Komponen kimia tabung kumparan baja tahan karat 2507, Studi Simulasi Jaringan Termal Setara dari Transduser Magnetostriktif Raksasa Bumi Langka

Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Slider menampilkan tiga artikel per slide.Gunakan tombol kembali dan berikutnya untuk menelusuri slide, atau tombol pengontrol slide di akhir untuk menelusuri setiap slide.

• Deskripsi Produk
• 2507 Tabung melingkar baja tahan karat dari Cina

Hal penting dalam desain transduser magnetostriktif raksasa (GMT) adalah analisis distribusi suhu yang cepat dan akurat.Pemodelan jaringan termal memiliki keunggulan biaya komputasi yang rendah dan akurasi yang tinggi serta dapat digunakan untuk analisis termal GMT.Namun, model termal yang ada memiliki keterbatasan dalam menggambarkan rezim termal kompleks ini dalam GMT: sebagian besar penelitian berfokus pada keadaan stasioner yang tidak dapat menangkap perubahan suhu;Secara umum diasumsikan bahwa distribusi suhu batang magnetostriktif raksasa (GMM) adalah seragam, namun gradien suhu melintasi batang GMM sangat signifikan karena konduktivitas termal yang buruk, distribusi kerugian GMM yang tidak seragam jarang dimasukkan ke dalam termal. model.Oleh karena itu, dengan mempertimbangkan ketiga aspek di atas secara komprehensif, dokumen ini menetapkan model Jaringan Panas Ekuivalen Transisi (TETN) GMT.Pertama, berdasarkan desain dan prinsip pengoperasian HMT getaran memanjang, analisis termal dilakukan.Atas dasar ini, model elemen pemanas untuk proses perpindahan panas HMT ditetapkan dan parameter model yang sesuai dihitung.Akhirnya, keakuratan model TETN untuk analisis spatiotemporal suhu transduser diverifikasi melalui simulasi dan eksperimen.
Bahan magnetostriktif raksasa (GMM) yaitu terfenol-D memiliki keunggulan magnetostriksi yang besar dan kepadatan energi yang tinggi.Sifat unik ini dapat digunakan untuk mengembangkan transduser magnetostriktif raksasa (GMT) yang dapat digunakan dalam berbagai aplikasi seperti transduser akustik bawah air, motor mikro, aktuator linier, dll. 1,2.
Yang menjadi perhatian khusus adalah potensi panas berlebih pada GMT bawah laut, yang bila dioperasikan dengan daya penuh dan dalam periode eksitasi yang lama, dapat menghasilkan panas dalam jumlah besar karena kepadatan dayanya yang tinggi3,4.Selain itu, karena koefisien ekspansi termal GMT yang besar dan sensitivitasnya yang tinggi terhadap suhu eksternal, kinerja keluarannya berkaitan erat dengan suhu5,6,7,8.Dalam publikasi teknis, metode analisis termal GMT dapat dibagi menjadi dua kategori besar9: metode numerik dan metode parameter gabungan.Metode elemen hingga (FEM) adalah salah satu metode analisis numerik yang paling umum digunakan.Xie dkk.[10] menggunakan metode elemen hingga untuk mensimulasikan distribusi sumber panas dari penggerak magnetostriktif raksasa dan merealisasikan desain kontrol suhu dan sistem pendingin penggerak.Zhao dkk.[11] membuat simulasi elemen hingga gabungan dari bidang aliran turbulen dan bidang suhu, dan membangun perangkat kontrol suhu komponen cerdas GMM berdasarkan hasil simulasi elemen hingga.Namun, FEM sangat menuntut dalam hal pengaturan model dan waktu perhitungan.Untuk alasan ini, FEM dianggap sebagai dukungan penting untuk penghitungan offline, biasanya selama tahap desain konverter.
Metode parameter gabungan, yang biasa disebut model jaringan panas, banyak digunakan dalam analisis termodinamika karena bentuk matematikanya yang sederhana dan kecepatan perhitungan yang tinggi12,13,14.Pendekatan ini memainkan peran penting dalam menghilangkan keterbatasan termal mesin 15, 16, 17. Mellor18 adalah orang pertama yang menggunakan sirkuit setara termal T yang ditingkatkan untuk memodelkan proses perpindahan panas mesin.Verez dkk.19 menciptakan model tiga dimensi dari jaringan termal mesin sinkron magnet permanen dengan aliran aksial.Boglietti dkk.20 mengusulkan empat model jaringan termal dengan kompleksitas yang berbeda-beda untuk memprediksi transien termal jangka pendek pada belitan stator.Akhirnya, Wang dkk.21 membuat rangkaian ekivalen termal terperinci untuk setiap komponen PMSM dan merangkum persamaan ketahanan termal.Dalam kondisi nominal, kesalahan dapat dikontrol dalam 5%.
