2507 스테인레스 스틸 코일 튜브 화학 성분, 희토류 거대 자기 변형 변환기의 등가 열 네트워크 시뮬레이션 연구

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• 제품 설명
• 중국산 2507 스테인레스 스틸 코일 튜브

거대 자기변형 변환기(GMT)의 설계에서 중요한 것은 온도 분포를 빠르고 정확하게 분석하는 것입니다.열 네트워크 모델링은 계산 비용이 낮고 정확도가 높다는 장점이 있으며 GMT 열 해석에 사용할 수 있습니다.그러나 기존 열 모델은 GMT의 이러한 복잡한 열 체계를 설명하는 데 한계가 있습니다. 대부분의 연구는 온도 변화를 포착할 수 없는 정지 상태에 중점을 둡니다.일반적으로 거대 자기 변형(GMM) 막대의 온도 분포는 균일하다고 가정하지만 열 전도성이 좋지 않아 GMM 막대 전체의 온도 구배가 매우 중요하며 GMM의 불균일한 손실 분포는 열에 거의 도입되지 않습니다. 모델.따라서 본 문서에서는 위의 세 가지 측면을 종합적으로 고려하여 GMT TETN(Transitional Equivalent Heat Network) 모델을 구축합니다.먼저, 종방향 진동형 HMT의 설계 및 작동 원리를 바탕으로 열해석을 수행한다.이를 바탕으로 HMT 열전달 공정에 대한 발열체 모델을 설정하고 해당 모델 매개변수를 계산합니다.마지막으로 변환기 온도 시공간 분석을 위한 TETN 모델의 정확성을 시뮬레이션과 실험을 통해 검증합니다.
거대 자기변형 물질(GMM), 즉 테르페놀-D는 자기변형이 크고 에너지 밀도가 높다는 장점이 있습니다.이러한 고유한 특성은 수중 음향 변환기, 마이크로모터, 선형 액추에이터 등과 같은 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있는 거대 자기 변형 변환기(GMT)를 개발하는 데 사용될 수 있습니다. 1,2.
특히 우려되는 점은 해저 GMT의 과열 가능성입니다. 이 GMT는 최대 전력으로 작동하고 장기간 여자 상태로 작동할 때 높은 전력 밀도로 인해 상당한 양의 열을 생성할 수 있습니다3,4.또한 GMT의 열팽창 계수가 크고 외부 온도에 대한 민감도가 높기 때문에 출력 성능은 온도와 밀접한 관련이 있습니다5,6,7,8.기술 간행물에서 GMT 열 분석 방법은 수치 방법과 집중 매개변수 방법이라는 두 가지 광범위한 범주로 나눌 수 있습니다.유한요소법(FEM)은 가장 일반적으로 사용되는 수치해석 방법 중 하나입니다.Xieet al.[10]은 유한 요소법을 사용하여 거대 자기변형 드라이브의 열원 분포를 시뮬레이션하고 드라이브의 온도 제어 및 냉각 시스템 설계를 실현했습니다.Zhaoet al.[11]은 난류 유동장과 온도장의 결합 유한 요소 시뮬레이션을 구축하고 유한 요소 시뮬레이션 결과를 기반으로 GMM 지능형 부품 온도 제어 장치를 구축했습니다.그러나 FEM은 모델 설정 및 계산 시간 측면에서 매우 까다롭습니다.이러한 이유로 FEM은 일반적으로 컨버터 설계 단계에서 오프라인 계산을 위한 중요한 지원으로 간주됩니다.
일반적으로 열 네트워크 모델이라고 불리는 집중 매개변수 방법은 간단한 수학적 형식과 높은 계산 속도로 인해 열역학 해석에 널리 사용됩니다.이 접근법은 엔진(15, 16, 17)의 열적 한계를 제거하는 데 중요한 역할을 합니다. Mellor18은 엔진 열 전달 과정을 모델링하기 위해 개선된 열 등가 회로 T를 처음으로 사용했습니다.Verezet al.19는 축류를 갖는 영구자석 동기 기계의 열 네트워크의 3차원 모델을 생성했습니다.Boglietti et al.20은 고정자 권선의 단기 열 과도 현상을 예측하기 위해 다양한 복잡성을 갖는 네 가지 열 네트워크 모델을 제안했습니다.마지막으로 Wang et al.21은 각 PMSM 구성 요소에 대한 상세한 열 등가 회로를 구축하고 열 저항 방정식을 요약했습니다.공칭 조건에서는 오류를 5% 이내로 제어할 수 있습니다.
