Componente químico del tubo de bobina de acero inoxidable 2507, Estudio de simulación de red térmica equivalente de un transductor magnetostrictivo gigante de tierras raras

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• Descripción del Producto
• 2507 Tubería enrollada de acero inoxidable de China

Para el diseño del transductor magnetoestrictivo gigante (GMT) es fundamental un análisis rápido y preciso de la distribución de temperatura.El modelado de redes térmicas tiene las ventajas de un bajo costo computacional y una alta precisión y puede usarse para el análisis térmico GMT.Sin embargo, los modelos térmicos existentes tienen limitaciones a la hora de describir estos complejos regímenes térmicos en GMT: la mayoría de los estudios se centran en estados estacionarios que no pueden capturar los cambios de temperatura;Generalmente se supone que la distribución de temperatura de las varillas magnetoestrictivas gigantes (GMM) es uniforme, pero el gradiente de temperatura a través de la varilla GMM es muy significativo debido a la mala conductividad térmica; la distribución de pérdidas no uniforme del GMM rara vez se introduce en el circuito térmico. modelo.Por lo tanto, al considerar exhaustivamente los tres aspectos anteriores, este documento establece el modelo GMT de Red de Calor Equivalente Transicional (TETN).En primer lugar, basándose en el diseño y principio de funcionamiento del HMT vibratorio longitudinal, se realiza un análisis térmico.Sobre esta base, se establece el modelo del elemento calefactor para el proceso de transferencia de calor HMT y se calculan los parámetros del modelo correspondientes.Finalmente, la precisión del modelo TETN para el análisis espaciotemporal de temperatura del transductor se verifica mediante simulación y experimento.
El material magnetoestrictivo gigante (GMM), concretamente el terfenol-D, tiene las ventajas de una gran magnetoestricción y una alta densidad de energía.Estas propiedades únicas se pueden utilizar para desarrollar transductores magnetoestrictivos gigantes (GMT) que se pueden utilizar en una amplia gama de aplicaciones, como transductores acústicos submarinos, micromotores, actuadores lineales, etc. 1,2.
De particular preocupación es el potencial de sobrecalentamiento de los GMT submarinos, que, cuando funcionan a plena potencia y durante largos períodos de excitación, pueden generar cantidades significativas de calor debido a su alta densidad de potencia3,4.Además, debido al gran coeficiente de expansión térmica del GMT y su alta sensibilidad a la temperatura externa, su rendimiento de salida está estrechamente relacionado con la temperatura5,6,7,8.En las publicaciones técnicas, los métodos de análisis térmico GMT se pueden dividir en dos categorías amplias9: métodos numéricos y métodos de parámetros agrupados.El método de elementos finitos (FEM) es uno de los métodos de análisis numérico más utilizados.Xie et al.[10] utilizó el método de elementos finitos para simular la distribución de fuentes de calor de un motor magnetoestrictivo gigante y realizó el diseño del sistema de control de temperatura y refrigeración del motor.Zhao y cols.[11] establecieron una simulación conjunta de elementos finitos de un campo de flujo turbulento y un campo de temperatura, y construyeron un dispositivo de control de temperatura de componentes inteligentes GMM basado en los resultados de la simulación de elementos finitos.Sin embargo, FEM es muy exigente en términos de configuración del modelo y tiempo de cálculo.Por esta razón, FEM se considera un soporte importante para los cálculos fuera de línea, generalmente durante la fase de diseño del convertidor.
El método de parámetros agrupados, comúnmente conocido como modelo de red de calor, se usa ampliamente en el análisis termodinámico debido a su forma matemática simple y su alta velocidad de cálculo12,13,14.Este enfoque juega un papel importante en la eliminación de las limitaciones térmicas de los motores 15, 16, 17. Mellor18 fue el primero en utilizar un circuito equivalente térmico T mejorado para modelar el proceso de transferencia de calor del motor.Verez et al.19 crearon un modelo tridimensional de la red térmica de una máquina síncrona de imanes permanentes con flujo axial.Boglietti et al.20 propusieron cuatro modelos de redes térmicas de diversa complejidad para predecir transitorios térmicos de corto plazo en los devanados del estator.Finalmente, Wang et al.21 establecieron un circuito equivalente térmico detallado para cada componente PMSM y resumieron la ecuación de resistencia térmica.En condiciones nominales, el error se puede controlar dentro del 5%.