Pada tahun 1990-an, model jaringan panas mulai diterapkan pada konverter frekuensi rendah berdaya tinggi.Dubus et al.22 mengembangkan model jaringan panas untuk menggambarkan perpindahan panas stasioner dalam vibrator longitudinal dua sisi dan sensor tikungan kelas IV.Anjanappa et al.23 melakukan analisis termal stasioner 2D dari microdrive magnetostriktif menggunakan model jaringan termal.Untuk mempelajari hubungan antara regangan termal Terfenol-D dan parameter GMT, Zhu et al.24 menetapkan model ekuivalen keadaan tunak untuk ketahanan termal dan perhitungan perpindahan GMT.
Estimasi suhu GMT lebih kompleks dibandingkan aplikasi mesin.Karena konduktivitas termal dan magnetik yang sangat baik dari bahan yang digunakan, sebagian besar komponen mesin yang dipertimbangkan pada suhu yang sama biasanya direduksi menjadi satu node13,19.Namun, karena rendahnya konduktivitas termal HMM, asumsi distribusi suhu yang seragam tidak lagi benar.Selain itu, HMM mempunyai permeabilitas magnet yang sangat rendah, sehingga panas yang dihasilkan akibat kehilangan magnet biasanya tidak seragam di sepanjang batang HMM.Selain itu, sebagian besar penelitian difokuskan pada simulasi kondisi tunak yang tidak memperhitungkan perubahan suhu selama operasi GMT.
Untuk mengatasi ketiga permasalahan teknis di atas, artikel ini menggunakan getaran longitudinal GMT sebagai objek kajian dan memodelkan secara akurat berbagai bagian transduser, khususnya batang GMM.Model jaringan panas setara transisi lengkap (TETN) GMT telah dibuat.Model elemen hingga dan platform eksperimental dibangun untuk menguji akurasi dan kinerja model TETN untuk analisis spatiotemporal suhu transduser.
Desain dan dimensi geometris HMF yang berosilasi secara longitudinal masing-masing ditunjukkan pada Gambar 1a dan b.
Komponen utamanya meliputi batang GMM, kumparan medan, magnet permanen (PM), kuk, bantalan, ring, dan pegas belleville.Kumparan eksitasi dan PMT memberikan batang HMM masing-masing medan magnet bolak-balik dan medan magnet bias DC.Yoke dan body terdiri dari tutup dan selongsong terbuat dari besi lunak DT4 yang memiliki permeabilitas magnet tinggi.Membentuk sirkuit magnet tertutup dengan batang GIM dan PM.Batang keluaran dan pelat penekan terbuat dari baja tahan karat 304 non-magnetik.Dengan pegas belleville, pratekan yang stabil dapat diterapkan pada batang.Ketika arus bolak-balik melewati koil penggerak, batang HMM akan bergetar.
Pada gambar.2 menunjukkan proses pertukaran panas di dalam GMT.Batang GMM dan kumparan medan adalah dua sumber panas utama untuk GMT.Ular memindahkan panasnya ke tubuh melalui konveksi udara di dalam dan ke kelopak mata melalui konduksi.Batang HMM akan menimbulkan rugi-rugi magnet akibat aksi medan magnet bolak-balik, dan panas akan berpindah ke cangkang karena konveksi melalui udara internal, dan ke magnet permanen serta kuk karena konduksi.Panas yang dipindahkan ke casing kemudian dibuang ke luar melalui konveksi dan radiasi.Ketika panas yang dihasilkan sama dengan panas yang dipindahkan, suhu setiap bagian GMT mencapai keadaan tunak.
Proses perpindahan panas dalam GMO yang berosilasi memanjang: a – diagram aliran panas, b – jalur perpindahan panas utama.
Selain panas yang dihasilkan oleh kumparan eksiter dan batang HMM, seluruh komponen rangkaian magnet tertutup mengalami rugi-rugi magnet.Dengan demikian, magnet permanen, kuk, tutup dan selongsong dilaminasi bersama untuk mengurangi hilangnya magnet GMT.
