Thành phần hóa học ống cuộn thép không gỉ 2507, Nghiên cứu mô phỏng mạng nhiệt tương đương về đầu dò từ giảo khổng lồ đất hiếm

Cảm ơn bạn đã ghé thăm Nature.com.Bạn đang sử dụng phiên bản trình duyệt có hỗ trợ CSS hạn chế.Để có trải nghiệm tốt nhất, chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng trình duyệt đã cập nhật (hoặc tắt Chế độ tương thích trong Internet Explorer).Ngoài ra, để đảm bảo được hỗ trợ liên tục, chúng tôi hiển thị trang web không có kiểu và JavaScript.
Thanh trượt hiển thị ba bài viết trên mỗi slide.Sử dụng các nút quay lại và tiếp theo để di chuyển qua các trang chiếu hoặc các nút điều khiển trang chiếu ở cuối để di chuyển qua từng trang chiếu.

• Mô tả Sản phẩm
• 2507 Ống thép không gỉ cuộn từ Trung Quốc

Điều quan trọng đối với thiết kế của bộ chuyển đổi từ giảo khổng lồ (GMT) là việc phân tích nhanh chóng và chính xác sự phân bổ nhiệt độ.Mô hình mạng nhiệt có ưu điểm là chi phí tính toán thấp, độ chính xác cao và có thể được sử dụng để phân tích nhiệt GMT.Tuy nhiên, các mô hình nhiệt hiện tại có những hạn chế trong việc mô tả các chế độ nhiệt phức tạp này theo GMT: hầu hết các nghiên cứu tập trung vào các trạng thái đứng yên không thể nắm bắt được sự thay đổi nhiệt độ;Người ta thường cho rằng sự phân bố nhiệt độ của các thanh từ giảo khổng lồ (GMM) là đồng đều, nhưng độ dốc nhiệt độ trên thanh GMM rất đáng kể do tính dẫn nhiệt kém, sự phân bố tổn thất không đồng đều của GMM hiếm khi được đưa vào nhiệt. người mẫu.Do đó, bằng cách xem xét toàn diện ba khía cạnh trên, tài liệu này thiết lập mô hình Mạng nhiệt tương đương chuyển tiếp GMT (TETN).Đầu tiên, dựa trên thiết kế và nguyên lý hoạt động của máy rung dọc HMT, việc phân tích nhiệt được thực hiện.Trên cơ sở đó, mô hình phần tử gia nhiệt được thiết lập cho quá trình truyền nhiệt HMT và tính toán các thông số mô hình tương ứng.Cuối cùng, độ chính xác của mô hình TETN để phân tích không gian và thời gian nhiệt độ đầu dò được xác minh bằng mô phỏng và thử nghiệm.
Vật liệu từ giảo khổng lồ (GMM), cụ thể là terfenol-D, có ưu điểm là từ giảo lớn và mật độ năng lượng cao.Những đặc tính độc đáo này có thể được sử dụng để phát triển các bộ chuyển đổi từ giảo khổng lồ (GMT) có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng như bộ chuyển đổi âm thanh dưới nước, động cơ vi mô, bộ truyền động tuyến tính, v.v. 1,2.
Mối quan tâm đặc biệt là khả năng quá nhiệt của GMT dưới biển, khi hoạt động ở công suất tối đa và trong thời gian kích thích kéo dài, có thể tạo ra lượng nhiệt đáng kể do mật độ năng lượng cao3,4.Ngoài ra, do hệ số giãn nở nhiệt lớn của GMT và độ nhạy cao với nhiệt độ bên ngoài nên hiệu suất đầu ra của nó có liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ5,6,7,8.Trong các ấn phẩm kỹ thuật, phương pháp phân tích nhiệt GMT có thể được chia thành hai loại chính9: phương pháp số và phương pháp tham số gộp.Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một trong những phương pháp phân tích số được sử dụng phổ biến nhất.Xie và cộng sự.[10] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng sự phân bố nguồn nhiệt của bộ truyền động từ giảo khổng lồ và hiện thực hóa thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ và làm mát của bộ truyền động.Zhao và cộng sự.[11] đã thiết lập mô phỏng phần tử hữu hạn chung của trường dòng chảy hỗn loạn và trường nhiệt độ, đồng thời xây dựng thiết bị điều khiển nhiệt độ thành phần thông minh GMM dựa trên kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn.Tuy nhiên, FEM yêu cầu rất cao về thời gian thiết lập mô hình và tính toán.Vì lý do này, FEM được coi là hỗ trợ quan trọng cho tính toán ngoại tuyến, thường là trong giai đoạn thiết kế bộ chuyển đổi.