En la década de 1990, el modelo de red de calor comenzó a aplicarse a convertidores de baja frecuencia de alta potencia.Dubus et al.22 desarrollaron un modelo de red de calor para describir la transferencia de calor estacionaria en un vibrador longitudinal de doble cara y un sensor de curvatura de clase IV.Anjanappa et al.23 realizaron un análisis térmico estacionario 2D de un micromotor magnetoestrictivo utilizando un modelo de red térmica.Para estudiar la relación entre la tensión térmica de Terfenol-D y los parámetros GMT, Zhu et al.24 establecieron un modelo equivalente en estado estacionario para la resistencia térmica y el cálculo del desplazamiento GMT.
La estimación de la temperatura GMT es más compleja que las aplicaciones del motor.Debido a la excelente conductividad térmica y magnética de los materiales utilizados, la mayoría de los componentes del motor considerados a la misma temperatura suelen quedar reducidos a un solo nodo13,19.Sin embargo, debido a la mala conductividad térmica de los HMM, la suposición de una distribución uniforme de la temperatura ya no es correcta.Además, el HMM tiene una permeabilidad magnética muy baja, por lo que el calor generado por las pérdidas magnéticas suele ser no uniforme a lo largo de la varilla del HMM.Además, la mayor parte de la investigación se centra en simulaciones de estado estacionario que no tienen en cuenta los cambios de temperatura durante la operación GMT.
Para resolver los tres problemas técnicos anteriores, este artículo utiliza la vibración longitudinal GMT como objeto de estudio y modela con precisión varias partes del transductor, especialmente la varilla GMM.Se ha creado un modelo de red de calor equivalente de transición (TETN) GMT completa.Se construyeron un modelo de elementos finitos y una plataforma experimental para probar la precisión y el rendimiento del modelo TETN para el análisis espaciotemporal de temperatura del transductor.
El diseño y las dimensiones geométricas del HMF que oscila longitudinalmente se muestran en las figuras 1a y b, respectivamente.
Los componentes clave incluyen varillas GMM, bobinas de campo, imanes permanentes (PM), yugos, pastillas, casquillos y resortes Belleville.La bobina de excitación y el PMT proporcionan a la varilla HMM un campo magnético alterno y un campo magnético de polarización de CC, respectivamente.El yugo y el cuerpo, que consta de tapa y manguito, están hechos de hierro dulce DT4, que tiene una alta permeabilidad magnética.Forma un circuito magnético cerrado con la varilla GIM y PM.El vástago de salida y la placa de presión están hechos de acero inoxidable 304 no magnético.Con los resortes Belleville se puede aplicar una tensión previa estable al vástago.Cuando una corriente alterna pasa a través de la bobina impulsora, la varilla HMM vibrará en consecuencia.
En la fig.2 muestra el proceso de intercambio de calor dentro del GMT.Las varillas GMM y las bobinas de campo son las dos principales fuentes de calor de los GMT.La serpentina transfiere su calor al cuerpo por convección de aire en el interior y a la tapa por conducción.La varilla HMM creará pérdidas magnéticas bajo la acción de un campo magnético alterno, y el calor se transferirá a la carcasa debido a la convección a través del aire interno, y al imán permanente y al yugo debido a la conducción.El calor transferido a la carcasa se disipa luego al exterior por convección y radiación.Cuando el calor generado es igual al calor transferido, la temperatura de cada parte del GMT alcanza un estado estable.
El proceso de transferencia de calor en un OGM que oscila longitudinalmente: a – diagrama de flujo de calor, b – principales rutas de transferencia de calor.
