兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (8): 2712-2727.doi: 10.12382/bgxb.2023.0616
收稿日期:
2023-06-28
上线日期:
2023-09-24
通讯作者:
基金资助:
SUN Zhengping, YANG Guolai*(), LI Lei**(
), WANG Liqun
Received:
2023-06-28
Online:
2023-09-24
摘要:
永磁式电涡流制退机是火炮后坐阻力高效控制领域中一种具有创新性的设计,在耗能密度大、工作环境相对密闭的火炮应用场景下电涡流制退机会出现严重的温升现象,高温会导致钕铁硼材料磁性能的下降继而影响制退特性,现阶段钕铁硼的热退磁过程尚不明晰且缺乏理论表达。为掌握钕铁硼热退磁特性,基于微磁模拟方法,从微观磁矩受热运动的角度定量分析不同温度下钕铁硼的退磁过程,得到宏观钕铁硼的退磁曲线。为使退磁曲线更好地指导工程设计,使用J-A模型对钕铁硼退磁行为进行理论描述,并进行实验验证。分别基于传统的剩余磁通密度模型和J-A模型开展钕铁硼退磁与阻力退化的磁热耦合数值计算,通过与原理样机试验结果进行对比发现,J-A模型对钕铁硼磁性能的描述更为准确。计算不同工作温度及膛压下制退机工作性能,分析温度场下钕铁硼退磁特性及制退机阻尼特性。研究结果表明,最恶劣工况下钕铁硼最大退磁量为0.351T,制退机最大后坐位移为1108mm,这为电涡流制退机的设计提供了理论参考。
中图分类号:
孙正平, 杨国来, 李雷, 王丽群. 火炮电涡流制退机用钕铁硼的热退磁特性[J]. 兵工学报, 2024, 45(8): 2712-2727.
SUN Zhengping, YANG Guolai, LI Lei, WANG Liqun. Thermal Demagnetization Characteristics of Nd-Fe-B Used in Eddy Current Recoil Mechanism of Artillery[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(8): 2712-2727.
晶相 | Ms/(A·m-1) | K1/(J·m-3) | Ae/(J·m-1) | α |
---|---|---|---|---|
主相 | 1.28×106 | 4.2×106 | 1.047×10-11 | 0.010 |
界相 | 1.28×103 | 4.2×104 | 1.047×10-12 | 0.002 |
表1 钕铁硼磁性参数设置
Table 1 Magnetic parameters of Nd-Fe-B
晶相 | Ms/(A·m-1) | K1/(J·m-3) | Ae/(J·m-1) | α |
---|---|---|---|---|
主相 | 1.28×106 | 4.2×106 | 1.047×10-11 | 0.010 |
界相 | 1.28×103 | 4.2×104 | 1.047×10-12 | 0.002 |
图9 微磁数值模拟、J-A磁滞模型与实验测量得出的退磁曲线
Fig.9 Demagnetization curves obtained from micromagnetic numerical simulation, J-A hysteresis model and experimental measurement
温度/ ℃ | 饱和磁 化强度/ (kA·m-1) | 畴间耦 合参数/ (kA·m-1) | 形状 参数 | 钉扎 损耗/ (kA·m-1) | 可逆 磁化率 | 拟合 精度/ % |
---|---|---|---|---|---|---|
20 | 1300 | 102 | 0.840 | 1310 | 0.0002 | 93.1 |
40 | 1280 | 104 | 0.735 | 1105 | 0.0002 | 92.4 |
60 | 1250 | 111 | 0.631 | 848 | 0.0002 | 82.5 |
80 | 1240 | 97 | 0.549 | 655 | 0.0002 | 82.1 |
100 | 1220 | 99 | 0.453 | 480 | 0.0002 | 79.2 |
表2 不同温度下的J-A模型参数值
Table 2 Parameter values of J-A model at different temperatures
温度/ ℃ | 饱和磁 化强度/ (kA·m-1) | 畴间耦 合参数/ (kA·m-1) | 形状 参数 | 钉扎 损耗/ (kA·m-1) | 可逆 磁化率 | 拟合 精度/ % |
---|---|---|---|---|---|---|
20 | 1300 | 102 | 0.840 | 1310 | 0.0002 | 93.1 |
40 | 1280 | 104 | 0.735 | 1105 | 0.0002 | 92.4 |
60 | 1250 | 111 | 0.631 | 848 | 0.0002 | 82.5 |
80 | 1240 | 97 | 0.549 | 655 | 0.0002 | 82.1 |
100 | 1220 | 99 | 0.453 | 480 | 0.0002 | 79.2 |
材料 | 电导率/(S·m-1) | 相对介电常数 | 密度/(kg·m-3) | 恒压热容/(J·kg-1·℃-1) | 导热率/(W·m-1·℃-1) |
---|---|---|---|---|---|
Al2O3 (内筒材料) | 2.7×107 | 1 | 3900 | 900 | 238 |
DT4 (外筒材料) | 2.0×107 | 1 | 7860 | 460 | 46 |
空气 | 1 | 1 | 1.293 | 1004 | 0.0244 |
表3 氧化铝、DT4、空气的材料参数设置
Table 3 Material parameters of alumina, DT4 and air
材料 | 电导率/(S·m-1) | 相对介电常数 | 密度/(kg·m-3) | 恒压热容/(J·kg-1·℃-1) | 导热率/(W·m-1·℃-1) |
