變頻器的熱設(shè)計

以下資料主要是在網(wǎng)上搜集來的，加了點個人的理解，目的是將其作為自己在散熱知識掌握程度的一個小結(jié)，希望對同行設(shè)計人員有個參考作用以18.5KW變頻器舉例”通常散熱器的設(shè)計分為三步1：根據(jù)相關(guān)約束條件設(shè)計處輪廓圖。2:根據(jù)散熱器的相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則對散熱器齒厚、齒的形狀、齒間距、基板厚度進(jìn)行優(yōu)化。3:進(jìn)行校核計算”變頻器發(fā)熱主要是來自功率模塊IGBT和整流橋，必須通過散熱器導(dǎo)熱，采用自然風(fēng)冷或強迫風(fēng)冷將熱量散發(fā)出去?！吧崞骼鋮s方式的判斷對通風(fēng)條件較好的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.039W/cm2,可采用自然風(fēng)冷。對通風(fēng)條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度小于0.024W/cm2,可采用自然風(fēng)冷。對通風(fēng)條件較好的場合，散熱器表面的熱流密度大于0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風(fēng)冷。對通風(fēng)條件較惡劣的場合：散熱器表面的熱流密度大于0.024W/cm2而小于0.078W/cm2，必須采用強迫風(fēng)冷”注：“”中的文字是轉(zhuǎn)摘來的，不知道依據(jù)，也不太理解。以下同，不再說明！“自然冷卻散熱器的設(shè)計方法考慮到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，建議自然冷卻的散熱器齒間距大于12mm，如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距31.2倍齒高來確定散熱器的齒間距，一般齒間距=<1/4的散熱器高度”變頻器首先按照模塊放置要求，預(yù)先確定外形尺寸為寬*長*厚 260*220*50先看看自然風(fēng)冷，按照上述原則，選擇鎮(zhèn)江長虹散熱器有限公司的DY-V系列散熱器，見下圖下載(13.48KB)2010-1-1910:30變頻器發(fā)熱量為額定功率P的5%-6%18.5kw變頻器發(fā)熱量計算Q熱=6%P=6%*18.5=1.11(kw)=1110(W)P為變頻器額定功率型材散熱器表面積計算A=UL式中：U散熱器翅片橫截面的周長，cmL散熱器的長度，cmA=2422.5209*220*10-2=5329.545(cm2)散熱器表面的熱流密度Q熱/A=1110/5329.545=0.208(W/cm2)>=0.039W/cm2計算出來的散熱器表面的熱流密度，遠(yuǎn)大于限制的0.039W/cm2，就算加長加厚散熱器，增大表面積，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以不能采用自然風(fēng)冷，要采用強迫風(fēng)冷散熱器的布置見下圖下載(39.26KB)2010-1-1910:30也有將散熱器熱阻RTf來作為選擇散熱器的主要依據(jù)。Tj、RTj是半導(dǎo)體器件提供的參，P是耗散功率，RTc可以從熱設(shè)計專業(yè)書籍中查到。下面介紹一下散熱器的選擇。自然冷卻散熱器的選擇首先按以下式子計算總熱阻RT和散熱器的熱阻RTf，即：RT=(Tjmax-Ta)/PcRTf=RT-RTj-RT算出RT和RTf之后，可根據(jù)RTf和P來選擇散熱器。選擇時，根據(jù)所選散熱RTf和P曲線，在橫坐標(biāo)上查出已知P，再查出與P對應(yīng)的散熱器的熱阻R'Tf。按照R'TfWRTf的原則選擇合理的散熱器即可。強迫風(fēng)冷散熱器的選擇強迫風(fēng)冷散熱器在選擇時應(yīng)根據(jù)散熱器的熱阻RTf和風(fēng)速來選擇合適的散熱器?！庇钟幸姟?.概念元件工作結(jié)溫Tj：即元件允許的最高工作溫度極限。本參數(shù)由制造廠提供，或產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)強制給出要求。元件的損耗功率P：元件在工作時自身產(chǎn)生的平均穩(wěn)態(tài)功率消耗，定義為平均有效值輸出電流與平均有效值電壓降的乘積。