Además del calor generado por la bobina excitadora y la varilla HMM, todos los componentes de un circuito magnético cerrado experimentan pérdidas magnéticas.De este modo, el imán permanente, el yugo, la tapa y la funda se laminan juntos para reducir la pérdida magnética del GMT.
Los pasos principales en la construcción de un modelo TETN para el análisis térmico GMT son los siguientes: primero agrupar los componentes con las mismas temperaturas y representar cada componente como un nodo separado en la red, luego asociar estos nodos con la expresión de transferencia de calor adecuada.Conducción de calor y convección entre nodos.En este caso, la fuente de calor y la producción de calor correspondiente a cada componente se conectan en paralelo entre el nodo y la tensión cero común de tierra para construir un modelo equivalente de la red de calor.El siguiente paso es calcular los parámetros de la red térmica para cada componente del modelo, incluida la resistencia térmica, la capacidad calorífica y las pérdidas de energía.Finalmente, el modelo TETN se implementa en SPICE para su simulación.Y puede obtener la distribución de temperatura de cada componente de GMT y su cambio en el dominio del tiempo.
Para facilitar el modelado y el cálculo, es necesario simplificar el modelo térmico e ignorar las condiciones de contorno que tienen poco efecto en los resultados18,26.El modelo TETN propuesto en este artículo se basa en los siguientes supuestos:
En GMT con devanados enrollados aleatoriamente, es imposible o necesario simular la posición de cada conductor individual.En el pasado se han desarrollado varias estrategias de modelado para modelar la transferencia de calor y la distribución de temperatura dentro de los devanados: (1) conductividad térmica compuesta, (2) ecuaciones directas basadas en la geometría del conductor, (3) circuito térmico equivalente a T29.
La conductividad térmica compuesta y las ecuaciones directas pueden considerarse soluciones más precisas que el circuito equivalente T, pero dependen de varios factores, como el material, la geometría del conductor y el volumen de aire residual en el devanado, que son difíciles de determinar29.Por el contrario, el esquema térmico equivalente T, aunque es un modelo aproximado, es más conveniente30.Se puede aplicar a la bobina de excitación con vibraciones longitudinales del GMT.
El conjunto cilíndrico hueco general utilizado para representar la bobina excitadora y su diagrama térmico equivalente en T, obtenido a partir de la solución de la ecuación de calor, se muestran en la fig.3. Se supone que el flujo de calor en la bobina de excitación es independiente en las direcciones radial y axial.Se desprecia el flujo de calor circunferencial.En cada circuito equivalente T, dos terminales representan la temperatura superficial correspondiente del elemento, y el tercer terminal T6 representa la temperatura promedio del elemento.La pérdida del componente P6 se ​​ingresa como fuente puntual en el nodo de temperatura promedio calculado en el “Cálculo de pérdida de calor del serpentín de campo”.En el caso de una simulación no estacionaria, la capacidad calorífica C6 viene dada por la ecuación.(1) también se agrega al nodo Temperatura promedio.
Donde cec, ρec y Vec representan el calor específico, la densidad y el volumen de la bobina de excitación, respectivamente.
En mesa.La figura 1 muestra la resistencia térmica del circuito térmico equivalente en T de la bobina de excitación con longitud lec, conductividad térmica λec, radio exterior rec1 y radio interior rec2.
Bobinas excitadoras y sus circuitos térmicos equivalentes en T: (a) elementos cilíndricos generalmente huecos, (b) circuitos térmicos equivalentes en T axiales y radiales separados.
El circuito equivalente T también ha demostrado ser exacto para otras fuentes de calor cilíndricas13.Al ser la principal fuente de calor del OGM, la varilla HMM tiene una distribución de temperatura desigual debido a su baja conductividad térmica, especialmente a lo largo del eje de la varilla.Por el contrario, la falta de homogeneidad radial puede despreciarse, ya que el flujo de calor radial de la varilla HMM es mucho menor que el flujo de calor radial31.
Para representar con precisión el nivel de discretización axial de la varilla y obtener la temperatura más alta, la varilla GMM está representada por n nodos espaciados uniformemente en la dirección axial, y el número de nodos n modelados por la varilla GMM debe ser impar.El número de contornos térmicos axiales equivalentes es n T figura 4.
