רכיב כימי של צינור סליל נירוסטה 2507, מחקר סימולציית רשת תרמית מקבילה של מתמר מגנוטוסטריקטיבי ענק של כדור הארץ נדיר

תודה שביקרת ב-Nature.com.אתה משתמש בגרסת דפדפן עם תמיכת CSS מוגבלת.לקבלת החוויה הטובה ביותר, אנו ממליצים להשתמש בדפדפן מעודכן (או להשבית את מצב תאימות ב-Internet Explorer).בנוסף, כדי להבטיח תמיכה שוטפת, אנו מציגים את האתר ללא סגנונות ו-JavaScript.
סליידרים המציגים שלושה מאמרים בכל שקופית.השתמש בלחצנים 'הקודם' וה'הבא' כדי לעבור בין השקופיות, או בלחצני בקר השקופיות שבקצה כדי לעבור בין כל שקופית.

• תיאור מוצר
• 2507 צינורות מפותלים מנירוסטה מסין

קריטי לתכנון של המתמר המגנטוסטריקטי הענק (GMT) הוא ניתוח מהיר ומדויק של התפלגות הטמפרטורה.למידול רשת תרמית יש את היתרונות של עלות חישובית נמוכה ודיוק גבוה וניתן להשתמש בהם לניתוח תרמי GMT.עם זאת, למודלים תרמיים קיימים יש מגבלות בתיאור המשטרים התרמיים המורכבים הללו ב-GMT: רוב המחקרים מתמקדים במצבים נייחים שאינם יכולים לתפוס שינויי טמפרטורה;מניחים בדרך כלל שחלוקת הטמפרטורה של מוטות מגנטוסטריקטיבים ענקיים (GMM) היא אחידה, אך שיפוע הטמפרטורה על פני מוט ה-GMM הוא משמעותי מאוד בגלל מוליכות תרמית ירודה, חלוקת ההפסדים הלא אחידה של ה-GMM מוכנסת לתרמית לעיתים רחוקות. דֶגֶם.לפיכך, על ידי התחשבות מקיפה בשלושת ההיבטים שלעיל, מסמך זה מבסס את מודל GMT Transitional Equivalent Heat Network (TETN).ראשית, בהתבסס על התכנון ועקרון הפעולה של ה-HMT הרטט האורך, מתבצע ניתוח תרמי.על בסיס זה, מודל גוף החימום נקבע עבור תהליך העברת החום HMT ומחושבים הפרמטרים המתאימים של המודל.לבסוף, הדיוק של מודל TETN עבור ניתוח מרחב טמפרטור של טמפרטורת מתמר מאומת על ידי סימולציה וניסוי.
לחומר המגנטוסטריקטי הענק (GMM), כלומר terfenol-D, יש את היתרונות של מגנוסטרציה גדולה וצפיפות אנרגיה גבוהה.מאפיינים ייחודיים אלו יכולים לשמש לפיתוח מתמרים מגנטוסטריקטיבים ענקיים (GMT) שניתן להשתמש בהם במגוון רחב של יישומים כגון מתמרים אקוסטיים תת-מימיים, מיקרו-מנועים, מפעילים ליניאריים וכו' 1,2.
מדאיג במיוחד הוא הפוטנציאל להתחממות יתר של מכשירי GMT תת-מימיים, אשר, כאשר הם מופעלים במלוא הספק ולמשך תקופות ארוכות של עירור, יכולים לייצר כמויות משמעותיות של חום בשל צפיפות ההספק הגבוהה שלהם3,4.בנוסף, בשל מקדם ההתפשטות התרמית הגדול של GMT ורגישותו הגבוהה לטמפרטורה חיצונית, ביצועי הפלט שלו קשורים קשר הדוק לטמפרטורה 5,6,7,8.בפרסומים טכניים, ניתן לחלק את שיטות הניתוח התרמי של GMT לשתי קטגוריות רחבות9: שיטות מספריות ושיטות פרמטר מגושם.שיטת האלמנטים הסופיים (FEM) היא אחת משיטות הניתוח הנומרי הנפוצות ביותר.Xie et al.[10] השתמש בשיטת האלמנטים הסופיים כדי לדמות את התפלגות מקורות החום של כונן מגנטוסטריקטי ענק ומימש את התכנון של בקרת הטמפרטורה ומערכת הקירור של הכונן.Zhao et al.[11] הקימה הדמיית אלמנטים סופיים משותפת של שדה זרימה סוער ושדה טמפרטורה, ובנתה התקן בקרת טמפרטורה של רכיבים חכמים GMM המבוסס על תוצאות הדמיית האלמנטים הסופיים.עם זאת, FEM תובעני מאוד מבחינת הגדרת המודל וזמן החישוב.מסיבה זו, FEM נחשב לתמיכה חשובה לחישובים לא מקוונים, בדרך כלל בשלב תכנון הממיר.
