汽車散熱器風(fēng)扇扇設(shè)計(jì)匹配方法

1、2010-4-71車用冷卻風(fēng)扇基礎(chǔ)車用冷卻風(fēng)扇基礎(chǔ) 2010-4-72Content Content Motor Basic 電機(jī)基礎(chǔ) CFM Basic 冷卻風(fēng)扇基礎(chǔ) Design of CFM system 冷卻模塊的設(shè)計(jì)校核 Technic trend of CFM 冷卻風(fēng)扇的發(fā)展趨勢 Question and Answer 問題討論2010-4-73Content Content Motor Basic 2010-4-7401. Headlight Retractor Motor02. Water Pump Motor03. Front Windshield Wiper Motor04

2、. Rear Windshield Wiper Motor05. Winshield Washer Motor06. Headlight Washer Pump Motor07. Door Lock Actuator Motor08. Power Antenna Motor09. Window Lift Motor10. Seat Motor11. Door-Mirror Motor12. Telescopic Steering Motor13. Tilt Steering Motor14. Sunroof Motor15. Power Curtain Motor16. Engine Cool

3、ing Motor17. Seat Motor for Side Support18. Seat Motor for Lumbar Support19. Blower Motor20. Condenser Cooling Fan Motor21. Servo Motor for Air Conditioner22. Motor for In-Car-Sensor 23. Blower Motor for Air-Purifier24. Height Adjusting Motor25. Motor for ABS26. Stepping Motor for Idle Speed Control

4、27. 4WD Def-lock Motor28. Stepping Motor for Odometer29. Motor for Auto Drive System30. Fuel Stop MotorMotors for Automotive 汽車用電機(jī)汽車用電機(jī)2010-4-752010-4-76繞組定子轉(zhuǎn)子電樞電刷彈簧繞組電刷電刷組件端蓋軸承機(jī)殼磁瓦電刷引線刷盒2010-4-77Eg +-raIUMotor Equation電機(jī)基本公式電機(jī)基本公式TilT,STTSn, I, I0SnltSnlIS根據(jù)上面簡化圖，電路平衡公式：U = IU = I* *R Ra a + E + Eg

5、 g其中： U Voltage電壓 I Current電流 Ra Resistance.電樞內(nèi)阻 Eg Counter EMF 反電勢Input power Input power 輸入功率輸入功率 P Pin in = U = U * * I (Watts) I (Watts) 其中 U 輸入電壓; I 電流由于摩擦阻力,風(fēng)阻,磁阻和內(nèi)電阻的損耗I2R, 電機(jī)的輸出功率小于輸入功率:Output power (shaft power) Output power (shaft power) 輸出輸出( (軸軸) )功率功率 P Ps s = 2 = 2 * * * *S / 60 S / 60

6、 * * T (Watts) T (Watts) 其中: S speed (rpm); T torque (Nm) Efficiency Efficiency 效率效率 = = P Ps/ s/ P Pin= in= 2 2 * * * *S / 60 S / 60 * * T /(U T /(U * * I ) I )2010-4-78Content Content Motor Basic CFM Basic 2010-4-79Function of Engine Cooling Module發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇的功用發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇的功用A/C CondenserRadiatorElectric

7、CoolingFan ModuleEngine ShroudViscous DriveEngine Driven Fan用于發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等的水箱, 冷凝器等的風(fēng)冷散熱.2010-4-710Structure of Engine Cooling Module發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇基本發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇基本結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)按照電機(jī)數(shù)量分為: 單風(fēng)扇和雙風(fēng)扇的冷卻風(fēng)扇總成按照裝配位置分為: 吹風(fēng)式和吸風(fēng)式;按照電機(jī)調(diào)速方式可以分為: 串電阻調(diào)速,串聯(lián)調(diào)速和PWM控制調(diào)速2010-4-711電子風(fēng)扇基本特性曲線電子風(fēng)扇基本特性曲線 靜壓靜壓流量曲線流量曲線效率曲線效率曲線 空氣功率輸入功率空氣功率輸入功率轉(zhuǎn)

8、速曲線轉(zhuǎn)速曲線n n 功率曲線功率曲線 輸入功率輸入功率電流曲線電流消耗電流曲線電流消耗 有用的條規(guī)律： 冷卻風(fēng)扇堵的越利害（風(fēng)阻大）時，流量越是小，功耗越是大，轉(zhuǎn)速越是低。因此減冷卻風(fēng)扇堵的越利害（風(fēng)阻大）時，流量越是小，功耗越是大，轉(zhuǎn)速越是低。因此減小一切可能的風(fēng)阻是設(shè)計(jì)高效冷卻系統(tǒng)必須時刻考慮的要素；小一切可能的風(fēng)阻是設(shè)計(jì)高效冷卻系統(tǒng)必須時刻考慮的要素； 風(fēng)扇的最高效率點(diǎn)在最大流量的風(fēng)扇的最高效率點(diǎn)在最大流量的0.550.700.550.70附近時，可以使保證系統(tǒng)效率最大化；附近時，可以使保證系統(tǒng)效率最大化；空氣功率的計(jì)算：空氣功率的計(jì)算：Pf = Q Pf = Q * * Ps Ps其

