2507 altzairu herdoilgaitzezko bobina tutu osagai kimikoa, lur arraroen transduktore magnetoestrictibo erraldoi baten sare termiko baliokidearen simulazio-azterketa.

Eskerrik asko Nature.com bisitatzeagatik.CSS laguntza mugatua duen arakatzailearen bertsioa erabiltzen ari zara.Esperientzia onena lortzeko, eguneratutako arakatzailea erabiltzea gomendatzen dugu (edo Internet Explorer-en bateragarritasun modua desgaitzea).Horrez gain, etengabeko laguntza bermatzeko, gunea estilorik eta JavaScript gabe erakusten dugu.
Diapositiba bakoitzeko hiru artikulu erakusten dituzten graduatzaileak.Erabili atzeko eta hurrengo botoiak diapositibetan zehar mugitzeko, edo amaierako diapositiba kontroladorearen botoiak diapositiba bakoitzean mugitzeko.

• Produktuaren Deskribapena
• 2507 Txinako altzairu herdoilgaitzezko hodiak

Transduktore magnetoestrictibo erraldoiaren (GMT) diseinurako funtsezkoa da tenperatura banaketaren azterketa azkarra eta zehatza.Sare termikoen modelizazioak kostu konputazional baxuaren eta zehaztasun handiko abantailak ditu eta GMT analisi termikorako erabil daiteke.Dena den, dauden eredu termikoek mugak dituzte erregimen termiko konplexu horiek GMTan deskribatzeko: ikerketa gehienek tenperatura-aldaketak jaso ezin dituzten egoera geldikorretan oinarritzen dira;Orokorrean magnetoestrictibo erraldoien (GMM) hagaxken tenperatura-banaketa uniformea ​​dela uste da, baina GMM hagaxkan zehar tenperatura-gradientea oso esanguratsua da eroankortasun termiko eskasa dela eta, GMM-ren galeraren banaketa ez-uniformea ​​oso gutxitan sartzen da termikoetan. eredua.Hori dela eta, aurreko hiru alderdiak osoki kontuan hartuta, dokumentu honek GMT Transitional Equivalent Heat Network (TETN) eredua ezartzen du.Lehenik eta behin, luzetarako bibrazio HMTaren diseinuan eta funtzionamendu-printzipioan oinarrituta, analisi termikoa egiten da.Oinarri horretan, berogailu-elementuen eredua ezartzen da HMT bero-transferentzia-prozesurako eta dagozkion eredu-parametroak kalkulatzen dira.Azkenik, transduktorearen tenperatura espazio-denborazko analisirako TETN ereduaren zehaztasuna simulazio eta esperimentu bidez egiaztatzen da.
Material magnetoestrictibo erraldoiak (GMM), hots, terfenol-D, magnetostrikzio handia eta energia dentsitate handiko abantailak ditu.Propietate berezi hauek transduktore magnetoestrictibo erraldoiak (GMT) garatzeko erabil daitezke, aplikazio ugaritan erabil daitezkeenak, hala nola urpeko transduktore akustikoak, mikromotorrak, eragingailu linealak, etab. 1,2.
Bereziki kezkagarria da itsaspeko GMTak gainberotzeko potentziala, potentzia osoarekin eta kitzikapen-aldi luzez funtzionatzen dutenean, bero kantitate handiak sor ditzakete potentzia-dentsitate handia dela eta3,4.Gainera, GMTren hedapen termikoaren koefiziente handia eta kanpoko tenperaturarekiko sentsibilitate handia dela eta, irteeraren errendimendua tenperaturarekin estu lotuta dago5,6,7,8.Argitalpen teknikoetan, GMT analisi termikoko metodoak bi kategoria handitan bana daitezke9: zenbakizko metodoak eta parametro lumped metodoak.Elementu finituen metodoa (FEM) zenbakizko analisi metodorik erabilienetako bat da.Xie et al.[10] elementu finituen metodoa erabili zuen magnetoestrictibo erraldoi baten bero-iturrien banaketa simulatzeko eta diskoaren tenperatura kontrolatzeko eta hozteko sistemaren diseinuaz konturatu zen.Zhao et al.[11]-ek fluxu nahasia-eremu baten eta tenperatura-eremu baten elementu finituen simulazio bateratua ezarri zuen, eta GMM osagai adimendunaren tenperatura kontrolatzeko gailu bat eraiki zuen, elementu finituen simulazioaren emaitzetan oinarrituta.Hala ere, FEM oso zorrotza da ereduaren konfigurazioari eta kalkulu-denborari dagokionez.Horregatik, FEM lineaz kanpoko kalkuluetarako euskarri garrantzitsutzat hartzen da, normalean bihurgailuen diseinu-fasean.