耗散功率Q：特定散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力。熱阻R：熱量在媒質(zhì)之間傳遞時，單位功耗所產(chǎn)生的溫升。R=AT/Q散熱器的選配設(shè)環(huán)境溫度為Ta。散熱器的配置目的，是必須保證它能將元件的熱損耗有效地傳導(dǎo)至周圍環(huán)境，并使其熱源—即結(jié)點的溫度不超過Tj。用公式表示為P<Q=(Tj-Ta)/R①(當(dāng)然，熱量的消散除對流傳導(dǎo)外，還可輻射。在后面討論)而熱阻又主要由三部分組成：R=Rjc+Rcs+Rsa②Rjc：結(jié)點至管殼的熱阻；Rcs：管殼至散熱器的熱阻；Rsa:散熱器至空氣的熱阻。其中，Rjc與元件的工藝水平和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，由制造商給出。Rcs與管殼和散熱器之間的填隙介質(zhì)(通常為空氣)、接觸面的粗糙度、平面度以及安裝的壓力等密切相關(guān)。介質(zhì)的導(dǎo)熱性能越好，或者接觸越緊密，則Rcs越小。(參考值：我廠凸臺元件的風(fēng)冷安裝，一般可考慮Rcs^0.1Rjc)Rsa是散熱器選擇的重要參數(shù)。它與材質(zhì)、材料的形狀和表面積、體積、以及空氣流速等參量有關(guān)。綜合①和②，可得Rsa<〔(Tj-Ta)/P〕-Rjc-Rcs③上式③即散熱器選配的基本原則。一般散熱器廠商應(yīng)提供特定散熱器材料的形狀參數(shù)和熱阻特性曲線，據(jù)此設(shè)計人員可計算出所需散熱器的表面積、長度、重量，并進(jìn)一步求得散熱器的熱阻值Rsa?！贝朔N方法沒試過，因為具體到某種型號的散熱器的性能曲線，不容量獲得既已采用強迫風(fēng)冷，就要選擇風(fēng)機“設(shè)定肋基溫度為+80r，用整機的高溫環(huán)境溫度+50r作為進(jìn)口空氣溫度，設(shè)定出口空氣溫度為+60r，定性溫度為tf=(60+50)/2=55r強制風(fēng)冷所帶走的熱量大約是總損耗功率的90%，其余10%主要靠電源外殼向外的熱輻射以及自然對流散掉”通風(fēng)量的計算Q熱'=Cp*p*Q風(fēng)*八tQ風(fēng)=Q熱*60/(Cp*p*△t)式中：CP空氣的比熱(J/kg?°C)1005J/(kg?K)；p 空氣的密度(kg/m3)1.06kg/m3；Q風(fēng)通風(fēng)量(m3/min)；Q熱’ 風(fēng)機帶走的熱量(W)，Q熱*90%；△t空氣出口與進(jìn)口溫差(C)一般是10C-15C；不知道此依據(jù)是什么Q風(fēng)=Q熱'*60/(Cp*p*△t)=90%*Q熱*60/(1005*1.06*△t)=0.051*Q熱/△t=0.051*1110/10=5.66(m3/min)上式Q風(fēng)=0.051*Q熱/^t變化一下Q風(fēng)=0.051*P機*60/△t=3.06*P機/^t式中P機為變頻器額定功率，kw是我常用的公式，作為計算所需風(fēng)量的依據(jù)，個人以為△取10偏低，理論風(fēng)量太大，實際上也沒有測量過正好手頭有一本科暢公司的風(fēng)機說明書，上有風(fēng)量計算公式，Q風(fēng)=1.76P/(t2-t1)(CFM)英尺3/min=0.05P/(t2-t1)(m3/min)舉有一例：AirFlow=1.76*1000/(59-20)=45(CFM)(發(fā)熱量1000W，出口溫度59C，進(jìn)口溫度20C)溫差達(dá)39r，到底應(yīng)該是多少比較合適，暈！理論計算出來的風(fēng)量值，考慮到風(fēng)量損失及安全性等因素，要乘以1.5-2倍，Q風(fēng)‘>=1.5Q風(fēng)選用臺灣建準(zhǔn)KD2412PMBX_6A風(fēng)量120CFM=3.4m3/min，兩只根據(jù)冷卻方案，確定了強迫風(fēng)冷，重新選定散熱器，選擇無錫鴻祥散熱器有限公司的插片式散熱器，見圖，輪廓尺寸是根據(jù)元器件的放置大致初定的，下面就要校核。下載(14.34KB)2010-1-1910:30散熱器的校核計算換熱方程式Q熱=h.A?△t?nf式中：Q熱 電子設(shè)備的耗熱，Wh 總換熱系數(shù)，W/m2?°CA 有效換熱面積，m2△t 對流平均溫差，Cnf 換熱效率這個公式是電子設(shè)備熱設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)手冊上查到的，不會有錯，就看怎么理解參數(shù)了。