2507 тот баспайтын болаттан жасалған катушка түтігінің химиялық құрамдас бөлігі, Сирек жердегі алып магнитостриктивті түрлендіргішті эквивалентті жылу желісін модельдеу зерттеу

Nature.com сайтына кіргеніңіз үшін рахмет.Сіз шектеулі CSS қолдауы бар шолғыш нұсқасын пайдаланып жатырсыз.Ең жақсы тәжірибе үшін жаңартылған шолғышты пайдалануды ұсынамыз (немесе Internet Explorer шолғышында үйлесімділік режимін өшіріңіз).Оған қоса, тұрақты қолдауды қамтамасыз ету үшін біз сайтты стильсіз және JavaScriptсіз көрсетеміз.
Әр слайдта үш мақаланы көрсететін слайдерлер.Слайдтар арқылы жылжу үшін артқа және келесі түймелерді немесе әр слайд бойынша жылжу үшін соңында слайд контроллері түймелерін пайдаланыңыз.

• Өнім Сипаттамасы
• 2507 Қытайдан жасалған тот баспайтын болаттан жасалған ширатылған түтік

Алып магнитострикциялық түрлендіргіштің (GMT) дизайны үшін маңызды нәрсе - температураның таралуын жылдам және дәл талдау.Жылулық желіні модельдеу төмен есептеу құны мен жоғары дәлдіктің артықшылықтарына ие және GMT ​​термиялық талдау үшін пайдаланылуы мүмкін.Дегенмен, қолданыстағы жылу модельдері GMT-дегі осы күрделі жылу режимдерін сипаттауда шектеулерге ие: зерттеулердің көпшілігі температура өзгерістерін ұстай алмайтын стационарлық күйлерге бағытталған;Әдетте алып магнитостриктивтік (ГММ) өзекшелердің температуралық таралуы біркелкі деп болжанады, бірақ жылу өткізгіштігінің нашарлығына байланысты GMM таяқшасы бойынша температура градиенті өте маңызды, ГММ-нің біркелкі емес жоғалту таралуы жылу жүйесіне сирек енгізіледі. үлгі.Сондықтан, жоғарыда аталған үш аспектіні жан-жақты қарастыра отырып, бұл құжат GMT өтпелі эквивалентті жылу желісі (TETN) моделін белгілейді.Біріншіден, бойлық тербелмелі HMT конструкциясы мен жұмыс принципі негізінде термиялық талдау жүргізіледі.Осының негізінде HMT жылу беру процесі үшін қыздыру элементінің моделі белгіленеді және сәйкес модель параметрлері есептеледі.Соңында түрлендіргіштің температуралық кеңістіктік-уақыттық талдауына арналған TETN үлгісінің дәлдігі модельдеу және эксперимент арқылы тексеріледі.
Үлкен магнитострикциялық материал (GMM), атап айтқанда терфенол-D, үлкен магнитострикция мен жоғары энергия тығыздығының артықшылықтарына ие.Бұл бірегей қасиеттерді су астындағы акустикалық түрлендіргіштер, микромоторлар, сызықтық жетектер және т.б. сияқты кең ауқымда қолдануға болатын үлкен магнитостриктивтік түрлендіргіштерді (GMTs) әзірлеу үшін пайдалануға болады. 1,2.
Ерекше алаңдаушылық тудыратын жағдай - толық қуатта және ұзақ уақыт бойы қоздыру кезінде жұмыс істегенде, олардың жоғары қуат тығыздығына байланысты айтарлықтай жылу мөлшерін тудыруы мүмкін су астындағы GMT-ның қызып кету әлеуеті3,4.Сонымен қатар, GMT термиялық кеңею коэффициентінің үлкен болуына және сыртқы температураға жоғары сезімталдығына байланысты оның шығыс өнімділігі температурамен тығыз байланысты5,6,7,8.Техникалық жарияланымдарда GMT термиялық талдау әдістерін екі кең категорияға9 бөлуге болады: сандық әдістер және жиынтық параметр әдістері.Ақырлы элементтер әдісі (FEM) ең жиі қолданылатын сандық талдау әдістерінің бірі болып табылады.Xie және т.б.[10] алып магнитострикциялық жетектің жылу көздерінің таралуын имитациялау үшін соңғы элементтер әдісін қолданды және жетектің температуралық бақылау және салқындату жүйесінің дизайнын жүзеге асырды.Чжао және т.б.[11] турбулентті ағын өрісі мен температура өрісінің соңғы элементтерінің бірлескен модельдеуін құрды және соңғы элементтерді модельдеу нәтижелеріне негізделген GMM интеллектуалды құрамдас температураны басқару құрылғысын құрастырды.Дегенмен, FEM модельді орнату және есептеу уақыты тұрғысынан өте талап етеді.Осы себепті, FEM әдетте түрлендіргішті жобалау кезеңінде офлайн есептеулер үшін маңызды қолдау болып саналады.
