, u bastone GMM hè rapprisintatu da n nodi uniformi spaziati in a direzzione assiale, è u numeru di nodi n modellati da u bastone GMM deve esse stranu.U numaru di contorni termichi assiali equivalenti hè n T figura 4.
Per determinà u numeru di nodi n utilizati per mudele a barra GMM, i risultati FEM sò mostrati in a fig.5 cum'è riferimentu.Comu mostra in fig.4, u numaru di nodi n hè regulatu in u schema termale di u bastone HMM.Ogni nodu pò esse modellatu cum'è un circuitu T-equivalente.Cumparendu i risultati di u FEM, da a Fig. 5 mostra chì unu o trè nodi ùn ponu micca riflette cù precisione a distribuzione di temperatura di u bastone HIM (circa 50 mm long) in l'OGM.Quandu n hè aumentatu à 5, i risultati di simulazione migliurà significativamente è avvicinanu FEM.Aumentà n in più dà ancu risultati megliu à u costu di un tempu di calculu più longu.Per quessa, in questu articulu, i nodi 5 sò selezziunati per u mudellu di a barra GMM.
Basatu nantu à l'analisi comparativa realizata, u schema termale esatta di u bastone HMM hè mostratu in a figura 6. T1 ~ T5 hè a temperatura media di cinque sezioni (sezione 1 ~ 5) di u bastone.P1-P5 rispettivamente rapprisentanu a putenza termale tutale di e diverse spazii di u bastone, chì serà discutitu in detail in u prossimu capitulu.C1 ~ C5 sò a capacità termica di e diverse regioni, chì ponu esse calculate da a seguente formula
induve crod, ρrod è Vrod denote a capacità termica specifica, a densità è u voluminu di a barra HMM.
Utilizendu u stessu metudu cum'è per a bobina exciter, a resistenza di trasferimentu di calore di a barra HMM in Fig. 6 pò esse calculata cum'è
induve lrod, rrod è λrod rapprisentanu a lunghezza, u raghju è a conduttività termica di a barra GMM, rispettivamente.
Per a vibrazione longitudinale GMT studiata in questu articulu, i cumpunenti rimanenti è l'aria interna pò esse mudeli cù una cunfigurazione unicu node.
Questi spazii ponu esse cunsideratu cum'è custituiti da unu o più cilindri.Una cunnessione di scambiu di calore puramente conduttivu in una parte cilindrica hè definita da a lege di cunduzzione di calore di Fourier cum'è
Induve λnhs hè a conduttività termale di u materiale, lnhs hè a lunghezza assiale, rnhs1 è rnhs2 sò i radii esterni è interni di l'elementu di trasferimentu di calore, rispettivamente.
L'equazione (5) hè aduprata per calculà a resistenza termale radiale per questi spazii, rapprisintata da RR4-RR12 in a figura 7. À u listessu tempu, l'equazione (6) hè usata per calculà a resistenza termica axial, rapprisentata da RA15 à RA33 in a figura. 7.
A capacità termica di un circuitu termale unicu node per l'area sopra (inclusi C7-C15 in Fig. 7) pò esse determinata cum'è
induve ρnhs, cnhs è Vnhs sò a lunghezza, u calore specificu è u voluminu, rispettivamente.
U trasferimentu di calore cunvectivu trà l'aria in u GMT è a superficia di u casu è l'ambiente hè modellatu cù una sola resistenza di cunduzzione termale cusì:
induve A hè a superficia di cuntattu è h hè u coefficient di trasferimentu di calore.A Tabella 232 elenca alcuni h tipici usati in sistemi termali.Sicondu Table.2 coefficienti di trasferimentu di calore di e resistenze termali RH8-RH10 è RH14-RH18, chì rapprisentanu a cunvezione trà l'HMF è l'ambiente in a fig.7 sò presu cum'è un valore constante di 25 W/(m2 K).I coefficienti di trasferimentu di calore rimanenti sò uguali à 10 W/(m2 K).
Sicondu u prucessu di trasferimentu di calore internu mostratu in Figura 2, u mudellu cumpletu di u cunvertitore TETN hè mostratu in Figura 7.
