Komponen kimia tiub gegelung keluli tahan karat 2507, Kajian Simulasi Rangkaian Terma Setara bagi Transduser Magnetostriktif Gergasi Nadir Bumi

Terima kasih kerana melawat Nature.com.Anda menggunakan versi penyemak imbas dengan sokongan CSS terhad.Untuk pengalaman terbaik, kami mengesyorkan agar anda menggunakan penyemak imbas yang dikemas kini (atau lumpuhkan Mod Keserasian dalam Internet Explorer).Di samping itu, untuk memastikan sokongan berterusan, kami menunjukkan tapak tanpa gaya dan JavaScript.
Peluncur menunjukkan tiga artikel setiap slaid.Gunakan butang belakang dan seterusnya untuk bergerak melalui slaid, atau butang pengawal slaid di hujung untuk bergerak melalui setiap slaid.

• Penerangan Produk
• 2507 Tiub bergelung keluli tahan karat dari china

Kritikal kepada reka bentuk transduser magnetostrictive gergasi (GMT) adalah analisis taburan suhu yang pantas dan tepat.Pemodelan rangkaian terma mempunyai kelebihan kos pengiraan yang rendah dan ketepatan yang tinggi dan boleh digunakan untuk analisis terma GMT.Walau bagaimanapun, model terma sedia ada mempunyai had dalam menerangkan rejim terma kompleks ini dalam GMT: kebanyakan kajian memfokuskan kepada keadaan pegun yang tidak dapat menangkap perubahan suhu;Secara umumnya diandaikan bahawa taburan suhu rod magnetostriktif gergasi (GMM) adalah seragam, tetapi kecerunan suhu merentas rod GMM adalah sangat ketara disebabkan oleh kekonduksian terma yang lemah, taburan kehilangan tidak seragam GMM jarang dimasukkan ke dalam terma. model.Oleh itu, dengan mempertimbangkan secara menyeluruh tiga aspek di atas, dokumen ini mewujudkan model Rangkaian Haba Setara Peralihan (TETN) GMT.Pertama, berdasarkan reka bentuk dan prinsip operasi HMT getaran membujur, analisis haba dijalankan.Atas dasar ini, model elemen pemanas diwujudkan untuk proses pemindahan haba HMT dan parameter model yang sepadan dikira.Akhir sekali, ketepatan model TETN untuk analisis spatiotemporal suhu transduser disahkan melalui simulasi dan eksperimen.
Bahan magnetostriksi gergasi (GMM), iaitu terfenol-D, mempunyai kelebihan magnetostriction yang besar dan ketumpatan tenaga yang tinggi.Sifat unik ini boleh digunakan untuk membangunkan transduser magnetostriktif gergasi (GMT) yang boleh digunakan dalam pelbagai aplikasi seperti transduser akustik bawah air, mikromotor, penggerak linear, dsb. 1,2.
Kebimbangan khusus adalah potensi untuk terlalu panas GMT dasar laut, yang, apabila dikendalikan pada kuasa penuh dan untuk jangka masa pengujaan yang lama, boleh menjana sejumlah besar haba kerana ketumpatan kuasa tinggi mereka3,4.Di samping itu, disebabkan oleh pekali pengembangan haba GMT yang besar dan kepekaannya yang tinggi terhadap suhu luaran, prestasi keluarannya berkait rapat dengan suhu5,6,7,8.Dalam penerbitan teknikal, kaedah analisis terma GMT boleh dibahagikan kepada dua kategori luas9: kaedah berangka dan kaedah parameter terkumpul.Kaedah unsur terhingga (FEM) adalah salah satu kaedah analisis berangka yang paling biasa digunakan.Xie et al.[10] menggunakan kaedah unsur terhingga untuk mensimulasikan pengagihan sumber haba pemacu magnetostriktif gergasi dan merealisasikan reka bentuk kawalan suhu dan sistem penyejukan pemacu.Zhao et al.[11] menubuhkan simulasi unsur terhingga bersama medan aliran gelora dan medan suhu, dan membina peranti kawalan suhu komponen pintar GMM berdasarkan hasil simulasi unsur terhingga.Walau bagaimanapun, FEM sangat menuntut dari segi persediaan model dan masa pengiraan.Atas sebab ini, FEM dianggap sebagai sokongan penting untuk pengiraan luar talian, biasanya semasa fasa reka bentuk penukar.
