Mô hình hóa quá trình tự đốt nóng của cuộn cảm để nghiên cứu sự trao đổi điện từ - nhiệt

Bài viết này tập trung vào các ứng suất nhiệt trên vật liệu từ dưới nhiệt độ curie. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tất cả các thuộc tính từ tính của vật liệu từ. Mô hình Jiles-atherton và mô hình "ống từ thông" được sử dụng để mô phỏng các đường cong từ trễ ở chế độ ổn định tĩnh và chế độ ổn định động của vật liệu từ ferit MnZn N30 (Epsco). Đối với mỗi nhiệt độ, sáu thông số của hai mô hình mô phỏng trên được tối ưu hóa từ các phép đo.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô hình hóa quá trình tự đốt nóng của cuộn cảm để nghiên cứu sự trao đổi điện từ - nhiệt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MODELING OF THE SELF-HEATING PROCESS OF AN INDUCTANCE TO STUDY THERMAL - MAGNETIC ELECTRIC EXCHANGES MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH TỰ ĐỐT NÓNG CỦA CUỘN CẢM ĐỂ NGHIÊN CỨU SỰ TRAO ĐỔI ĐIỆN - TỪ - NHIỆT Anh Tuan Bui - Tuan Anh Kieu Electric Power University Abstract: This paper focuses on thermal stresses on magnetic materials under Curie temperature. The aim of this article is to study the influence of temperature on all standard static magnetic properties. The Jiles-Atherton model and “flux tube” model are used in order to reproduce static and dynamic hysteresis loops for MnZn N30 (Epsco) alloy. For each temperature, the six model parameters are optimized from measurements. The model parameters variations are also discussed. Finally, the electromagnetic model is associated with a simple thermal model to simulate energy exchanges among the three thermal - magnetic - electric areas towards self-heating process of an inductance. The simulation outcomes will be compared with experimental results. Keywords: Magnetic hysteresis; Magnetic materials; Modeling; Magneto-thermal coupling. Tóm tắt: Bài viết này tập trung vào các ứng suất nhiệt trên vật liệu từ dưới nhiệt độ Curie. Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tất cả các thuộc tính từ tính của vật liệu từ. Mô hình Jiles-Atherton và mô hình ống từ thông được sử dụng để mô phỏng các đường cong từ trễ ở chế độ ổn định tĩnh và chế độ ổn định động của vật liệu từ ferit MnZn N30 (Epsco). Đối với mỗi nhiệt độ, sáu thông số của hai mô hình mô phỏng trên được tối ưu hóa từ các phép đo. Sự thay đổi các thông số trong hai mô hình mô phỏng sẽ được tìm hiểu. Cuối cùng, mô hình điện từ được kết hợp với một mô hình nhiệt đơn giản mô phỏng quá trình tự trao đổi năng lượng giữa ba lĩnh vực: điện - từ - nhiệt đối với hiện tượng tự đốt nóng của một cuộn cảm. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với các kết quả thực nghiệm. Từ khóa: Từ trễ, vật liệu từ, mô hình hóa, liên kết từ - nhiệt.1 1 Ngày nhận bài: 30/07/2015; Ngày chấp nhận: 03/08/2015; Phản biện: TS Nguyễn Đức Huy. Số 9 - tháng 10 năm 2015 1 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 1. INTRODUCTION The magnetic circuit in the electromagnetic system is a key element of an efficient energy conversion. The optimization of the magnetic circuit geometry, the control of energy efficiency through the use of powerful magnetic materials and a thorough knowledge of their behavior, especially under high stress as temperatures and high frequencies that are meet more today. The temperature at which occurs the disappearance of spontaneous magnetization is called the Curie temperature. The effect is not as brutal as it seems. The temperature increase leads to an evolution of the saturation magnetization, coercive field, remanent flux density, resistivity and magnetic losses, etc [4], [5]. The objective of this study is to build a model as complete as possible to cover a wide class of samples of magnetic materials. This model must take into account several aspects of the phenomena as the initial magnetization curve and the major loop. The model should allow further integration of the evolution of the hysteresis loop based on temperature and frequency. Finally, it must be fast enough for inclusion in design and simulation software. The modeling of magnetic materials plays an important role in modeling systems in electromagnetism. Many studies have shown that the mechanisms at the origin of the phenomenon of magnetization depends on many factors [4]: the material, the excitation field, the 2 external conditions,... From an experimental point of view, two operating regimes can be distinguished: the quasi-static and the dynamic one. Below certain frequencies, the hysteresis loop does not depend on frequency. The material is in a quasi-static mode. Several models are proposed to describe this mode [1], [6]. To meet out our objectives, we must have a model with a basic mathematical and physical enough flexibility and a complete implementation for the integration of additional parameters that take into account the temperature and frequency. One of these models is characterized by a physical basis and theoretical particularly comprehensive. This is the JilesAtherton model [1], [2]. In dynamic regime, the hysteresis loop expands with the frequency increase that is the energy loss is high in dynamic mode. This paper presents first the static and dynamic behaviors when the temperature increases. It also presents the static hysteresis model and the dynamic model that can modelize the hysteresis characteristics of magnetic materials as a function of temperature. The “flux tube” model [6] is used to model the dynamic behavior. The MnZn N30 (Epcos) magnetic material is used here because this material has a low Curie temperature (around 1300C), so we can clearly see the change of factors: power loss, the magnetization, temperature, resistance. In addition, this material is widely used in the fields of electrical, electronic,... Finally, this material is used on self heating inductor to achieve a coupling Số 9 - tháng 10 năm 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) between three areas: electric - magnetic thermal. 2. THE “FLUX TUBE” MODEL dH The Jiles-Atherton model, based on physical considerations, is able to describe the quasi-static hysteresis loops. It assumes that the exchange energy per unit volume is equal to the exchange of magnetostatic energy added by hysteresis loss. The magnetization M is separated into two components: the reversible component Mrev and the irreversible component Mirr. The irreversible component can be written as follows [1]: dM irr ( M an  M irr )  dH e k (1) where the constant k is ...