שיטת הפרמטר הגוש, המכונה בדרך כלל מודל רשת החום, נמצאת בשימוש נרחב בניתוח תרמודינמי בשל צורתה המתמטית הפשוטה ומהירות החישוב הגבוהה12,13,14.לגישה זו תפקיד חשוב בביטול המגבלות התרמיות של מנועים 15, 16, 17. Mellor18 הייתה הראשונה שהשתמשה במעגל שווה ערך תרמי משופר T כדי לדגמן את תהליך העברת החום של המנוע.ורז וחב'.19 יצר מודל תלת מימדי של הרשת התרמית של מכונה סינכרונית מגנט קבוע עם זרימה צירית.Boglietti et al.20 הציעו ארבעה מודלים של רשתות תרמיות במורכבות משתנה כדי לחזות מעברים תרמיים קצרי טווח בפיתולי סטטור.לבסוף, Wang et al.21 הקימו מעגל שווה ערך תרמי מפורט עבור כל רכיב PMSM וסיכו את משוואת ההתנגדות התרמית.בתנאים נומינליים, ניתן לשלוט על השגיאה בתוך 5%.
בשנות ה-90, מודל רשת החום החל להיות מיושם בממירים בעלי הספק גבוה בתדר נמוך.Dubus et al.22 פיתחו מודל של רשת חום לתיאור העברת חום נייחת בויברטור אורכי דו צדדי וחיישן עיקול מסוג IV.Anjanappa et al.23 ביצעו ניתוח תרמי נייח דו-ממדי של מיקרו-כונן מגנטו-סטריקטי באמצעות מודל רשת תרמית.כדי לחקור את הקשר בין זן תרמי של פרמטרי Terfenol-D ופרמטרים GMT, Zhu et al.24 הקים מודל מקביל למצב יציב לחישוב התנגדות תרמית ו-GMT.
הערכת טמפרטורת GMT מורכבת יותר מיישומי מנוע.בשל המוליכות התרמית והמגנטית המצוינת של החומרים המשמשים, רוב רכיבי המנוע הנחשבים באותה טמפרטורה מצטמצמים בדרך כלל לצומת בודד13,19.עם זאת, בשל המוליכות התרמית הירודה של HMMs, ההנחה של חלוקת טמפרטורה אחידה אינה נכונה עוד.בנוסף, ל-HMM חדירות מגנטית נמוכה מאוד, כך שהחום הנוצר מהפסדים מגנטיים בדרך כלל אינו אחיד לאורך מוט HMM.בנוסף, רוב המחקר מתמקד בסימולציות במצב יציב שאינן מתחשבות בשינויי טמפרטורה במהלך פעולת GMT.
על מנת לפתור את שלוש הבעיות הטכניות לעיל, מאמר זה משתמש ברטט האורך של GMT כמושא המחקר ומדגמן במדויק חלקים שונים של המתמר, במיוחד את מוט ה-GMM.נוצר דגם של רשת חום מקבילה מעבר מלאה (TETN) GMT.מודל אלמנטים סופיים ופלטפורמה ניסיונית נבנו כדי לבדוק את הדיוק והביצועים של מודל TETN לניתוח מרחבי טמפרטורת טמפרטורת מתמר.
העיצוב והממדים הגיאומטריים של HMF המתנודד לאורך מוצגים באיור 1a ו-b, בהתאמה.
