جزء شیمیایی لوله سیم پیچ فولادی ضد زنگ 2507، مطالعه شبیه سازی شبکه حرارتی معادل مبدل مغناطیسی تنگ کننده غول پیکر خاکی کمیاب

از بازدید شما از Nature.com سپاسگزاریم.شما از یک نسخه مرورگر با پشتیبانی محدود CSS استفاده می کنید.برای بهترین تجربه، توصیه می کنیم از یک مرورگر به روز شده استفاده کنید (یا حالت سازگاری را در اینترنت اکسپلورر غیرفعال کنید).علاوه بر این، برای اطمینان از پشتیبانی مداوم، سایت را بدون استایل و جاوا اسکریپت نشان می‌دهیم.
اسلایدرهایی که سه مقاله را در هر اسلاید نشان می دهند.برای حرکت در اسلایدها از دکمه های پشت و بعدی استفاده کنید یا از دکمه های کنترلر اسلاید در انتها برای حرکت در هر اسلاید استفاده کنید.

• توضیحات محصول
• 2507 لوله سیم پیچ فولادی ضد زنگ از چین

برای طراحی مبدل مغناطیسی تنگ کننده غول پیکر (GMT) تجزیه و تحلیل سریع و دقیق توزیع دما بسیار مهم است.مدل سازی شبکه حرارتی دارای مزایای هزینه محاسباتی کم و دقت بالا است و می تواند برای تجزیه و تحلیل حرارتی GMT ​​استفاده شود.با این حال، مدل‌های حرارتی موجود محدودیت‌هایی در توصیف این رژیم‌های حرارتی پیچیده در GMT دارند: بیشتر مطالعات بر حالت‌های ثابتی تمرکز می‌کنند که نمی‌توانند تغییرات دما را ثبت کنند.به طور کلی فرض بر این است که توزیع دمای میله های مغناطیسی انقباض غول پیکر (GMM) یکنواخت است، اما گرادیان دما در سراسر میله GMM به دلیل رسانایی حرارتی ضعیف بسیار قابل توجه است، توزیع تلفات غیریکنواخت GMM به ندرت به حرارت وارد می شود. مدل.بنابراین، با در نظر گرفتن جامع سه جنبه فوق، این سند مدل شبکه حرارتی معادل انتقالی GMT ​​(TETN) را ایجاد می کند.ابتدا بر اساس طراحی و اصل عملکرد HMT ارتعاشی طولی، یک آنالیز حرارتی انجام می شود.بر این اساس، مدل عنصر گرمایش برای فرآیند انتقال حرارت HMT ایجاد شده و پارامترهای مدل مربوطه محاسبه می‌شوند.در نهایت، دقت مدل TETN برای تجزیه و تحلیل فضایی-زمانی دمای مبدل با شبیه‌سازی و آزمایش تأیید می‌شود.
ماده مغناطیس گیر غول پیکر (GMM)، یعنی ترفنول-D، دارای مزایای مغناطیسی بزرگ و چگالی انرژی بالا است.این خصوصیات منحصر به فرد را می توان برای توسعه مبدل های مغناطیسی تنگ کننده غول پیکر (GMTs) استفاده کرد که می توانند در طیف گسترده ای از کاربردها مانند مبدل های صوتی زیر آب، میکروموتورها، محرک های خطی و غیره استفاده شوند.
نگرانی ویژه پتانسیل گرم شدن بیش از حد GMT های زیردریایی است، که وقتی با توان کامل و برای دوره های طولانی تحریک کار می کنند، می توانند مقادیر قابل توجهی گرما را به دلیل چگالی توان بالای خود ایجاد کنند.علاوه بر این، به دلیل ضریب انبساط حرارتی زیاد GMT و حساسیت بالای آن به دمای خارجی، عملکرد خروجی آن ارتباط نزدیکی با دمای 5،6،7،8 دارد.در نشریات فنی، روش‌های آنالیز حرارتی GMT ​​را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد: روش‌های عددی و روش‌های پارامتری توده‌ای.روش اجزای محدود (FEM) یکی از متداول ترین روش های تحلیل عددی است.زی و همکاران[10] از روش اجزای محدود برای شبیه سازی توزیع منابع حرارتی یک درایو مغناطیسی مغناطیسی غول پیکر استفاده کرد و به طراحی سیستم کنترل دما و خنک کننده درایو پی برد.ژائو و همکاران[11] یک شبیه‌سازی المان محدود مشترک از یک میدان جریان آشفته و یک میدان دما ایجاد کرد و یک دستگاه کنترل دمای اجزای هوشمند GMM را بر اساس نتایج شبیه‌سازی المان محدود ساخت.با این حال، FEM از نظر تنظیم مدل و زمان محاسبه بسیار خواستار است.به همین دلیل، FEM به عنوان یک پشتیبان مهم برای محاسبات آفلاین، معمولا در مرحله طراحی مبدل در نظر گرفته می شود.