Langkah-langkah utama dalam membangun model TETN untuk analisis termal GMT adalah sebagai berikut: pertama mengelompokkan komponen-komponen dengan suhu yang sama dan mewakili setiap komponen sebagai node terpisah dalam jaringan, kemudian mengaitkan node-node ini dengan ekspresi perpindahan panas yang sesuai.konduksi panas dan konveksi antar node.Dalam hal ini, sumber panas dan keluaran panas yang sesuai dengan masing-masing komponen dihubungkan secara paralel antara node dan tegangan nol umum bumi untuk membangun model jaringan panas yang setara.Langkah selanjutnya adalah menghitung parameter jaringan pemanas untuk setiap komponen model, termasuk ketahanan termal, kapasitas panas, dan rugi-rugi daya.Terakhir, model TETN diimplementasikan di SPICE untuk simulasi.Dan Anda bisa mendapatkan distribusi suhu setiap komponen GMT dan perubahannya dalam domain waktu.
Untuk kemudahan pemodelan dan perhitungan, perlu dilakukan penyederhanaan model termal dan mengabaikan kondisi batas yang mempunyai pengaruh kecil terhadap hasil18,26.Model TETN yang diusulkan dalam artikel ini didasarkan pada asumsi berikut:
Dalam GMT dengan belitan yang dililit secara acak, tidak mungkin atau perlu untuk mensimulasikan posisi masing-masing konduktor.Berbagai strategi pemodelan telah dikembangkan di masa lalu untuk memodelkan perpindahan panas dan distribusi suhu dalam belitan: (1) konduktivitas termal gabungan, (2) persamaan langsung berdasarkan geometri konduktor, (3) rangkaian termal ekuivalen T29.
Konduktivitas termal gabungan dan persamaan langsung dapat dianggap sebagai solusi yang lebih akurat daripada rangkaian ekivalen T, namun keduanya bergantung pada beberapa faktor, seperti material, geometri konduktor, dan volume udara sisa dalam belitan, yang sulit ditentukan29.Sebaliknya, skema termal setara T, meskipun merupakan model perkiraan, lebih nyaman30.Hal ini dapat diterapkan pada koil eksitasi dengan getaran longitudinal GMT.
Rakitan silinder berongga umum yang digunakan untuk mewakili kumparan eksitasi dan diagram termal ekuivalen T-nya, yang diperoleh dari solusi persamaan panas, ditunjukkan pada gambar.3. Diasumsikan bahwa fluks panas pada kumparan eksitasi tidak bergantung pada arah radial dan aksial.Fluks panas melingkar diabaikan.Di setiap rangkaian ekivalen T, dua terminal mewakili suhu permukaan elemen yang sesuai, dan terminal ketiga T6 mewakili suhu rata-rata elemen.Hilangnya komponen P6 dimasukkan sebagai sumber titik pada titik suhu rata-rata yang dihitung dalam “Perhitungan kehilangan panas kumparan lapangan”.Dalam kasus simulasi non-stasioner, kapasitas panas C6 diberikan oleh persamaan.(1) juga ditambahkan ke node Suhu rata-rata.
Dimana cec, ρec dan Vec masing-masing mewakili panas spesifik, kepadatan dan volume kumparan eksitasi.
Di meja.Gambar 1 menunjukkan resistansi termal rangkaian termal ekuivalen T dari kumparan eksitasi dengan panjang lec, konduktivitas termal λec, jari-jari luar rec1 dan jari-jari dalam rec2.
Kumparan eksiter dan sirkuit termal ekuivalen T-nya: (a) biasanya elemen silinder berongga, (b) sirkuit termal ekuivalen T aksial dan radial yang terpisah.
Rangkaian ekivalen T juga terbukti akurat untuk sumber panas silinder lainnya13.Sebagai sumber panas utama GMO, batang HMM memiliki distribusi suhu yang tidak merata karena konduktivitas termalnya yang rendah, terutama di sepanjang sumbu batang.Sebaliknya, ketidakhomogenan radial dapat diabaikan, karena fluks panas radial batang HMM jauh lebih kecil daripada fluks panas radial31.
