隨著工業4.0時代的來臨，工程設備越來越多地搭載伺服控制系統，以實現智能化控制。伺服控制系統是具備反饋調節機制的部件自動控制系統，主要由多組驅動器、伺服電機和其它執行器件組成。

圖1 伺服驅動系統

在復雜控制系統中，這些驅動器和配套的電氣元件同時工作，并統一部署在控制柜中。這意味著工業控制柜內的布局越來越緊湊，溫升也隨著能量密度的快速提升而變得越來越高。在此環境下，控制柜不僅容易局部溫度過高、能耗加劇，內部的關鍵元器件也面臨性能降低與壽命縮短，嚴重時甚至影響系統控制，干擾整機工作。

圖2 工業控制柜

目前，各行業領域普遍采用散熱風扇對控制柜類進行溫度控制，并且制定了詳實的標準以限制柜體表面、元件局部的溫升。風扇散熱屬于強迫對流換熱的一種，其本質是以風扇作為動量源，強化流-固接觸面的對流換熱效應，高效帶走固體表面的熱量，以達到控制溫升、提高元器件熱可靠性的效果。

伏圖-電子散熱模塊（Simdroid-EC）能夠為各種非標部署形式的控制柜建立系統級的熱模型，詳細模擬系統表面的溫升、內部器件的溫升、空氣或其他散熱介質的流動情況，并針對各種復雜工況開展熱分析與優化，保障熱設計方案安全達標。

 

Simdroid-EC功能亮點

Simdroid-EC是基于伏圖（Simdroid）平臺開發的針對電子元器件、設備等散熱的專用熱仿真模塊，提供傳熱分析、流場分析以及穩態&瞬態分析功能，能夠進行自然冷卻、強迫冷卻及混合冷卻分析，同時具備變化功耗和變化環境的瞬態分析能力，適用于控制柜散熱設計評估。

本文通過某IP67等級的密閉控制柜熱設計案例來說明Simdroid-EC的功能亮點。

1. 智能元件建模

通過Simdroid-EC導入接口，配合軟件內置的智能元件轉換與建模功能，可以為控制柜建立等效熱模型，并清理掉對本次熱分析影響極小的折彎角、安裝孔等結構。利用“軸流風扇”智能元件，可以快速搭建機柜內的散熱風扇模型，大幅提高建模效率。

圖3 搭建熱分析模型

2. 便捷工況設置

Simdroid-EC內置多種湍流、輻射、重力、多流體區域等物理模型，以便捷定義多種工況。在模型設置頁面找到對應的設置模塊，即可設定紅外輻射、太陽輻射等分析條件，以模擬物體間的熱輻射和戶外工況下的太陽照射。

圖4 模型設置示意

3. 高效網格控制

為了精確捕捉機柜內外部的空氣流動與溫度梯度，使用Simdroid-EC的基于區域網格劃分方法，實現從局部到系統再到全局的多層次網格控制。

圖5 局部網格控制示意

本案例的網格分布投影如下。軟件不僅支持在某個視圖上顯示網格投影，還可以單獨顯示所選智能元件的三維網格，以便于更直觀地判斷其是否達到我們的網格控制要求。

圖6 二維網格投影與三維元件網格示意

4. 豐富的結果分析

當計算收斂后，Simdroid-EC會自動將計算結果加載至后處理模塊。控制柜的整體溫度場分布結果如下圖所示：

圖7 機柜內部和外殼表面溫度云圖

由上圖可以得出，控制柜外表面最高溫升為12.73°C，最低溫升為5.83°C，在可接觸表面的設計溫度范圍內；機柜內部各元件的表面溫度則比外表面更高。

圖8 自由繪制溫度云圖與標簽

使用軟件自由選擇對象繪制表面云圖，使可視化結果更聚焦于關鍵元器件，溫度場分布一目了然；在云圖中使用標簽功能，可以任意選擇云圖上的點讀取標量數據。

圖9 速度流線圖

基于內部循環風扇創建流線，可以直接觀察到控制柜內循環氣流的流動情況。流動速度較高的區域，空氣與元器件表面的對流換熱效果較好，而空氣幾乎不流通的區域則更容易形成熱量累積與較高的溫升。參照流線圖，可以對比得到散熱風扇與主要熱源間更加合理的布置方式，以提高散熱效率。

圖10 速度切面云圖

結合切面云圖，我們可以更清晰地觀察到整個流道內的速度分布，并獲取某關注點位的速度數值。以上各云圖皆可以切換標量為溫度、速度、壓力等等，用不同的變量渲染云圖，可以得到多樣化的報告呈現。

以風扇驅動的強迫對流換熱在散熱仿真中應用非常廣泛，除控制柜類的電氣部裝外，也常用于服務器、電腦主機、電源器件等電子設備中。Simdroid-EC具備便捷的模型導入與創建功能、快速的流體域網格劃分與查看功能，以及豐富的后處理結果，能夠幫助用戶快速評估熱害風險，為電子散熱行業提供高質量的產品熱設計方案。申請試用Simdroid-EC