Parametro lumped metodoa, normalean bero-sarearen eredua deritzona, oso erabilia da analisi termodinamikoan, bere forma matematiko sinpleagatik eta kalkulu abiadura handiagatik12,13,14.Ikuspegi honek zeregin garrantzitsua betetzen du 15, 16, 17 motorren muga termikoak ezabatzeko. Mellor18 izan zen T zirkuitu baliokide termiko hobetua erabiltzen lehena motorraren transferentzia-prozesua modelatzeko.Verez et al.19-k iman iraunkorreko makina sinkrono baten sare termikoaren hiru dimentsioko eredua sortu zuen, fluxu axiala duena.Boglietti et al.20-ek konplexutasun ezberdineko lau sare termiko-eredu proposatu zituzten estatorearen harilkatuetan epe laburreko iragankor termikoak aurreikusteko.Azkenik, Wang et al.21ek PMSM osagai bakoitzeko zirkuitu baliokide termiko zehatza ezarri zuten eta erresistentzia termikoaren ekuazioa laburbildu zuten.Baldintza nominaletan, errorea %5ean kontrola daiteke.
1990eko hamarkadan, bero-sarearen eredua potentzia handiko maiztasun baxuko bihurgailuetan aplikatzen hasi zen.Dubus et al.22-ek bero-sarearen eredu bat garatu zuten, alde biko luzetarako bibragailu batean eta IV klaseko bihurgune-sentsore batean bero-transferentzia geldia deskribatzeko.Anjanappa et al.23-ek mikrodisko magnetoestrictibo baten 2D analisi termiko geldo bat egin zuten sare termikoko eredu bat erabiliz.Terfenol-D eta GMT parametroen tentsio termikoaren arteko erlazioa aztertzeko, Zhu et al.24 erresistentzia termikoaren eta GMT desplazamenduaren kalkulurako egoera egonkorreko eredu baliokide bat ezarri zuen.
GMT tenperaturaren estimazioa motorren aplikazioak baino konplexuagoa da.Erabilitako materialen eroankortasun termiko eta magnetiko bikaina dela eta, tenperatura berean kontuan hartutako motorraren osagai gehienak nodo bakarrera murriztu ohi dira13,19.Hala ere, HMMen eroankortasun termiko eskasa dela eta, tenperatura banaketa uniformearen suposapena ez da zuzena.Gainera, HMM-k iragazkortasun magnetiko oso baxua du, beraz, galera magnetikoek sortutako beroa normalean ez da uniformea ​​HMM hagan zehar.Horrez gain, ikerketa gehienak GMT funtzionamenduan tenperatura-aldaketak kontuan hartzen ez dituzten egoera egonkorreko simulazioetara bideratzen dira.
Aurreko hiru arazo teknikoak konpontzeko, artikulu honek GMT luzetarako bibrazioa erabiltzen du aztergai gisa eta transduktorearen hainbat atal zehaztasunez modelatzen ditu, batez ere GMM hagatxoa.Trantsiziozko bero-sare baliokide oso baten (TETN) GMT eredu bat sortu da.Elementu finituen eredua eta plataforma esperimentala eraiki ziren transduktorearen tenperatura espazio-denborazko analisirako TETN ereduaren zehaztasuna eta errendimendua probatzeko.
Luzerako oszilazioaren HMFren diseinua eta dimentsio geometrikoak 1a eta b irudietan ageri dira, hurrenez hurren.