但中國電子科技集團公司第14研究所夏愛清的那篇文章上的公式與之相比有點區(qū)別，摘錄如下：以下簡稱夏文“Q0=hPLC?(t0-tf)設(shè)定nf為肋片散熱效率，則實際散熱量為：q=qo?nf=hPLC?△t?nf式中，h為對流換熱系數(shù)，W/m2?C；P為肋片橫截面周長，m；Lc為修正長度，m；At為流體與壁面的溫差，C。設(shè)定肋基溫度為+80C，用整機的高溫環(huán)境溫度+50C作為進(jìn)口空氣溫度，設(shè)定出口空氣溫度為+60C，則：△t=80-50=30C 定性溫度為tf=(60+50)/2=55C”這里將△t=30C，我理解為散熱器鋁片與環(huán)境溫度差但P.LC不理解，肋片橫截面周長*修正長度，得到的結(jié)果是什么面積呢？回到換熱公式，先來求h，總換熱系數(shù)h=X.Nu/d式中：h換熱系數(shù)W/m2.C入 空氣的換熱系數(shù)W/m.C 0.029W/(m?K)Nu 努謝爾特數(shù)d 當(dāng)量直徑，m當(dāng)量直徑d=4A/U式中：A散熱片中每兩個肋片圍成的面積，m2U散熱片中每兩個肋片圍成的周長，m從圖3可以看出每兩個肋片圍成的尺寸是5.2*79d=4A/U=4*0.0052*0.079/2(0.0052+0.079)=0.00976m下面求努謝爾特數(shù)Nu要求出努謝爾特數(shù)Nu，先要求出雷諾數(shù)ReRe=vd/v式中：Re雷諾數(shù)v 空氣流速 m/sd 當(dāng)量直徑 mv 運動粘度 18.9X10A-6m2/s空氣流速v和風(fēng)機相關(guān)，v=Q風(fēng)*90%/AQ風(fēng) 風(fēng)機的標(biāo)稱通風(fēng)量考慮到側(cè)隙和底縫及同風(fēng)量不均勻等因素，所以按90%計算A 通風(fēng)孔的面積這個我也有疑慮，是機箱出風(fēng)口面積還是進(jìn)風(fēng)口的面積，又或是散熱器的肋板風(fēng)道面積呢？《夏》文中，風(fēng)機是貼著板壁放置，向里吹風(fēng)，所以此面積是機箱板壁進(jìn)風(fēng)口的面積，我的這個沒有板壁阻擋，只有安全罩，向外排風(fēng)的，面積應(yīng)該采用哪個呢，我這里采用機箱上部出風(fēng)口的孔洞面積，120*120mm2v=Q風(fēng)*90%/A=4.2*90%/(0.12*0.12)=262.5(m/min)=4.375(m/s)Re=vd/v=4.375*0.00976/18.9x10人-6=2259由2200vRev10M可知，空氣在散熱器內(nèi)為強制紊流，則由下面的公式計算出努謝爾特數(shù)，即Nu=0.116(ReA2/3-125)PrA1/3[1+(d/L)A2/3(p'/p尸0.14]式中：Re雷諾數(shù)Pr普郎特數(shù)查得Pr=0.7d當(dāng)量直徑mL散熱器長度m初步定為220mmp動力粘度20.1X10A-6kg/(m.s)X10A-6kg/(m.s)P'為空氣定性溫度為+50°C時的動力粘度，19.6上式是《夏》文引用的。在《電子設(shè)備手冊》中，也提到到了努謝爾特數(shù)Nu計算，Rev2200層流狀態(tài) Nu=1.86(Re.Pr.d/L)A1/3.(p'/p)人0.14Re>10A4紊流狀態(tài)Nu=0.023ReA0.8.PrA0.4偏沒有2200vRev10A4時的公式，郁悶！所以這里采用《夏》文中的公式。Nu=0.116(ReA2/3-125)PrA1/3[1+(d/L)A2/3(p'/p)人0.14]=0.116(2259人2/3-125)*0.7人1/3[1+(0.00976/0.22)人2/3*(19.6*10人-6/20.1*10人-6)人0.14=5.5現(xiàn)在可以計算對流換熱系數(shù)了h$.Nu/d=0.029*5.5/0.00976=16.34(w/m2.k)再來計算總的換熱量Q熱=h.A?△t?nfnf按0.9取值，也沒什么依據(jù)，有按0.95取的A=5.2*79*220*40*10A-6=3.615m2Q熱=16.34*3.615*30*0.9=1594(W)總散熱量1594W，加上散熱器其它表面的輻射散熱和自然對流散熱，完全能滿足18.5kw變頻器的工作需要了。校核完畢，有點亂，還需時間整理。請朋友多提意見，不要簡單地頂、支持或不好等補充下：熱量計算一我們一般用模塊廠家的專用計算軟件來算，比較接近實際；具體的模擬，好像PTC的那個模塊不是很專業(yè)，很多變量考慮不夠。