9、中Pf 空氣風(fēng)扇功率 (Watts)Q 空氣流量 (m3/sec)Ps 靜壓 (Pascal)2010-4-712Content Content Motor Basic CFM Basic Design of CFM system2010-4-713散熱系統(tǒng)的匹配散熱系統(tǒng)的匹配發(fā)動機(jī)功率類型，型式散熱量要 求水箱和電子風(fēng)扇匹配電機(jī)和風(fēng)扇匹配臺架試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)及修正確認(rèn)發(fā)動機(jī)的最大功率Ne發(fā)動機(jī)散熱量系數(shù)k 汽油機(jī): 0.850.95 柴油機(jī): 0.600.75 增壓型：系數(shù)增加 0.10.15散熱量Qw Qw=k*Ne*0.65初選水箱參數(shù)初選風(fēng)扇參數(shù) 功率，流量，風(fēng)阻幾何尺寸等初選電機(jī)參數(shù)初選

10、風(fēng)扇參數(shù) 功率，流量，風(fēng)阻幾何尺寸等電機(jī)風(fēng)扇試驗(yàn)冷卻模塊試驗(yàn)發(fā)動機(jī)匹配試驗(yàn) 初步設(shè)計(jì)定型 關(guān)于發(fā)動機(jī)散熱量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以要求發(fā)動機(jī)供應(yīng)商提供關(guān)于發(fā)動機(jī)散熱量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以要求發(fā)動機(jī)供應(yīng)商提供 2010-4-714例例 ：估算：估算110KW 110KW 柴油發(fā)動機(jī)的冷卻風(fēng)扇模塊的主要性能參數(shù)柴油發(fā)動機(jī)的冷卻風(fēng)扇模塊的主要性能參數(shù)發(fā)動機(jī)冷卻模塊校核發(fā)動機(jī)冷卻模塊校核發(fā)動機(jī)部分發(fā)動機(jī)部分發(fā)動機(jī)功率發(fā)動機(jī)功率 Ne KWNe KW110發(fā)動機(jī)類型發(fā)動機(jī)類型柴油機(jī)是否有增壓是否有增壓No散熱功率系數(shù)0.65發(fā)動機(jī)工作點(diǎn) 系數(shù)0.5-0.750.62散熱功率 KW44.3散熱功率 k Kal/h 38,

11、124 水箱部分水箱部分水箱進(jìn)水溫度水箱進(jìn)水溫度 821118211198水箱出水溫度水箱出水溫度 8293829391冷卻水流速冷卻水流速 kg/s 13kg/s 131.55水箱散熱量 k Kal/h39060 結(jié)果驗(yàn)證方案可行方案可行發(fā)動機(jī)功率類型，型式散熱量要 求2010-4-715水箱水箱2 2水箱水箱1 1水箱和電子風(fēng)扇匹配風(fēng)冷部分風(fēng)冷部分水箱進(jìn)風(fēng)溫度水箱進(jìn)風(fēng)溫度 2550255035水箱出風(fēng)溫度水箱出風(fēng)溫度 5085508570設(shè)定工作點(diǎn)靜壓設(shè)定工作點(diǎn)靜壓 Pa 80300 Pa 80300 150/220風(fēng)流量風(fēng)流量m3/hm3/h2700風(fēng)冷散熱量 k Kal/h38912

12、結(jié)果驗(yàn)證方案可行方案可行 尋找尋找合適合適性能的水箱，性能的水箱，確定工作點(diǎn)：確定工作點(diǎn)： 提示：不要認(rèn)為現(xiàn)成的，裝的上就行，就是節(jié)?。√崾荆翰灰J(rèn)為現(xiàn)成的，裝的上就行，就是節(jié)??！水箱水箱1 1輸出輸出27002700立方立方/ /小時的風(fēng)量所需的空氣功率為小時的風(fēng)量所需的空氣功率為: 2700/3600: 2700/3600* *220=165 Wa220=165 Wa水箱水箱2 2所需的功率為所需的功率為 2700/36002700/3600* *150=112.5Wa150=112.5Wa由此可見水箱由此可見水箱1 1需要的風(fēng)功率相對水箱需要的風(fēng)功率相對水箱2 2 增加了增加了52.5W

13、52.5W（47%47%），）， 折算到冷卻風(fēng)扇電機(jī)的輸入功率，增加折算到冷卻風(fēng)扇電機(jī)的輸入功率，增加了約了約175W175W。 估算增加了估算增加了CO2CO2排放排放 約約4g/100Km! 4g/100Km! 2010-4-716散熱系統(tǒng)的匹配散熱系統(tǒng)的匹配Step 2: Step 2: 匹配合適的風(fēng)扇總成匹配合適的風(fēng)扇總成 風(fēng)扇風(fēng)扇1 1與風(fēng)扇與風(fēng)扇2 2相比，風(fēng)扇相比，風(fēng)扇1 1 的最大的最大效率高于風(fēng)扇效率高于風(fēng)扇2 2 最大工作效率；最大工作效率； 在工作點(diǎn)的處（在工作點(diǎn)的處（150Pa150Pa），）， 風(fēng)扇風(fēng)扇1 1 的的效率約為風(fēng)扇效率約為風(fēng)扇2 2效率的一半；效率的一半；