Comu mostra in fig.7, a vibrazione longitudinale GMT hè divisa in 16 nodi, chì sò rapprisentati da punti rossi.I nodi di temperatura raffigurati in u mudellu currispondenu à a temperatura media di i cumpunenti rispettivi.Température ambiante T0, température de la tige GMM T1~T5, température de la bobine de l'excitateur T6, température de l'aimant permanent T7 et T8, température du joug T9~T10, température du boîtier T11~T12 et T14, température de l'air intérieur T13 et température de la tige de sortie T15.Inoltre, ogni node hè cunnessu à u putenziale termale di a terra attraversu C1 ~ C15, chì rapprisentanu a capacità termale di ogni zona, rispettivamente.P1 ~ P6 hè a pruduzzioni di calore tutale di l'asta GMM è a bobina exciter rispettivamente.Inoltre, 54 resistenze termali sò aduprate per rapprisintà a resistenza conductiva è convective à u trasferimentu di calore trà i nodi adiacenti, chì sò stati calculati in e sezioni precedente.A Tabella 3 mostra e diverse caratteristiche termiche di i materiali cunvertitori.
A stima precisa di i volumi di perdita è a so distribuzione hè critica per fà simulazioni termali affidabili.A perdita di calore generata da u GMT pò esse divisa in a perdita magnetica di a barra GMM, a perdita Joule di a bobina exciter, a perdita meccanica è a perdita addiziale.I perditi supplementari è i perditi meccanichi pigliati in contu sò relativamente chjuchi è ponu esse trascurati.
A resistenza di a bobina di eccitazione ac include: a resistenza dc Rdc è a resistenza di a pelle Rs.
induve f è N sò a freccia è u numeru di spire di a corrente di eccitazione.lCu è rCu sò i radii interni è esterni di a bobina, a lunghezza di a bobina è u raghju di u filu magneticu di cobre cum'è definitu da u so numeru AWG (American Wire Gauge).ρCu hè a resistività di u so core.µCu hè a permeabilità magnetica di u so core.
U campu magneticu propiu à l'internu di a bobina di campu (solenoide) ùn hè micca uniforme à longu à a durata di a barra.Sta diffarenza hè soprattuttu notevule per via di a permeabilità magnetica più bassa di i bastoni HMM è PM.Ma hè longitudinalmente simmetricu.A distribuzione di u campu magneticu determina direttamente a distribuzione di perdite magnetiche di u bastone HMM.Per quessa, per riflette a distribuzione reale di perdite, una verga di trè sezioni, mostrata in a Figura 8, hè presa per a misurazione.
A perdita magnetica pò esse ottenuta da a misurazione di u ciclu dinamicu d'isteresi.Basatu nantu à a piattaforma sperimentale mostrata in a Figura 11, sò stati misurati trè loops d'isteresi dinamichi.Sutta a cundizione chì a temperatura di a barra GMM hè stabile sottu à 50 ° C, l'alimentazione AC programmable (Chroma 61512) conduce a bobina di campu in un certu intervallu, cum'è mostra in a Figura 8, a frequenza di u campu magneticu generatu da U currente di prova è a densità di flussu magneticu resultanti sò calculati integrendu a tensione indutta in a bobina d'induzione cunnessa à a barra GIM.I dati crudi sò stati scaricati da u logger di memoria (MR8875-30 per ghjornu) è processati in u software MATLAB per ottene i loops d'isteresi dinamichi misurati mostrati in Fig. 9.
Loops di isteresi dinamica misurata: (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) rùbbrica 3: Bm = 0,07228 T, (f) rùbbrica 3: fm = 1000 Hz.
Sicondu a literatura 37, a perdita magnetica totale Pv per unità di volumi di bastone HMM pò esse calculata cù a seguente formula:
induve ABH hè l'area di misurazione nantu à a curva BH à a frequenza di u campu magneticu fm uguale à a frequenza di corrente di eccitazione f.
Basatu nantu à u metudu di separazione di perdite di Bertotti38, a perdita magnetica per unità di massa Pm di una canna GMM pò esse espressa cum'è a somma di a perdita d'isteresi Ph, a perdita di corrente di Foucault Pe è a perdita anomala Pa (13):
Da una perspettiva di l'ingegneria38, e perdite anomale è e perdite di correnti di Foucault ponu esse cumminate in un termu chjamatu perdita di corrente di Foucault totale.Cusì, a formula per u calculu di perdite pò esse simplificatu cusì:
in l'equazioni.(13) ~ (14) induve Bm hè l'amplitude di a densità magnetica di u campu magneticu eccitante.kh è kc sò u fattore di perdita di l'isteresi è u fattore di perdita di corrente di Foucault totale.