希少生物の等価熱ネットワークモデリングに関する研究

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18088 (2022) この記事を引用

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巨大磁歪トランスデューサ (GMT) の設計にとって非常に重要なのは、温度分布を迅速かつ正確に分析することです。 低計算コストと高精度という利点を備えた熱ネットワーク モデリングは、GMT の熱解析用に開発されました。 しかし、既存の熱モデルでは、GMT におけるこれらの複雑な熱挙動を記述するには限界があります。研究のほとんどは、温度の変動を捉えることができない定常状態に焦点を当てていました。 超磁歪（GMM）ロッドの温度分布は一般に均一であると考えられていますが、GMM ロッドの温度勾配は熱伝導率が低いため顕著です。 GMM の損失の不均一な分布が熱モデルに導入されることはほとんどありません。 したがって、本稿では、前述の 3 つの側面を考慮して、GMT の過渡等価熱ネットワーク (TETN) モデルを確立します。 まず、縦振動GMTの構造と動作原理に基づいて熱解析を行った。 これに続いて、GMTの熱伝達プロセスに従って、TETNモデルが確立され、対応するモデルパラメータが計算されました。 最後に、トランスデューサ温度の時間的および空間的解析のための TETN モデルの精度がシミュレーションと実験によって検証されます。

超磁歪材料（GMM）、すなわち Terfenol-D は、大きな磁歪と高いエネルギー密度という利点を持っています。 これらのユニークな特性を利用して、水中音響トランスデューサ、マイクロモータ、リニアアクチュエータなどの幅広い用途に使用できる巨大磁歪トランスデューサ (GMT) の開発が可能になります 1,2。

特に懸念されるのは、水中 GMT が過熱する可能性であることです。水中 GMT は、フルパワーで駆動され、長い励起時間で駆動されると、消費電力密度が高く、かなりの熱を発生します 3,4。 さらに、GMT の熱膨張係数が大きく、外部温度に対する感度が高いため、出力特性は温度と密接に関係しています 5,6,7,8。 技術出版物に目を通すと、GMT 熱解析に取り組む方法は、数値法と集中パラメーター法という 2 つの主なカテゴリに分類できます9。 有限要素法 (FEM) は、最も一般的に使用される数値解析手法の 1 つです。 Xie et al.10 は、FEM を使用して超磁歪アクチュエータの熱源分布をモデル化し、アクチュエータの温度制御と冷却システムの設計を実現しました。 Zhao et al.11 は、乱流場と温度場の結合 FEM シミュレーションを作成し、FEM シミュレーション結果に基づいて GMM インテリジェントコンポーネント温度制御デバイスを構築しました。 ただし、FEM はモデルのセットアップと計算時間の点で非常に時間がかかります。 このため、FEM は、通常はトランスデューサの設計段階でのオフライン計算の貴重なサポートであると考えられています。

集中パラメータ法は、しばしば熱ネットワーク モデルと呼ばれ、その単純な数学的形式と高速な計算速度のおかげで、熱力学解析で広く使用されています 12、13、14。 この方法は、モーターの熱制限問題を解決する上で重要な役割を果たしています15、16、17。 Mellor18 は、改良された T 等価熱回路を初めて使用して、モーターの熱伝達プロセスをシミュレートしました。 Verez et al.19 は、アキシャル磁束永久磁石同期機の 3 次元熱ネットワーク モデルを確立しました。 Boglietti et al.20 は、固定子巻線の短期熱過渡現象を予測するために、複雑さの異なる 4 つの熱ネットワーク モデルを提案しました。 最後に、Wang et al.21 は、永久磁石同期機の各コンポーネントの詳細な等価熱回路を確立し、熱抵抗方程式をまとめました。 定格条件下で誤差は5%以内に抑えられます。