1990년대에는 열 네트워크 모델이 고출력 저주파 변환기에 적용되기 시작했습니다.Dubus et al.22는 양면 세로 진동기와 클래스 IV 굽힘 센서의 고정 열 전달을 설명하기 위해 열 네트워크 모델을 개발했습니다.Anjanappa et al.23은 열 네트워크 모델을 사용하여 자기 변형 마이크로 드라이브의 2D 고정 열 분석을 수행했습니다.Terfenol-D의 열 변형과 GMT 매개변수 사이의 관계를 연구하기 위해 Zhu et al.24는 열 저항과 GMT 변위 계산을 위한 정상 상태 등가 모델을 확립했습니다.
GMT 온도 추정은 엔진 애플리케이션보다 더 복잡합니다.사용된 재료의 우수한 열 및 자기 전도성으로 인해 동일한 온도에서 고려되는 대부분의 엔진 구성 요소는 일반적으로 단일 노드로 축소됩니다13,19.그러나 HMM의 낮은 열전도율로 인해 균일한 온도 분포에 대한 가정은 더 이상 정확하지 않습니다.또한 HMM은 투자율이 매우 낮기 때문에 자기 손실로 인해 발생하는 열은 일반적으로 HMM 막대를 따라 불균일합니다.또한 대부분의 연구는 GMT 작동 중 온도 변화를 고려하지 않는 정상 상태 시뮬레이션에 중점을 두고 있습니다.
위의 세 가지 기술적 문제를 해결하기 위해 이 기사에서는 GMT 세로 진동을 연구 대상으로 사용하고 변환기의 다양한 부분, 특히 GMM 막대를 정확하게 모델링합니다.완전한 TETN(Transitional Equivalent Heat Network) GMT 모델이 생성되었습니다.변환기 온도 시공간 분석을 위한 TETN 모델의 정확성과 성능을 테스트하기 위해 유한 요소 모델과 실험 플랫폼이 구축되었습니다.
종방향 진동 HMF의 설계 및 기하학적 치수는 각각 그림 1a 및 b에 표시됩니다.
주요 구성 요소에는 GMM 막대, 계자 코일, 영구 자석(PM), 요크, 패드, 부싱 및 벨빌 스프링이 포함됩니다.여기 코일과 PMT는 HMM 막대에 각각 교류 자기장과 DC 바이어스 자기장을 제공합니다.캡과 슬리브로 구성된 요크와 몸체는 투자율이 높은 DT4 연철로 제작되었습니다.GIM 및 PM 막대로 폐쇄 자기 회로를 형성합니다.출력 스템과 압력 플레이트는 비자성 304 스테인리스 스틸로 만들어졌습니다.벨빌 스프링을 사용하면 스템에 안정적인 프리스트레스를 적용할 수 있습니다.교류 전류가 구동 코일을 통과하면 그에 따라 HMM 로드가 진동합니다.
그림에.2는 GMT 내부의 열교환 과정을 보여준다.GMM 막대와 필드 코일은 GMT의 두 가지 주요 열원입니다.사문석은 내부의 공기 대류를 통해 본체로 열을 전달하고 전도를 통해 뚜껑으로 열을 전달합니다.HMM 막대는 교번 자기장의 작용으로 자기 손실을 생성하고 내부 공기를 통한 대류로 인해 열이 쉘로 전달되고 전도로 인해 영구 자석과 요크로 전달됩니다.케이스로 전달된 열은 대류와 복사를 통해 외부로 방출됩니다.생성된 열과 전달된 열이 같을 때 GMT 각 부분의 온도는 정상 상태에 도달합니다.
세로 진동 GMO의 열 전달 과정: a – 열 흐름 다이어그램, b – 주요 열 전달 경로.
여자 코일과 HMM 막대에서 발생하는 열 외에도 폐쇄 자기 회로의 모든 구성 요소는 자기 손실을 경험합니다.따라서 영구자석, 요크, 캡, 슬리브를 함께 적층하여 GMT의 자기손실을 줄인다.
