摘    要：

電機(jī)控制器中的主要散熱器件有電容和IGBT等,其散熱性能直接關(guān)系到電機(jī)的輸出。以控制器中的8個(gè)電容及3個(gè)IGBT為主要熱源,采用有限元分析的穩(wěn)態(tài)熱模塊及流體模塊,分別對(duì)其進(jìn)行溫度仿真分析,分析對(duì)比在使用水冷散熱前后主要發(fā)熱器件的散熱狀態(tài),得出水冷散熱的仿真效果比常態(tài)下的溫度降低約27℃,為實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供支撐。

關(guān)鍵詞：控制器;水冷;熱仿真;

0 引言

隨著電子產(chǎn)品小型化的發(fā)展，控制器的尺寸隨著元器件的小型化逐漸減小，但元器件的熱功率密度越來越大，其運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，為此研究主要元器件在狹窄結(jié)構(gòu)空間的散熱，保證其不超過耐熱極限[1,2]。水的比熱容是空氣的4倍，選用水冷板對(duì)其進(jìn)行散熱處理，可以提高散熱效率[3,4]。以5.5 k W控制器為例，對(duì)其主要發(fā)熱器件電容及IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵極型晶體管）進(jìn)行熱仿真分析。

1 控制器的前處理

1.1 控制器結(jié)構(gòu)降階處理

對(duì)5.5 k W控制器進(jìn)行3D建模，顯示控制器有1215個(gè)部件，控制器模型如圖1所示。若全部仿真會(huì)使模擬計(jì)算量和時(shí)間增加，一般需要進(jìn)行模型降階處理[5]。

圖1 控制器模型

保留控制器的主要發(fā)熱器件為8個(gè)電容及3個(gè)IGBT，保留殼體及水冷板。將殼體外部的航空插頭、發(fā)熱不嚴(yán)重的電路板及控制器外殼的螺紋孔全部填補(bǔ)完整。將水冷板的殼體與水道使用布爾減的方法進(jìn)行分離，防止后期網(wǎng)格劃分時(shí)，將殼體和水道劃為整體，導(dǎo)致網(wǎng)格劃分不合適，計(jì)算失敗。模型降階情況如圖2所示。

1.2 控制器網(wǎng)格設(shè)置

網(wǎng)格劃分的好壞直接關(guān)系到計(jì)算的結(jié)果和計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候，優(yōu)先選擇曲面狀的物體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這樣在網(wǎng)格劃分的時(shí)候就可以保證曲面的完整性。對(duì)其他規(guī)則體選擇自動(dòng)劃分或者是六面體網(wǎng)格劃分即可。

圖2 控制器模型降階

對(duì)水冷板的水道進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，要使用兩種網(wǎng)格的劃分方式，一是水冷板的外殼選擇六面體網(wǎng)格的劃分；二是單獨(dú)對(duì)水冷板水道部分使用多區(qū)域式網(wǎng)格劃分，并為其添加膨脹層。這里添加膨脹層是因?yàn)榫W(wǎng)格模仿了內(nèi)部的流體，它其實(shí)外面還有一層墻壁，墻壁與流體之間有相互作用，導(dǎo)致靠近墻壁的粘滯效應(yīng)比較顯著，會(huì)出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，為捕捉此處的梯度變化所以采用局部加密的辦法，也就是添加膨脹層。

以命名的方法設(shè)置速度入口Inlet、壓力出口Outlet，方便在流體模塊時(shí)，軟件能夠自動(dòng)讀取水冷板的進(jìn)水口和出水口。單元網(wǎng)格尺寸為0.002 m，其網(wǎng)格劃分選擇情況如圖3所示。

2 控制器穩(wěn)態(tài)熱分析

先使用穩(wěn)態(tài)熱模塊導(dǎo)入已經(jīng)處理好的降階控制器模型，之后進(jìn)行工程數(shù)據(jù)的修改，添加熱材料鋁、硅等并將其進(jìn)行對(duì)應(yīng)匹配，外殼選用鋁，發(fā)熱器件選擇硅。接下來進(jìn)行條件設(shè)置，設(shè)置初始溫度為20℃，添加內(nèi)部生成熱，選擇3個(gè)IGBT給定數(shù)值。2×10-5W/mm3，設(shè)置對(duì)流；再次添加內(nèi)部生成熱，選擇3個(gè)IGBT給定數(shù)值。2×10-5W/mm3，設(shè)置對(duì)流；對(duì)其進(jìn)行求解，溫度求解云圖如圖4。

穩(wěn)態(tài)熱模塊下云圖顯示結(jié)果為：8個(gè)電容的最大溫度為56.897℃，3個(gè)IGBT的最大溫度為56.1℃，不通水的水冷板僅靠鋁材本身散熱的溫度為55～56℃。

3 控制器流體模塊分析

將前面建立好的控制器降階模型導(dǎo)入流體模塊，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再進(jìn)行邊界條件設(shè)定。能量方程打開，黏性選擇層流，這一模塊里需要設(shè)置材料材質(zhì)分別為鋁和液態(tài)水；修改速度入口為液態(tài)水，速度為1 m/s，溫度20℃。在流體模塊中進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，設(shè)置輸入?yún)?shù)：生熱率=熱耗散功率/體積，芯片的熱耗散功率是20 W，用表達(dá)式將生熱率表示出來，設(shè)置輸出參數(shù)為壓力出口Outlet，進(jìn)行分析[6]，最后進(jìn)行迭代求解。流體結(jié)果分析云圖如圖5、圖6、圖7所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 溫度云圖 

在使用水冷板且水流速度設(shè)定為1 m/s的情況下，流體模塊下云圖顯示結(jié)果為：(1)最大溫度在電容處，其溫度為30℃；(2)IGBT處溫度在27～28℃之間；(3)S形水道的溫度為25℃。

4 結(jié)束語

控制器各元器件在不使用水冷的常態(tài)溫度情況與使用水冷且水流速度為1 m/s時(shí)的溫度情況對(duì)比見表1。

由表1可知，使用水冷可以有效的降低控制器各元器件的溫度，在水流速度為1 m/s的情況下可以降低溫度約27℃，還可以保障IGBT等功能模塊環(huán)境溫度的穩(wěn)定，提升其長(zhǎng)期工作的可靠性，為實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供支撐。若能使用專業(yè)的冷卻液，并加大液體流速，可達(dá)到更加高效的降溫效果。

圖5 Y、X方向溫度云圖

圖6 Z、X方向溫度云圖 

圖7 水冷板溫度云圖

表1 控制器各元器件溫度

參考文獻(xiàn)

[1] 姜坤,李濤,張永亮.電機(jī)控制器IGBT模塊水冷散熱研究[J].電子科技,2017(2):68-71.

[2] 楊雄鵬,張磊,曹倫,等.IGBT用水冷板式散熱器的數(shù)值模擬[J].電子機(jī)械工程,2014(4):43-46.

[3] 丁杰,李江紅,陳燕平,等.流動(dòng)狀態(tài)與熱源簡(jiǎn)化方式對(duì)IGBT水冷板仿真結(jié)果的影響[J].機(jī)車電傳動(dòng),2011(5):21-25.

[4] 張程,張卓.IGBT大功率模塊水冷散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用,2016(5):9-11,15.

[5] 苗苗,王碩,李雪冬.S形水道水冷板傳熱特性研究[J].鐵道機(jī)車與動(dòng)車,2013(12):16-18,42.

[6] 王玉玨,杜雪濤.水冷式熱管散熱器在服務(wù)器中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015(5):39-42.

文章來源：設(shè)備管理與維修