Kaedah parameter terkumpul, biasanya dirujuk sebagai model rangkaian haba, digunakan secara meluas dalam analisis termodinamik kerana bentuk matematiknya yang mudah dan kelajuan pengiraan yang tinggi12,13,14.Pendekatan ini memainkan peranan penting dalam menghapuskan had terma enjin 15, 16, 17. Mellor18 adalah yang pertama menggunakan litar setara terma yang dipertingkatkan T untuk memodelkan proses pemindahan haba enjin.Verez et al.19 mencipta model tiga dimensi rangkaian terma mesin segerak magnet kekal dengan aliran paksi.Boglietti et al.20 mencadangkan empat model rangkaian terma dengan kerumitan yang berbeza-beza untuk meramalkan transien terma jangka pendek dalam belitan stator.Akhirnya, Wang et al.21 mewujudkan litar setara terma terperinci untuk setiap komponen PMSM dan meringkaskan persamaan rintangan haba.Di bawah keadaan nominal, ralat boleh dikawal dalam 5%.
Pada tahun 1990-an, model rangkaian haba mula digunakan pada penukar frekuensi rendah berkuasa tinggi.Dubus et al.22 membangunkan model rangkaian haba untuk menerangkan pemindahan haba pegun dalam penggetar membujur dua sisi dan sensor lentur kelas IV.Anjanappa et al.23 melakukan analisis terma pegun 2D bagi pemacu mikro magnetostriktif menggunakan model rangkaian terma.Untuk mengkaji hubungan antara terikan haba Terfenol-D dan parameter GMT, Zhu et al.24 mewujudkan model setara keadaan mantap untuk rintangan haba dan pengiraan anjakan GMT.
Anggaran suhu GMT adalah lebih kompleks daripada aplikasi enjin.Disebabkan oleh kekonduksian haba dan magnet yang sangat baik bagi bahan yang digunakan, kebanyakan komponen enjin yang dipertimbangkan pada suhu yang sama biasanya dikurangkan kepada satu nod13,19.Walau bagaimanapun, disebabkan kekonduksian terma HMM yang lemah, andaian taburan suhu seragam tidak lagi betul.Di samping itu, HMM mempunyai kebolehtelapan magnet yang sangat rendah, jadi haba yang dihasilkan oleh kehilangan magnet biasanya tidak seragam di sepanjang rod HMM.Di samping itu, kebanyakan penyelidikan tertumpu pada simulasi keadaan mantap yang tidak mengambil kira perubahan suhu semasa operasi GMT.
Untuk menyelesaikan tiga masalah teknikal di atas, artikel ini menggunakan getaran longitudinal GMT sebagai objek kajian dan memodelkan pelbagai bahagian transduser dengan tepat, terutamanya rod GMM.Model rangkaian haba setara peralihan lengkap (TETN) GMT telah dibuat.Model elemen terhingga dan platform eksperimen telah dibina untuk menguji ketepatan dan prestasi model TETN untuk analisis spatiotemporal suhu transduser.
Reka bentuk dan dimensi geometri bagi HMF berayun membujur ditunjukkan dalam Rajah 1a dan b, masing-masing.
Komponen utama termasuk rod GMM, gegelung medan, magnet kekal (PM), kuk, pad, sesendal dan spring belleville.Gegelung pengujaan dan PMT masing-masing menyediakan rod HMM dengan medan magnet berselang-seli dan medan magnet pincang DC.Kuk dan badan, yang terdiri daripada penutup dan lengan, diperbuat daripada besi lembut DT4, yang mempunyai kebolehtelapan magnet yang tinggi.Membentuk litar magnet tertutup dengan rod GIM dan PM.Batang keluaran dan plat tekanan diperbuat daripada keluli tahan karat 304 bukan magnetik.Dengan mata air belleville, prategasan yang stabil boleh digunakan pada batang.Apabila arus ulang alik melalui gegelung pemacu, rod HMM akan bergetar dengan sewajarnya.
Pada rajah.2 menunjukkan proses pertukaran haba di dalam GMT.Rod GMM dan gegelung medan adalah dua sumber utama haba untuk GMT.Serpentin memindahkan habanya ke badan melalui perolakan udara di dalam dan ke penutup secara konduksi.Rod HMM akan menghasilkan kehilangan magnet di bawah tindakan medan magnet berselang-seli, dan haba akan dipindahkan ke cangkerang akibat perolakan melalui udara dalaman, dan ke magnet kekal dan kuk akibat pengaliran.Haba yang dipindahkan ke bekas itu kemudiannya dilesapkan ke luar melalui perolakan dan sinaran.Apabila haba yang dihasilkan adalah sama dengan haba yang dipindahkan, suhu setiap bahagian GMT mencapai keadaan mantap.