Untuk secara akurat mewakili tingkat diskritisasi aksial batang dan mendapatkan suhu tertinggi, batang GMM diwakili oleh n node yang berjarak seragam dalam arah aksial, dan jumlah n node yang dimodelkan oleh batang GMM harus ganjil.Banyaknya kontur termal aksial ekivalen adalah n T gambar 4.
Untuk menentukan jumlah node n yang digunakan untuk memodelkan bilah GMM, hasil FEM ditunjukkan pada gambar.5 sebagai referensi.Seperti yang ditunjukkan pada gambar.4, jumlah node n diatur dalam skema termal batang HMM.Setiap node dapat dimodelkan sebagai rangkaian ekuivalen T.Membandingkan hasil FEM, dari Gambar 5 menunjukkan bahwa satu atau tiga node tidak dapat secara akurat mencerminkan distribusi suhu batang HIM (panjang sekitar 50 mm) di GMO.Ketika n ditingkatkan menjadi 5, hasil simulasi meningkat secara signifikan dan mendekati FEM.Meningkatkan n lebih lanjut juga memberikan hasil yang lebih baik dengan mengorbankan waktu komputasi yang lebih lama.Oleh karena itu, dalam artikel ini, 5 node dipilih untuk memodelkan bilah GMM.
Berdasarkan analisis perbandingan yang dilakukan, skema termal yang tepat dari batang HMM ditunjukkan pada Gambar 6. T1 ~ T5 adalah suhu rata-rata lima bagian (bagian 1 ~ 5) batang.P1-P5 masing-masing mewakili daya termal total berbagai area batang, yang akan dibahas secara rinci pada bab berikutnya.C1~C5 adalah kapasitas panas berbagai daerah, yang dapat dihitung dengan rumus berikut
dimana crod, ρrod dan Vrod menunjukkan kapasitas panas spesifik, kepadatan dan volume batang HMM.
Dengan menggunakan metode yang sama seperti untuk koil eksiter, resistansi perpindahan panas batang HMM pada Gambar 6 dapat dihitung sebagai
dimana lrod, rrod dan λrod masing-masing mewakili panjang, radius dan konduktivitas termal dari batang GMM.
Untuk getaran longitudinal GMT yang dipelajari dalam artikel ini, komponen sisa dan udara internal dapat dimodelkan dengan konfigurasi node tunggal.
Daerah-daerah ini dapat dianggap terdiri dari satu atau lebih silinder.Sambungan pertukaran panas konduktif murni pada bagian silinder didefinisikan oleh hukum konduksi panas Fourier sebagai
Dimana λnhs adalah konduktivitas termal material, lnhs adalah panjang aksial, rnhs1 dan rnhs2 masing-masing adalah jari-jari luar dan dalam dari elemen perpindahan panas.
Persamaan (5) digunakan untuk menghitung resistansi termal radial untuk area ini, yang diwakili oleh RR4-RR12 pada Gambar 7. Pada saat yang sama, Persamaan (6) digunakan untuk menghitung resistansi termal aksial, yang diwakili dari RA15 hingga RA33 pada Gambar 7.
Kapasitas panas sirkuit termal simpul tunggal untuk area di atas (termasuk C7–C15 pada Gambar 7) dapat ditentukan sebagai
dimana ρnhs, cnhs, dan Vnhs berturut-turut adalah panjang, kalor jenis, dan volume.
Perpindahan panas konvektif antara udara di dalam GMT dan permukaan casing serta lingkungan dimodelkan dengan resistor konduksi termal tunggal sebagai berikut:
dimana A adalah permukaan kontak dan h adalah koefisien perpindahan panas.Tabel 232 mencantumkan beberapa h tipikal yang digunakan dalam sistem termal.Menurut Tabel.2 koefisien perpindahan panas dari ketahanan termal RH8–RH10 dan RH14–RH18, mewakili konveksi antara HMF dan lingkungan pada gambar.7 diambil sebagai nilai konstanta 25 W/(m2 K).Koefisien perpindahan panas yang tersisa ditetapkan sebesar 10 W/(m2 K).