GMT 열 해석을 위한 TETN 모델을 구축하는 주요 단계는 다음과 같습니다. 먼저 동일한 온도를 가진 구성 요소를 함께 그룹화하고 각 구성 요소를 네트워크의 별도 노드로 표현한 다음 이러한 노드를 적절한 열 전달 표현식과 연결합니다.노드 사이의 열전도 및 대류.이 경우 각 구성 요소에 해당하는 열원과 열 출력을 노드와 대지의 공통 영전압 사이에 병렬로 연결하여 열 네트워크의 등가 모델을 구축합니다.다음 단계는 열 저항, 열용량 및 전력 손실을 포함하여 모델의 각 구성 요소에 대한 열 네트워크 매개변수를 계산하는 것입니다.마지막으로 TETN 모델은 시뮬레이션을 위해 SPICE에서 구현됩니다.그리고 GMT의 각 구성 요소의 온도 분포와 시간 영역의 변화를 얻을 수 있습니다.
모델링 및 계산의 편의를 위해 열 모델을 단순화하고 결과에 거의 영향을 미치지 않는 경계 조건을 무시하는 것이 필요합니다.이 글에서 제안된 TETN 모델은 다음과 같은 가정을 기반으로 합니다.
무작위로 감긴 권선이 있는 GMT에서는 각 개별 도체의 위치를 ​​시뮬레이션하는 것이 불가능하거나 필요합니다.과거에는 권선 내의 열 전달 및 온도 분포를 모델링하기 위해 다양한 모델링 전략이 개발되었습니다. (1) 복합 열전도율, (2) 도체 형상을 기반으로 한 직접 방정식, (3) T-등가 열 회로29.
복합 열전도율과 직접 방정식은 등가 회로 T보다 더 정확한 솔루션으로 간주될 수 있지만 결정하기 어려운 재료, 도체 형상 및 권선의 잔류 공기량과 같은 여러 요소에 따라 달라집니다.반대로, 대략적인 모델이기는 하지만 T-등가 열 방식이 더 편리합니다.GMT의 종방향 진동을 갖는 여자 코일에 적용할 수 있습니다.
열 방정식의 해로부터 얻은 익사이터 코일과 T-등가 열 다이어그램을 나타내는 데 사용되는 일반적인 중공 원통형 어셈블리가 그림에 나와 있습니다.3. 여자코일의 열유속은 반경방향과 축방향에서 독립적이라고 가정합니다.원주 열유속은 무시됩니다.각 등가 회로 T에서 두 단자는 해당 소자의 표면 온도를 나타내고 세 번째 단자 T6은 소자의 평균 온도를 나타냅니다.P6 구성 요소의 손실은 "계장 코일 열 손실 계산"에서 계산된 평균 온도 노드에 점 소스로 입력됩니다.비정상 시뮬레이션의 경우 열용량 C6은 방정식으로 제공됩니다.(1)은 평균 온도 노드에도 추가됩니다.
여기서 cec, ρec 및 Vec는 각각 여기 코일의 비열, 밀도 및 부피를 나타냅니다.
테이블에.그림 1은 길이 lec, 열 전도율 λec, 외부 반경 Rec1 및 내부 반경 Rec2를 갖는 여자 코일의 T 등가 열 회로의 열 저항을 보여줍니다.
여자 코일 및 T 등가 열 회로: (a) 일반적으로 속이 빈 원통형 요소, (b) 별도의 축 및 방사형 T 등가 열 회로.
등가 회로 T는 다른 원통형 열원에 대해서도 정확한 것으로 나타났습니다.GMO의 주요 열원인 HMM 막대는 열전도율이 낮아 특히 막대 축을 따라 온도 분포가 고르지 않습니다.반대로, HMM 막대의 방사형 열유속은 방사형 열유속보다 훨씬 작기 때문에 방사형 불균일성은 무시될 수 있습니다.
막대의 축 이산화 수준을 정확하게 표현하고 가장 높은 온도를 얻으려면 GMM 막대를 축 방향으로 균일한 간격으로 배치된 n개의 노드로 표현해야 하며, GMM 막대가 모델링한 노드의 개수 n은 홀수여야 합니다.등가 축 열 윤곽의 수는 n T 그림 4입니다.