روش پارامتر یکپارچه، که معمولا به عنوان مدل شبکه حرارتی نامیده می شود، به دلیل شکل ریاضی ساده و سرعت محاسبات بالا به طور گسترده ای در تحلیل ترمودینامیکی استفاده می شود.این رویکرد نقش مهمی در حذف محدودیت‌های حرارتی موتورهای 15، 16، 17 ایفا می‌کند. Mellor18 اولین کسی بود که از مدار معادل حرارتی بهبود یافته T برای مدل‌سازی فرآیند انتقال حرارت موتور استفاده کرد.ورز و همکاران19 یک مدل سه بعدی از شبکه حرارتی یک ماشین سنکرون آهنربای دائم با جریان محوری ایجاد کرد.Boglietti و همکاران 20 چهار مدل شبکه حرارتی با پیچیدگی های متفاوت را برای پیش بینی گذرای حرارتی کوتاه مدت در سیم پیچ های استاتور پیشنهاد کردند.در نهایت، وانگ و همکاران 21 یک مدار معادل حرارتی دقیق برای هر جزء PMSM ایجاد کردند و معادله مقاومت حرارتی را خلاصه کردند.در شرایط اسمی، خطا را می توان تا 5٪ کنترل کرد.
در دهه 1990، مدل شبکه حرارتی شروع به استفاده از مبدل های فرکانس پایین با توان بالا کرد.Dubus و همکاران 22 یک مدل شبکه حرارتی را برای توصیف انتقال حرارت ثابت در یک لرزاننده طولی دو طرفه و سنسور خمشی کلاس IV توسعه دادند.Anjanappa و همکاران 23 تجزیه و تحلیل حرارتی ثابت دوبعدی یک میکرودرایو مغناطیسی را با استفاده از مدل شبکه حرارتی انجام دادند.برای مطالعه رابطه بین کرنش حرارتی ترفنول-D و پارامترهای GMT، ژو و همکاران.24 یک مدل معادل حالت پایدار برای مقاومت حرارتی و محاسبه جابجایی GMT ​​ایجاد کرد.
تخمین دمای GMT ​​پیچیده تر از کاربردهای موتور است.به دلیل هدایت حرارتی و مغناطیسی عالی مواد مورد استفاده، اکثر اجزای موتور که در دمای یکسان در نظر گرفته می شوند، معمولاً به یک گره منفرد کاهش می یابند 13،19.با این حال، به دلیل هدایت حرارتی ضعیف HMM ها، فرض توزیع یکنواخت دما دیگر درست نیست.علاوه بر این، HMM دارای نفوذپذیری مغناطیسی بسیار کم است، بنابراین گرمای تولید شده توسط تلفات مغناطیسی معمولاً در طول میله HMM غیر یکنواخت است.علاوه بر این، بیشتر تحقیقات بر روی شبیه‌سازی‌های حالت پایدار متمرکز شده‌اند که تغییرات دما در طول عملیات GMT را در نظر نمی‌گیرند.
برای حل سه مشکل فنی فوق، این مقاله از ارتعاش طولی GMT ​​به عنوان موضوع مطالعه استفاده کرده و قطعات مختلف مبدل، به ویژه میله GMM را به طور دقیق مدل‌سازی می‌کند.مدلی از یک شبکه حرارتی معادل انتقالی کامل (TETN) GMT ایجاد شده است.یک مدل المان محدود و پلت فرم آزمایشی برای آزمایش دقت و عملکرد مدل TETN برای تجزیه و تحلیل فضایی و زمانی دمای مبدل ساخته شد.