Proses pemindahan haba dalam GMO yang berayun membujur: a – gambar rajah aliran haba, b – laluan pemindahan haba utama.
Sebagai tambahan kepada haba yang dijana oleh gegelung penguja dan rod HMM, semua komponen litar magnet tertutup mengalami kehilangan magnet.Oleh itu, magnet kekal, kuk, penutup dan lengan dilapisi bersama untuk mengurangkan kehilangan magnet GMT.
Langkah utama dalam membina model TETN untuk analisis terma GMT adalah seperti berikut: pertama kumpulan komponen dengan suhu yang sama bersama-sama dan mewakili setiap komponen sebagai nod berasingan dalam rangkaian, kemudian kaitkan nod ini dengan ungkapan pemindahan haba yang sesuai.pengaliran haba dan perolakan antara nod.Dalam kes ini, sumber haba dan keluaran haba yang sepadan dengan setiap komponen disambung secara selari antara nod dan voltan sifar biasa bumi untuk membina model rangkaian haba yang setara.Langkah seterusnya ialah mengira parameter rangkaian terma bagi setiap komponen model, termasuk rintangan haba, kapasiti haba dan kehilangan kuasa.Akhir sekali, model TETN dilaksanakan dalam SPICE untuk simulasi.Dan anda boleh mendapatkan taburan suhu setiap komponen GMT dan perubahannya dalam domain masa.
Untuk kemudahan pemodelan dan pengiraan, adalah perlu untuk memudahkan model terma dan mengabaikan keadaan sempadan yang mempunyai sedikit kesan ke atas keputusan18,26.Model TETN yang dicadangkan dalam artikel ini adalah berdasarkan andaian berikut:
Dalam GMT dengan belitan luka secara rawak, adalah mustahil atau perlu untuk mensimulasikan kedudukan setiap konduktor individu.Pelbagai strategi pemodelan telah dibangunkan pada masa lalu untuk memodelkan pemindahan haba dan pengagihan suhu dalam belitan: (1) kekonduksian terma kompaun, (2) persamaan langsung berdasarkan geometri konduktor, (3) litar haba setara T29.
Kekonduksian terma komposit dan persamaan langsung boleh dianggap sebagai penyelesaian yang lebih tepat daripada litar setara T, tetapi ia bergantung kepada beberapa faktor, seperti bahan, geometri konduktor dan isipadu udara sisa dalam belitan, yang sukar ditentukan29.Sebaliknya, skema terma setara T, walaupun model anggaran, adalah lebih mudah30.Ia boleh digunakan pada gegelung pengujaan dengan getaran membujur GMT.
Himpunan silinder berongga am yang digunakan untuk mewakili gegelung penguja dan rajah terma setara T-nya, yang diperoleh daripada penyelesaian persamaan haba, ditunjukkan dalam rajah.3. Diandaikan bahawa fluks haba dalam gegelung pengujaan adalah bebas dalam arah jejari dan paksi.Fluks haba lilitan diabaikan.Dalam setiap litar setara T, dua terminal mewakili suhu permukaan unsur yang sepadan, dan terminal ketiga T6 mewakili suhu purata unsur.Kehilangan komponen P6 dimasukkan sebagai sumber titik pada nod suhu purata yang dikira dalam "Pengiraan kehilangan haba gegelung medan".Dalam kes simulasi tidak pegun, kapasiti haba C6 diberikan oleh persamaan.(1) juga ditambah pada nod suhu Purata.
Di mana cec, ρec dan Vec mewakili haba tentu, ketumpatan dan isipadu gegelung pengujaan, masing-masing.
Dalam jadual.1 menunjukkan rintangan haba litar terma setara T bagi gegelung pengujaan dengan panjang lec, kekonduksian terma λec, jejari luar rec1 dan jejari dalam rec2.
Gegelung penguja dan litar terma setara T mereka: (a) biasanya unsur silinder berongga, (b) litar terma setara T bersama paksi dan jejari berasingan.
Litar setara T juga telah terbukti tepat untuk sumber haba silinder lain13.Sebagai sumber haba utama GMO, rod HMM mempunyai taburan suhu yang tidak sekata kerana kekonduksian terma yang rendah, terutamanya di sepanjang paksi rod.Sebaliknya, ketidakhomogenan jejarian boleh diabaikan, kerana fluks haba jejari rod HMM adalah lebih kurang daripada fluks haba jejarian31.