Para determinar el número de nodos n utilizados para modelar la barra GMM, los resultados FEM se muestran en la fig.5 como referencia.Como se muestra en la fig.4, el número de nodos n está regulado en el esquema térmico de la varilla HMM.Cada nodo se puede modelar como un circuito equivalente a T.Al comparar los resultados del FEM, en la Fig. 5 se muestra que uno o tres nodos no pueden reflejar con precisión la distribución de temperatura de la varilla HIM (de aproximadamente 50 mm de largo) en el OGM.Cuando n aumenta a 5, los resultados de la simulación mejoran significativamente y se aproximan a FEM.Aumentar aún más n también da mejores resultados a costa de un mayor tiempo de cálculo.Por lo tanto, en este artículo, se seleccionan 5 nodos para modelar la barra GMM.
Según el análisis comparativo realizado, el esquema térmico exacto de la varilla HMM se muestra en la Fig. 6. T1 ~ T5 es la temperatura promedio de cinco secciones (sección 1 ~ 5) de la varilla.P1-P5 representan respectivamente la potencia térmica total de las distintas áreas de la varilla, que se analizarán en detalle en el siguiente capítulo.C1 ~ C5 son la capacidad calorífica de diferentes regiones, que se pueden calcular mediante la siguiente fórmula
donde crod, ρrod y Vrod denotan la capacidad calorífica específica, la densidad y el volumen de la varilla HMM.
Utilizando el mismo método que para la bobina excitadora, la resistencia a la transferencia de calor de la varilla HMM en la Fig. 6 se puede calcular como
donde lrod, rrod y λrod representan la longitud, el radio y la conductividad térmica de la varilla GMM, respectivamente.
Para la vibración longitudinal GMT estudiada en este artículo, los componentes restantes y el aire interno se pueden modelar con una configuración de un solo nodo.
Se puede considerar que estas áreas constan de uno o más cilindros.Una conexión de intercambio de calor puramente conductiva en una pieza cilíndrica se define mediante la ley de conducción de calor de Fourier como
Donde λnhs es la conductividad térmica del material, lnhs es la longitud axial, rnhs1 y rnhs2 son los radios exterior e interior del elemento de transferencia de calor, respectivamente.
La Ecuación (5) se utiliza para calcular la resistencia térmica radial para estas áreas, representada por RR4-RR12 en la Figura 7. Al mismo tiempo, la Ecuación (6) se utiliza para calcular la resistencia térmica axial, representada de RA15 a RA33 en la Figura 7.
La capacidad calorífica de un circuito térmico de un solo nodo para el área anterior (incluido C7-C15 en la Fig. 7) se puede determinar como
donde ρnhs, cnhs y Vnhs son la longitud, el calor específico y el volumen, respectivamente.
La transferencia de calor por convección entre el aire dentro del GMT y la superficie de la caja y el entorno se modela con una única resistencia de conducción térmica de la siguiente manera:
donde A es la superficie de contacto y h es el coeficiente de transferencia de calor.La Tabla 232 enumera algunos h típicos utilizados en sistemas térmicos.Según la tabla.2 coeficientes de transferencia de calor de las resistencias térmicas RH8 – RH10 y RH14 – RH18, que representan la convección entre el HMF y el medio ambiente en la fig.7 se toman como un valor constante de 25 W/(m2 K).Los coeficientes de transferencia de calor restantes se establecen en 10 W/(m2·K).
Según el proceso de transferencia de calor interno que se muestra en la Figura 2, el modelo completo del convertidor TETN se muestra en la Figura 7.
