희귀물질 등가 열 네트워크 모델링 연구

Dec 26, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 18088(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

거대 자기 변형 변환기(GMT) 설계에서 가장 중요한 것은 온도 분포를 빠르고 정확하게 분석하는 것입니다. 낮은 계산 비용과 높은 정확도의 장점을 바탕으로 GMT의 열 해석을 위한 열 네트워크 모델링이 개발되었습니다. 그러나 기존 열 모델은 GMT의 이러한 복잡한 열 거동을 설명하는 데 한계가 있습니다. 대부분의 연구는 온도 변화를 포착할 수 없는 정상 상태에 중점을 둡니다. 거대 자기 변형(GMM) 막대의 온도 분포는 일반적으로 균일한 것으로 가정되는 반면, GMM 막대의 온도 구배는 열 전도성이 낮기 때문에 현저합니다. GMM 손실의 불균일 분포는 열 모델에 거의 도입되지 않습니다. 따라서 본 논문에서는 앞서 언급한 세 가지 측면을 고려하여 GMT의 TETN(Transient Equivalent Thermal Network) 모델을 구축하였다. 먼저 종방향 진동 GMT의 구조와 작동원리를 바탕으로 열해석을 수행하였다. 이후 GMT의 열전달 과정에 따라 TETN 모델을 구축하고 해당 모델 매개변수를 계산하였다. 마지막으로 트랜스듀서 온도의 시간적, 공간적 분석을 위한 TETN 모델의 정확성은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증되었습니다.

거대 자기변형 물질(GMM), 즉 Terfenol-D는 자기변형이 크고 에너지 밀도가 높은 장점을 가지고 있습니다. 이러한 고유한 특성을 활용하여 수중 음향 변환기, 마이크로 모터, 선형 액추에이터 등과 같은 광범위한 응용 분야에 사용할 수 있는 거대 자기 변형 변환기(GMT)의 개발을 가능하게 할 수 있습니다1,2.

특히 우려되는 점은 수중 GMT가 과열될 가능성이 있다는 점입니다. 이는 최대 전력으로 구동되고 여기 시간이 길 때 높은 소산 전력 밀도로 인해 상당한 열을 발생시킵니다3,4. 또한, GMT의 출력 특성은 열팽창 계수가 크고 외부 온도에 대한 민감도가 높기 때문에 온도와 밀접한 관련이 있습니다5,6,7,8. 기술 간행물을 살펴보면 GMT 열 분석을 직면하는 방법은 수치 매개변수 방법과 집중 매개변수 방법이라는 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다. 유한요소법(FEM)은 가장 일반적으로 사용되는 수치해석 방법 중 하나입니다. Xie et al.10은 FEM을 사용하여 거대 자기변형 액츄에이터의 열원 분포를 모델링하고 액츄에이터의 온도 제어와 냉각 시스템 설계를 실현했습니다. Zhao et al.11은 결합된 난류 유동장과 온도장 FEM 시뮬레이션을 생성하고 FEM 시뮬레이션 결과를 기반으로 GMM 지능형 부품 온도 제어 장치를 구축했습니다. 그러나 FEM은 모델 설정 및 계산 시간 측면에서 매우 까다롭습니다. 이러한 이유로 FEM은 일반적으로 변환기 설계 단계에서 오프라인 계산을 위한 귀중한 지원으로 간주됩니다.

열 네트워크 모델이라고도 불리는 집중 매개변수 방법은 간단한 수학적 형식과 빠른 계산 속도 덕분에 열역학 해석에 널리 사용됩니다. 이 방법은 모터의 열 제한 문제를 해결하는 데 필수적인 역할을 했습니다. Mellor18은 모터의 열 전달 과정을 시뮬레이션하기 위해 처음으로 개선된 T 등가 열 회로를 사용했습니다. Verez et al.19는 축 자속 영구 자석 동기 기계에 대한 3차원 열 네트워크 모델을 확립했습니다. Boglietti et al.20은 고정자 권선 단기 열 과도 현상을 예측하기 위해 서로 다른 복잡성을 지닌 네 가지 열 네트워크 모델을 제안했습니다. 마지막으로 Wang et al.21은 영구자석 동기기의 각 구성 요소에 대한 상세한 등가 열 회로를 구축하고 열 저항 방정식을 요약했습니다. 정격 조건에서는 오차를 5% 이내로 제어할 수 있습니다.