Osagai nagusiak GMM hagaxkak, eremuko bobinak, iman iraunkorrak (PM), uztarriak, padsak, bushingak eta belleville malgukiak dira.Kitzikapen bobinak eta PMTk HMM hagatxoari eremu magnetiko txandakatua eta DC alborapena eremu magnetikoa ematen dizkiote, hurrenez hurren.Uztarria eta gorputza, txano eta mahuka batez osatua, DT4 burdin bigunez eginda daude, iragazkortasun magnetiko handia duena.GIM eta PM hagarekin zirkuitu magnetiko itxia osatzen du.Irteerako zurtoina eta presio-plaka 304 altzairu herdoilgaitzez eginda daude.Belleville malgukiekin, pretentsio egonkorra aplika daiteke zurtoinean.Korronte alterno bat bobina motorra igarotzen denean, HMM hagak horren arabera dardara egingo du.
irudian.2. GMT barruko bero-truke prozesua erakusten du.GMM hagaxkak eta eremuko bobinak dira GMTentzako bi bero-iturri nagusiak.Sugeak bere beroa gorputzari transferitzen dio barruko aire-konbekzioz eta estalkiari eroankortasunez.HMM hagaxkak galera magnetikoak sortuko ditu eremu magnetiko txandakatu baten eraginez, eta beroa oskolara transferituko da barneko airearen bidezko konbekzioagatik, eta iman iraunkorra eta uztarrira eroapenagatik.Ondoren, karrera transferitutako beroa kanpoaldera xahutzen da konbekzio eta erradiazio bidez.Sortutako beroa transferitutako beroaren berdina denean, GMTren zati bakoitzaren tenperatura egoera egonkorrera iristen da.
Luzetarako oszilazio GMO batean bero-transferentziaren prozesua: a - bero-fluxuaren diagrama, b - bero-transferentziaren bide nagusiak.
Zirkuitu magnetiko itxi bateko osagai guztiek galera magnetikoak jasaten dituzte bobina kitzikatzaileak eta HMM hagak sortutako beroaz gain.Horrela, iman iraunkorra, uztarria, txapela eta mahuka batera ijezten dira GMTren galera magnetikoa murrizteko.
GMT analisi termikorako TETN eredua eraikitzeko urrats nagusiak hauek dira: lehenik tenperatura berdinak dituzten osagaiak multzokatu eta osagai bakoitza sareko nodo bereizi gisa irudikatzea, ondoren nodo horiek bero-transferentziaren adierazpen egokiarekin lotzea.bero-eroapena eta nodoen arteko konbekzioa.Kasu honetan, osagai bakoitzari dagokion bero-iturria eta bero-irteera paraleloan konektatzen dira nodoaren eta lurraren zero tentsio komunaren artean, bero-sarearen eredu baliokide bat eraikitzeko.Hurrengo urratsa ereduaren osagai bakoitzeko sare termikoaren parametroak kalkulatzea da, erresistentzia termikoa, bero-ahalmena eta potentzia-galerak barne.Azkenik, TETN eredua SPICEn inplementatzen da simulaziorako.Eta GMTren osagai bakoitzaren tenperatura-banaketa eta denbora-domeinuaren aldaketa lor dezakezu.
Modelatu eta kalkulatzeko erosotasunerako, beharrezkoa da eredu termikoa sinplifikatu eta emaitzetan eragin txikia duten muga-baldintzak alde batera utzi18,26.Artikulu honetan proposatzen den TETN eredua suposizio hauetan oinarritzen da:
GMT-n ausaz zauritutako harilkatuekin, ezinezkoa edo beharrezkoa da eroale bakoitzaren posizioa simulatzea.Iraganean hainbat modelizazio-estrategia garatu dira haizeen barruan bero-transferentzia eta tenperatura-banaketa modelatzeko: (1) eroankortasun termiko konposatua, (2) eroaleen geometrian oinarritutako zuzeneko ekuazioak, (3) T-ko zirkuitu termiko baliokidea29.