Menurut proses perpindahan panas internal yang ditunjukkan pada Gambar 2, model lengkap konverter TETN ditunjukkan pada Gambar 7.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar.7, getaran longitudinal GMT dibagi menjadi 16 knot, yang diwakili oleh titik-titik merah.Node suhu yang digambarkan dalam model sesuai dengan suhu rata-rata masing-masing komponen.Suhu sekitar T0, suhu batang GMM T1~T5, suhu kumparan eksiter T6, suhu magnet permanen T7 dan T8, suhu kuk T9~T10, suhu kotak T11~T12 dan T14, suhu udara dalam ruangan T13 dan suhu batang keluaran T15.Selain itu, setiap node dihubungkan ke potensi termal tanah melalui C1 ~ C15, yang masing-masing mewakili kapasitas termal setiap area.P1~P6 adalah total keluaran panas masing-masing batang GMM dan koil eksiter.Selain itu, 54 resistansi termal digunakan untuk mewakili resistansi konduktif dan konvektif terhadap perpindahan panas antara node yang berdekatan, yang telah dihitung pada bagian sebelumnya.Tabel 3 menunjukkan berbagai karakteristik termal bahan konverter.
Estimasi volume kehilangan yang akurat dan distribusinya sangat penting untuk melakukan simulasi termal yang andal.Kehilangan panas yang dihasilkan oleh GMT dapat dibagi menjadi kehilangan magnetik batang GMM, kehilangan Joule pada kumparan eksiter, kehilangan mekanis, dan kehilangan tambahan.Kerugian tambahan dan kerugian mekanis yang diperhitungkan relatif kecil dan dapat diabaikan.
Resistansi kumparan eksitasi ac meliputi: resistansi dc Rdc dan resistansi kulit Rs.
dimana f dan N adalah frekuensi dan jumlah lilitan arus eksitasi.lCu dan rCu adalah jari-jari dalam dan luar kumparan, panjang kumparan, dan jari-jari kawat magnet tembaga yang ditentukan oleh bilangan AWG (American Wire Gauge).ρCu adalah resistivitas intinya.μCu adalah permeabilitas magnetik intinya.
Medan magnet sebenarnya di dalam kumparan medan (solenoid) tidak seragam sepanjang batang.Perbedaan ini terutama terlihat karena permeabilitas magnetik yang lebih rendah pada batang HMM dan PM.Tapi bentuknya simetris longitudinal.Distribusi medan magnet secara langsung menentukan distribusi rugi-rugi magnet batang HMM.Oleh karena itu, untuk mencerminkan distribusi kerugian yang sebenarnya, diambil batang tiga bagian, yang ditunjukkan pada Gambar 8, untuk pengukuran.
Kerugian magnetik dapat diperoleh dengan mengukur loop histeresis dinamis.Berdasarkan platform eksperimental yang ditunjukkan pada Gambar 11, tiga loop histeresis dinamis diukur.Dalam kondisi suhu batang GMM stabil di bawah 50°C, catu daya AC yang dapat diprogram (Chroma 61512) menggerakkan kumparan medan dalam kisaran tertentu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, frekuensi medan magnet yang dihasilkan oleh arus uji dan kerapatan fluks magnet yang dihasilkan dihitung dengan mengintegrasikan tegangan induksi pada kumparan induksi yang dihubungkan ke batang GIM.Data mentah diunduh dari memory logger (MR8875-30 per hari) dan diproses dalam perangkat lunak MATLAB untuk mendapatkan loop histeresis dinamis terukur yang ditunjukkan pada Gambar 9.
Loop histeresis dinamis terukur: (a) bagian 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) bagian 1/5: fm = 1000 Hz, (c) bagian 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) bagian 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) bagian 3: Bm = 0,07228 T, (f) bagian 3: fm = 1000 Hz.
Berdasarkan literatur 37, total kehilangan magnet Pv per satuan volume batang HMM dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:
dimana ABH adalah luas pengukuran pada kurva BH pada frekuensi medan magnet fm sama dengan frekuensi arus eksitasi f.
Berdasarkan metode pemisahan rugi-rugi Bertotti38, rugi-rugi magnetik per satuan massa Pm batang GMM dapat dinyatakan sebagai jumlah rugi-rugi histeresis Ph, rugi-rugi arus eddy Pe dan rugi-rugi anomali Pa (13):
Dari perspektif teknik38, kerugian anomali dan kerugian arus eddy dapat digabungkan menjadi satu istilah yang disebut kerugian arus eddy total.Dengan demikian rumus penghitungan kerugian dapat disederhanakan sebagai berikut:
dalam persamaan.(13)~(14) dengan Bm adalah amplitudo kerapatan magnet dari medan magnet menarik.kh dan kc adalah faktor kerugian histeresis dan faktor kerugian arus eddy total.