伺服驅(qū)動(dòng)器熱設(shè)計(jì)研究

章曉沛，余淑慧，王堯

(1.東方電氣集團(tuán)中央研究院，四川成都，611731；2.東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川德陽，618000)

伺服驅(qū)動(dòng)器熱設(shè)計(jì)研究

章曉沛1，余淑慧2，王堯2

(1.東方電氣集團(tuán)中央研究院，四川成都，611731；2.東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川德陽，618000)

為了驗(yàn)證伺服驅(qū)動(dòng)器的風(fēng)道設(shè)計(jì)、通風(fēng)孔開孔率是否合理，確定風(fēng)扇型號及其布置方式，文章對伺服驅(qū)動(dòng)器熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的具體步驟進(jìn)行了闡述。建立了伺服驅(qū)動(dòng)器的物理模型，并采用散熱仿真技術(shù)對伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部通風(fēng)換熱情況進(jìn)行了數(shù)值仿真。

伺服驅(qū)動(dòng)器，散熱仿真，熱設(shè)計(jì)

0 引言

隨著電力電子設(shè)備內(nèi)部元器件熱功耗和熱流密度的不斷增加，熱設(shè)計(jì)越來越成為電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和突破難點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性降低10%，且電子設(shè)備的失效有55%是由于溫度超過允許最高溫度引起的。為防止高溫引發(fā)的電子產(chǎn)品失效，必須對電力電子設(shè)備采用合理的散熱技術(shù)。

現(xiàn)代企業(yè)市場競爭激烈，電力電子設(shè)備研發(fā)周期短、難度高。傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過對樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)和測試以優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式，極大地增加了制造成本和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。通過構(gòu)造虛擬樣機(jī)，借助于以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)為核心的散熱仿真軟件，幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化電力電子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，選擇合理散熱方式，提高系統(tǒng)換熱性能。從而，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本和制造成本，保證電力電子設(shè)備穩(wěn)定可靠地工作。

本文以伺服驅(qū)動(dòng)器研發(fā)過程為例，利用散熱仿真技術(shù)，分析風(fēng)道設(shè)計(jì)、風(fēng)扇選型、通風(fēng)孔和風(fēng)扇的布置方式，說明散熱仿真技術(shù)對提高產(chǎn)品可靠性的優(yōu)勢。

1 電力電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)技術(shù)簡介

如何控制電子元器件的節(jié)點(diǎn)溫度，使之在允許的工作溫度范圍內(nèi)工作，防止電子元器件的熱失效問題，是電力電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。其主要設(shè)計(jì)思路是根據(jù)電子元器件的最大熱耗功率和允許的最高工作溫度，確定電力電子設(shè)備應(yīng)采用的散熱方式、冷卻劑類型、冷卻劑流量、入口溫度和散熱通道等，在熱源和環(huán)境之間，找到一條盡可能低的熱阻通道，以滿足設(shè)計(jì)需求。

電力電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，目前可采用的成熟且使用的技術(shù)主要包括：空氣自然對流冷卻技術(shù)、空氣強(qiáng)迫對流冷卻技術(shù)、液冷板冷卻技術(shù)、相變冷卻技術(shù)、熱電制冷技術(shù)及熱管技術(shù)等等。在實(shí)際熱設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)發(fā)熱功率、允許溫升、冷卻設(shè)備體積限制、制造成本等因素綜合考慮選用合適的冷卻方式。

2 電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)技術(shù)最新發(fā)展

現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)和光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，為超高熱流密度設(shè)備的產(chǎn)生提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。不僅如此，這些具有超高熱流密度的設(shè)備往往要求安裝在狹小空間內(nèi)。常規(guī)的冷卻技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法適應(yīng)電力電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)需求，研究和發(fā)展新型高效的電子冷卻技術(shù)，在國際上已經(jīng)成為工程熱物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，國內(nèi)外正在采用和研究的先進(jìn)冷卻技術(shù)包括微尺度換熱器技術(shù)、納米流體強(qiáng)化傳熱研究、毛細(xì)抽吸兩相流體回路技術(shù)研究等等。

2.1 微尺度換熱器技術(shù)研究

在普通的數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，低速芯片的熱耗一般很低，自然冷卻即能滿足其散熱需求。然而，隨著微電子技術(shù)和大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，電子元器件的微型化、電路芯片單位表面積上熱流密度的急劇增加，都給現(xiàn)代電子元器件冷卻技術(shù)提出了更高要求和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。微尺度換熱器就是為適應(yīng)這種要求而發(fā)展起來的一種新型高效冷卻技術(shù)。

微尺度換熱器的尺寸僅有微米級甚至更小，大多具有微型槽或者微型管結(jié)構(gòu)。其主要特征包括：一是利用微型槽或微型管的毛細(xì)抽吸作用，達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的；二是單位體積的傳熱面積大，高達(dá)5 000 m2/m3以上。微槽道散熱器和微尺度換熱器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1～2所示。

圖1 微槽道散熱器結(jié)構(gòu)

圖2 微尺度換熱器結(jié)構(gòu)

2.2 納米流體強(qiáng)化傳熱研究

航空航天器上有一系列具有高熱流密度的電力電子設(shè)備，通常采用液冷方式進(jìn)行冷卻。由于航空航天特殊的環(huán)境要求，其采用的液體傳熱工質(zhì)要求冰點(diǎn)低、比熱容大、黏度小、腐蝕性小和無毒的化合物，但這類工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)一般都很低。例如，在航天器上采用的一種液體工質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)在10℃時(shí)為0.137 W/(m·℃)，僅是相同溫度下水導(dǎo)熱系數(shù)的22%。研制高導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱性能好的高效新型換熱工質(zhì)以滿足航空航天電力電子設(shè)備高負(fù)荷傳熱要求顯得越發(fā)重要。