14、 選擇風(fēng)扇選擇風(fēng)扇2 2是更優(yōu)的選擇。是更優(yōu)的選擇。水箱和電子風(fēng)扇匹配電機(jī)和風(fēng)扇匹配風(fēng)扇風(fēng)扇1 1風(fēng)扇風(fēng)扇2 2結(jié)論：結(jié)論： 不能單獨(dú)的選擇風(fēng)扇總成，在確定水箱與風(fēng)扇性能要求前必須進(jìn)行不能單獨(dú)的選擇風(fēng)扇總成，在確定水箱與風(fēng)扇性能要求前必須進(jìn)行 風(fēng)扇與水箱的匹配，匹配的結(jié)果會極大地影響冷卻模塊的效率。風(fēng)扇與水箱的匹配，匹配的結(jié)果會極大地影響冷卻模塊的效率。水箱水箱2010-4-717風(fēng)扇的選擇風(fēng)扇的選擇根據(jù)數(shù)據(jù)庫中各類風(fēng)扇的特性，選擇滿足幾何條件的合適的風(fēng)扇；根據(jù)數(shù)據(jù)庫中各類風(fēng)扇的特性，選擇滿足幾何條件的合適的風(fēng)扇； 選擇其工作轉(zhuǎn)速，如本例中轉(zhuǎn)速約為選擇其工作轉(zhuǎn)速，如本例中轉(zhuǎn)速約為2800rpm

15、2800rpm的單風(fēng)扇，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)的噪聲根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以預(yù)測為的單風(fēng)扇，相應(yīng)的風(fēng)機(jī)的噪聲根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以預(yù)測為78 78分貝左右。分貝左右。 2010-4-718風(fēng)扇和電機(jī)的匹配風(fēng)扇和電機(jī)的匹配Motor EfficiencyMotor Efficiency= =Ps Ps P Pin in Fan EfficiencyFan Efficiency= =Pf Pf Ps Ps Overall EfficiencyOverall Efficiency= =Pf Pf Pin 典型值典型值Motor Efficiency: Motor Efficiency: Brush Type 55% to 7

16、5% Brush Type 55% to 75% Fan Efficiency:Fan Efficiency: Axial Flow 30% to 55 % Axial Flow 30% to 55 %Overall Efficiency: Overall Efficiency: Fan Module 25% to 40% Fan Module 25% to 40%SPEED (R.P.M.)CURRENT (AMPS)FAN LINECURRENTSPEEDS1TORQUET1I12010-4-719AMPS/SPEEDTORQUELOW SPEEDFAN CURVECURRENTHIGH

17、SPEEDS Sw w i i t tc ch hi i n ng g S Se eq qu ue en nc ce eA AB BL Lo ow w S Sp pe ee ed dO NO FFH Hi i g gh h S Sp pe ee ed dO FFO N+-AB電機(jī)調(diào)速一：電機(jī)調(diào)速一： Motors with ResistorsAdvantages / Disadvantages (+/-)+ Target Speeds can be achieved+ Efficient High Speed / - Inefficient Low Speed+ Proven Warranty

18、 Record (In Production for 16 years)2010-4-720TORQUELOW SPEEDFAN CURVEHIGH SPEEDAMPS/SPEEDVoltsPWM OutputtimeAverage+PWMControllerInputControl SignalOutput-電機(jī)調(diào)速二：電機(jī)調(diào)速二：Pulse Width Modulation (PWM)Advantages / Disadvantages (+/-)+ Target speed/multiple speeds+ Efficient High Speed, Moderate Efficienc

19、y Low Speed+ Can be added to existing motor+ Can eliminate motor relays- Requires control signal- Added component- Cost of Electronics- EMC concerns (due to switching)2010-4-721Content Content Motor Basic CFM Basic Design of CFM system Technic trend of CFM2010-4-7221. Performance Requirements1. Perf

20、ormance RequirementsCurrent Specs (as VDA) prescribe a 500h salt-spray test, more than doubling the previous requirements. brush commutation at its limits (and beyond!)2. E-cars2. E-cars Water-cooled batteries require an substantially higher runtime (more than 15 Kh) only achievable by electronic co

21、mmutation3. Economy3. EconomyGeneral demand for more efficient vehicles: BL about 20% more efficient than brush at typical working conditions fuel savings, car components downsizing4. Environment4. Environment Less CO2 emission, avoidance of carbon dust pollution More stringent EMC requirementsTrends in the CFM business Trends in the CFM business Arguments for Brushless Drives2010-4-723Emerging MarketsMicro CarsMature Markets (CO2)Small - Luxury CarsBrose Innovation:Introduction of the BrushlessBBL1 plus 200-