一般大公司用ICEPAK之類的專業(yè)仿真軟件丹佛斯15KW變頻器散熱分析研究梁萬春丹佛斯北京研發(fā)中心E-mail：:liangwanchun@d￡tnfo^.com摘要：本文應(yīng)用Pro/Engineer三維設(shè)計軟件對丹佛斯15KW變頻器的熱分析模型進(jìn)行建模，將分析模型導(dǎo)入CFDesign流體分析軟件中,迸行速度場和溫度場的仿真，通過對仿真結(jié)果的分析，以指導(dǎo)進(jìn)一步的機械結(jié)構(gòu)憂化設(shè)計。以尋求滿足15KW變頻器散熱需求的最佳結(jié)構(gòu)方案，結(jié)果表明，該建模,仿真方法可以較準(zhǔn)確的得到變頻器內(nèi)部的氣體流場和各元件的溫度場分布。能為優(yōu)化變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局和優(yōu)化散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：變頻器,熱分析.Pro/EngineenCFDesign^模，仿真L引言W婦研發(fā)階段利用核幻I勺設(shè)計仿真軟件對產(chǎn)拍訕:發(fā)初期訶尚產(chǎn)品設(shè)汁概念的口I"性驗證提供了絕對可靠的指導(dǎo)。以及在產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計，縮短研發(fā)周期和降低研發(fā)成本方面也提供了極大的幫助。Pro/Engineer三維機械設(shè)計分析軟件廣泛的應(yīng)用于電子機械類產(chǎn)品研發(fā)的設(shè)計分析階段,它提供了強大的結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真計算功能模以‘CFDesign是美國BlueRidgeNumerics公司于1992年開發(fā)出來計算流體力學(xué)的軟件.應(yīng)用于各種散熱問題的解決、熱流模擬、熱流分析等。變頻器散熱分析研究屬于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的范疇,散熱效果直接影響到變頻器的各種性能,所以解決散熱向題至關(guān)重要，熱力學(xué)及傳熱學(xué)基本理論2.1熱力學(xué)基本理論熱力學(xué)系統(tǒng)分為閉口系統(tǒng)和開口系統(tǒng)，與外界只有官瞳交換而無物質(zhì)交換的熱力系統(tǒng)稱為閉口系統(tǒng)'閉口系統(tǒng)的質(zhì);n保持不變，與外界不僅有能屋交換又仃物質(zhì)交換的熱力系統(tǒng)稱為開口系統(tǒng)，開口系統(tǒng)實際上只是空間的一個控制體積，而不是一些確定的物質(zhì)，不論是閉口系統(tǒng)還是開口系統(tǒng)均遵循熱力學(xué)第一定律，即能量守恒定律。熱力學(xué)第一定律是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律在熱現(xiàn)象中的應(yīng)用。對丁-個閉曰系統(tǒng)〔沒于質(zhì)量的流入或流出）?進(jìn)入和離.升系統(tǒng)閔能彝火包括熱量和功,化云這為：Q=SU+SKe+SPe\W （巳i］）式中、Q—-系統(tǒng)與外界交換的熱量，J或KJW—系統(tǒng)與外界交換的功.」或KJ-1-At/—系統(tǒng)的熱；I學(xué)能增量，J或KJAKe?系統(tǒng)的動能增量■J或APe―禁統(tǒng)的勢能增量，J或KJ式E.L1）指出系統(tǒng)亳外界交換的熱量部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)能.動能利勢能,其余的轉(zhuǎn)變?yōu)楣?對于個穩(wěn)定流動的開口系統(tǒng)中的能量T：衡研究，仍遵循熱力學(xué)第淀律■所謂穩(wěn)定流動就是指「.質(zhì)在流源況F,流道中任何截面上的各種參數(shù)（溫度、就是、流速等.）及質(zhì)量流量都不隨時間而改變：系統(tǒng)在單位時間內(nèi)與外界的熱量及功的交換也不隨時間而改變。參業(yè)圖宇11,Z, MITII「基淮面圖2.1-1穩(wěn)定流動開口系統(tǒng)簡圖工質(zhì)"流過截‘1和】和』【之間"'，門夕、界吸熱。劉外界作鞏械WV，丁質(zhì)的熱力學(xué)能變化AU=U2-U\i?職能改變?yōu)? -C；,）：V能改龍gAZ=g（Zw-Z|h為維持流動,消死了流動功A（PV）=P2V2-片V；,而由于穩(wěn)定流動中任何截血的齊種參數(shù)都0造小"改嘗聽以系統(tǒng)內(nèi)總熱力？