طراحی و ابعاد هندسی HMF نوسانی طولی به ترتیب در شکل 1a و b نشان داده شده است.
اجزای کلیدی شامل میله‌های GMM، سیم‌پیچ‌های میدان، آهنرباهای دائمی (PM)، یوک‌ها، لنت‌ها، بوشینگ‌ها و چشمه‌های بلویل می‌شوند.سیم پیچ تحریک و PMT به ترتیب میدان مغناطیسی متناوب و میدان مغناطیسی بایاس DC را به میله HMM می دهند.یوک و بدنه متشکل از کلاهک و آستین از آهن نرم DT4 ساخته شده است که دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالایی است.یک مدار مغناطیسی بسته با میله GIM و PM تشکیل می دهد.ساقه خروجی و صفحه فشار از فولاد ضد زنگ 304 غیر مغناطیسی ساخته شده است.با فنرهای بللویل می توان یک پیش تنیدگی پایدار روی ساقه اعمال کرد.هنگامی که یک جریان متناوب از سیم پیچ درایو عبور می کند، میله HMM مطابق با آن می لرزد.
روی انجیرشکل 2 فرآیند تبادل حرارت در داخل GMT را نشان می دهد.میله های GMM و سیم پیچ های میدان دو منبع اصلی گرما برای GMT ​​ها هستند.سرپانتین گرمای خود را با همرفت هوا در داخل به بدن و از طریق رسانایی به درپوش منتقل می کند.میله HMM در اثر میدان مغناطیسی متناوب تلفات مغناطیسی ایجاد می کند و گرما به دلیل همرفت از طریق هوای داخلی به پوسته و به دلیل رسانایی به آهنربا و یوغ دائمی منتقل می شود.سپس گرمای منتقل شده به کیس توسط همرفت و تشعشع به بیرون پراکنده می شود.هنگامی که گرمای تولید شده برابر با گرمای منتقل شده باشد، دمای هر قسمت از GMT به حالت ثابت می رسد.
فرآیند انتقال حرارت در یک GMO نوسانی طولی: الف – نمودار جریان گرما، ب – مسیرهای اصلی انتقال حرارت.
علاوه بر گرمای تولید شده توسط سیم پیچ تحریک کننده و میله HMM، تمام اجزای یک مدار مغناطیسی بسته تلفات مغناطیسی را تجربه می کنند.بنابراین، آهنربای دائمی، یوغ، کلاه و آستین با هم لمینت می شوند تا از دست دادن مغناطیسی GMT ​​کاهش یابد.
مراحل اصلی ساخت یک مدل TETN برای آنالیز حرارتی GMT ​​به شرح زیر است: ابتدا اجزای با دماهای یکسان را با هم گروه بندی کنید و هر جزء را به عنوان یک گره جداگانه در شبکه نشان دهید، سپس این گره ها را با بیان انتقال حرارت مناسب مرتبط کنید.هدایت گرما و همرفت بین گره ها.در این حالت منبع گرما و خروجی حرارت مربوط به هر جزء به صورت موازی بین گره و ولتاژ صفر مشترک زمین وصل می شود تا مدلی معادل از شبکه حرارتی ساخته شود.مرحله بعدی محاسبه پارامترهای شبکه حرارتی برای هر جزء از مدل، از جمله مقاومت حرارتی، ظرفیت حرارتی و تلفات توان است.در نهایت مدل TETN در SPICE برای شبیه سازی پیاده سازی شده است.و می توانید توزیع دمای هر جزء GMT و تغییر آن را در حوزه زمانی دریافت کنید.
برای راحتی مدلسازی و محاسبه، لازم است مدل حرارتی را ساده کرد و از شرایط مرزی که تأثیر کمی بر نتایج دارد چشم پوشی کرد.مدل TETN ارائه شده در این مقاله بر اساس مفروضات زیر است:
در GMT با سیم پیچی به طور تصادفی، شبیه سازی موقعیت هر هادی منفرد غیرممکن یا ضروری است.استراتژی‌های مدل‌سازی مختلفی در گذشته برای مدل‌سازی انتقال حرارت و توزیع دما در سیم‌پیچ‌ها توسعه داده شده‌اند: (1) هدایت حرارتی مرکب، (2) معادلات مستقیم بر اساس هندسه رسانا، (3) مدار حرارتی معادل T29.
