禹建勇， 張 瑞， 王 成， 李 超

(1.南京科遠(yuǎn)智慧科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211102; 2.江蘇省熱工過程智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211102;3.南京拓耘達(dá)智慧科技有限公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，電動(dòng)執(zhí)行器因其自動(dòng)化水平高，動(dòng)力源易取得等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金等行業(yè)的閥門控制和調(diào)節(jié)中[1]。電動(dòng)執(zhí)行器因其工作過程中，控制元件會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，使其控制模塊溫度快速升高，影響運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命[2,3]，僅靠封裝外殼的散熱往往無法滿足散熱要求，常借助于外部器件來創(chuàng)造良好的散熱條件。常用的散熱方法有自然對流散熱、強(qiáng)制對流散熱、液冷散熱、熱管散熱等[4]。對于執(zhí)行器這類以金屬鑄件為主、使用環(huán)境惡劣的產(chǎn)品，采用自然對流散熱的散熱方式具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)且可靠性高的特點(diǎn)，其中，翅片散熱器因其無活動(dòng)部件、性能穩(wěn)定、且制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，在執(zhí)行器中應(yīng)用最廣泛。

由于執(zhí)行器結(jié)構(gòu)及功能的特殊性，在散熱器設(shè)計(jì)中還需兼顧安裝空間的限制，因此多為特定型號(hào)特殊定制散熱器。執(zhí)行器用翅片散熱器主要由基板和翅片構(gòu)成，通過控制翅片厚度、高度、間距，及基板厚度、形狀、材料等參數(shù)來控制散熱效率。對于散熱效率的控制，多采用制作樣機(jī)并實(shí)驗(yàn)測量的方式來確定散熱器的散熱效果，如果溫升不滿足，往往需要反復(fù)打樣及實(shí)驗(yàn)，既增加研發(fā)成本，又影響研發(fā)效率。

大量學(xué)者對多種類型的翅片散熱器的進(jìn)行了研究。Avram Bar-Cohen[5]通過理論創(chuàng)建計(jì)算模型，對垂直布置式散熱器進(jìn)行了研究，黃曉明等[6]、李紅月等[7]大量學(xué)者[8-11]對散熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，謝少英等[12]采用復(fù)合形優(yōu)化算法對型材散熱器各幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，崔萬新等[13]對影響散熱器散熱性能的幾何因素進(jìn)行分析，徐鵬程等[14]建立了三維熱管散熱器模型研究了翅片厚度及間距對散熱性能的影響，但該類分析多針對強(qiáng)制對流型散熱器，對自然對流冷卻的散熱器研究較少。

筆者針對某型執(zhí)行器的定制散熱器，采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究方法，分析其尺寸參數(shù)對散熱性能的影響，并給出在節(jié)約成本，合理散熱下的最優(yōu)設(shè)計(jì)尺寸，通過試驗(yàn)驗(yàn)證最優(yōu)設(shè)計(jì)散熱性能的可靠性。

1 仿真及驗(yàn)證

1.1 模型建立

筆者所研究的翅片散熱器模型如圖1所示，由IGBT板、基板、翅片組成。其中，由于散熱器安裝空間已定，故基板直徑不可變動(dòng)，翅片高度只可降低，不可增高，因此，以基板厚度d、翅片厚度t、翅片間距s、翅片高度h為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，以穩(wěn)態(tài)溫升為約束，以質(zhì)量最小化為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 翅片散熱器模型

在給定散熱器基板尺寸條件下，其尺寸優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)描述為：目標(biāo)：散熱器質(zhì)量M最小化；變量：8 mm≤基板厚度d≤12 mm；20 mm≤翅片高度h≤25 mm；3 mm≤翅片厚度t≤5 mm；4 mm≤翅片間距s≤14 mm；約束：溫升△T≤30 ℃。

值得指出的是，由于執(zhí)行器用散熱器采用低壓鑄造工藝及機(jī)加工工藝生產(chǎn)制造，為控制成本和保證加工精度，翅片厚度不能過薄，需大于等于3 mm。且在優(yōu)化過程中，翅片均布于散熱器基板上，在翅片間距改變時(shí)，翅片數(shù)量會(huì)相應(yīng)的增多或減少，不會(huì)出現(xiàn)大于翅片間距而無翅片分布的情況。初始翅片散熱器的幾何參數(shù)如表1所列。

表1 初始翅片散熱器幾何參數(shù)表

散熱器多參數(shù)優(yōu)化分析在SolidWorks simulation軟件中進(jìn)行，散熱器為固體域，材料為6061鋁合金，將其附近一定區(qū)域內(nèi)的空間設(shè)置為流體域，介質(zhì)為空氣，為模擬偏惡劣的情況，周圍空氣無強(qiáng)制散熱條件，只有溫差作用引起的浮力作用，即自然對流中引入了Boussinesq假設(shè)。此外，分析中考慮了發(fā)熱模塊的恒定發(fā)熱功率，輻射散熱，接觸面熱阻因素。在給定邊界條件后，首先驗(yàn)證了網(wǎng)格無關(guān)性，對模型設(shè)置不同尺寸劃分網(wǎng)格，驗(yàn)證初始模型的最終溫升，結(jié)果如圖2所示。最后三種網(wǎng)格所得溫度偏差非常小，表明此時(shí)溫升結(jié)果不受網(wǎng)格密度影響，故取網(wǎng)格數(shù)33617進(jìn)行尺寸優(yōu)化計(jì)算。