能的變化量為零.即AU=口（予+草）-口幻=0,其中U（t｝和U（T+M）分別為工質(zhì)流入和流出時刻系統(tǒng)總熱力學(xué)能.根據(jù)熱力學(xué)第一定他可表達(dá)為:f C仕 > " ]S十EK+號十—U,十巴匕十亨十片乙+W-0 （2.12）I2 ）V - ）整卅K?得Q=（%+尸迅）_（5+6%）+!（匚缶-。）+g（乙一乙）+w （2.1-3）即Q=%-H+；（C%—0jwZ-ZjlW （2.14）-2-式中：U2-「質(zhì)流出系統(tǒng)時的熱力學(xué)能，J或KJ(7廣-?【一適流入系統(tǒng)時的1熱,TF能，J或KJP2一-丁頂流出系統(tǒng)時的玉Jj,P目或MPa——I.質(zhì)流入系統(tǒng)時的A—」.Pa或MpaV2— 流出系統(tǒng)時的體積,妒H—T質(zhì)流入系統(tǒng)時的體積,m3Cf2-一丁.質(zhì)流t+4系統(tǒng)時的流.速，m/sCf}一-T質(zhì)流入系統(tǒng)削的流速，ni/sH2 I.版流出系統(tǒng)時的崎，J或kJH「一工質(zhì)流入系統(tǒng)時的炳，J或們焙由兩部分組成，一部分是工質(zhì)本身所具有的能量U,另一部分是隨工質(zhì)流動而轉(zhuǎn)移的能犀叫流;動功PV.UNH—U+PV (2.If}圖2.1-2是丹怫斯15KW變頻器氣流出、入口示意.氣流通過入口處風(fēng)扇吸入變頻器，經(jīng)內(nèi)部流通.通道后由出口將熱吊帶出。根據(jù)式(2.1T).過雅熱量為：Q_珞_M+：U- )+g(乙-ZJ+呼因為牢氣流，過變頻器時,與外界役有軸功的交熱故w=o°出、入口的動能差刑位能差也川以忽略，I：一：(c；-匚;|)=0、^(Z2-Z,)^Of1^111-,「.簡化為即變頗器中的散熱眼等于出、入口空氣的嬉差」而出、人口空氣的焙差取決于風(fēng)扇的規(guī)格利變頻器內(nèi)部的空/［流道設(shè)計.所以優(yōu)化內(nèi)部的空飛流道設(shè)計耐變頻器的散熱卅常重要O圖2,1-2丹怫斯作牌變頻器空氣出、入口圖2.2傳熱學(xué)基本理論根據(jù)熱力學(xué)第二定律，只要物體之間存在溫度差，就必然引起熱量從高溫物體向低溫物體如行熱.量推諼。熱量的佳遞有熱傳打，熱對流和鼎輻射二種基本方由2.2.1熱傳導(dǎo)物體各部分之間不發(fā)牛相對位移時,依溢分「?、.原r及自由電r等微觀?！旱臒徇\動而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為熱傳導(dǎo)(或稱導(dǎo)熱)。熱傳導(dǎo)的熱流量由下式表達(dá)：小二；U如；焰 (2.2.1-1.)或 兮二土…(2.2.,1式中：q—-流密度，是單位時間通過單位面積的熱流量，W/m2 "人-一材料I灼打熱系數(shù)戒熱濟率，W/(m?K)4>一-導(dǎo)熱熱流量，WA—-導(dǎo)熱面積,m23一-?導(dǎo)熱的厚度，m此一門2)—導(dǎo)熱溫差’K傅里葉定律指出；導(dǎo)熱熱流密度的大小與溫度梯度的絕對值成正比，其方向與溫度梯度的方向相反.q--A— (2.2.1-3)axJrn負(fù)號表示熱量流向溫度降低的方向，空為傳熱的溫度梯度0沿等汛面法線，指向溫度升高dx方向的溫度變化率稱為溫度梯度，溫度梯度是有方向的矢量」溫度場中沿不同的方向溫度的變化率是不同的,沿等溫血法線方向的變化率最大。溫度場是空間坐標(biāo)和時間坐標(biāo)的函數(shù)小為:I-/(x,y,：,T) 2.1-4)2.2,2熱對流流體流動中，溫度不同的各部分之間發(fā)生相對位移所引起的熱量傳遞稱為熱對流。對流傳熱所傳遞的熱量的計算以牛頓冷卻公式為基礎(chǔ)，它指出：對流傳熱的熱流量中與換熱表面積A以及固體壁面和流體之間的溫度差(上J成正比，即<p二捋此—七) (2.2.2-1)或 q二%=h(L,Tf) <-■式中:h對流傳熱系數(shù),其數(shù)值等丁壁面導(dǎo)流體之間的溫蘇為適時,兩好之間在單位IHl#：I-單位II寸lnj內(nèi)的對流仕熱員.W/(m2K)q-流密度.IV/靜-4-