Eroankortasun termiko konposatua eta zuzeneko ekuazioak T zirkuitu baliokidea baino soluzio zehatzagotzat har daitezke, baina hainbat faktoreren menpe daude, hala nola, materialaren, eroaleen geometriaren eta haizearen hondar airearen bolumena zehazten zailak diren29.Aitzitik, T-baliokidearen eskema termikoa, gutxi gorabeherako eredua bada ere, erosoagoa da30.GMTren luzetarako bibrazioekin kitzikapen bobinan aplika daiteke.
Bobina kitzikatzailea irudikatzeko erabiltzen den multzo zilindriko huts hutsa eta bere T baliokidearen diagrama termikoa, bero-ekuazioaren soluziotik lortutakoa, irudian ageri dira.3. Suposatzen da kitzikapen bobinan bero-fluxua independentea dela norabide erradialean eta axialean.Bero-fluxu zirkunferentziala alde batera uzten da.T zirkuitu baliokide bakoitzean, bi terminalek elementuari dagokion gainazaleko tenperatura adierazten dute, eta hirugarren terminalak T6k elementuaren batez besteko tenperatura adierazten du.P6 osagaiaren galera puntu iturri gisa sartzen da "Eremuko bobinaren bero-galeren kalkulua"n kalkulatutako batez besteko tenperatura-nodoan.Simulazio ez-geldikoaren kasuan, C6 bero-ahalmena ekuazioak ematen du.(1) Batez besteko tenperatura nodoan ere gehitzen da.
Non cec, ρec eta Vec-ek kitzikapen bobinaren bero espezifikoa, dentsitatea eta bolumena adierazten duten, hurrenez hurren.
Taulan.1. irudiak kitzikapen bobinaren T-baliokidearen zirkuitu termikoaren erresistentzia termikoa erakusten du, luzera lec, eroankortasun termikoa λec, kanpoko erradioa rec1 eta barne erradioa rec2 dituena.
Exciter bobinak eta haien T baliokidearen zirkuitu termikoak: (a) elementu zilindriko hutsak normalean, (b) zirkuitu termiko baliokide axialak eta erradialak bereizi.
T zirkuitu baliokideak beste bero-iturri zilindriko batzuetarako ere zehatza dela frogatu du13.GMOaren bero-iturri nagusia izanik, HMM hagaxkak tenperatura banaketa irregularra du bere eroankortasun termiko baxuagatik, batez ere hagaren ardatzean.Aitzitik, homogeneotasun erradiala alde batera utzi daiteke, HMM hagatxoaren bero-fluxu erradiala bero-fluxu erradiala baino askoz txikiagoa baita31.
Hagaxkaren diskretizazio maila zehaztasunez irudikatzeko eta tenperaturarik altuena lortzeko, GMM hagaxka norabide axialean uniformeki banatutako n nodoz irudikatzen da, eta GMM hagak modelatutako n nodo kopurua bakoitia izan behar da.Ingerada termiko axial baliokideen kopurua n T da 4. irudia.
GMM barra modelatzeko erabilitako n nodo kopurua zehazteko, FEM emaitzak irudian agertzen dira.5 erreferentzia gisa.irudian ikusten den bezala.4, n nodo kopurua HMM hagaren eskema termikoan erregulatzen da.Nodo bakoitza T-zirkuitu baliokide gisa modelatu daiteke.FEMaren emaitzak alderatuz gero, 5. iruditik ikusten da nodo batek edo hiruk ezin duela zehatz-mehatz islatu HIM hagatxoaren tenperatura-banaketa (50 mm ingurukoa) GMOan.n 5era igotzen denean, simulazioaren emaitzak nabarmen hobetzen dira eta FEM hurbiltzen dira.n gehiago handitzeak emaitza hobeak ematen ditu konputazio denbora luzeagoaren kostuarekin.Hori dela eta, artikulu honetan, 5 nodo hautatzen dira GMM barra modelatzeko.