رسانایی حرارتی مرکب و معادلات مستقیم را می توان راه حل های دقیق تری نسبت به مدار معادل T در نظر گرفت، اما آنها به عوامل متعددی مانند مواد، هندسه هادی و حجم هوای باقیمانده در سیم پیچ بستگی دارند که تعیین آنها دشوار است.برعکس، طرح حرارتی معادل T، اگرچه یک مدل تقریبی است، اما راحت‌تر است.می توان آن را با ارتعاشات طولی GMT ​​روی سیم پیچ تحریک اعمال کرد.
مجموعه استوانه ای توخالی عمومی مورد استفاده برای نشان دادن سیم پیچ تحریک کننده و نمودار حرارتی معادل T آن، به دست آمده از حل معادله گرما، در شکل نشان داده شده است.3. فرض بر این است که شار حرارتی در سیم پیچ تحریک در جهت شعاعی و محوری مستقل است.شار حرارتی محیطی نادیده گرفته شده است.در هر مدار معادل T، دو ترمینال نشان دهنده دمای سطح متناظر عنصر و ترمینال سوم T6 نشان دهنده دمای متوسط ​​عنصر است.تلفات جزء P6 به عنوان یک منبع نقطه ای در گره دمای متوسط ​​محاسبه شده در "محاسبه اتلاف حرارت سیم پیچ میدان" وارد می شود.در مورد شبیه سازی غیر ثابت، ظرفیت حرارتی C6 با معادله داده می شود.(1) نیز به گره میانگین دمایی اضافه می شود.
جایی که cec، ρec و Vec به ترتیب نشان دهنده گرمای ویژه، چگالی و حجم سیم پیچ تحریک هستند.
روی میز.1 مقاومت حرارتی مدار حرارتی معادل T سیم پیچ تحریک را با طول lec، رسانایی حرارتی λc، شعاع بیرونی rec1 و شعاع داخلی rec2 نشان می دهد.
سیم پیچ های تحریک کننده و مدارهای حرارتی معادل T آنها: (الف) معمولاً عناصر استوانه ای توخالی، (ب) مدارهای حرارتی معادل T محوری و شعاعی جدا می شوند.
مدار معادل T نیز برای سایر منابع حرارتی استوانه‌ای دقیق است.میله HMM به عنوان منبع اصلی گرمای GMO، به دلیل رسانایی حرارتی کم، به ویژه در امتداد محور میله، توزیع دمایی ناهمواری دارد.در مقابل، ناهمگنی شعاعی را می توان نادیده گرفت، زیرا شار حرارتی شعاعی میله HMM بسیار کمتر از شار حرارتی شعاعی 31 است.
برای نمایش دقیق سطح گسسته محوری میله و به دست آوردن بالاترین دما، میله GMM با n گره با فاصله یکنواخت در جهت محوری نشان داده می شود و تعداد گره های n مدل شده توسط میله GMM باید فرد باشد.تعداد خطوط حرارتی محوری معادل n T شکل 4 است.
برای تعیین تعداد گره های مورد استفاده برای مدل سازی نوار GMM، نتایج FEM در شکل نشان داده شده است.5 به عنوان مرجع.همانطور که در شکل نشان داده شده است.4، تعداد گره های n در طرح حرارتی میله HMM تنظیم شده است.هر گره را می توان به عنوان یک مدار معادل T مدل کرد.مقایسه نتایج FEM، از شکل 5 نشان می دهد که یک یا سه گره نمی توانند به طور دقیق توزیع دمای میله HIM (حدود 50 میلی متر طول) را در GMO منعکس کنند.هنگامی که n به 5 افزایش می یابد، نتایج شبیه سازی به طور قابل توجهی بهبود می یابد و به FEM نزدیک می شود.افزایش بیشتر n نیز نتایج بهتری به قیمت زمان محاسبات طولانی‌تر می‌دهد.بنابراین در این مقاله 5 گره برای مدل سازی نوار GMM انتخاب شده است.