對流必然同同伴隨希導(dǎo)熱，因此工程中特別感興趣的是流體流過固體壁面同的熱量傳遞過站稱為程流傳熱.一過迫中熱量的傳遞是依靠流體的位移而形成的對流和流體本身的導(dǎo)熱.對流，傳熱所傳遞的熱景的計算以牛頓冷卻公式為屈L中=砧(知-七)=半=當(dāng) 匕*5hA.￡ -/J-y-— (2.2.J-4)h式中：人一對流傳熱系數(shù)，W/(m3K)&=土-一對流傳熱熱阻，K/Wrh=；—-單位表面積對流傳熱熱阻，K/(m2IV) 貯對流傳熱的基:本方程組包括:換熱微分方程、連續(xù)性方程，m方向和y方向的動■方程及能量方程等五個方程.換熱微分方程為*fA出(2.2.2」)h-——(2.2.2」)Axdyr.dfr.df工1中；：—oyu—-品壁姓流體ii勺迂IW汗度變化率式：|：；寸e—-匚式：|：；寸e—-匚占壁處流體的迂":弟度變化率dy1連續(xù)性方程是從質(zhì)量守恒方果"導(dǎo)出的，表牟為:du31，、—+—=0志By式中：m>V-令劉rA.3■，方MI'l勺速度(^..2.2-6)動量微分方程是根據(jù)動員守恒導(dǎo)出的，表示微元體動攵的變化等于作用在微沁體上的外力之和“x方向利y打同的動吊:微分方枸為:如3“如3“血廣3知8%)〔擊+"虱+「戒OJC偵小'dy2)r52v后卜”"'瓦1+dy2;(2.2.2?了)(2.2.2-8)式(2,2.27)^11(2,2.2R)就已納維一斯托克斯方枸,描虧黏性流體流動的經(jīng)典力程，式中等號左邊表示動量伯變匕稱為慣性刀項；等號右邊第-項是體積刀。重:力、浮升力、彎曲流動時出現(xiàn)的離心春導(dǎo)電流體通過電磁場出現(xiàn)的電磁力等),第二項是壓力梯度項，第二項是黏性力項。對了疑態(tài)流動來-0，—-0drdr-5-當(dāng)體積力中只fi重力場作用時.浮升力將在IT然對流中起-重要作用,仙強制削流一般可以忽略重力項.納維一斯托北斯方程對不:dJ匚縮黏性流體的層流和湍流流動都是房尤的“4）能量微分方程描述流動流體的溫度與臺關(guān)物理量的聯(lián)系，根捆熱力學(xué)第-定律導(dǎo)出,可表述為：平內(nèi)有導(dǎo)熱進(jìn)入微元瑋的掙熱昴利三I流進(jìn)入徽兀外的凈熱折之和等于微兀體熱力學(xué)能的增加量*(2.2.2Wm m a人(a%a(2.2.2W +If——+V——— + dt3x 的、式(2.2.2,5.)、(2.2.26),(2.2.27).(2.2.2R)和(2.工2-9)構(gòu)成封閉的對流化熱微分方程捫。2.2.3熱輻射熱輯副指物體發(fā)射電磁能，并被“:W物體吸收變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體對外發(fā)列電磁波的過程叫做輻射,物體發(fā)射程磁波的能力物決F物體的溫校.任何物體的溫按的是高于絕時零度（-273d15XJ）,都具有發(fā)射電磁波的本領(lǐng),“:中波長為0.4?1000皿的電磁波具有較略的熱斂成,此類電磁波稱為熱射癡，熱輻射就是這為熱射線的傳播過程f頻率'波長和速率有如F關(guān)系:c~vA （2.2.：J-1J式中：c—電磁波的傳播速率，mjs,真空中t?=3x108m/si，——頻率，LA—波長,m同溫度下絕對黑體的熱輻射能力和吸收能力最強，黑體表面在單位,面積內(nèi)發(fā)出的然福射能量為：fT\4中=Acr.r4=Acb— （2.2,,32）實際物體的熱輻射能:危為：（P=￡A"4 S；式中：T—-黑體的熱力學(xué)溫度，K耙0—-媚體福成常數(shù)，％—5.67xlO*w/S'W）算一既體制I系數(shù)，&-5.67W/（m2K，）A一輻射表而積，tn2?1）發(fā)射率，習(xí)慣上稱為黑度,是實際物體的輻射力與同溫度下黑體輻射力的比值，表示物體輻射力接近黑體的程度導(dǎo)熱和對流傳熱埴物質(zhì)的宏觀運功和微觀粒子的熱近劫所造成的能量轉(zhuǎn)移,而輻射換熱是由于物質(zhì)微觀粒子的電磁運動所引起的熱能傳遞，參與換熱的物體間不需要接觸。CFDesign流體動力學(xué)軟件基于上述理論,模擬系統(tǒng)工作中的溫度場、速度場、壓力場、密度場和黏度場等流體動力學(xué)特征，按照有限元法計算各節(jié)點的溫度和速度，并導(dǎo)出系統(tǒng)內(nèi)-6-部的熱物理參數(shù)仿?真數(shù)據(jù)及圖文，Ti限兀分析(FEA,FiniteElementAnalysis)的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解*它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。對每一單元假定一個合適的(較簡單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條fl).