Untuk mewakili secara tepat tahap pendiskretan paksi rod dan mendapatkan suhu tertinggi, rod GMM diwakili oleh n nod yang dijarakkan secara seragam dalam arah paksi, dan bilangan nod n yang dimodelkan oleh rod GMM mestilah ganjil.Bilangan kontur haba paksi yang setara ialah n T angka 4.
Untuk menentukan bilangan nod n digunakan untuk memodelkan bar GMM, keputusan FEM ditunjukkan dalam rajah.5 sebagai rujukan.Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.4, bilangan nod n dikawal dalam skema terma rod HMM.Setiap nod boleh dimodelkan sebagai litar setara T.Membandingkan keputusan FEM, dari Rajah 5 menunjukkan bahawa satu atau tiga nod tidak dapat mencerminkan dengan tepat taburan suhu rod HIM (kira-kira 50 mm panjang) dalam GMO.Apabila n dinaikkan kepada 5, keputusan simulasi bertambah baik dengan ketara dan mendekati FEM.Meningkatkan n seterusnya juga memberikan hasil yang lebih baik pada kos masa pengiraan yang lebih lama.Oleh itu, dalam artikel ini, 5 nod dipilih untuk memodelkan bar GMM.
Berdasarkan analisis perbandingan yang dijalankan, skema terma tepat rod HMM ditunjukkan dalam Rajah 6. T1 ~ T5 ialah suhu purata lima bahagian (bahagian 1 ~ 5) kayu.P1-P5 masing-masing mewakili jumlah kuasa haba pelbagai kawasan rod, yang akan dibincangkan secara terperinci dalam bab seterusnya.C1~C5 ialah kapasiti haba bagi kawasan yang berbeza, yang boleh dikira dengan formula berikut
di mana crod, ρrod dan Vrod menandakan kapasiti haba tentu, ketumpatan dan isipadu rod HMM.
Menggunakan kaedah yang sama seperti untuk gegelung penguja, rintangan pemindahan haba rod HMM dalam Rajah 6 boleh dikira sebagai
di mana lrod, rrod dan λrod masing-masing mewakili panjang, jejari dan kekonduksian terma rod GMM.
Untuk getaran membujur GMT yang dikaji dalam artikel ini, komponen yang tinggal dan udara dalaman boleh dimodelkan dengan konfigurasi nod tunggal.
Kawasan ini boleh dianggap sebagai terdiri daripada satu atau lebih silinder.Sambungan pertukaran haba konduktif semata-mata dalam bahagian silinder ditakrifkan oleh undang-undang pengaliran haba Fourier sebagai
Di mana λnhs ialah kekonduksian terma bahan, lnhs ialah panjang paksi, rnhs1 dan rnhs2 ialah jejari luar dan dalam bagi unsur pemindahan haba, masing-masing.
Persamaan (5) digunakan untuk mengira rintangan haba jejarian bagi kawasan ini, diwakili oleh RR4-RR12 dalam Rajah 7. Pada masa yang sama, Persamaan (6) digunakan untuk mengira rintangan haba paksi, diwakili dari RA15 hingga RA33 dalam Rajah 7.
Kapasiti haba litar terma nod tunggal untuk kawasan di atas (termasuk C7–C15 dalam Rajah 7) boleh ditentukan sebagai
di mana ρnhs, cnhs, dan Vnhs ialah panjang, haba tentu, dan isipadu, masing-masing.
Pemindahan haba perolakan antara udara di dalam GMT dan permukaan kes dan persekitaran dimodelkan dengan satu perintang pengaliran haba seperti berikut:
di mana A ialah permukaan sentuhan dan h ialah pekali pemindahan haba.Jadual 232 menyenaraikan beberapa h tipikal yang digunakan dalam sistem terma.Mengikut Jadual.2 pekali pemindahan haba bagi rintangan haba RH8–RH10 dan RH14–RH18, mewakili perolakan antara HMF dan persekitaran dalam rajah.7 diambil sebagai nilai malar 25 W/(m2 K).Baki pekali pemindahan haba ditetapkan sama dengan 10 W/(m2 K).
Mengikut proses pemindahan haba dalaman yang ditunjukkan dalam Rajah 2, model lengkap penukar TETN ditunjukkan dalam Rajah 7.