מרכיבי המפתח כוללים מוטות GMM, סלילי שדה, מגנטים קבועים (PM), עולות, רפידות, תותבים וקפיצי בלוויל.סליל העירור וה-PMT מספקים למוט HMM שדה מגנטי לסירוגין ושדה מגנטי הטיה DC, בהתאמה.העול והגוף, המורכבים מכסה ושרוול, עשויים מברזל רך DT4, בעל חדירות מגנטית גבוהה.יוצר מעגל מגנטי סגור עם מוט ה-GIM וה-PM.גזע הפלט ולוחית הלחץ עשויים מפלדת אל חלד 304 לא מגנטית.עם קפיצי בלוויל, ניתן להפעיל דחיפה יציבה על הגבעול.כאשר זרם חילופין עובר דרך סליל ההנעה, מוט HMM ירטוט בהתאם.
על איור.2 מציג את תהליך חילופי החום בתוך ה-GMT.מוטות GMM וסלילי שדה הם שני מקורות החום העיקריים עבור GMTs.הסרפנטין מעביר את החום שלו לגוף על ידי הסעת אוויר פנימה ולמכסה על ידי הולכה.מוט HMM יצור הפסדים מגנטיים בפעולת שדה מגנטי מתחלף, וחום יועבר למעטפת עקב הסעה דרך האוויר הפנימי, ולמגנט ולעול הקבועים עקב הולכה.החום המועבר למארז מתפזר אל החוץ על ידי הסעה וקרינה.כאשר החום שנוצר שווה לחום המועבר, הטמפרטורה של כל חלק ב-GMT מגיעה למצב יציב.
תהליך העברת החום ב-GMO המתנודד לאורך: א - דיאגרמת זרימת חום, ב - נתיבי העברת חום עיקריים.
בנוסף לחום שנוצר על ידי סליל המעורר ומוט HMM, כל הרכיבים של מעגל מגנטי סגור חווים הפסדים מגנטיים.לפיכך, המגנט הקבוע, העול, הכובע והשרוול משולבים יחד כדי להפחית את האובדן המגנטי של ה-GMT.
השלבים העיקריים בבניית מודל TETN לניתוח תרמי GMT הם כדלקמן: תחילה יש לקבץ רכיבים עם אותן טמפרטורות יחד ולייצג כל רכיב כצומת נפרד ברשת, לאחר מכן לשייך את הצמתים הללו לביטוי העברת החום המתאים.הולכת חום והסעה בין צמתים.במקרה זה, מקור החום ותפוקת החום המתאימה לכל רכיב מחוברים במקביל בין הצומת למתח האפס המשותף של כדור הארץ כדי לבנות דגם שווה ערך של רשת החום.השלב הבא הוא לחשב את הפרמטרים של הרשת התרמית עבור כל רכיב במודל, כולל התנגדות תרמית, קיבולת חום והפסדי חשמל.לבסוף, מודל TETN מיושם ב-SPICE לצורך סימולציה.ואתה יכול לקבל את התפלגות הטמפרטורה של כל רכיב של GMT ואת השינוי שלו בתחום הזמן.
לנוחות המידול והחישוב, יש צורך לפשט את המודל התרמי ולהתעלם מתנאי הגבול שיש להם השפעה מועטה על התוצאות18,26.מודל ה-TETN המוצע במאמר זה מבוסס על ההנחות הבאות:
ב-GMT עם פיתולים מפותלים באופן אקראי, זה בלתי אפשרי או הכרחי לדמות את המיקום של כל מוליך בודד.אסטרטגיות מידול שונות פותחו בעבר למודל של העברת חום וחלוקת טמפרטורה בתוך פיתולים: (1) מוליכות תרמית מורכבת, (2) משוואות ישירות המבוססות על גיאומטריית מוליכים, (3) מעגל תרמי שווה ערך T29.