從血得到問題的解,這個解不-是準(zhǔn)確解，10是近似解,因為實際問題被較簡單的問題所代替。由「大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解,而有限兀不僅計算精度高，而H能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。變頻器的散熱分所屬丁穩(wěn)定流動的系統(tǒng)，本文分析研究的變頻器依靠風(fēng)扇強制對流換熱，所以在對流傳熱中忽略了重力項的影響。其中熱傳導(dǎo)和對流傳熱是主要的傳熱方式,由于各電子元件溫度的升高，熱輻射也扮演其中，但在強制對流計爵，靠熱輻射交換的熱量忽略不計。用Pro/Engineer軟件對15KW變頻器建模1丹佛斯15KW變頻器概要圖3.1-1為丹佛斯iSKff變頻器外形，外形尺寸:高、寬x深，248x125x240^0圖S.1-2為產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局,由主:電路板(PowerPCBA),角電路板仰IPU3A),散熱器(HcaLsink)風(fēng)扇(Fan)等核心部件組成。圖3.1-1丹佛斯15KW變頻器外形圖3.1-2丹佛斯15甌變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局3.2仿真條件停，耍電『元器件的功耗如圖其中功棒最大的是i：也路板(PowerPCBA)上的功率模塊(PowerModel)345W，還仃叫個1冊點流火也容以及角電路板(RF1PCBA)I:的共模電感(Choke)20Wb選擇的風(fēng)扇風(fēng)吊為咫CIM功率為既卵,軋速為4900RPM。仿真的環(huán)境溫度為要求在炒還境溫度卜收熱器的最/溫度兀得高「河。共模電感(Choke)的最

I3W20W高猊瘦不得高于90I3W20W高猊瘦不得高于90JC,叫個肖流大虺容的最高溫度不得誦于76X2,其它屯了元器件的最高溫度不得高于8￥C\圖3.2-1±要電子元器件的功耗3.3散熱器結(jié)構(gòu)尺寸345WPulverModel圖E1為散熱器橫截血3寸圖。選用的上才質(zhì)為AL6063-T瓦此種材料的熱擠壓性能和淳圖E1為散熱器橫截血3寸圖。選用的上才質(zhì)為AL6063-T瓦此種材料的熱擠壓性能和淳熱性能優(yōu)良.其邙熱系數(shù)為209W/(m皿玷板的最大叩以為：馳m翅片以度為4岫翅片最大用度為朗皿翅片間距為&5皿翅片高度一與翅片間印的比值為10.擠壓工藝性圖3.31散熱器橫截面尺、：3.4功率模塊(PowerModel)的散熱過程由于散熱器底面。功率模塊(PowerModel)面之間會存在很多溝壑或空隙，其中都是穿氣.由于窣氣是熱的不良導(dǎo)體，所以空氣間隙會嚴(yán)重影響散熱效率，使散熱器的性能大打折扣,甚至.無法發(fā)揮們h為了減小功率模塊和散熱器之間的柄隙,增大接觸面積,必等，如圖3.1-1所小，功率?？舶l(fā)出的熱量更通過導(dǎo)小材料傳遞給散熱器,再通過風(fēng)扇的高速轉(zhuǎn)動將絕大部分熱金通過對流〔強制對流利|‘|然對流)的方式帶走到周闈的空氣中,10瑟須使用導(dǎo)熱性能好的導(dǎo)熱材料來填充,如導(dǎo)熱膠帶、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱徒膠以及和轉(zhuǎn)變材科能4好強制將熱量排除，這樣就形成了從功率模塊，然后通過導(dǎo)熱材料利散熱器，再制將即量氣的散熱通路.功密模塊豐序熱杜膠f散熱器：熱傳導(dǎo)散熱器f搗闈令氣:熱對流ra3.41功率模塊散熱迂已小意圖 o圖中：y,必,4-一分別為功率模塊的芯部溫度、,頂面溫及”和導(dǎo)熱系數(shù)4小山,，無-分別為導(dǎo)熱仙:膠的底直淚度t?,J如度、,f.i導(dǎo)熱系數(shù)%EM%—打羽為散熱器的光血沿也”?翅基面溫度、和亍熱系數(shù)％tf，血-一分別為散熱器周朋的空?氣，溫成.和空'3寸流傳熱系數(shù)h史——功率模塊的散熱危，345W1）功^＜模塊現(xiàn)傳的傳熱量： 中二婦='* C1.4-UI.H中：-出率模塊的芯部至.?頁血盼距離，m孔一-功次模塊的投影制枳，廿一功率模塊的傳導(dǎo)傳熱熱阻，K/W2） 導(dǎo)熱硅膠熱住17的傳熱席： 中二"芯=蛾f 〔"1?4匕上犬中：，——導(dǎo)熱砧膠層1'1勺厚虬mAj—孚熱硅:膠成?