Egindako analisi konparatiboan oinarrituta, HMM hagatxoaren eskema termiko zehatza ageri da 6. Irudian. T1 ~ T5 makilaren bost atalen (1 ~ 5 atala) batez besteko tenperatura da.P1-P5 hurrenez hurren hagatxoaren eremu ezberdinen potentzia termiko osoa adierazten dute, hurrengo kapituluan zehatz-mehatz aztertuko direnak.C1~C5 eskualde ezberdinen bero-ahalmena dira, honako formula honen bidez kalkula daitekeena
non crod, ρrod eta Vrod HMM hagatxoaren bero-ahalmen espezifikoa, dentsitatea eta bolumena adierazten duten.
Bobina kitzikatzailearen metodo bera erabiliz, 6. irudiko HMM hagatxoaren bero-transferentziaren erresistentzia honela kalkula daiteke.
non lrod, rrod eta λrod GMM hagatxoaren luzera, erradioa eta eroankortasun termikoa adierazten dute, hurrenez hurren.
Artikulu honetan aztertutako GMT luzetarako bibraziorako, gainerako osagaiak eta barneko airea nodo bakarreko konfigurazio batekin modelatu daitezke.
Eremu hauek zilindro batez edo gehiagoz osatuta daudela har daiteke.Zati zilindriko batean bero-trukerako konexio eroale hutsa Fourier-en bero-eroalearen legeak honela definitzen du.
Non λnhs materialaren eroankortasun termikoa den, lnhs luzera axiala den, rnhs1 eta rnhs2 bero-transferentziako elementuaren kanpoko eta barneko erradioak dira, hurrenez hurren.
Eremu hauetako erresistentzia termiko erradiala kalkulatzeko (5) ekuazioa erabiltzen da, 7. irudian RR4-RR12 bidez irudikatuta. Aldi berean, (6) ekuazioa erabiltzen da erresistentzia termiko axiala kalkulatzeko, RA15-tik RA33-ra irudikatuta. 7.
Goiko eremurako nodo bakarreko zirkuitu termikoaren bero-ahalmena (7. irudian C7-C15 barne) honela zehaztu daiteke.
non ρnhs, cnhs eta Vnhs luzera, bero espezifikoa eta bolumena diren, hurrenez hurren.
GMT barruko airearen eta kaxa eta ingurunearen gainazalaren arteko bero-transferentzia konbektiboa eroanpen termikoko erresistentzia bakar batekin modelatzen da honela:
non A kontaktu-azalera den eta h bero-transferentzia-koefizientea den.232. taulan sistema termikoetan erabiltzen diren h tipiko batzuk zerrendatzen dira.Taularen arabera.RH8–RH10 eta RH14–RH18 erresistentzia termikoen 2 bero-transferentzia koefizienteak, HMFren eta ingurunearen arteko konbekzioa irudikatuz.7 25 W/(m2 K) balio konstantetzat hartzen dira.Gainerako bero-transferentzia-koefizienteak 10 W/(m2 K) berdinak ezartzen dira.
2. irudian erakusten den barne-bero-transferentzia-prozesuaren arabera, TETN bihurgailuaren eredu osoa 7. irudian ageri da.
irudian ikusten den bezala.7, GMT luzetarako bibrazioa 16 korapilotan banatzen da, puntu gorriz irudikatzen direnak.Ereduan azaltzen diren tenperatura-nodoak dagozkien osagaien batez besteko tenperaturei dagozkie.Giro-tenperatura T0, GMM hagatxoaren tenperatura T1~T5, kitzikagailuaren bobinaren tenperatura T6, iman iraunkorraren tenperatura T7 eta T8, uztarriaren tenperatura T9~T10, kasuaren tenperatura T11~T12 eta T14, barruko airearen tenperatura T13 eta irteerako hagaren tenperatura T15.Horrez gain, nodo bakoitza lurzoruaren potentzial termikora konektatuta dago C1 ~ C15 bidez, eremu bakoitzaren ahalmen termikoa adierazten dutenak, hurrenez hurren.P1 ~ P6 GMM hagaxkaren eta kitzikapen bobinaren bero-irteera osoa da, hurrenez hurren.Horrez gain, 54 erresistentzia termiko erabiltzen dira ondoko nodoen arteko bero-transferentziaren erresistentzia eroale eta konbektiboa irudikatzeko, aurreko ataletan kalkulatu direnak.3. taulak bihurgailuen materialen hainbat ezaugarri termiko erakusten ditu.