GMM 막대를 모델링하는 데 사용되는 노드 수 n을 결정하기 위해 FEM 결과가 그림에 표시됩니다.5 참고로.그림과 같이.도 4에 도시된 바와 같이, HMM 로드의 열적 방식에 따라 노드 수 n이 규제된다.각 노드는 T 등가 회로로 모델링될 수 있습니다.FEM 결과를 비교하면 그림 5에서 1개 또는 3개의 노드가 GMO에서 HIM 막대(길이 약 50mm)의 온도 분포를 정확하게 반영할 수 없음을 알 수 있습니다.n이 5로 증가하면 시뮬레이션 결과가 크게 향상되어 FEM에 접근합니다.n을 더 늘리면 계산 시간이 길어지지만 더 나은 결과를 얻을 수도 있습니다.따라서 본 기사에서는 GMM 막대 모델링을 위해 5개의 노드를 선택합니다.
수행된 비교 분석을 바탕으로 HMM Rod의 정확한 Thermal Scheme은 Fig. 6에 나타내었다. T1~T5는 스틱의 5개 구간(1~5 구간)의 평균 온도이다.P1-P5는 각각 막대의 다양한 영역의 총 열전력을 나타내며, 이에 대해서는 다음 장에서 자세히 설명합니다.C1~C5는 다양한 지역의 열용량이며 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
여기서 crod, ρrod 및 Vrod는 HMM 막대의 비열 용량, 밀도 및 부피를 나타냅니다.
가진 코일과 동일한 방법을 사용하여 그림 6의 HMM 막대의 열 전달 저항은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
여기서 lrod, rrod 및 λrod는 각각 GMM 막대의 길이, 반경 및 열전도율을 나타냅니다.
이 기사에서 연구된 종방향 진동 GMT의 경우 나머지 구성 요소와 내부 공기는 단일 노드 구성으로 모델링될 수 있습니다.
이러한 영역은 하나 이상의 원통으로 구성된 것으로 간주될 수 있습니다.원통형 부분의 순수 전도성 열교환 연결은 푸리에 열전도 법칙에 의해 다음과 같이 정의됩니다.
여기서 λnhs는 재료의 열전도율이고, lnhs는 축 길이이고, rnhs1과 rnhs2는 각각 열 전달 요소의 외부 반경과 내부 반경입니다.
식 (5)는 그림 7의 RR4-RR12로 표시되는 이러한 영역의 방사상 열저항을 계산하는 데 사용됩니다. 동시에 식 (6)은 그림의 RA15~RA33으로 표시되는 축방향 열저항을 계산하는 데 사용됩니다. 7.
위 영역(그림 7의 C7-C15 포함)에 대한 단일 노드 열 회로의 열용량은 다음과 같이 결정될 수 있습니다.
여기서 ρnhs, cnhs, Vnhs는 각각 길이, 비열, 부피입니다.
GMT 내부 공기와 케이스 표면 및 환경 사이의 대류 열 전달은 다음과 같이 단일 열전도 저항기를 사용하여 모델링됩니다.
여기서 A는 접촉 표면이고 h는 열 전달 계수입니다.표 232에는 열 시스템에 사용되는 몇 가지 일반적인 h가 나열되어 있습니다.표에 따르면.2개의 열 저항 열 전달 계수 RH8–RH10 및 RH14–RH18은 그림에서 HMF와 환경 사이의 대류를 나타냅니다.7은 25W/(m2K)의 상수 값으로 간주됩니다.나머지 열 전달 계수는 10W/(m2K)로 설정됩니다.
그림 2에 표시된 내부 열 전달 프로세스에 따라 TETN 변환기의 전체 모델이 그림 7에 표시됩니다.