Como se muestra en la fig.7, la vibración longitudinal GMT se divide en 16 nudos, que están representados por puntos rojos.Los nodos de temperatura representados en el modelo corresponden a las temperaturas promedio de los respectivos componentes.Temperatura ambiente T0, temperatura de la varilla GMM T1~T5, temperatura de la bobina excitadora T6, temperatura del imán permanente T7 y T8, temperatura del yugo T9~T10, temperatura de la caja T11~T12 y T14, temperatura del aire interior T13 y temperatura de la varilla de salida T15.Además, cada nodo está conectado al potencial térmico del suelo a través de C1 ~ C15, que representan la capacidad térmica de cada área, respectivamente.P1~P6 es la producción de calor total de la varilla GMM y la bobina excitadora respectivamente.Además, se utilizan 54 resistencias térmicas para representar la resistencia conductiva y convectiva a la transferencia de calor entre nodos adyacentes, que se calcularon en las secciones anteriores.La Tabla 3 muestra las diversas características térmicas de los materiales convertidores.
La estimación precisa de los volúmenes de pérdidas y su distribución es fundamental para realizar simulaciones térmicas confiables.La pérdida de calor generada por el GMT se puede dividir en la pérdida magnética de la varilla GMM, la pérdida en Joule de la bobina excitadora, la pérdida mecánica y la pérdida adicional.Las pérdidas adicionales y las pérdidas mecánicas que se tienen en cuenta son relativamente pequeñas y pueden despreciarse.
La resistencia de la bobina de excitación de CA incluye: la resistencia de CC Rdc y la resistencia superficial Rs.
donde f y N son la frecuencia y el número de vueltas de la corriente de excitación.lCu y rCu son los radios interior y exterior de la bobina, la longitud de la bobina y el radio del cable magnético de cobre definido por su número AWG (American Wire Gauge).ρCu es la resistividad de su núcleo.µCu es la permeabilidad magnética de su núcleo.
El campo magnético real dentro de la bobina de campo (solenoide) no es uniforme a lo largo de la varilla.Esta diferencia es especialmente notable debido a la menor permeabilidad magnética de las varillas de HMM y PM.Pero es longitudinalmente simétrico.La distribución del campo magnético determina directamente la distribución de las pérdidas magnéticas de la varilla HMM.Por lo tanto, para reflejar la distribución real de las pérdidas, se toma para medir una varilla de tres secciones, como se muestra en la Figura 8.
La pérdida magnética se puede obtener midiendo el bucle de histéresis dinámica.Con base en la plataforma experimental que se muestra en la Figura 11, se midieron tres bucles de histéresis dinámica.Bajo la condición de que la temperatura de la varilla GMM sea estable por debajo de 50 °C, la fuente de alimentación de CA programable (Chroma 61512) impulsa la bobina de campo en un cierto rango, como se muestra en la Figura 8, la frecuencia del campo magnético generado por el La corriente de prueba y la densidad de flujo magnético resultante se calculan integrando el voltaje inducido en la bobina de inducción conectada a la varilla GIM.Los datos sin procesar se descargaron del registrador de memoria (MR8875-30 por día) y se procesaron en el software MATLAB para obtener los bucles de histéresis dinámica medidos que se muestran en la Fig. 9.
Bucles de histéresis dinámica medidos: (a) sección 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) sección 1/5: fm = 1000 Hz, (c) sección 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) sección 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) sección 3: Bm = 0,07228 T, (f) sección 3: fm = 1000 Hz.
Según la literatura 37, la pérdida magnética total Pv por unidad de volumen de varillas de HMM se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:
donde ABH es el área de medición en la curva BH a la frecuencia del campo magnético fm igual a la frecuencia de la corriente de excitación f.
Basado en el método de separación de pérdidas de Bertotti38, la pérdida magnética por unidad de masa Pm de una varilla GMM se puede expresar como la suma de la pérdida por histéresis Ph, la pérdida por corriente parásita Pe y la pérdida anómala Pa (13):
Desde una perspectiva de ingeniería38, las pérdidas anómalas y las pérdidas por corrientes parásitas se pueden combinar en un término llamado pérdida total por corrientes parásitas.Así, la fórmula para calcular las pérdidas se puede simplificar de la siguiente manera:
en la ecuación.(13)~(14) donde Bm es la amplitud de la densidad magnética del campo magnético excitante.kh y kc son el factor de pérdida por histéresis y el factor de pérdida total por corrientes parásitas.