Recherche sur la modélisation des réseaux thermiques équivalents pour les

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 18088 (2022) Citer cet article

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L’analyse rapide et précise de la distribution de température est d’une importance cruciale pour la conception de transducteurs magnétostrictifs géants (GMT). Avec les avantages d'un faible coût de calcul et d'une grande précision, la modélisation du réseau thermique a été développée pour l'analyse thermique du GMT. Cependant, les modèles thermiques existants ont leurs limites pour décrire ces comportements thermiques complexes dans les GMT : la plupart des recherches se sont concentrées sur l'état stationnaire qui est incapable de capturer les variations de température ; la répartition de la température des tiges magnétostrictives géantes (GMM) est généralement supposée uniforme alors que le gradient de température sur la tige GMM est remarquable en raison de sa faible conductivité thermique ; la répartition non uniforme des pertes du GMM est rarement introduite dans le modèle thermique. Par conséquent, un modèle de réseau thermique équivalent transitoire (TETN) de GMT est établi dans cet article, en considérant les trois aspects susmentionnés. Tout d’abord, sur la base de la structure et du principe de fonctionnement d’un GMT à vibrations longitudinales, une analyse thermique a été réalisée. Suite à cela, selon le processus de transfert de chaleur du GMT, le modèle TETN a été établi et les paramètres du modèle correspondant ont été calculés. Enfin, la précision du modèle TETN pour l'analyse temporelle et spatiale de la température du transducteur est vérifiée par simulation et expérimentation.

Le matériau magnétostrictif géant (GMM), à savoir le Terfénol-D, présente les mérites d'une grande magnétostriction et d'une densité énergétique élevée. Ces caractéristiques uniques peuvent être exploitées pour permettre le développement du transducteur magnétostrictif géant (GMT) qui peut être utilisé dans un large éventail d'applications, telles que les transducteurs acoustiques sous-marins, les micromoteurs, les actionneurs linéaires, etc.1,2.

La surchauffe possible des GMT sous-marins est particulièrement préoccupante, car ils génèrent une chaleur considérable en raison de leur densité de puissance dissipée élevée lorsqu'ils fonctionnent à pleine puissance et de leur long temps d'excitation3,4. De plus, les caractéristiques de sortie du GMT sont étroitement liées à la température en raison de son coefficient de dilatation thermique élevé et de sa grande sensibilité à la température externe5,6,7,8. En parcourant les publications techniques, les méthodes permettant de faire face à l'analyse thermique GMT peuvent être divisées en deux catégories principales9 : les méthodes numériques et les méthodes à paramètres localisés. La méthode des éléments finis (FEM) est l’une des méthodes d’analyse numérique les plus couramment utilisées. Xie et al.10 ont utilisé FEM pour modéliser la distribution de la source de chaleur de l'actionneur magnétostrictif géant et ont réalisé le contrôle de la température de l'actionneur et la conception du système de refroidissement. Zhao et al.11 ont créé une simulation FEM de champ d'écoulement turbulent et de champ de température couplés et ont construit un dispositif de contrôle de température de composant intelligent GMM basé sur les résultats de la simulation FEM. Cependant, FEM est très exigeant en termes de configuration du modèle et de temps de calcul. Pour cette raison, la FEM est considérée comme un support précieux pour les calculs hors ligne, généralement pendant la phase de conception du transducteur.

Une méthode à paramètres localisés, souvent appelée modèle de réseau thermique, est largement utilisée dans l'analyse dynamique thermique en raison de sa forme mathématique simple et de sa vitesse de calcul rapide12,13,14. Cette méthode a joué un rôle essentiel dans la résolution du problème de limitation thermique des moteurs15,16,17. Mellor18 a utilisé pour la première fois un circuit thermique amélioré équivalent à T pour simuler le processus de transfert de chaleur d'un moteur. Verez et al.19 ont établi un modèle de réseau thermique tridimensionnel pour les machines synchrones à aimants permanents à flux axial. Boglietti et al.20 ont proposé quatre modèles de réseau thermique de complexités différentes pour prédire les transitoires thermiques à court terme des enroulements du stator. Enfin, Wang et al.21 ont établi les circuits thermiques équivalents détaillés pour chaque composant de la machine synchrone à aimant permanent et ont résumé les équations de résistance thermique. L'erreur peut être contrôlée dans un délai de 5 % dans des conditions nominales.