第2期中電糾硎脫楓Vol 2 No. 22007年4月Journal of CAEItpr.2007工覆與應(yīng)用磁流體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的熱分析及散熱設(shè)計賀定國(中國電子科技集團(tuán)公司第39研究所,西安710065)摘要:通過傳統(tǒng)熱設(shè)計理論對大功率雷達(dá)中的關(guān)鍵微波器件磁流體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)行了熱分析和散熱設(shè)計,并通過 Flotherm熱分析軟件進(jìn)行了仿真計算。關(guān)鍵詞:磁流體關(guān)節(jié);熱設(shè)計;強(qiáng)迫風(fēng)冷中圖分類號:TN954文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:16735692(2007)0214903Thermal Analysis and Radiation Design for Magnetic Fluid Rotary JointHE Ding-guo(The 39th Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Xi'an 710065, China)Abstract In this paper, thermal analysis and radiation design for magnetic fluid rotary joint, the keycrowave component of high-power radar, are finished according to traditional theory. Simulation analfor this joint is also completed by using thermal analysis software FLOTHERMKey words: magnetic fluid rotary joint; thermal analysis; forcing air-cooling0引言理的散熱方法。根據(jù)熱設(shè)計理論,物體散熱主要有熱傳導(dǎo)、對流和輻射三種途徑。而在工程實際中還關(guān)節(jié)是雷達(dá)天線實現(xiàn)方位、俯仰轉(zhuǎn)動必要的微要考慮到可實現(xiàn)性、經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性波器件,而磁流體關(guān)節(jié)因其密封簡單可靠、耐壓值高電子設(shè)備的冷卻方法取決于設(shè)備的熱損耗功率及啟動力矩小等優(yōu)點,特別適合在大功率雷達(dá)中使及其集中程度,一般按電子設(shè)備的熱流密度來確定。用。大功率雷達(dá)中,其饋線損耗會引起微波器件發(fā)熱流密度是指單位散熱面積需散發(fā)的熱量,單位為熱,實踐證明,電子元件的故障率隨元件的溫度升高W/cm2,圖1是溫度差△t為40℃時的冷卻方式選擇呈指數(shù)關(guān)系增加。磁流體關(guān)節(jié)由于溫度的升高密封參考圖。性能會顯著下降,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的功率容量降低,甚至癱瘓。所以必須進(jìn)行仔細(xì)的熱分析,以便在結(jié)構(gòu)白然散熱200上進(jìn)行合理的散熱設(shè)計。通過對某工程中關(guān)鍵部件強(qiáng)迫風(fēng)冷z.磁流體關(guān)節(jié)的熱分析和散熱設(shè)計,給出了分析步驟和常用的散熱設(shè)計方法。液體冷卻z22222220062蒸發(fā)冷卻團(tuán)z散熱量/·cm21散熱設(shè)計的基本原則圖1冷卻方式選擇圖散熱設(shè)計首先要了解發(fā)熱器件的熱特性,其主中國煤化工意和物體的溫差成正要參數(shù)包括發(fā)熱功率,發(fā)熱元件的散熱面積,熱敏元比,件最高允許的工作溫度及環(huán)境溫度等,然后選擇合修正CNMH6據(jù)按實際溫差進(jìn)行收稿日期:20070121修訂日期:20070305150中閹定舀糾囉研院學(xué)楓2007年第2期2磁流體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的熱分析5.55×104w/m2℃,接觸面積s=m(8532-23.624×10°2.1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的外型結(jié)構(gòu)524×10-(m2),R2==3.44×10(℃/W),通為了加大散熱面積,在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主體上加平行過熱傳導(dǎo)散熱系數(shù)為2R=6.8×X10(℃/W)肋散熱鰭,具體結(jié)構(gòu)見圖2。3.2輻射散熱輻射放熱系數(shù)a,=Ef(1,t2)。其中,黑度En由《電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》附表Ⅲ査得En=0.7。