Simulazio termiko fidagarriak egiteko funtsezkoa da galera-bolumenen eta horien banaketaren estimazio zehatza.GMT-k sortutako bero-galera GMM hagatxoaren galera magnetikoa, kitzikagailuaren Joule-galera, galera mekanikoa eta galera gehigarrian banatu daitezke.Kontuan hartzen diren galera gehigarriak eta galera mekanikoak nahiko txikiak dira eta alde batera utzi daitezke.
Ac kitzikapen bobinaren erresistentziak honako hauek ditu: dc erresistentzia Rdc eta azalaren erresistentzia Rs.
non f eta N kitzikapen-korrontearen maiztasuna eta bira kopurua diren.lCu eta rCu bobinaren barruko eta kanpoko erradioak, bobinaren luzera eta kobrezko hari magnetikoaren erradioa dira bere AWG (American Wire Gauge) zenbakiak definitzen duen moduan.ρCu bere nukleoaren erresistentzia da.µCu bere nukleoaren iragazkortasun magnetikoa da.
Eremu bobinaren (solenoide) barruko benetako eremu magnetikoa ez da uniformea ​​hagaren luzeran.Desberdintasun hau bereziki nabaria da HMM eta PM hagatxoen iragazkortasun magnetiko txikiagoa dela eta.Baina luzera simetrikoa da.Eremu magnetikoaren banaketak zuzenean zehazten du HMM hagatxoaren galera magnetikoen banaketa.Hori dela eta, galeren banaketa erreala islatzeko, 8. irudian ageri den hiru sekzioko haga bat hartzen da neurtzeko.
Galera magnetikoa histeresiaren begizta dinamikoa neurtuz lor daiteke.11. Irudian erakusten den plataforma esperimentalean oinarrituta, hiru histeresi-begizta dinamiko neurtu ziren.GMM hagaxkaren tenperatura 50 °C-tik behera egonkorra den baldintzapean, AC elikadura-hornidura programagarriak (Chroma 61512) eremu-bobina eremu jakin batean gidatzen du, 8. Irudian erakusten den moduan, eremu magnetikoaren maiztasuna. probako korrontea eta ondoriozko fluxu magnetikoaren dentsitatea GIM hagara konektatuta dagoen indukzio bobinan eragindako tentsioa integratuz kalkulatzen dira.Datu gordinak memoria erregistratzailetik deskargatu ziren (MR8875-30 eguneko) eta MATLAB softwarean prozesatu ziren 9. irudian ageri diren histeresi dinamikoen begiztak lortzeko.
Neurtutako histeresi-begiztak: (a) atala 1/5: Bm = 0,044735 T, (b) atala 1/5: fm = 1000 Hz, (c) atala 2/4: Bm = 0,05955 T, (d ) atala 2/ 4: fm = 1000 Hz, (e) 3. atala: Bm = 0,07228 T, (f) 3. atala: fm = 1000 Hz.
37. literaturaren arabera, HMM hagaxken bolumen unitateko Pv galera magnetiko osoa kalkula daiteke formula hau erabiliz:
non ABH BH kurbaren neurketa-eremua den eremu magnetikoko fm frekuentzian fm kitzikapen-korrontearen maiztasunaren berdina den.
Bertotti-ren galerak bereizteko metodoan oinarrituta38, GMM haga baten masa-unitateko Pm galera magnetikoa Ph histeresi galeraren, Pe korronte ertainen galeraren eta Pa galera anomaloaren batura gisa adieraz daiteke (13):
Ingeniaritza-ikuspegitik38, galera anomaloak eta korronte ertainen galerak konbina daitezke korronte ertainen galera totala izeneko termino batean.Beraz, galerak kalkulatzeko formula honela sinplifikatu daiteke:
ekuazioan.(13)~(14) non Bm eremu magnetiko kitzikatzailearen dentsitate magnetikoaren anplitudea den.kh eta kc histeresiaren galeraren faktorea eta korronte ertainen galera osoaren faktorea dira.