Әдетте жылу желісінің моделі деп аталатын кесек параметр әдісі қарапайым математикалық формасы мен жоғары есептеу жылдамдығына байланысты термодинамикалық талдауда кеңінен қолданылады12,13,14.Бұл тәсіл 15, 16, 17 қозғалтқыштарының жылулық шектеулерін жоюда маңызды рөл атқарады. Меллор18 қозғалтқыштың жылу беру процесін модельдеу үшін жақсартылған жылу эквивалентті T схемасын бірінші рет пайдаланды.Верез және т.б.19 осьтік ағыны бар тұрақты магнитті синхронды машинаның жылу желісінің үш өлшемді моделін жасады.Boglietti et al.20 статор орамаларында қысқа мерзімді жылу өтпелі процестерді болжау үшін әртүрлі күрделіліктегі төрт жылу желісінің моделін ұсынды.Соңында, Wang және т.б.21 әрбір PMSM компоненті үшін егжей-тегжейлі термиялық эквиваленттік схеманы құрды және термиялық кедергі теңдеуін қорытындылады.Номиналды жағдайларда қатені 5% шегінде басқаруға болады.
1990 жылдары жылу желісінің моделі жоғары қуатты төмен жиілікті түрлендіргіштерге қолданыла бастады.Dubus және т.б.22 екі жақты бойлық вибраторда және IV класты иілу сенсорында стационарлық жылу беруді сипаттау үшін жылу желісінің үлгісін жасады.Анджанаппа және т.б.23 ​​термиялық желі моделін пайдалана отырып, магнитостриктивтік микродискінің 2D стационарлық термиялық талдауын орындады.Терфенол-D және GMT ​​параметрлерінің термиялық деформациясы арасындағы байланысты зерттеу үшін Жу және т.б.24 жылу кедергісі мен GMT ығысуын есептеу үшін тұрақты күйдегі эквиваленттік үлгіні белгіледі.
GMT температурасын бағалау қозғалтқыш қолданбаларына қарағанда күрделірек.Пайдаланылатын материалдардың тамаша жылу және магниттік өткізгіштігінің арқасында бірдей температурада қарастырылатын қозғалтқыш компоненттерінің көпшілігі әдетте бір түйінге дейін азаяды13,19.Дегенмен, ХММ-нің жылу өткізгіштігі нашар болғандықтан, температураның біркелкі таралуы туралы болжам енді дұрыс емес.Сонымен қатар, HMM өте төмен магниттік өткізгіштікке ие, сондықтан магниттік жоғалтулар нәтижесінде пайда болатын жылу әдетте HMM таяқшасының бойымен біркелкі емес.Сонымен қатар, зерттеулердің көпшілігі GMT жұмысы кезінде температураның өзгеруін есепке алмайтын тұрақты жағдайды модельдеуге бағытталған.
Жоғарыда аталған үш техникалық мәселені шешу үшін бұл мақалада зерттеу нысаны ретінде GMT ​​бойлық діріл пайдаланылады және түрлендіргіштің әртүрлі бөліктерін, әсіресе GMM штангасын дәл модельдейді.Толық өтпелі эквивалентті жылу желісінің (TETN) GMT моделі жасалды.Түрлендіргіштің температуралық кеңістіктік-уақыттық талдауы үшін TETN моделінің дәлдігі мен өнімділігін тексеру үшін ақырлы элементтер моделі мен эксперименттік платформа салынды.