f(t1,t2)由《電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》表5-1查得f(65,45)=8.05(W/m2℃),所以輻射放熱系數(shù)a,=Ef(41,t2)=0.7×8.05=5.635(W/m2℃為了最終確定結(jié)構(gòu)中采用何種散熱方式,分別2定環(huán)對器件進(jìn)行了自然對流和強(qiáng)迫對流兩種熱設(shè)計計3.磁極算,結(jié)合以上根據(jù)熱流密度給出的選擇,最終確定散4.軸承熱方式。5.磁鋼3.3自然對流散熱6.磁流體7.散熱鰭定性溫度:tnt+_45+65=55(℃)。查《電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》附表I得物理參數(shù)為:柏圖2磁流體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖朗特爾數(shù)P=0.697,y=18.55×106m2/s;流體導(dǎo)熱系數(shù)A=2.86W/m·℃,B=1/(273+55)=2.2熱特性主要參數(shù)1/328,△t=20℃,h=0.12m散熱面積:根據(jù)用Pro/E建模測得磁流體旋轉(zhuǎn)故有格拉曉夫數(shù)Gr=Bgh3△t/y2關(guān)節(jié)的表面積(除兩接觸端面)為0.186m2(散熱材9.8×0.123×20料為H62黃銅),所以散熱面積S=0.186m2328×(1855×10-)2÷3.00×10°<10由上式可知:關(guān)節(jié)在自然散熱方式下的換熱屬磁流體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)最高允許的工作溫度為65C,于層流狀態(tài),由空氣的層流放熱系數(shù)公式取1=65℃,環(huán)境溫度t2=45℃,熱功率P=53W。2.3熱流密度及散熱方式的選擇=134(△h)=1.3420024.8W/m2·℃熱流密度A=P/S=53/1860=0.028在自然對流,熱功率53W狀態(tài)中,器件溫升為(W/cm2),溫升△t=t1-l2=65-45=20(℃),對圖1進(jìn)行修正知此時不同散熱方式的熱流密度分別為2R +(a+a,0.02,0.15,0.31,0.54。由此得知關(guān)節(jié)應(yīng)選擇強(qiáng)迫27.2℃風(fēng)冷進(jìn)行散熱。6.88×10-3+(4.8+5.635)×0.186當(dāng)然,圖1是由許多實驗得出的統(tǒng)計規(guī)律,針對具在此工作狀態(tài)下工作溫度t=t2+△t=45+體問題,我們還要運(yùn)用熱設(shè)計理論進(jìn)行具體的計算272=72.2(℃),不能滿足使用要求,所以必須采取3磁流體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)散熱設(shè)計中國煤化工CNMHG3.1熱傳導(dǎo)散熱3.4.1設(shè)計風(fēng)道和選擇風(fēng)機(jī)接觸熱阻R=1(℃/W),接觸傳熱系數(shù)k。=強(qiáng)迫風(fēng)冷就必須設(shè)計風(fēng)道和選擇風(fēng)機(jī),圖3是根據(jù)實際設(shè)計的風(fēng)道。2007年第2期賀定國等:磁流體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的熱分析及散熱設(shè)計151空氣γ值y=1795×106m2/s,流速C_0=6.25m/S10.032雷諾數(shù)(表示空氣運(yùn)動狀態(tài)參數(shù))R。式中,d為圓風(fēng)道直徑,矩形風(fēng)道等效直徑4×0.032d=0.2(m)6.25×0.2R17.95X10-=69637>104表明對流狀態(tài)為紊流。圖3散熱風(fēng)道示意圖則對流散熱系數(shù):a。=z·z·E,·的·6R,查表《電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》可知Z=3.4,B=風(fēng)機(jī)選擇EBM公司產(chǎn)品,其型號為D4E160DAOI-22E=(065)=1.可得放熱3.4.2壓頭和PQ曲線管道的阻力損失稱為壓頭包括沿程阻力損失系數(shù)a=3.4x6.25×1×1.3×1=26.4△H1和局部阻力損失AH2兩部分。由《電子設(shè)備結(jié)(W/m2·℃)。構(gòu)設(shè)計原理》圖87得流量與阻力損失間的關(guān)系曲在強(qiáng)迫對流,熱功率53W狀態(tài)中,器件溫升為線為圖4中曲線1所示,選擇的風(fēng)機(jī)PQ曲線為圖P4曲線2所示。2R2+(a+a)S688×10-3+(4.8+26.4)×0.186=9.1(℃)在此工作狀態(tài)下,工作溫度t=L2+△t=45+91=54.1(℃),滿足使用要求。實驗室模擬及 Flother軟件仿真計算Flothern軟件是英國 FLOMERICS公司針對電Q子散熱的仿真分析軟件,與機(jī)械CAD(MCAD)軟件42.84.25.67.08.49.811.212.614m3/ain有良好的接口。