Phương pháp tham số gộp, thường được gọi là mô hình mạng nhiệt, được sử dụng rộng rãi trong phân tích nhiệt động lực học do dạng toán học đơn giản và tốc độ tính toán cao12,13,14.Cách tiếp cận này đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các hạn chế về nhiệt của động cơ 15, 16, 17. Mellor18 là người đầu tiên sử dụng mạch tương đương nhiệt cải tiến T để mô hình hóa quá trình truyền nhiệt của động cơ.Verez và cộng sự.19 đã tạo ra mô hình ba chiều của mạng nhiệt của máy đồng bộ nam châm vĩnh cửu có dòng chảy dọc trục.Boglietti và cộng sự20 đã đề xuất bốn mô hình mạng nhiệt có độ phức tạp khác nhau để dự đoán các quá độ nhiệt ngắn hạn trong cuộn dây stato.Cuối cùng, Wang và cộng sự21 đã thiết lập một mạch tương đương nhiệt chi tiết cho từng thành phần PMSM và tóm tắt phương trình điện trở nhiệt.Trong điều kiện danh nghĩa, sai số có thể được kiểm soát trong vòng 5%.
Vào những năm 1990, mô hình mạng nhiệt bắt đầu được áp dụng cho các bộ biến đổi tần số thấp công suất cao.Dubus et al.22 đã phát triển một mô hình mạng nhiệt để mô tả sự truyền nhiệt cố định trong máy rung dọc hai mặt và cảm biến uốn cong loại IV.Anjanappa và cộng sự.23 đã thực hiện phân tích nhiệt cố định 2D của một vi truyền động từ giảo bằng mô hình mạng nhiệt.Để nghiên cứu mối quan hệ giữa biến dạng nhiệt của thông số Terfenol-D và GMT, Zhu et al.24 đã thiết lập một mô hình tương đương ở trạng thái ổn định để tính toán điện trở nhiệt và độ dịch chuyển GMT.
Ước tính nhiệt độ GMT phức tạp hơn các ứng dụng động cơ.Do tính dẫn nhiệt và từ tính tuyệt vời của vật liệu được sử dụng, hầu hết các bộ phận động cơ được xem xét ở cùng nhiệt độ thường giảm xuống còn một nút duy nhất13,19.Tuy nhiên, do tính dẫn nhiệt kém của HMM, giả định về sự phân bố nhiệt độ đồng đều không còn đúng nữa.Ngoài ra, HMM có độ thấm từ rất thấp nên nhiệt sinh ra do tổn thất từ ​​thường không đồng đều dọc theo thanh HMM.Ngoài ra, hầu hết nghiên cứu đều tập trung vào các mô phỏng trạng thái ổn định không tính đến sự thay đổi nhiệt độ trong quá trình vận hành GMT.
Để giải quyết ba vấn đề kỹ thuật trên, bài viết này sử dụng dao động dọc GMT làm đối tượng nghiên cứu và mô hình hóa chính xác các bộ phận khác nhau của đầu dò, đặc biệt là thanh GMM.Một mô hình mạng nhiệt tương đương chuyển tiếp hoàn chỉnh (TETN) GMT đã được tạo.Một mô hình phần tử hữu hạn và nền tảng thử nghiệm đã được xây dựng để kiểm tra độ chính xác và hiệu suất của mô hình TETN để phân tích không gian và thời gian nhiệt độ đầu dò.
Thiết kế và kích thước hình học của HMF dao động dọc được thể hiện tương ứng trong Hình 1a và b.