Бойлық тербелмелі ЖМҚ конструкциясы мен геометриялық өлшемдері сәйкесінше 1а және б-суретте көрсетілген.
Негізгі компоненттерге GMM штангалары, өріс катушкалары, тұрақты магниттер (PM), қамыттар, төсемдер, төлкелер және беллевилл серіппелері кіреді.Қоздыру катушкасы және PMT сәйкесінше HMM таяқшасын айнымалы магнит өрісімен және тұрақты токтың магнит өрісімен қамтамасыз етеді.Қалпақ пен жеңнен тұратын қамыт пен корпус магниттік өткізгіштігі жоғары DT4 жұмсақ темірден жасалған.GIM және PM таяқшасымен тұйық магниттік тізбек құрады.Шығару бағанасы мен қысым тақтасы магнитті емес 304 баспайтын болаттан жасалған.Беллевилл серіппелерімен сабаққа тұрақты престресті қолдануға болады.Айнымалы ток жетек катушкасы арқылы өткенде, HMM штангасы сәйкесінше дірілдейді.
Суретте.2 GMT ішіндегі жылу алмасу процесін көрсетеді.GMM штангалары мен өріс катушкалары GMT үшін жылудың екі негізгі көзі болып табылады.Серпентин өзінің жылуын денеге ішіндегі ауа конвекциясы арқылы, ал өткізгіштік арқылы қақпаққа береді.HMM таяқшасы айнымалы магнит өрісінің әсерінен магниттік шығындарды тудырады, ал жылу ішкі ауа арқылы конвекцияға байланысты қабықшаға және өткізгіштікке байланысты тұрақты магнит пен қамытқа беріледі.Корпусқа берілген жылу кейін конвекция және сәулелену арқылы сыртқа таралады.Түзілген жылу тасымалданатын жылуға тең болғанда, GMT әрбір бөлігінің температурасы тұрақты күйге жетеді.
Бойлық тербелмелі ГМО-дағы жылу алмасу процесі: а – жылу ағынының диаграммасы, б – негізгі жылу беру жолдары.
Қоздырғыш катушка мен HMM таяқшасы тудыратын жылудан басқа, тұйық магниттік тізбектің барлық құрамдас бөліктері магниттік шығындарды бастан кешіреді.Осылайша, GMT магниттік жоғалуын азайту үшін тұрақты магнит, қамыт, қақпақ және жең бірге ламинатталған.
GMT термиялық талдауы үшін TETN моделін құрудың негізгі қадамдары төмендегідей: алдымен бірдей температуралары бар құрамдастарды біріктіріп, әрбір компонентті желідегі жеке түйін ретінде көрсетеді, содан кейін осы түйіндерді сәйкес жылу беру өрнегімен байланыстырыңыз.түйіндер арасындағы жылу өткізгіштік және конвекция.Бұл жағдайда жылу желісінің эквивалентті моделін құру үшін торап пен жердің жалпы нөлдік кернеуі арасында жылу көзі және әрбір компонентке сәйкес келетін жылу шығысы параллель қосылады.Келесі қадам - ​​жылу кедергісін, жылу сыйымдылығын және қуат шығындарын қоса алғанда, модельдің әрбір құрамдас бөлігі үшін жылу желісінің параметрлерін есептеу.Соңында, TETN моделі модельдеу үшін SPICE жүйесінде жүзеге асырылады.Және сіз GMT әр компонентінің температуралық таралуын және оның уақыт доменіндегі өзгеруін ала аласыз.
Модельдеу мен есептеудің ыңғайлылығы үшін термиялық модельді жеңілдету және нәтижелерге аз әсер ететін шекаралық шарттарды елемеу қажет18,26.Осы мақалада ұсынылған TETN моделі келесі болжамдарға негізделген:
Кездейсоқ оралған орамдары бар GMT-де әрбір жеке өткізгіштің жағдайын имитациялау мүмкін емес немесе қажет емес.Орамалардағы жылу алмасуды және температураны бөлуді модельдеу үшін бұрын әртүрлі модельдеу стратегиялары әзірленген: (1) құрама жылу өткізгіштік, (2) өткізгіш геометриясына негізделген тікелей теңдеулер, (3) Т-эквивалентті жылу тізбегі29.