的面積，m2心二*-―-導(dǎo)熱硅膠的傳導(dǎo)傳熱熱阻，K/W O3） 散熱器熱傳導(dǎo)的傳熱量： 中=七"="/ （3.4-3）宓3上式中：名一-散熱器的基板厚度，m-9-一散熱器光面?zhèn)鹊拿娣eW&=僉—一散熱器的傳導(dǎo)傳熱熱阻，K/W4）散熱器翅片側(cè)對流傳熱的傳熱量： 小=%左=土匕 （3.4-4）上式中：&一一散熱器翅片側(cè)的面積，A4=A4+A4\瓦為翅片表面積，人；為翅片之間的基壁面積，m2 '乩二％M一―空氣的對流傳熱熱阻，K/W-散熱器翅片效率，il：J 表時1拈廿度從翅基開始引倒片高度逐漸降低.翅"|.們1勺平均溫度&，卜1?翅基I.加"如，K|此翅H的實際散熱量M；（zh,；-"比|龍士翅汁表面處于翅基溫度下的理想散熱量M4（/h4一弓）要小,兩者之比稱為翅片效率，即： 7=—一— 3.4T）'J-七在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下,聯(lián)立式（3.4-1）、（3.4嘰（3.43）?（3.44）得散熱器通過翅片的傳熱昴（：］.，1ti）的傳熱昴（：］.，1ti）A*名_R+IMM+穴3+YA.A2入&人叩％從上式川以行只耍減小它司的總熱陽國+&+&+&）就時以握高對此*?模塊的傳熱代對于」』率模共來講，選型確定；「?它的熱林是固定另變的:相應(yīng)的U熱硅膠」「積也就固定不變,只能選熱阻％小的導(dǎo)熱汩:膠;對于散熱器木身閔熱阻凡來講，Jj散熱器的材料和基板蜉度有關(guān),基板則?度按照經(jīng)驗值在10?20皿之間為制,面枳為受變頻器外形尺寸的限徂；對于散熱邪頃產(chǎn)l_Z間的割流傳熱’埒如翅片表向積以減小.時流住熱熱阻.所以優(yōu)化散熱器的劃片設(shè)計H以有效提3功率模塊的散熱乩用CFDesign軟件對15KW變頻器進(jìn)行速度場和溫度場的仿真1優(yōu)化前的速度場仿真分布靖果圖4.11為變頻器優(yōu)化前氣流速度場分布.在速廈場圖的中部可以看到產(chǎn)圭渦流狀利反流狀的速度場*渦流狀速度場說明此處氣體得不到充分的與外界循環(huán)；反流狀速度場是由「氣體在流動時受到了正面的汽擋血形成的,這些都將導(dǎo)致變頻器到的熱面釋放減弱許多，這對變頻器的散熱極為不機需耍改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計將渦流狀和反流狀速度場消除抻,以達(dá)到通暢的氣流勺外界環(huán)境充分循」時提高變歌器的散熱效率。

4,2優(yōu)化前的溫度場仿真分布結(jié)果圖心卜1和圖442為變頻器優(yōu)化前溫度場分布。通過軟件站果顯示散熱器（heatsink）叩必扁隔度為80.戲.共模也酣□■心I灑的最高溫成為明.『C：,|'|流人電容和"偈厘為7&g其它電子元件的最高溫度為前.8E.從分析結(jié)果看出它們都超出了允許的最高溫度，廚疆領(lǐng)優(yōu)化機所以構(gòu)設(shè)計以滿足姑個無件的」ftirtW求圖1.2-1優(yōu)化前溫度場分布｛帶散熱器） 圖LE優(yōu)化前溫段沏分布（不帶散熱器）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及分析1優(yōu)化方案制定-1J-

ir先考慮增大風(fēng)扇的風(fēng)址餌是帶人扇拈意味希即』IM扇產(chǎn)考的噪札變頻器噪音?的設(shè)計標(biāo)推為依J160(1BA.而11前風(fēng)廁廣乍的味音規(guī)格為57.?,所以不能考慮增大風(fēng)扇的風(fēng)量米解決:tw；真速度場產(chǎn)1；的渦流和反流，和、牛渦流的HIM位置昭加出口以釋放渦流聚集的熱量.在產(chǎn)生反流的相應(yīng)位.:置增加型料卻何肋以消除反流，但是不能從新增的出II聘］T.的看到內(nèi)部的電:'"L這是歐/地X的相:大行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)=■需要在結(jié)構(gòu)I濮特殊的此巡以滿足這心.圖.r1-1和圖3圖5.1-1變頻器空氣出口結(jié)構(gòu)圖圖5.1-2變頻器內(nèi)部空氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu)圖導(dǎo)遛出國加ii勺同時也需要對散熱器的結(jié)陶設(shè)計憂仁山式心46)川知弗加散熱器的散熱倒積可以將更多的熱力滯犯而走加故熱多散熱面積最祈-效的方法就:是清加翅片數(shù)多?在灰故熱器外形尺寸仃限制的情""頃