Các thành phần chính bao gồm thanh GMM, cuộn dây từ trường, nam châm vĩnh cửu (PM), ách, miếng đệm, ống lót và lò xo belleville.Cuộn dây kích thích và PMT cung cấp cho thanh HMM một từ trường xen kẽ và từ trường phân cực DC tương ứng.Gọng và thân bao gồm nắp và ống bọc được làm bằng sắt mềm DT4 có độ thấm từ cao.Tạo thành mạch từ kín với thanh GIM và PM.Thân đầu ra và tấm áp suất được làm bằng thép không gỉ 304 không từ tính.Với lò xo belleville, có thể áp dụng ứng suất trước ổn định cho thân cây.Khi có dòng điện xoay chiều đi qua cuộn dây dẫn động, thanh HMM sẽ dao động tương ứng.
Trên hình.Hình 2 thể hiện quá trình trao đổi nhiệt bên trong GMT.Thanh GMM và cuộn dây trường là hai nguồn nhiệt chính cho GMT.Chất ngoằn ngoèo truyền nhiệt đến cơ thể bằng sự đối lưu không khí bên trong và đến nắp bằng sự dẫn nhiệt.Thanh HMM sẽ tạo ra tổn hao từ dưới tác dụng của từ trường xen kẽ, đồng thời nhiệt sẽ được truyền vào vỏ do sự đối lưu qua không khí bên trong và đến nam châm vĩnh cửu và ách do dẫn nhiệt.Nhiệt truyền vào vỏ sau đó sẽ bị tiêu tán ra bên ngoài bằng đối lưu và bức xạ.Khi nhiệt lượng sinh ra bằng nhiệt lượng truyền đi thì nhiệt độ từng bộ phận của GMT sẽ đạt trạng thái ổn định.
Quá trình truyền nhiệt trong sinh vật biến đổi gen dao động theo chiều dọc: a – sơ đồ dòng nhiệt, b – các đường truyền nhiệt chính.
Ngoài nhiệt được tạo ra bởi cuộn dây kích thích và thanh HMM, tất cả các thành phần của mạch từ kín đều bị tổn thất từ ​​tính.Do đó, nam châm vĩnh cửu, chốt, nắp và ống bọc được ép lại với nhau để giảm tổn thất từ ​​tính của GMT.
Các bước chính trong việc xây dựng mô hình TETN cho phân tích nhiệt GMT như sau: đầu tiên nhóm các thành phần có cùng nhiệt độ với nhau và biểu diễn mỗi thành phần như một nút riêng biệt trong mạng, sau đó liên kết các nút này với biểu thức truyền nhiệt thích hợp.dẫn nhiệt và đối lưu giữa các nút.Trong trường hợp này, nguồn nhiệt và nhiệt lượng tỏa ra tương ứng với từng thành phần được kết nối song song giữa nút và điện áp bằng 0 chung của trái đất để xây dựng mô hình tương đương của mạng nhiệt.Bước tiếp theo là tính toán các thông số của mạng nhiệt cho từng thành phần của mô hình, bao gồm nhiệt trở, công suất nhiệt và tổn thất điện năng.Cuối cùng, mô hình TETN được triển khai trong SPICE để mô phỏng.Và bạn có thể nhận được sự phân bố nhiệt độ của từng thành phần của GMT và sự thay đổi của nó trong miền thời gian.
Để thuận tiện cho việc mô hình hóa và tính toán, cần đơn giản hóa mô hình nhiệt và bỏ qua các điều kiện biên ít ảnh hưởng đến kết quả18,26.Mô hình TETN được đề xuất trong bài viết này dựa trên các giả định sau:
Trong GMT với cuộn dây quấn ngẫu nhiên, không thể hoặc cần thiết phải mô phỏng vị trí của từng dây dẫn riêng lẻ.Trước đây, nhiều chiến lược mô hình hóa khác nhau đã được phát triển để mô hình hóa sự truyền nhiệt và phân bổ nhiệt độ trong cuộn dây: (1) độ dẫn nhiệt hỗn hợp, (2) phương trình trực tiếp dựa trên hình dạng dây dẫn, (3) mạch nhiệt tương đương T29.