Құрама жылу өткізгіштік пен тура теңдеулерді эквивалентті Т тізбегіне қарағанда дәлірек шешім деп санауға болады, бірақ олар материал, өткізгіш геометриясы және орамдағы қалдық ауаның көлемі сияқты анықтау қиын болатын бірнеше факторларға байланысты29.Керісінше, Т-эквивалентті жылу схемасы, шамамен үлгі болғанымен, ыңғайлырақ30.Оны GMT бойлық тербелістері бар қозу орамына қолдануға болады.
Қоздырғыш катушкасын көрсету үшін пайдаланылатын жалпы қуыс цилиндрлік жинақ және оның жылу теңдеуінің шешімінен алынған Т-эквивалентті жылу диаграммасы күріште көрсетілген.3. Қоздыру орамындағы жылу ағыны радиалды және осьтік бағытта тәуелсіз деп есептеледі.Айналмалы жылу ағыны ескерілмейді.Әрбір эквивалентті T схемасында екі терминал элементтің сәйкес бетінің температурасын білдіреді, ал үшінші терминал T6 элементтің орташа температурасын білдіреді.Р6 құрамдас бөлігінің жоғалуы «Өріс катушкасының жылу шығынын есептеуде» есептелген орташа температура түйінінде нүктелік көз ретінде енгізіледі.Стационарлы емес модельдеу жағдайында С6 жылу сыйымдылығы теңдеу арқылы беріледі.(1) Орташа температура түйініне де қосылады.
Мұндағы cec, ρec және Vec тиісінше қоздыру катушкасының меншікті жылуын, тығыздығын және көлемін білдіреді.
Кестеде.1 ұзындығы lc, жылу өткізгіштігі λec, сыртқы радиусы rec1 және ішкі радиусы rec2 болатын қоздыру катушкасының T-эквивалентті жылу тізбегінің жылу кедергісін көрсетеді.
Қоздырғыш катушкалар және олардың Т-эквивалентті жылу тізбектері: (а) әдетте қуыс цилиндрлік элементтер, (b) осьтік және радиалды T-эквивалентті жылулық тізбектер.
Т эквивалентті тізбегі басқа цилиндрлік жылу көздері үшін де дәлдігін көрсетті13.ГМО-ның негізгі жылу көзі бола отырып, HMM таяқшасы төмен жылу өткізгіштікке байланысты, әсіресе өзек осі бойымен температураның біркелкі таралуына ие.Керісінше, радиалды біртексіздікті елемеуге болады, өйткені HMM штангасының радиалды жылу ағыны радиалды жылу ағынынан әлдеқайда аз31.
Өзекшенің осьтік дискреттелу деңгейін дәл көрсету және ең жоғары температураны алу үшін GMM штангасы осьтік бағытта біркелкі орналасқан n түйінмен бейнеленеді, ал GMM таяқшасымен модельделген n түйіндердің саны тақ болуы керек.Эквивалентті осьтік жылу контурларының саны n T 4-сурет.
GMM жолағын модельдеу үшін пайдаланылатын n түйіндерінің санын анықтау үшін FEM нәтижелері күріш.5 сілтеме ретінде.Суретте көрсетілгендей.4, түйіндердің саны n HMM штангасының жылу схемасында реттеледі.Әрбір түйінді T-эквивалентті схема ретінде модельдеуге болады.FEM нәтижелерін салыстыру, 5-суреттен бір немесе үш түйіннің ГМО-дағы HIM таяқшасының (ұзындығы 50 мм-ге жуық) температуралық таралуын дәл көрсете алмайтынын көрсетеді.n 5-ке дейін ұлғайтылған кезде, модельдеу нәтижелері айтарлықтай жақсарады және FEM-ге жақындайды.Әрі қарай n көбейту ұзақ есептеу уақытының құнына жақсы нәтиже береді.Сондықтан, бұл мақалада GMM жолағын модельдеу үшін 5 түйін таңдалады.
