磁流体旋转关节的热分析及散热设计

第2期中電纠硎脫枫Vol 2 No. 22007年4月Journal of CAEItpr.2007工覆与应用磁流体旋转关节的热分析及散热设计贺定国(中国电子科技集团公司第39研究所,西安710065)摘要:通过传统热设计理论对大功率雷达中的关键微波器件磁流体旋转关节进行了热分析和散热设计,并通过 Flotherm热分析软件进行了仿真计算。关键词:磁流体关节;热设计;强迫风冷中图分类号:TN954文献标识码:A文章编号: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引言理的散热方法。根据热设计理论,物体散热主要有热传导、对流和辐射三种途径。而在工程实际中还关节是雷达天线实现方位、俯仰转动必要的微要考虑到可实现性、经济性和安全可靠性波器件,而磁流体关节因其密封简单可靠、耐压值高电子设备的冷却方法取决于设备的热损耗功率及启动力矩小等优点,特别适合在大功率雷达中使及其集中程度,一般按电子设备的热流密度来确定。用。大功率雷达中,其馈线损耗会引起微波器件发热流密度是指单位散热面积需散发的热量,单位为热,实践证明,电子元件的故障率随元件的温度升高W/cm2,图1是温度差△t为40℃时的冷却方式选择呈指数关系增加。磁流体关节由于温度的升高密封参考图。性能会显著下降,从而导致系统的功率容量降低,甚至瘫痪。所以必须进行仔细的热分析,以便在结构白然散热200上进行合理的散热设计。通过对某工程中关键部件强迫风冷z.磁流体关节的热分析和散热设计,给出了分析步骤和常用的散热设计方法。液体冷却z22222220062蒸发冷却团z散热量/·cm21散热设计的基本原则图1冷却方式选择图散热设计首先要了解发热器件的热特性,其主中国煤化工意和物体的温差成正要参数包括发热功率,发热元件的散热面积,热敏元比,件最高允许的工作温度及环境温度等,然后选择合修正CNMH6据按实际温差进行收稿日期:20070121修订日期:20070305150中阉定舀纠囉研院学枫2007年第2期2磁流体旋转关节的热分析5.55×104w/m2℃,接触面积s=m(8532-23.624×10°2.1旋转关节的外型结构524×10-(m2),R2==3.44×10(℃/W),通为了加大散热面积,在旋转关节主体上加平行过热传导散热系数为2R=6.8×X10(℃/W)肋散热鳍,具体结构见图2。3.2辐射散热辐射放热系数a,=Ef(1,t2)。其中,黑度En由《电子设备结构设计原理》附表Ⅲ査得En=0.7。f(t1,t2)由《电子设备结构设计原理》表5-1查得f(65,45)=8.05(W/m2℃),所以辐射放热系数a,=Ef(41,t2)=0.7×8.05=5.635(W/m2℃为了最终确定结构中采用何种散热方式,分别2定环对器件进行了自然对流和强迫对流两种热设计计3.磁极算,结合以上根据热流密度给出的选择,最终确定散4.轴承热方式。5.磁钢3.3自然对流散热6.磁流体7.散热鳍定性温度:tnt+_45+65=55(℃)。查《电子设备结构设计原理》附表I得物理参数为:柏图2磁流体关节结构图朗特尔数P=0.697,y=18.55×106m2/s;流体导热系数A=2.86W/m·℃,B=1/(273+55)=2.2热特性主要参数1/328,△t=20℃,h=0.12m散热面积:根据用Pro/E建模测得磁流体旋转故有格拉晓夫数Gr=Bgh3△t/y2关节的表面积(除两接触端面)为0.186m2(散热材9.8×0.123×20料为H62黄铜),所以散热面积S=0.186m2328×(1855×10-)2÷3.00×10°<10由上式可知:关节在自然散热方式下的换热属磁流体旋转关节最高允许的工作温度为65C,于层流状态,由空气的层流放热系数公式取1=65℃,环境温度t2=45℃,热功率P=53W。2.3热流密度及散热方式的选择=134(△h)=1.3420024.8W/m2·℃热流密度A=P/S=53/1860=0.028在自然对流,热功率53W状态中,器件温升为(W/cm2),温升△t=t1-l2=65-45=20(℃),对图1进行修正知此时不同散热方式的热流密度分别为2R +(a+a,0.02,0.15,0.31,0.54。由此得知关节应选择强迫27.2℃风冷进行散热。6.88×10-3+(4.8+5.635)×0.186当然,图1是由许多实验得出的统计规律,针对具在此工作状态下工作温度t=t2+△t=45+体问题,我们还要运用热设计理论进行具体的计算272=72.2(℃),不能满足使用要求,所以必须采取3磁流体旋转关节散热设计中国煤化工CNMHG3.1热传导散热3.4.1设计风道和选择风机接触热阻R=1(℃/W),接触传热系数k。=强迫风冷就必须设计风道和选择风机,图3是根据实际设计的风道。2007年第2期贺定国等:磁流体旋转关节的热分析及散热设计151空气γ值y=1795×106m2/s,流速C_0=6.25m/S10.032雷诺数(表示空气运动状态参数)R。式中,d为圆风道直径,矩形风道等效直径4×0.032d=0.2(m)6.25×0.2R17.95X10-=69637>104表明对流状态为紊流。图3散热风道示意图则对流散热系数:a。=z·z·E,·的·6R,查表《电子设备结构设计原理》可知Z=3.4,B=风机选择EBM公司产品,其型号为D4E160DAOI-22E=(065)=1.