Độ dẫn nhiệt tổng hợp và phương trình trực tiếp có thể được coi là giải pháp chính xác hơn mạch tương đương T, nhưng chúng phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như vật liệu, hình dạng dây dẫn và thể tích không khí dư trong cuộn dây, rất khó xác định29.Ngược lại, sơ đồ nhiệt tương đương T, mặc dù là một mô hình gần đúng, nhưng lại thuận tiện hơn30.Nó có thể được áp dụng cho cuộn dây kích thích có dao động dọc theo GMT.
Tổ hợp hình trụ rỗng tổng quát được sử dụng để biểu diễn cuộn dây kích thích và sơ đồ nhiệt tương đương T của nó, thu được từ việc giải phương trình nhiệt, được thể hiện trên hình.3. Giả sử rằng dòng nhiệt trong cuộn dây kích thích là độc lập theo hướng hướng tâm và hướng trục.Thông lượng nhiệt chu vi bị bỏ qua.Trong mỗi mạch tương đương T, hai cực biểu thị nhiệt độ bề mặt tương ứng của phần tử và cực thứ ba T6 biểu thị nhiệt độ trung bình của phần tử.Sự mất mát của thành phần P6 được nhập dưới dạng nguồn điểm tại nút nhiệt độ trung bình được tính toán trong “Tính toán tổn thất nhiệt cuộn dây hiện trường”.Trong trường hợp mô phỏng không cố định, nhiệt dung C6 được tính theo phương trình.(1) cũng được thêm vào nút Nhiệt độ trung bình.
Trong đó cec, ρec và Vec lần lượt là nhiệt dung riêng, mật độ và thể tích của cuộn dây kích thích.
Trong bảng.1 biểu diễn điện trở nhiệt của mạch nhiệt tương đương T của cuộn dây kích thích có chiều dài lec, độ dẫn nhiệt λec, bán kính ngoài rec1 và bán kính trong rec2.
Cuộn dây kích thích và mạch nhiệt tương đương T của chúng: (a) thường là các phần tử hình trụ rỗng, (b) các mạch nhiệt tương đương hướng trục và hướng tâm T riêng biệt.
Mạch tương đương T cũng được chứng minh là chính xác đối với các nguồn nhiệt hình trụ khác13.Là nguồn nhiệt chính của GMO, thanh HMM có sự phân bổ nhiệt độ không đồng đều do khả năng dẫn nhiệt kém, đặc biệt là dọc theo trục của thanh.Ngược lại, tính không đồng nhất hướng tâm có thể bị bỏ qua, vì thông lượng nhiệt hướng tâm của thanh HMM nhỏ hơn nhiều so với thông lượng nhiệt hướng tâm31.
Để thể hiện chính xác mức độ rời rạc dọc trục của thanh và thu được nhiệt độ cao nhất, thanh GMM được biểu thị bằng n nút cách đều nhau theo hướng trục và số nút n được mô hình hóa bởi thanh GMM phải là số lẻ.Số đường viền nhiệt dọc trục tương đương là n T hình 4.
Để xác định số lượng nút n được sử dụng để mô hình hóa thanh GMM, kết quả FEM được hiển thị trong hình.5 làm tài liệu tham khảo.Như thể hiện trong hình.Trong hình 4, số lượng nút n được quy định trong sơ đồ nhiệt của thanh HMM.Mỗi nút có thể được mô hình hóa như một mạch tương đương T.So sánh kết quả của FEM, từ Hình 5 cho thấy một hoặc ba nút không thể phản ánh chính xác sự phân bố nhiệt độ của thanh HIM (dài khoảng 50 mm) trong GMO.Khi n tăng lên 5, kết quả mô phỏng cải thiện đáng kể và tiệm cận FEM.Tăng n hơn nữa cũng cho kết quả tốt hơn nhưng phải trả giá bằng thời gian tính toán lâu hơn.Vì vậy, trong bài viết này, 5 nút được chọn để mô hình hóa thanh GMM.