Жүргізілген салыстырмалы талдау негізінде HMM штангасының нақты жылу схемасы 6-суретте көрсетілген. T1 ~ T5 - таяқтың бес секциясының (1 ~ 5-бөлім) орташа температурасы.P1-P5 сәйкесінше келесі тарауда егжей-тегжейлі талқыланатын өзекшенің әртүрлі аймақтарының жалпы жылу қуатын білдіреді.С1~С5 – әртүрлі аймақтардың жылу сыйымдылығы, оларды келесі формула бойынша есептеуге болады
мұндағы crod, ρrod және Vrod HMM таяқшасының меншікті жылу сыйымдылығын, тығыздығын және көлемін білдіреді.
Қоздырғыш катушкалар сияқты әдісті қолданып, 6-суреттегі HMM штангасының жылу беру кедергісін келесідей есептеуге болады.
мұндағы таяқша, өзекше және λөзек сәйкесінше GMM өзегінің ұзындығын, радиусын және жылу өткізгіштігін білдіреді.
Осы мақалада зерттелген GMT бойлық діріл үшін қалған құрамдас бөліктер мен ішкі ауаны бір түйін конфигурациясымен модельдеуге болады.
Бұл аймақтарды бір немесе бірнеше цилиндрден тұратын деп санауға болады.Цилиндрлік бөліктегі таза өткізгіш жылу алмасу байланысы Фурье жылу өткізгіштік заңымен анықталады:
Мұндағы λnhs – материалдың жылу өткізгіштігі, lnhs – осьтік ұзындық, rnhs1 және rnhs2 – сәйкесінше жылу тасымалдағыш элементтің сыртқы және ішкі радиустары.
(5) теңдеу 7-суретте RR4-RR12 арқылы көрсетілген осы аймақтар үшін радиалды жылу кедергісін есептеу үшін пайдаланылады. Сонымен бірге, (6) теңдеу суретте RA15-тен RA33-ке дейінгі осьтік жылу кедергісін есептеу үшін пайдаланылады. 7.
Жоғарыда көрсетілген аймақ үшін бір түйінді жылу тізбегінің жылу сыйымдылығын (7-суреттегі C7–C15 қоса алғанда) келесідей анықтауға болады.
мұндағы ρnhs, cnhs және Vnhs сәйкесінше ұзындық, меншікті жылу және көлем.
GMT ішіндегі ауа мен корпустың беті мен қоршаған орта арасындағы конвективті жылу алмасу бір жылу өткізгіштік резистормен келесідей модельденеді:
мұндағы А – жанасу беті, h – жылу беру коэффициенті.232-кестеде жылу жүйелерінде қолданылатын кейбір типтік h тізімі берілген.Кестеге сәйкес.RH8–RH10 және RH14–RH18 жылу кедергілерінің 2 жылу беру коэффициенті, суреттегі HMF және қоршаған орта арасындағы конвекцияны білдіреді.7 25 Вт/(м2 К) тұрақты мән ретінде қабылданады.Қалған жылу беру коэффициенттері 10 Вт/(м2 К) тең орнатылады.
2-суретте көрсетілген ішкі жылу алмасу процесіне сәйкес TETN түрлендіргішінің толық моделі 7-суретте көрсетілген.
Суретте көрсетілгендей.7, GMT бойлық діріл 16 түйінге бөлінген, олар қызыл нүктелермен көрсетілген.Үлгіде бейнеленген температура түйіндері тиісті құрамдастардың орташа температураларына сәйкес келеді.Қоршаған орта температурасы T0, GMM штангасының температурасы T1~T5, қоздырғыш катушкасының температурасы T6, тұрақты магнит температурасы T7 және T8, қамыт температурасы T9~T10, корпус температурасы T11~T12 және T14, ішкі ауа температурасы T13 және шығыс штангасының температурасы T15.Сонымен қатар, әрбір түйін тиісінше әрбір аймақтың жылу сыйымдылығын білдіретін C1 ~ C15 арқылы жердің жылулық потенциалына қосылады.P1~P6 сәйкесінше GMM штангасының және қоздырғыш катушкасының жалпы жылу шығаруы.Бұдан басқа, алдыңғы бөлімдерде есептелген көрші тораптар арасындағы жылу өткізгіштік және конвективті кедергіні көрсету үшін 54 жылу кедергісі қолданылады.3-кестеде түрлендіргіш материалдардың әртүрлі жылу сипаттамалары көрсетілген.