Seperti yang ditunjukkan dalam rajah.7, getaran membujur GMT dibahagikan kepada 16 knot, yang diwakili oleh titik merah.Nod suhu yang digambarkan dalam model sepadan dengan suhu purata komponen masing-masing.Suhu ambien T0, suhu rod GMM T1~T5, suhu gegelung penguja T6, suhu magnet kekal T7 dan T8, suhu kuk T9~T10, suhu kes T11~T12 dan T14, suhu udara dalaman T13 dan suhu rod keluaran T15.Di samping itu, setiap nod disambungkan kepada potensi haba tanah melalui C1 ~ C15, yang mewakili kapasiti haba setiap kawasan, masing-masing.P1~P6 ialah jumlah keluaran haba bagi rod GMM dan gegelung penguja masing-masing.Di samping itu, 54 rintangan haba digunakan untuk mewakili rintangan konduktif dan perolakan kepada pemindahan haba antara nod bersebelahan, yang dikira dalam bahagian sebelumnya.Jadual 3 menunjukkan pelbagai ciri terma bahan penukar.
Anggaran jilid kehilangan yang tepat dan pengagihannya adalah penting untuk melaksanakan simulasi terma yang boleh dipercayai.Kehilangan haba yang dijana oleh GMT boleh dibahagikan kepada kehilangan magnet batang GMM, kehilangan Joule bagi gegelung penguja, kehilangan mekanikal, dan kehilangan tambahan.Kerugian tambahan dan kerugian mekanikal yang diambil kira adalah agak kecil dan boleh diabaikan.
Rintangan gegelung pengujaan ac termasuk: rintangan dc Rdc dan rintangan kulit Rs.
di mana f dan N ialah kekerapan dan bilangan lilitan arus pengujaan.lCu dan rCu ialah jejari dalam dan luar gegelung, panjang gegelung, dan jejari wayar magnet kuprum seperti yang ditakrifkan oleh nombor AWG (American Wire Gauge)nya.ρCu ialah kerintangan terasnya.µCu ialah kebolehtelapan magnet terasnya.
Medan magnet sebenar di dalam gegelung medan (solenoid) tidak seragam sepanjang rod.Perbezaan ini amat ketara kerana kebolehtelapan magnet yang lebih rendah bagi rod HMM dan PM.Tetapi ia adalah simetri membujur.Pengagihan medan magnet secara langsung menentukan pengagihan kehilangan magnet rod HMM.Oleh itu, untuk menggambarkan taburan sebenar kerugian, rod tiga keratan, ditunjukkan dalam Rajah 8, diambil untuk pengukuran.
Kehilangan magnet boleh didapati dengan mengukur gelung histerisis dinamik.Berdasarkan platform eksperimen yang ditunjukkan dalam Rajah 11, tiga gelung histeresis dinamik telah diukur.Di bawah keadaan suhu rod GMM stabil di bawah 50°C, bekalan kuasa AC boleh atur cara (Chroma 61512) memacu gegelung medan dalam julat tertentu, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 8, kekerapan medan magnet yang dihasilkan oleh arus ujian dan ketumpatan fluks magnet yang terhasil dikira dengan menyepadukan voltan teraruh dalam gegelung aruhan yang disambungkan kepada rod GIM.Data mentah telah dimuat turun daripada pencatat memori (MR8875-30 sehari) dan diproses dalam perisian MATLAB untuk mendapatkan gelung histeresis dinamik terukur yang ditunjukkan dalam Rajah 9.
Gelung histeresis dinamik yang diukur: (a) bahagian 1/5: Bm = 0.044735 T, (b) bahagian 1/5: fm = 1000 Hz, (c) bahagian 2/4: Bm = 0.05955 T, (d ) bahagian 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) bahagian 3: Bm = 0.07228 T, (f) bahagian 3: fm = 1000 Hz.
Menurut literatur 37, jumlah kehilangan magnetik Pv per unit isipadu rod HMM boleh dikira menggunakan formula berikut:
di mana ABH ialah luas ukuran pada lengkung BH pada frekuensi medan magnet fm sama dengan frekuensi arus pengujaan f.
Berdasarkan kaedah pemisahan kehilangan Bertotti38, kehilangan magnet per unit jisim Pm rod GMM boleh dinyatakan sebagai jumlah kehilangan histerisis Ph, kehilangan arus pusar Pe dan kehilangan anomali Pa (13):
Dari perspektif kejuruteraan38, kerugian anomali dan kerugian arus pusar boleh digabungkan menjadi satu istilah yang dipanggil jumlah kerugian arus pusar.Oleh itu, formula untuk mengira kerugian boleh dipermudahkan seperti berikut:
dalam persamaan.(13)~(14) dengan Bm ialah amplitud ketumpatan magnet bagi medan magnet yang mengujakan.kh dan kc ialah faktor kehilangan histerisis dan jumlah faktor kehilangan arus pusar.