Ricerca sulla modellizzazione della rete termica equivalente per rari

Dec 26, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18088 (2022) Citare questo articolo

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Di fondamentale importanza per la progettazione dei trasduttori magnetostrittivi giganti (GMT) è l'analisi rapida e accurata della distribuzione della temperatura. Con i vantaggi del basso costo di calcolo e dell'elevata precisione, è stata sviluppata la modellazione della rete termica per l'analisi termica del GMT. Tuttavia, i modelli termici esistenti hanno i loro limiti nel descrivere questi complicati comportamenti termici nei GMT: la maggior parte delle ricerche si è concentrata sullo stato stazionario che è incapace di catturare le variazioni di temperatura; si presume generalmente che la distribuzione della temperatura delle barre magnetostrittive giganti (GMM) sia uniforme mentre il gradiente di temperatura sulla barra GMM è notevole a causa della sua scarsa conduttività termica; la distribuzione non uniforme delle perdite del GMM viene raramente introdotta nel modello termico. Pertanto, in questo documento viene stabilito un modello di rete termica transitoria equivalente (TETN) del GMT, considerando i tre aspetti sopra menzionati. Innanzitutto, sulla base della struttura e del principio di funzionamento di un GMT a vibrazione longitudinale, è stata effettuata l'analisi termica. Successivamente, secondo il processo di trasferimento del calore del GMT, è stato stabilito il modello TETN e sono stati calcolati i parametri del modello corrispondente. Infine, l'accuratezza del modello TETN per l'analisi temporale e spaziale della temperatura del trasduttore viene verificata mediante simulazione ed esperimento.

Il materiale magnetostrittivo gigante (GMM), vale a dire il Terfenolo-D, ha i pregi di un'ampia magnetostrizione e di un'elevata densità di energia. Queste caratteristiche uniche possono essere sfruttate per consentire lo sviluppo del trasduttore magnetostrittivo gigante (GMT) che può essere utilizzato in un'ampia gamma di applicazioni, come trasduttori acustici subacquei, micromotori, attuatori lineari e così via1,2.

Di particolare preoccupazione è il possibile surriscaldamento dei GMT subacquei, che generano un calore considerevole a causa della loro elevata densità di potenza dissipata quando vengono azionati a piena potenza e del lungo tempo di eccitazione3,4. Inoltre, le caratteristiche di uscita del GMT sono strettamente correlate alla temperatura a causa dell'elevato coefficiente di dilatazione termica e della sua elevata sensibilità alla temperatura esterna5,6,7,8. Scorrendo le pubblicazioni tecniche, i metodi per affrontare l'analisi termica GMT possono essere suddivisi in due principali categorie9: metodi numerici e metodi a parametri concentrati. Il metodo degli elementi finiti (FEM) è uno dei metodi di analisi numerica più comunemente utilizzati. Xie et al.10 hanno utilizzato FEM per modellare la distribuzione della fonte di calore del gigantesco attuatore magnetostrittivo e hanno realizzato il controllo della temperatura dell'attuatore e la progettazione del sistema di raffreddamento. Zhao et al.11 hanno creato una simulazione FEM accoppiata del campo di flusso turbolento e del campo di temperatura e hanno costruito un dispositivo di controllo della temperatura dei componenti intelligenti GMM basato sui risultati della simulazione FEM. Tuttavia, il metodo FEM è molto esigente in termini di impostazione del modello e tempo di calcolo. Per questo motivo, il FEM è considerato un valido supporto per i calcoli offline, tipicamente durante la fase di progettazione del trasduttore.

Un metodo a parametri concentrati, spesso indicato come modello di rete termica, è ampiamente utilizzato nell'analisi termodinamica in virtù della sua semplice forma matematica e dell'elevata velocità di calcolo12,13,14. Questo metodo ha svolto un ruolo essenziale nella risoluzione del problema della limitazione termica dei motori15,16,17. Mellor18 ha utilizzato per la prima volta un circuito termico equivalente a T migliorato per simulare il processo di trasferimento del calore di un motore. Verez et al.19 hanno creato un modello di rete termica tridimensionale per macchine sincrone a magneti permanenti a flusso assiale. Boglietti et al.20 hanno proposto quattro modelli di rete termica di diversa complessità per la previsione dei transitori termici a breve termine dell'avvolgimento statorico. Infine, Wang et al.21 hanno stabilito i circuiti termici equivalenti dettagliati per ciascun componente della macchina sincrona a magnete permanente e hanno riassunto le equazioni della resistenza termica. L'errore può essere controllato entro il 5% in condizioni nominali.