Pesquisa sobre modelagem de redes térmicas equivalentes para raros

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 18088 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

De importância crucial para o projeto de transdutores magnetostritivos gigantes (GMTs) é analisar com rapidez e precisão a distribuição de temperatura. Com as vantagens de baixo custo de cálculo e alta precisão, a modelagem de redes térmicas foi desenvolvida para análise térmica de GMT. Contudo, os modelos térmicos existentes têm seus limites para descrever estes complicados comportamentos térmicos nos GMTs: a maioria das pesquisas focou no estado estacionário que é incapaz de capturar variações de temperatura; a distribuição de temperatura das hastes magnetostritivas gigantes (GMM) é geralmente considerada uniforme, enquanto o gradiente de temperatura na haste GMM é notável devido à sua baixa condutividade térmica; a distribuição não uniforme das perdas do GMM raramente é introduzida no modelo térmico. Portanto, um modelo de rede térmica equivalente transitória (TETN) do GMT é estabelecido neste artigo, considerando os três aspectos mencionados acima. Primeiramente, com base na estrutura e princípio de funcionamento de um GMT de vibração longitudinal, foi realizada a análise térmica. Em seguida, de acordo com o processo de transferência de calor do GMT, o modelo TETN foi estabelecido e os parâmetros do modelo correspondentes foram calculados. Finalmente, a precisão do modelo TETN para a análise temporal e espacial da temperatura do transdutor é verificada por simulação e experimento.

O material magnetostritivo gigante (GMM), nomeadamente o Terfenol-D, tem os méritos de grande magnetostrição e alta densidade de energia. Essas características únicas podem ser exploradas para permitir o desenvolvimento do transdutor magnetostritivo gigante (GMT), que pode ser usado em uma ampla gama de aplicações, como transdutor acústico subaquático, micromotores, atuadores lineares e assim por diante1,2.

Particularmente preocupante é o possível superaquecimento dos GMTs subaquáticos, que geram calor considerável devido à sua alta densidade de potência dissipada quando são acionados com potência máxima e longo tempo de excitação . Além disso, as características de saída do GMT estão intimamente relacionadas à temperatura devido ao grande coeficiente de expansão térmica e à sua alta sensibilidade à temperatura externa5,6,7,8. Olhando através das publicações técnicas, os métodos para enfrentar a análise térmica GMT podem ser divididos em duas categorias principais9: métodos numéricos e métodos de parâmetros concentrados. O método dos elementos finitos (MEF) é um dos métodos de análise numérica mais comumente usados. Xie et al.10 usaram FEM para modelar a distribuição da fonte de calor do atuador magnetostritivo gigante e realizaram o controle de temperatura do atuador e o projeto do sistema de resfriamento. Zhao et al.11 criaram uma simulação FEM de campo de fluxo turbulento acoplado e campo de temperatura e construíram um dispositivo de controle de temperatura de componente inteligente GMM com base nos resultados da simulação FEM. No entanto, o FEM é muito exigente em termos de configuração do modelo e tempo computacional. Por esta razão, o FEM é considerado um suporte valioso para cálculos offline, normalmente durante a fase de projeto do transdutor.

Um método de parâmetros concentrados, muitas vezes referido como modelo de rede térmica, é amplamente utilizado na análise dinâmica térmica em virtude de sua forma matemática simples e rápida velocidade de cálculo . Este método tem desempenhado um papel essencial na resolução do problema de limitação térmica dos motores . Mellor18 usou pela primeira vez um circuito térmico equivalente a T melhorado para simular o processo de transferência de calor de um motor. Verez et al.19 estabeleceram um modelo de rede térmica tridimensional para máquinas síncronas de ímã permanente de fluxo axial. Boglietti et al.20 propuseram quatro modelos de redes térmicas de diferentes complexidades para previsão de transitórios térmicos de curto prazo no enrolamento do estator. Finalmente, Wang et al.21 estabeleceram os circuitos térmicos equivalentes detalhados para cada componente da máquina síncrona de ímã permanente e resumiram as equações de resistência térmica. O erro pode ser controlado dentro de 5% sob condições nominais.