---|---|---|---|---|---|
Al2O3 (内筒材料) | 2.7×107 | 1 | 3900 | 900 | 238 |
DT4 (外筒材料) | 2.0×107 | 1 | 7860 | 460 | 46 |
空气 | 1 | 1 | 1.293 | 1004 | 0.0244 |
电导率/(S·m-1) | 相对介电常数 | 密度/(kg·m-3) | 恒压热容/(J·kg-1·℃-1) | 导热率/(W·m-1·℃-1) |
---|---|---|---|---|
6.25×105 | 1 | 7400 | 400 | 8.95 |
表4 钕铁硼基础材料参数
Table 4 Nd-Fe-B basic material parameters
电导率/(S·m-1) | 相对介电常数 | 密度/(kg·m-3) | 恒压热容/(J·kg-1·℃-1) | 导热率/(W·m-1·℃-1) |
---|---|---|---|---|
6.25×105 | 1 | 7400 | 400 | 8.95 |
Ms/(kA·m-1) | αja/(kA·m-1) | a | k/(kA·m-1) | c | 初始磁化强度/(kA·m-1) |
---|---|---|---|---|---|
-T+1318 | -0.00483T+0.93 | -10.45T+1503 | 102 | 0.0002 | -1.066T+1172 |
表5 J-A磁滞模型下的钕铁硼磁性参数
Table 5 Magnetic parameters of Nd-Fe-B under J-A hysteresis model
Ms/(kA·m-1) | αja/(kA·m-1) | a | k/(kA·m-1) | c | 初始磁化强度/(kA·m-1) |
---|---|---|---|---|---|
-T+1318 | -0.00483T+0.93 | -10.45T+1503 | 102 | 0.0002 | -1.066T+1172 |
剩磁/T | 真空磁导率/(H·m-1) | 相对磁导率 |
---|---|---|
-0.00134T+1.4727 | 4π×107 | e0.0108T |
表6 剩余磁通密度模型下的钕铁硼磁性参数
Table 6 Magnetic parameters of Nd-Fe-B under the residual flux density model
剩磁/T | 真空磁导率/(H·m-1) | 相对磁导率 |
---|---|---|
-0.00134T+1.4727 | 4π×107 | e0.0108T |
图14 原理样机试验、剩余磁通密度模型与J-A磁滞模型数值模拟中的电磁制退力对比
Fig.14 Comparison of electromagnetic braking forces in the impact experiment of prototype, and the numerical simulations of residual magnetic flux density model and J-A hysteresis model
图15 原理样机试验、剩余磁通密度模型与J-A磁滞模型数值模拟中的后坐位移对比
Fig.15 Comparison of recoil displacements in the impact test of prototype, and the numerical simulations of residual magnetic flux density model and J-Ahysteresis model
工况 | 原理样机 实验结果 | 剩余磁 通模型 | J-A模型 |
---|---|---|---|
1 | 550 | 594(44) | 536(-14) |
2 | 761 | 864(103) | 773(12) |
3 | 867 | 962(95) | 863(-4) |
表7 最大后坐位移对比
Table 7 Maximum recoil displacementmm
工况 | 原理样机 实验结果 | 剩余磁 通模型 | J-A模型 |
---|---|---|---|
1 | 550 | 594(44) | 536(-14) |
2 | 761 | 864(103) | 773(12) |
3 | 867 | 962(95) | 863(-4) |
工况 | 温度 | 最大去磁量/T | 最大后坐位移/mm |
---|---|---|---|
20 | 0.044 | 536 | |
1 | 40 | 0.082 | 549 |
60 | 0.155 | 570 | |
80 | 0.257 | 628 | |
20 | 0.052 | 773 | |
2 | 40 | 0.094 | 796 |
60 | 0.176 | 848 | |
80 | 0.317 | 919 | |
20 | 0.056 | 863 | |
3 | 40 | 0.095 | 912 |
60 | 0.179 | 986 | |
80 | 0.351 | 1108 |
表8 不同工况下的最大去磁量及最大后坐位移
Table 8 Maximum demagnetization and maximum recoil displacement under different working conditions
工况 | 温度 | 最大去磁量/T | 最大后坐位移/mm |
---|---|---|---|
20 | 0.044 | 536 | |
1 | 40 | 0.082 | 549 |
60 | 0.155 | 570 | |
80 | 0.257 | 628 | |
20 | 0.052 | 773 | |
2 | 40 | 0.094 | 796 |
60 | 0.176 | 848 | |
80 | 0.317 | 919 | |
20 | 0.056 | 863 | |
3 | 40 | 0.095 | 912 |
60 | 0.179 | 986 | |
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