بر اساس تجزیه و تحلیل مقایسه ای انجام شده، طرح حرارتی دقیق میله HMM در شکل 6 نشان داده شده است. T1 ~ T5 دمای متوسط ​​پنج بخش (بخش 1 تا 5) چوب است.P1-P5 به ترتیب کل توان حرارتی نواحی مختلف میله را نشان می دهد که در فصل بعدی به تفصیل مورد بحث قرار خواهد گرفت.C1~C5 ظرفیت گرمایی مناطق مختلف است که با فرمول زیر قابل محاسبه است
که در آن crod، ρrod و Vrod ظرفیت گرمایی ویژه، چگالی و حجم میله HMM را نشان می دهند.
با استفاده از روش مشابه برای سیم پیچ تحریک کننده، مقاومت انتقال حرارت میله HMM در شکل 6 را می توان به صورت محاسبه کرد.
که در آن lrod، rod و λrod به ترتیب طول، شعاع و هدایت حرارتی میله GMM را نشان می دهند.
برای ارتعاش طولی GMT ​​مورد مطالعه در این مقاله، اجزای باقی‌مانده و هوای داخلی را می‌توان با پیکربندی یک گره مدل‌سازی کرد.
این نواحی را می توان متشکل از یک یا چند استوانه در نظر گرفت.یک اتصال مبادله حرارتی کاملا رسانا در یک بخش استوانه ای توسط قانون هدایت حرارتی فوریه به صورت تعریف می شود.
در جایی که λnhs هدایت حرارتی ماده است، lnhs طول محوری است، rnhs1 و rnhs2 به ترتیب شعاع بیرونی و داخلی عنصر انتقال حرارت هستند.
از معادله (5) برای محاسبه مقاومت حرارتی شعاعی برای این نواحی استفاده می شود که در شکل 7 با RR4-RR12 نشان داده شده است. در عین حال، از رابطه (6) برای محاسبه مقاومت حرارتی محوری استفاده می شود که از RA15 تا RA33 در شکل نشان داده شده است. 7.
ظرفیت گرمایی یک مدار حرارتی تک گره برای ناحیه فوق (از جمله C7-C15 در شکل 7) را می توان به صورت تعیین کرد.
که ρnhs، cnhs، و vnhs به ترتیب طول، گرمای ویژه و حجم هستند.
انتقال حرارت همرفتی بین هوای داخل GMT و سطح کیس و محیط با یک مقاومت رسانش حرارتی به صورت زیر مدل‌سازی می‌شود:
که در آن A سطح تماس و h ضریب انتقال حرارت است.جدول 232 برخی از h های معمول مورد استفاده در سیستم های حرارتی را فهرست می کند.طبق جدول.2 ضریب انتقال حرارت مقاومت های حرارتی RH8-RH10 و RH14-RH18 که نشان دهنده همرفت بین HMF و محیط در شکل.7 به عنوان مقدار ثابت 25 W/(m2 K) در نظر گرفته می شود.ضرایب انتقال حرارت باقیمانده برابر با 10 W/(m2 K) تنظیم شده است.
با توجه به فرآیند انتقال حرارت داخلی نشان داده شده در شکل 2، مدل کامل مبدل TETN در شکل 7 نشان داده شده است.
همانطور که در شکل نشان داده شده است.7، ارتعاش طولی GMT ​​به 16 گره تقسیم می شود که با نقاط قرمز نشان داده می شود.گره های دمایی نشان داده شده در مدل با میانگین دمای اجزای مربوطه مطابقت دارند.دمای محیط T0، دمای میله GMM T1~T5، دمای سیم پیچ تحریک کننده T6، دمای آهنربای دائم T7 و T8، دمای یوک T9~T10، دمای مورد T11~T12 و T14، دمای هوای داخلی T13 و دمای میله خروجی T15.علاوه بر این، هر گره از طریق C1 ~ C15 به پتانسیل حرارتی زمین متصل می شود که به ترتیب نشان دهنده ظرفیت حرارتی هر منطقه است.P1~P6 به ترتیب کل گرمای خروجی میله GMM و سیم پیچ تحریک کننده است.علاوه بر این، از 54 مقاومت حرارتی برای نشان دادن مقاومت رسانا و همرفتی در برابر انتقال حرارت بین گره‌های مجاور استفاده شده است که در بخش‌های قبلی محاسبه شد.جدول 3 مشخصات حرارتی مختلف مواد مبدل را نشان می دهد.