מוליכות תרמית מורכבת ומשוואות ישירות יכולות להיחשב לפתרונות מדויקים יותר מהמעגל המקביל T, אך הם תלויים במספר גורמים, כגון חומר, גיאומטריית המוליכים ונפח האוויר השיורי בפיתול, שקשה לקבוע29.להיפך, התוכנית התרמית שוות הערך של T, למרות שהיא מודל משוער, נוחה יותר30.זה יכול להיות מיושם על סליל העירור עם רעידות אורך של GMT.
המכלול הגלילי החלול הכללי המשמש לייצוג סליל המעורר והדיאגרמה התרמית שוות הערך שלו, המתקבלת מפתרון משוואת החום, מוצגים באיור.3. ההנחה היא ששטף החום בסליל העירור הוא בלתי תלוי בכיוונים הרדיאליים והציריים.שטף החום ההיקפי מוזנח.בכל מעגל T שווה ערך, שני מסופים מייצגים את טמפרטורת פני השטח המתאימה של האלמנט, והטרמינל השלישי T6 מייצג את הטמפרטורה הממוצעת של האלמנט.האובדן של רכיב P6 מוזן כמקור נקודתי בצומת הטמפרטורה הממוצעת המחושב ב"חישוב אובדן חום סליל השדה".במקרה של סימולציה לא נייחת, קיבולת החום C6 ניתנת על ידי המשוואה.(1) נוסף גם לצומת הטמפרטורה הממוצעת.
כאשר cec, ρec ו-Vec מייצגים את החום, הצפיפות והנפח הספציפיים של סליל העירור, בהתאמה.
בשולחן.1 מציג את ההתנגדות התרמית של המעגל התרמי שווה ערך ל-T של סליל העירור עם אורך lec, מוליכות תרמית λec, רדיוס חיצוני rec1 ורדיוס פנימי rec2.
סלילי מעוררים ומעגלים תרמיים שקולים T שלהם: (א) בדרך כלל אלמנטים גליליים חלולים, (ב) מעגלים תרמיים ציריים ורדיאליים נפרדים.
המעגל המקביל T הוכח כמדויק גם עבור מקורות חום גליליים אחרים13.בהיותו מקור החום העיקרי של ה-GMO, למוט HMM יש פיזור טמפרטורה לא אחיד בשל המוליכות התרמית הנמוכה שלו, במיוחד לאורך ציר המוט.להיפך, ניתן להזניח אי-הומוגניות רדיאלית, מכיוון ששטף החום הרדיאלי של מוט HMM קטן בהרבה משטף החום הרדיאלי31.
כדי לייצג במדויק את רמת הדיסקרטיזציה הצירית של המוט ולהשיג את הטמפרטורה הגבוהה ביותר, מוט ה-GMM מיוצג על ידי n צמתים המרווחים באופן אחיד בכיוון הצירי, ומספר הצמתים n שיוצרו על ידי מוט ה-GMM חייב להיות אי זוגי.מספר קווי המתאר התרמיים הציריים השווים הוא n T איור 4.
כדי לקבוע את מספר הצמתים n המשמשים למודל של סרגל ה-GMM, תוצאות ה-FEM מוצגות באיור.5 כהתייחסות.כפי שמוצג באיור.4, מספר הצמתים n מוסדר בתכנית התרמית של מוט HMM.ניתן לעצב כל צומת כמעגל T-equivalent.השוואת תוצאות ה-FEM, מאיור 5 מראה שצמתים אחד או שלושה אינם יכולים לשקף במדויק את חלוקת הטמפרטורה של מוט HIM (בערך 50 מ"מ באורך) ב-GMO.כאשר n מוגדל ל-5, תוצאות הסימולציה משתפרות באופן משמעותי ומתקרבות ל-FEM.הגדלת n נוספת גם נותנת תוצאות טובות יותר במחיר של זמן חישוב ארוך יותר.לכן, במאמר זה, 5 צמתים נבחרים עבור דוגמנות סרגל GMM.