可得放热3.4.2压头和PQ曲线管道的阻力损失称为压头包括沿程阻力损失系数a=3.4x6.25×1×1.3×1=26.4△H1和局部阻力损失AH2两部分。由《电子设备结(W/m2·℃)。构设计原理》图87得流量与阻力损失间的关系曲在强迫对流,热功率53W状态中,器件温升为线为图4中曲线1所示,选择的风机PQ曲线为图P4曲线2所示。2R2+(a+a)S688×10-3+(4.8+26.4)×0.186=9.1(℃)在此工作状态下,工作温度t=L2+△t=45+91=54.1(℃),满足使用要求。实验室模拟及 Flother软件仿真计算Flothern软件是英国 FLOMERICS公司针对电Q子散热的仿真分析软件,与机械CAD(MCAD)软件42.84.25.67.08.49.811.212.614m3/ain有良好的接口。在该仿真设计中,我们把关节内腔图4风道与风机特性线等效为一个Φ23.6mm,长1的圆柱状热源( heat source),其热功率( total power)为53W,假定图中曲线1代表风道特性曲线,即阻力特性曲环境温度( Ambients Temperature)为45℃,温度感应线图中曲线2代表风机的PQ曲线,因此其工作点点( Rack point)在其几何中心,在标准压力、辐射打为C点,也就是所需的风机特性。开( Radiation on)和日光关闭( Solar off)等条件下3.4.3散热计算如果为自然散热,其收敛曲线为图5中的曲线1,其由图3可以知道风道面积经过中国煤化工在80℃左右。如果S1=(202-150)×112+(202采用CNMHG,其收敛曲线为2,(262-112)=31624(mm2)=0.032(m2)平衡温度在56左右。风机流量C=12m3/min=0.2m3/s(下转第l61页)007年第2期辜永忠等:一种新的阵列天线幅相误差校正算法161[4 HUNG E. A Critical Study of a Self-calibration Direction4结语finding Method for Arrays[J]. IEEE Trans. On Signalrocessing,1994,42(2):471-474本文提出一种新的通道幅相误差校正算法,在5 PIERRE J, KAVEH M. Experimental Performance of粗略知道校正源方位角的情况下,可以通过迭代逼Calibration and Direction Finding Algorithms[ J.Pro-ceedings of IEEE ICASSP'91, 1 365-1 368近幅相误差的真实值,而且整个迭代过程收敛速度[6]王永良,等.空间谱估计理论与算法[M].北京:清快,估计精度高。文中给出的计算机仿真实验证明华大学出版社,2004了该方法的有效性作者简介参考文献[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川大学数学学院硕士研究生,主要研究方and Phase[J]. Proc. IEEE ICASSP'85, 1985:640-向为随机信号处理、阵列信号处理643[2] WEISS A J, FRIEDLANDER B. Eigenstructure Methodsfor Direction Finding with Sensor Gain and Phase Uncer顾杰(1974-),男,上海人,信号与信息处理专业博tainty[ J. Circuits, System& Signal Processing,1990,士,研究方向主要为自适应信号处理,蜂窝定位技术,数字波(3):271-300束形成及无源探测等[3] FRIEDLANDER B, WEISS A J. Direction Finding in the马洪(1945-),男,重庆人,四川大学数学学院教授,Presence of Mutual Coupling[门]. IEEE Trans.OnAn·博士生导师,四川省概率统计学会副理事长,研究方向为随tenna and Propagation, 1991, 39(3): 273-284机信号处理与模式识别。◆旧◆旧◆◆◆引◆◆◆◆◆◆◆◆图◆◆◆旧◆◆◆◆◆◆◆◆旧旧◆出旧中旧寺非◆◆(上接第151页)用要求。在实际使用过程中稳定、可靠。具有很高的工程推广价值。100perature Monitor point参考文献:监测点1监测点2[1]赵惇殳.电子设备结构设计原理[M].南京:江苏科学技术出版社,1981.[2]邹继武,陆永平.磁性流体密封原理与设计[M].北京:国防工业出版社想70[3 Flotherm, Flo/EMC. Techniques Guide. Release V4.1[4 Centrifugal blowers and fans Catalogue 2004 ebmpapst作者简介Iteration Number贺定国(1974-),男,1998年毕业于西北工业大学机电工程系,中国电子科技集团公司第39研究所工程师,主要从图5收敛曲线事天线馈电研究6结语中国煤化工CNMHG通过以上分析计算和软件仿真可知,磁流体旋转关节在环境温度为45℃时满功率工作,通过强迫风冷,其热平衡后温度不会超过65℃,可以满足使