برآورد دقیق حجم تلفات و توزیع آنها برای انجام شبیه‌سازی‌های حرارتی قابل اعتماد حیاتی است.تلفات حرارتی تولید شده توسط GMT را می توان به تلفات مغناطیسی میله GMM، تلفات ژول سیم پیچ تحریک کننده، تلفات مکانیکی و تلفات اضافی تقسیم کرد.تلفات اضافی و تلفات مکانیکی در نظر گرفته شده نسبتاً کم هستند و می توان آنها را نادیده گرفت.
مقاومت سیم پیچ تحریک ac شامل: مقاومت dc Rdc و مقاومت پوست Rs است.
که در آن f و N فرکانس و تعداد دورهای جریان تحریک است.lCu و rCu شعاع های داخلی و خارجی سیم پیچ، طول سیم پیچ و شعاع سیم مغناطیسی مسی هستند که توسط عدد AWG (سیم سنج آمریکایی) تعریف شده است.ρCu مقاومت هسته آن است.µCu نفوذپذیری مغناطیسی هسته آن است.
میدان مغناطیسی واقعی داخل سیم پیچ میدان (سلونوئید) در طول میله یکنواخت نیست.این تفاوت به خصوص به دلیل نفوذپذیری مغناطیسی کمتر میله های HMM و PM مشهود است.اما از نظر طولی متقارن است.توزیع میدان مغناطیسی به طور مستقیم توزیع تلفات مغناطیسی میله HMM را تعیین می کند.بنابراین، برای انعکاس توزیع واقعی تلفات، یک میله سه بخش، که در شکل 8 نشان داده شده است، برای اندازه گیری گرفته شده است.
اتلاف مغناطیسی را می توان با اندازه گیری حلقه هیسترزیس دینامیکی به دست آورد.بر اساس پلت فرم آزمایشی نشان داده شده در شکل 11، سه حلقه هیسترزیس پویا اندازه گیری شد.تحت شرایطی که دمای میله GMM کمتر از 50 درجه سانتیگراد پایدار باشد، منبع تغذیه AC قابل برنامه ریزی (Chroma 61512) سیم پیچ میدان را در یک محدوده مشخص هدایت می کند، همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است، فرکانس میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان آزمایش و چگالی شار مغناطیسی حاصل با یکپارچه سازی ولتاژ القا شده در سیم پیچ القایی متصل به میله GIM محاسبه می شود.داده های خام از لاگر حافظه (MR8875-30 در روز) دانلود و در نرم افزار MATLAB پردازش شد تا حلقه های پسماند دینامیکی اندازه گیری شده در شکل 9 به دست آید.
حلقه‌های هیسترزیس دینامیکی اندازه‌گیری شده: (الف) بخش 1/5: Bm = 0.044735 T، (ب) بخش 1/5: fm = 1000 هرتز، (ج) بخش 2/4: Bm = 0.05955 T، (d) بخش 2/ 4: fm = 1000 هرتز، (e) بخش 3: Bm = 0.07228 T، (f) بخش 3: fm = 1000 هرتز.
با توجه به ادبیات 37، کل تلفات مغناطیسی Pv در واحد حجم میله های HMM را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
که در آن ABH ناحیه اندازه گیری منحنی BH در فرکانس میدان مغناطیسی fm برابر با فرکانس جریان تحریک f است.
بر اساس روش جداسازی تلفات برتوتی38، تلفات مغناطیسی در واحد جرم Pm یک میله GMM را می توان به صورت مجموع افت هیسترزیس Ph، تلفات جریان گردابی Pe و تلفات غیرعادی Pa بیان کرد (13):
از دیدگاه مهندسی 38، تلفات غیرعادی و تلفات جریان گردابی را می توان در یک اصطلاح به نام تلفات کل جریان گردابی ترکیب کرد.بنابراین، فرمول محاسبه تلفات را می توان به صورت زیر ساده کرد:
در معادله(13) ~ (14) که در آن Bm دامنه چگالی مغناطیسی میدان مغناطیسی هیجان انگیز است.kh و kc ضریب تلفات هیسترزیس و ضریب تلفات جریان گردابی کل هستند.