Шығын көлемін және олардың таралуын дәл бағалау сенімді жылу модельдеулерін орындау үшін өте маңызды.GMT шығаратын жылу шығынын GMM штангасының магниттік жоғалтуына, қоздырғыш катушкасының Джоуль жоғалтуына, механикалық жоғалтуға және қосымша жоғалтуға бөлуге болады.Есепке алынған қосымша шығындар мен механикалық ысыраптар салыстырмалы түрде аз және оларды елемеуге болады.
Айнымалы токтың қоздыру катушкасының кедергісі мыналарды қамтиды: тұрақты ток кедергісі Rdc және тері кедергісі Rs.
мұндағы f және N – қозу тогының жиілігі мен айналым саны.lCu және rCu - катушканың ішкі және сыртқы радиустары, катушканың ұзындығы және мыс магниттік сымның AWG (американдық сым өлшеуіші) нөмірімен анықталған радиусы.ρCu - оның ядросының меншікті кедергісі.μCu - оның өзегінің магниттік өткізгіштігі.
Өріс катушкасының (соленоид) ішіндегі нақты магнит өрісі стерженнің ұзындығы бойынша біркелкі емес.Бұл айырмашылық әсіресе HMM және PM таяқшаларының магниттік өткізгіштігінің төмен болуына байланысты байқалады.Бірақ ол бойлық симметриялы.Магниттік өрістің таралуы тікелей ХММ стерженінің магниттік шығындарының таралуын анықтайды.Сондықтан шығындардың нақты таралуын көрсету үшін өлшеуге 8-суретте көрсетілген үш секциялы стержень алынады.
Магниттік шығынды динамикалық гистерезис контурын өлшеу арқылы алуға болады.11-суретте көрсетілген тәжірибелік платформа негізінде үш динамикалық гистерезис ілмегі өлшенді.GMM таяқшасының температурасы 50°C төмен тұрақты болған жағдайда, бағдарламаланатын айнымалы ток қуат көзі (Chroma 61512) өріс катушкасын белгілі бір диапазонда жетектейді, 8-суретте көрсетілгендей, магнит өрісінің жиілігі сынақ тогы және нәтижесінде алынған магнит ағынының тығыздығы GIM штангасына қосылған индукциялық катушкадағы индукцияланған кернеуді біріктіру арқылы есептеледі.9-суретте көрсетілген өлшенген динамикалық гистерезис контурларын алу үшін бастапқы деректер жад тіркеуішінен (тәулігіне MR8875-30) жүктеліп, MATLAB бағдарламалық құралында өңделді.
Өлшенетін динамикалық гистерезис контурлары: (а) 1/5 секция: Bm = 0,044735 Т, (б) 1/5 секция: fm = 1000 Гц, (c) 2/4 секция: Bm = 0,05955 Т, (d ) 2 бөлім/ 4: fm = 1000 Гц, (e) 3-бөлім: Bm = 0,07228 T, (f) 3-бөлім: fm = 1000 Гц.
37-әдебиетке сәйкес, HMM таяқшаларының көлемі бірлігіне Pv жалпы магниттік жоғалтуды келесі формула арқылы есептеуге болады:
мұндағы ABH – қозу тогының f жиілігіне тең fm магнит өрісінің жиілігіндегі BH қисығындағы өлшеу аймағы.
Бертотти жоғалтуды бөлу әдісі38 негізінде GMM шыбықтың Pm масса бірлігіне магниттік жоғалту Ph гистерезис жоғалту, құйынды ток жоғалту Pe және аномальдық жоғалту Па (13) қосындысы ретінде көрсетілуі мүмкін:
Инженерлік тұрғыдан38, аномальдық ысыраптар мен құйынды ток шығындарын жалпы құйынды ток жоғалту деп аталатын бір терминге біріктіруге болады.Осылайша, шығындарды есептеу формуласын келесідей жеңілдетуге болады:
теңдеуде.(13)~(14) мұндағы Bm – қозғаушы магнит өрісінің магниттік тығыздығының амплитудасы.kh және kc - гистерезис жоғалту коэффициенті және жалпы құйынды ток жоғалту коэффициенті.