圖2 不同網(wǎng)格下的溫升驗(yàn)證

為驗(yàn)證熱分析的可靠性，將現(xiàn)有幾何尺寸下仿真所得溫升結(jié)果與試驗(yàn)測量相比較，現(xiàn)有散熱器產(chǎn)品試驗(yàn)測量溫升為36 ℃，仿真所得溫升為35.98 ℃，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，證明散熱分析的方法和結(jié)果可靠。

1.2 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)所設(shè)置的約束條件，共有162種工況。對每一種工況進(jìn)行三維模型重建和溫度場分析，得到所有工況的溫度和散熱器質(zhì)量。優(yōu)化篩選出溫升小于30 ℃的最優(yōu)的兩種工況，如表2所列?？梢姡瑑煞N結(jié)果的溫升非常接近，主要差異在于基板的間距不同。

表2 多參數(shù)優(yōu)化最優(yōu)尺寸組合

根據(jù)低壓鑄造要求，因翅片相對較密，鑄件需一定的拔模角度，壓鑄廠家建議拔模角度為2.25°?？紤]拔模角度，依據(jù)工況1、工況2所得尺寸重新建模并重新仿真。結(jié)果表明：間距6 mm工況，溫升為26.9 ℃，間距8 mm工況，溫升為25.2 ℃，間距6 mm工況的溫升較大。分析原因可能在于，間距為6 mm時(shí)，考慮拔模角度，翅片根部實(shí)際間距只有3.8 mm，間距過小，在翅片根部容易形成熱邊界層重疊區(qū)域，影響散熱效率。因此，基板厚度d=8 mm，翅片高度h=25 mm，翅片厚度t=4 mm，翅片間距s=8 mm，為翅片散熱器的最終設(shè)計(jì)尺寸。最優(yōu)工況下，散熱器工作15 min時(shí)的溫度云圖如圖3所示，其最高溫度為45.2 ℃，環(huán)境溫度20 ℃，溫升為25.2 ℃，此時(shí)，通過散熱器中心的截面溫度云圖和速度矢量圖如圖4、圖5所示，其溫升為24.7 ℃，由自然對流產(chǎn)生的風(fēng)速大小為0.5 m/s。

圖3 翅片散熱器15 min溫度云圖

圖4 翅片散熱器15 min截面溫度云圖

圖5 翅片散熱器15 min速度矢量剖面圖

1.3 試驗(yàn)對比

依照仿真所得的最優(yōu)結(jié)果進(jìn)行打樣，并進(jìn)行溫升試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)執(zhí)行器如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)執(zhí)行器圖

目前，翅片散熱器散熱效果的試驗(yàn)方法為：將對應(yīng)型號(hào)的執(zhí)行器結(jié)構(gòu)安裝完成，依照S2工作制持續(xù)運(yùn)行15 min，其中，0～14 min 35 s范圍內(nèi)，執(zhí)行器以100%速度運(yùn)行，輸出1/3力矩，14 min 35 s～15 min范圍內(nèi)，執(zhí)行器以40%速度運(yùn)行，輸出額定力矩，在運(yùn)行過程中，IGBT溫度會(huì)在顯示面板中實(shí)時(shí)顯示，記錄IGBT溫升數(shù)值，末溫以15 min運(yùn)行后溫度持續(xù)上升的最高值為準(zhǔn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量，該IGBT的最高溫升為22 ℃，與仿真所得的25.2 ℃基本吻合。

2 結(jié) 論

針對執(zhí)行器控制元件的散熱要求較高，多采用特定型號(hào)特殊定制翅片式散熱器的特點(diǎn)，對某型執(zhí)行器用翅片式散熱器結(jié)構(gòu)的主要尺寸參數(shù)進(jìn)行了多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括基板厚度、翅片高度、翅片間距、翅片厚度四個(gè)主要參數(shù)，給定了參數(shù)的合理范圍，并以質(zhì)量最小為目標(biāo)條件，以溫升限制為約束條件，從多種組合工況中選擇了最優(yōu)尺寸組合，并考慮鑄造工藝重新建模仿真，得到了尺寸最優(yōu)、散熱最優(yōu)、質(zhì)量最小的翅片式散熱器，即基板厚度為8 mm，翅片厚度4 mm，翅片高度25 mm，翅片間距8 mm時(shí)，執(zhí)行器電控元件的溫升最低。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量，仿真結(jié)果與試驗(yàn)所得溫升吻合較好，有效節(jié)約了研發(fā)設(shè)計(jì)周期，降低了生產(chǎn)成本。