在該仿真設(shè)計中,我們把關(guān)節(jié)內(nèi)腔圖4風(fēng)道與風(fēng)機(jī)特性線等效為一個Φ23.6mm,長1的圓柱狀熱源( heat source),其熱功率( total power)為53W,假定圖中曲線1代表風(fēng)道特性曲線,即阻力特性曲環(huán)境溫度( Ambients Temperature)為45℃,溫度感應(yīng)線圖中曲線2代表風(fēng)機(jī)的PQ曲線,因此其工作點點( Rack point)在其幾何中心,在標(biāo)準(zhǔn)壓力、輻射打為C點,也就是所需的風(fēng)機(jī)特性。開( Radiation on)和日光關(guān)閉( Solar off)等條件下3.4.3散熱計算如果為自然散熱,其收斂曲線為圖5中的曲線1,其由圖3可以知道風(fēng)道面積經(jīng)過中國煤化工在80℃左右。如果S1=(202-150)×112+(202采用CNMHG,其收斂曲線為2,(262-112)=31624(mm2)=0.032(m2)平衡溫度在56左右。風(fēng)機(jī)流量C=12m3/min=0.2m3/s(下轉(zhuǎn)第l61頁)007年第2期辜永忠等:一種新的陣列天線幅相誤差校正算法161[4 HUNG E. A Critical Study of a Self-calibration Direction4結(jié)語finding Method for Arrays[J]. IEEE Trans. On Signalrocessing,1994,42(2):471-474本文提出一種新的通道幅相誤差校正算法,在5 PIERRE J, KAVEH M. Experimental Performance of粗略知道校正源方位角的情況下,可以通過迭代逼Calibration and Direction Finding Algorithms[ J.Pro-ceedings of IEEE ICASSP'91, 1 365-1 368近幅相誤差的真實值,而且整個迭代過程收斂速度[6]王永良,等.空間譜估計理論與算法[M].北京:清快,估計精度高。文中給出的計算機(jī)仿真實驗證明華大學(xué)出版社,2004了該方法的有效性作者簡介參考文獻(xiàn)[1] PAULRAJ A, KAILATH T. Direction of Arrival Estima-辜永忠(1982-),男,四川眉山人,四tion by Eigenstructure Methods with Unknown Sensor Gain川大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院碩士研究生,主要研究方and Phase[J]. Proc. IEEE ICASSP'85, 1985:640-向為隨機(jī)信號處理、陣列信號處理643[2] WEISS A J, FRIEDLANDER B. Eigenstructure Methodsfor Direction Finding with Sensor Gain and Phase Uncer顧杰(1974-),男,上海人,信號與信息處理專業(yè)博tainty[ J. Circuits, System& Signal Processing,1990,士,研究方向主要為自適應(yīng)信號處理,蜂窩定位技術(shù),數(shù)字波(3):271-300束形成及無源探測等[3] FRIEDLANDER B, WEISS A J. Direction Finding in the馬洪(1945-),男,重慶人,四川大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院教授,Presence of Mutual Coupling[門]. IEEE Trans.OnAn·博士生導(dǎo)師,四川省概率統(tǒng)計學(xué)會副理事長,研究方向為隨tenna and Propagation, 1991, 39(3): 273-284機(jī)信號處理與模式識別?！襞f◆舊◆◆◆引◆◆◆◆◆◆◆◆圖◆◆◆舊◆◆◆◆◆◆◆◆舊舊◆出舊中舊寺非◆◆(上接第151頁)用要求。在實際使用過程中穩(wěn)定、可靠。具有很高的工程推廣價值。100perature Monitor point參考文獻(xiàn):監(jiān)測點1監(jiān)測點2[1]趙惇殳.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1981.[2]鄒繼武,陸永平.磁性流體密封原理與設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社想70[3 Flotherm, Flo/EMC. Techniques Guide. Release V4.1[4 Centrifugal blowers and fans Catalogue 2004 ebmpapst作者簡介Iteration Number賀定國(1974-),男,1998年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程系,中國電子科技集團(tuán)公司第39研究所工程師,主要從圖5收斂曲線事天線饋電研究6結(jié)語中國煤化工CNMHG通過以上分析計算和軟件仿真可知,磁流體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在環(huán)境溫度為45℃時滿功率工作,通過強(qiáng)迫風(fēng)冷,其熱平衡后溫度不會超過65℃,可以滿足使