Dựa trên phân tích so sánh được thực hiện, sơ đồ nhiệt chính xác của thanh HMM được hiển thị trong Hình 6. T1 ~ T5 là nhiệt độ trung bình của năm phần (phần 1 ~ 5) của thanh.P1-P5 tương ứng đại diện cho tổng nhiệt năng của các khu vực khác nhau của thanh, sẽ được thảo luận chi tiết trong chương tiếp theo.C1~C5 là nhiệt dung của các vùng khác nhau, có thể tính theo công thức sau
trong đó crod, ρrod và Vrod biểu thị nhiệt dung riêng, mật độ và thể tích của thanh HMM.
Sử dụng phương pháp tương tự như đối với cuộn dây kích thích, điện trở truyền nhiệt của thanh HMM trong Hình 6 có thể được tính như sau:
trong đó lrod, rrod và λrod lần lượt là chiều dài, bán kính và độ dẫn nhiệt của thanh GMM.
Đối với dao động dọc GMT được nghiên cứu trong bài viết này, các thành phần còn lại và không khí bên trong có thể được mô hình hóa bằng cấu hình một nút duy nhất.
Những khu vực này có thể được coi là bao gồm một hoặc nhiều hình trụ.Kết nối trao đổi nhiệt dẫn điện thuần túy trong phần hình trụ được xác định theo định luật dẫn nhiệt Fourier là
Trong đó λnhs là độ dẫn nhiệt của vật liệu, lnhs là chiều dài trục, rnhs1 và rnhs2 lần lượt là bán kính bên ngoài và bên trong của bộ phận truyền nhiệt.
Công thức (5) dùng để tính nhiệt trở xuyên tâm cho các vùng này, biểu thị bằng RR4-RR12 trên Hình 7. Đồng thời, Công thức (6) được dùng để tính nhiệt trở dọc trục, biểu diễn từ RA15 đến RA33 trên Hình 7.
Công suất nhiệt của mạch nhiệt một nút cho khu vực trên (bao gồm C7–C15 trong Hình 7) có thể được xác định là
trong đó ρnhs, cnhs và Vnhs lần lượt là chiều dài, nhiệt dung riêng và thể tích.
Sự truyền nhiệt đối lưu giữa không khí bên trong GMT với bề mặt vỏ và môi trường được mô hình hóa bằng một điện trở dẫn nhiệt duy nhất như sau:
Trong đó A là bề mặt tiếp xúc và h là hệ số truyền nhiệt.Bảng 232 liệt kê một số h điển hình được sử dụng trong hệ thống nhiệt.Theo Bảng.2 hệ số truyền nhiệt của các điện trở nhiệt RH8–RH10 và RH14–RH18, biểu thị sự đối lưu giữa HMF và môi trường trên hình.7 được lấy làm giá trị không đổi 25 W/(m2 K).Hệ số truyền nhiệt còn lại được đặt bằng 10 W/(m2 K).
Theo quá trình truyền nhiệt bên trong được hiển thị trong Hình 2, mô hình hoàn chỉnh của bộ chuyển đổi TETN được hiển thị trong Hình 7.
Như thể hiện trong hình.7, độ rung theo chiều dọc của GMT được chia thành 16 hải lý/giờ, được biểu thị bằng các chấm màu đỏ.Các nút nhiệt độ được mô tả trong mô hình tương ứng với nhiệt độ trung bình của các thành phần tương ứng.Nhiệt độ môi trường xung quanh T0, nhiệt độ thanh GMM T1~T5, nhiệt độ cuộn dây kích thích T6, nhiệt độ nam châm vĩnh cửu T7 và T8, nhiệt độ ách T9~T10, nhiệt độ vỏ T11~T12 và T14, nhiệt độ không khí trong nhà T13 và nhiệt độ thanh đầu ra T15.Ngoài ra, mỗi nút được kết nối với thế năng nhiệt của mặt đất thông qua C1 ~ C15, tương ứng thể hiện công suất nhiệt của từng khu vực.P1~P6 lần lượt là tổng nhiệt lượng tỏa ra của thanh GMM và cuộn dây kích thích.Ngoài ra, 54 điện trở nhiệt được sử dụng để biểu thị điện trở dẫn và đối lưu truyền nhiệt giữa các nút liền kề, đã được tính toán trong các phần trước.Bảng 3 cho thấy các đặc tính nhiệt khác nhau của vật liệu chuyển đổi.