בהתבסס על הניתוח ההשוואתי שבוצע, הסכימה התרמית המדויקת של מוט HMM מוצגת באיור 6. T1 ~ T5 היא הטמפרטורה הממוצעת של חמישה מקטעים (סעיף 1 ~ 5) של המקל.P1-P5 בהתאמה מייצגים את הכוח התרמי הכולל של האזורים השונים של המוט, אשר יידונו בפירוט בפרק הבא.C1~C5 הם קיבולת החום של אזורים שונים, אותם ניתן לחשב על ידי הנוסחה הבאה
כאשר crod, ρrod ו-Vrod מציינים את קיבולת החום, הצפיפות והנפח של מוט HMM.
באמצעות אותה שיטה כמו עבור סליל המעורר, ניתן לחשב את התנגדות העברת החום של מוט HMM באיור 6 כ
כאשר lrod, rrod ו-λrod מייצגים את האורך, הרדיוס והמוליכות התרמית של מוט ה-GMM, בהתאמה.
עבור הרטט האורך GMT שנלמד במאמר זה, ניתן לעצב את הרכיבים הנותרים והאוויר הפנימי עם תצורת צומת יחיד.
אזורים אלה יכולים להיחשב כמורכבים מצילינדר אחד או יותר.חיבור חילופי חום מוליך גרידא בחלק גלילי מוגדר בחוק הולכת חום פורייה כ
כאשר λnhs היא המוליכות התרמית של החומר, lnhs הוא האורך הצירי, rnhs1 ו-rnhs2 הם הרדיוסים החיצוניים והפנימיים של אלמנט העברת החום, בהתאמה.
משוואה (5) משמשת לחישוב ההתנגדות התרמית הרדיאלית עבור אזורים אלה, המיוצגת על ידי RR4-RR12 באיור 7. במקביל, משוואה (6) משמשת לחישוב ההתנגדות התרמית הצירית, המיוצגת מ-RA15 עד RA33 באיור 7.
ניתן לקבוע את קיבולת החום של מעגל תרמי צומת יחיד עבור האזור הנ"ל (כולל C7-C15 באיור. 7)
כאשר ρnhs, cnhs ו-Vnhs הם האורך, החום הסגולי והנפח, בהתאמה.
העברת החום ההסעה בין האוויר בתוך ה-GMT לבין פני השטח של המארז והסביבה מעוצבת עם נגד הולכה תרמית יחידה כדלקמן:
כאשר A הוא משטח המגע ו-h הוא מקדם העברת החום.טבלה 232 מפרטת כמה h טיפוסיות המשמשות במערכות תרמיות.לפי טבלה.2 מקדמי העברת חום של התנגדויות תרמיות RH8-RH10 ו-RH14-RH18, המייצגים את ההסעה בין ה-HMF והסביבה באיור.7 נלקחים כערך קבוע של 25 W/(m2 K).מקדמי העברת החום הנותרים מוגדרים שווים ל-10 W/(m2 K).
על פי תהליך העברת החום הפנימי המוצג באיור 2, הדגם המלא של ממיר TETN מוצג באיור 7.
כפי שמוצג באיור.7, הרטט האורך GMT מחולק ל-16 קשרים, המיוצגים על ידי נקודות אדומות.צמתי הטמפרטורה המתוארים במודל תואמים לטמפרטורות הממוצעות של הרכיבים המתאימים.טמפרטורת סביבה T0, טמפרטורת מוט GMM T1~T5, טמפרטורת סליל מעורר T6, טמפרטורת מגנט קבוע T7 ו-T8, טמפרטורת עול T9~T10, טמפרטורת המארז T11~T12 ו-T14, טמפרטורת אוויר פנימית T13 וטמפרטורת מוט פלט T15.בנוסף, כל צומת מחובר לפוטנציאל התרמי של האדמה דרך C1 ~ C15, המייצגים את הקיבולת התרמית של כל אזור, בהתאמה.P1~P6 הוא תפוקת החום הכוללת של מוט GMM וסליל מעורר בהתאמה.בנוסף, 54 התנגדויות תרמיות משמשות לייצוג ההתנגדות המוליכה וההסעה להעברת חום בין צמתים סמוכים, אשר חושבו בסעיפים הקודמים.טבלה 3 מציגה את המאפיינים התרמיים השונים של חומרי הממיר.