그림과 같이.도 7에서 GMT 세로진동은 16노트로 나누어져 있으며, 이는 붉은색 점으로 표시된다.모델에 표시된 온도 노드는 각 구성 요소의 평균 온도에 해당합니다.주변 온도 T0, GMM 로드 온도 T1~T5, 여자 코일 온도 T6, 영구 자석 온도 T7 및 T8, 요크 온도 T9~T10, 케이스 온도 T11~T12 및 T14, 실내 공기 온도 T13 및 출력 로드 온도 T15.또한, 각 노드는 각 영역의 열용량을 나타내는 C1~C15를 통해 지반의 열 퍼텐셜과 연결된다.P1~P6은 각각 GMM 막대와 가진 코일의 총 열 출력입니다.또한, 54개의 열 저항은 이전 섹션에서 계산된 인접한 노드 사이의 열 전달에 대한 전도 및 대류 저항을 나타내는 데 사용됩니다.표 3은 변환기 재료의 다양한 열 특성을 보여줍니다.
손실량과 그 분포를 정확하게 추정하는 것은 신뢰할 수 있는 열 시뮬레이션을 수행하는 데 중요합니다.GMT에서 발생하는 열손실은 GMM봉의 자기손실, 여자코일의 줄(Joule) 손실, 기계적 손실, 추가 손실로 구분할 수 있다.고려되는 추가 손실과 기계적 손실은 상대적으로 작으므로 무시할 수 있습니다.
AC 여기 코일 저항에는 DC 저항 Rdc 및 표면 저항 Rs가 포함됩니다.
여기서 f와 N은 여기 전류의 주파수와 회전 수입니다.lCu 및 rCu는 코일의 내부 및 외부 반경, 코일의 길이, AWG(American Wire Gauge) 번호로 정의된 구리 자기선의 반경입니다.ρCu는 코어의 저항률입니다.µCu는 코어의 투자율입니다.
필드 코일(솔레노이드) 내부의 실제 자기장은 막대 길이를 따라 균일하지 않습니다.이 차이는 HMM 및 PM 막대의 투자율이 낮기 때문에 특히 두드러집니다.그러나 세로 대칭입니다.자기장의 분포는 HMM 막대의 자기 손실 분포를 직접적으로 결정합니다.따라서 손실의 실제 분포를 반영하기 위해 그림 8에 표시된 3단 막대를 측정에 사용합니다.
자기 손실은 동적 히스테리시스 루프를 측정하여 얻을 수 있습니다.그림 11에 표시된 실험 플랫폼을 기반으로 3개의 동적 히스테리시스 루프가 측정되었습니다.GMM 막대의 온도가 50°C 미만으로 안정적인 조건에서 프로그래밍 가능한 AC 전원 공급 장치(Chroma 61512)는 그림 8에 표시된 것처럼 특정 범위에서 필드 코일을 구동합니다. 시험 전류와 그에 따른 자속 밀도는 GIM 막대에 연결된 유도 코일에 유도된 전압을 적분하여 계산됩니다.원시 데이터는 메모리 로거(MR8875-30/일)에서 다운로드되었으며 MATLAB 소프트웨어에서 처리되어 그림 9에 표시된 측정된 동적 히스테리시스 루프를 얻었습니다.
측정된 동적 히스테리시스 루프: (a) 섹션 1/5: Bm = 0.044735 T, (b) 섹션 1/5: fm = 1000Hz, (c) 섹션 2/4: Bm = 0.05955 T, (d ) 섹션 2/ 4: fm = 1000Hz, (e) 섹션 3: Bm = 0.07228 T, (f) 섹션 3: fm = 1000Hz.
문헌 37에 따르면 HMM 막대의 단위 부피당 총 자기 손실 Pv는 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.
여기서 ABH는 여기 전류 주파수 f와 동일한 자기장 주파수 fm에서 BH 곡선의 측정 영역입니다.
Bertotti 손실 분리 방법38에 기초하여, GMM 막대의 단위 질량당 자기 손실 Pm은 히스테리시스 손실 Ph, 와전류 손실 Pe 및 이상 손실 Pa의 합으로 표현될 수 있습니다(13).
엔지니어링 관점38에서 이상 손실과 와전류 손실은 총 와전류 손실이라는 하나의 용어로 결합될 수 있습니다.따라서 손실 계산 공식은 다음과 같이 단순화될 수 있습니다.
방정식에서.(13)~(14) 여기서 Bm은 여기 자기장의 자기밀도의 진폭이다.kh와 kc는 히스테리시스 손실 계수와 총 와전류 손실 계수입니다.