Việc ước tính chính xác khối lượng tổn thất và sự phân bố của chúng là rất quan trọng để thực hiện các mô phỏng nhiệt đáng tin cậy.Tổn thất nhiệt do GMT tạo ra có thể được chia thành tổn thất từ ​​tính của thanh GMM, tổn thất Joule của cuộn dây kích thích, tổn thất cơ học và tổn thất bổ sung.Tổn hao bổ sung và tổn hao cơ được tính đến là tương đối nhỏ và có thể bỏ qua.
Điện trở cuộn dây kích thích xoay chiều bao gồm: điện trở dc Rdc và điện trở vỏ Rs.
trong đó f và N là tần số và số vòng của dòng điện kích thích.lCu và rCu là bán kính bên trong và bên ngoài của cuộn dây, chiều dài của cuộn dây và bán kính của dây từ đồng được xác định bởi số AWG (American Wire Gauge) của nó.ρCu là điện trở suất của lõi.µCu là độ thấm từ của lõi của nó.
Từ trường thực tế bên trong cuộn dây từ trường (điện từ) không đồng đều dọc theo chiều dài của thanh.Sự khác biệt này đặc biệt dễ nhận thấy do độ thấm từ của thanh HMM và PM thấp hơn.Nhưng nó đối xứng theo chiều dọc.Sự phân bố của từ trường quyết định trực tiếp đến sự phân bố tổn thất từ ​​của thanh HMM.Do đó, để phản ánh sự phân bố tổn thất thực tế, một thanh ba đoạn như trong Hình 8 được lấy để đo.
Sự mất từ ​​tính có thể thu được bằng cách đo vòng trễ động.Dựa trên nền tảng thử nghiệm được hiển thị trong Hình 11, ba vòng trễ động đã được đo.Trong điều kiện nhiệt độ của thanh GMM ổn định dưới 50°C, nguồn điện xoay chiều có thể lập trình (Chroma 61512) sẽ điều khiển cuộn dây trường trong một phạm vi nhất định, như trong Hình 8, tần số của từ trường được tạo ra bởi dòng điện thử nghiệm và mật độ từ thông thu được được tính toán bằng cách tích phân điện áp cảm ứng trong cuộn dây cảm ứng nối với thanh GIM.Dữ liệu thô được tải xuống từ bộ ghi bộ nhớ (MR8875-30 mỗi ngày) và được xử lý trong phần mềm MATLAB để thu được các vòng trễ động đo được như trong Hình 9.
Các vòng trễ động được đo: (a) phần 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) phần 1/5: fm = 1000 Hz, (c) phần 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) phần 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) đoạn 3: Bm = 0,07228 T, (f) đoạn 3: fm = 1000 Hz.
Theo tài liệu 37, tổng tổn thất từ ​​tính Pv trên một đơn vị thể tích của thanh HMM có thể được tính bằng công thức sau:
Trong đó ABH là diện tích đo trên đường cong BH tại tần số từ trường fm bằng tần số dòng điện kích thích f.
Dựa trên phương pháp tách tổn thất Bertotti38, tổn thất từ ​​tính trên một đơn vị khối lượng Pm của thanh GMM có thể được biểu thị bằng tổng của tổn thất trễ Ph, tổn thất dòng điện xoáy Pe và tổn thất dị thường Pa (13):
Từ góc độ kỹ thuật38, tổn thất dị thường và tổn thất do dòng điện xoáy có thể được kết hợp thành một thuật ngữ gọi là tổn thất tổng do dòng điện xoáy.Như vậy, công thức tính tổn thất có thể được đơn giản hóa như sau:
trong phương trình.(13)~(14) trong đó Bm là biên độ mật độ từ của từ trường kích thích.kh và kc là hệ số tổn thất trễ và hệ số tổn thất dòng điện xoáy tổng.