הערכה מדויקת של נפחי אובדן ופיזורם היא קריטית לביצוע הדמיות תרמיות אמינות.ניתן לחלק את אובדן החום שנוצר על ידי ה-GMT לאובדן המגנטי של מוט ה-GMM, אובדן הג'ול של סליל המעורר, האובדן המכני וההפסד הנוסף.ההפסדים הנוספים וההפסדים המכניים הנלקחים בחשבון הם קטנים יחסית וניתן להזניח אותם.
התנגדות סליל עירור AC כוללת: התנגדות dc Rdc והתנגדות העור Rs.
כאשר f ו-N הם התדירות ומספר הסיבובים של זרם העירור.lCu ו-rCu הם הרדיוסים הפנימיים והחיצוניים של הסליל, אורך הסליל ורדיוס החוט המגנטי הנחושת כפי שהוגדר על ידי מספר ה-AWG (American Wire Gauge) שלו.ρCu היא ההתנגדות של הליבה שלו.µCu היא החדירות המגנטית של הליבה שלו.
השדה המגנטי בפועל בתוך סליל השדה (סולנואיד) אינו אחיד לאורך המוט.הבדל זה בולט במיוחד בשל החדירות המגנטית הנמוכה יותר של מוטות HMM ו-PM.אבל זה סימטרי לאורך.התפלגות השדה המגנטי קובעת ישירות את התפלגות ההפסדים המגנטיים של מוט HMM.לכן, כדי לשקף את ההתפלגות האמיתית של ההפסדים, נלקח למדידה מוט בן שלושה חלקים, המוצג באיור 8.
את ההפסד המגנטי ניתן לקבל על ידי מדידת לולאת ההיסטרזיס הדינמית.בהתבסס על פלטפורמת הניסוי המוצגת באיור 11, נמדדו שלוש לולאות היסטרזיס דינמיות.בתנאי שהטמפרטורה של מוט ה-GMM יציבה מתחת ל-50°C, ספק הכוח AC הניתן לתכנות (Chroma 61512) מניע את סליל השדה בטווח מסוים, כפי שמוצג באיור 8, תדירות השדה המגנטי שנוצר על ידי זרם הבדיקה וצפיפות השטף המגנטי המתקבל מחושבים על ידי שילוב מתח המושרה בסליל האינדוקציה המחובר למוט GIM.הנתונים הגולמיים הורדו מאוגר הזיכרון (MR8875-30 ליום) ועובדו בתוכנת MATLAB כדי לקבל את לולאות ההיסטרזיס הדינמיות הנמדדות המוצגות באיור 9.
לולאות היסטרזיס דינמיות שנמדדו: (א) מקטע 1/5: Bm = 0.044735 T, (ב) סעיף 1/5: fm = 1000 הרץ, (ג) סעיף 2/4: Bm = 0.05955 T, (ד) סעיף 2/ 4: fm = 1000 הרץ, (ה) סעיף 3: Bm = 0.07228 T, (ו) סעיף 3: fm = 1000 הרץ.
על פי ספרות 37, ניתן לחשב את ההפסד המגנטי הכולל Pv ליחידת נפח של מוטות HMM באמצעות הנוסחה הבאה:
כאשר ABH הוא אזור המדידה על עקומת BH בתדר השדה המגנטי fm שווה לתדר זרם העירור f.
בהתבסס על שיטת הפרדת הפסדים של ברטוטי38, ניתן לבטא את ההפסד המגנטי ליחידת מסה Pm של מוט GMM כסכום של אובדן ההיסטרזיס Ph, אובדן זרם המערבולת Pe וההפסד האנומלי Pa (13):
מנקודת מבט הנדסית38, ניתן לשלב הפסדים חריגים ואובדני זרם מערבולת לכדי מונח אחד הנקרא אובדן זרם מערבולת כולל.לפיכך, ניתן לפשט את הנוסחה לחישוב הפסדים באופן הבא:
במשוואה.(13)~(14) כאשר Bm היא משרעת הצפיפות המגנטית של השדה המגנטי המרגש.kh ו-kc הם גורם אובדן ההיסטרזיס וגורם אובדן זרם המערבולת הכולל.