固體粒子的導(dǎo)熱系數(shù)比液體大幾個(gè)數(shù)量級，在液體傳熱工質(zhì)中添加金屬、非金屬或聚合物固體粒子是提高液體導(dǎo)熱系數(shù)的一種有效方式。在20世紀(jì)90年代以前，研究僅限于用毫米或微米級的固體粒子懸浮于液體中。但是這些粒子在實(shí)際應(yīng)用中易于沉降，無法形成長期穩(wěn)定的懸浮液系統(tǒng)，且容易導(dǎo)致磨損、堵塞管道等不良后果。

20世紀(jì)90年代以來，納米材料科學(xué)迅猛發(fā)展，研究人員開始嘗試將納米級粒子加入液體中形成納米流體冷卻工質(zhì)。美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)室Choi等人，在水中添加不到5%體積比的氧化銅納米粒子，形成的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)比水提高了60%以上。我國南京理工大學(xué)一個(gè)研究小組在航天用液體工質(zhì)中添加一定比例的Cu納米粒子，形成的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)比原純液體提高了約45%。

2.3 毛細(xì)抽吸兩相流體回路 （CPL）技術(shù)研究

CPL工作原理圖如圖3所示，CPL主要由蒸發(fā)器、冷凝器、貯液器以及各種氣、液聯(lián)管組成。當(dāng)外部熱負(fù)荷加于蒸發(fā)器時(shí)，熱量通過管壁傳入毛細(xì)芯內(nèi)的工作介質(zhì)，工作介質(zhì)受熱蒸發(fā)，蒸汽通過蒸汽聯(lián)管流向冷凝器。蒸汽在冷凝器凝結(jié)并放出汽化潛熱，熱量通過管壁傳遞到外部熱沉（如輻射器）排散。在冷凝器凝結(jié)下來的工作液體通過管道流回蒸發(fā)器。在此處，液體繼續(xù)吸熱蒸發(fā)流動(dòng)，循環(huán)工作，連續(xù)有效地把熱量傳輸?shù)綗岢痢Ｅc傳統(tǒng)的單相流體回路系統(tǒng)相比，CPL具有良好的傳熱性能、無運(yùn)動(dòng)部件、系統(tǒng)的運(yùn)行無需消耗動(dòng)力、工作安全可靠等優(yōu)勢。

圖3 CPL工作原理圖

3 伺服驅(qū)動(dòng)器熱設(shè)計(jì)問題描述

3.1 物理模型

利用三維建模軟件，對伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)外形如圖4所示。伺服驅(qū)動(dòng)器的熱控制采用強(qiáng)迫風(fēng)冷換熱方案，在機(jī)殼一側(cè)安裝風(fēng)扇，氣流在風(fēng)機(jī)的抽吸作用下由進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，帶走功率器件所產(chǎn)生的熱量，最后經(jīng)出風(fēng)口耗散至外部環(huán)境形成循環(huán)。

圖4 伺服驅(qū)動(dòng)器模型

3.2 設(shè)計(jì)約束條件

3.2.1 工作環(huán)境

伺服驅(qū)動(dòng)器所處的工作環(huán)境，其最高環(huán)境溫度為45℃。

3.2.2 發(fā)熱元器件

伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部主要功率元器件為電感，它主要由繞線磁芯、導(dǎo)熱膠和外殼3部分組成。其中，繞線磁芯為鐵硅鋁磁粉芯，材料組成為6% Al，9%Si和85%Fe。外殼材質(zhì)為覆鋁鋅板。導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱系數(shù)為0.808 W/m·k。電感的熱耗值為10 W，瞬時(shí)1～2 ms可達(dá)90 W。

3.2.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過合理設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)器的風(fēng)道、通風(fēng)孔位置、通風(fēng)孔開孔率、風(fēng)機(jī)選型等，使得環(huán)境溫度為45℃時(shí)，電感表面最高溫度低于85℃。

4 伺服驅(qū)動(dòng)器熱設(shè)計(jì)方法

4.1 伺服驅(qū)動(dòng)器風(fēng)機(jī)的選擇

強(qiáng)迫風(fēng)冷的風(fēng)機(jī)有2種類型：離心式風(fēng)機(jī)和軸流式風(fēng)扇。離心式風(fēng)機(jī)的主要特點(diǎn)是：風(fēng)壓大、風(fēng)量集中，一般占用空間較大，適用于單元內(nèi)熱量分布不均勻，風(fēng)阻較大的元器件較多的情況。軸流式風(fēng)扇的主要特點(diǎn)是：風(fēng)量大、風(fēng)壓小，風(fēng)量分布比較均勻，一般占用的空間小。

由于伺服驅(qū)動(dòng)器體積較小，結(jié)構(gòu)相對簡單，風(fēng)道阻力較小，綜合考慮，選定的風(fēng)機(jī)類型為風(fēng)量大、風(fēng)壓小，占用空間小的軸流式風(fēng)扇。

4.1.1 電壓約束

供電電壓為24 VDC。

4.1.2 風(fēng)機(jī)尺寸約束條件

伺服驅(qū)動(dòng)器風(fēng)扇尺寸約束條件是：高度方向（Y方向）允許的最大尺寸為71.65 mm；深度方向（X方向）允許的最大尺寸為86 mm，且須保證風(fēng)扇入口至少預(yù)留1/6風(fēng)扇直徑的距離。由此，最大可選風(fēng)扇尺寸為60 mm×60 mm×25 mm。

根據(jù)ebm風(fēng)扇選型手冊，初步選擇614NHH或614NGHH風(fēng)扇。這2款風(fēng)扇的風(fēng)壓曲線及風(fēng)量參數(shù)完全相同，區(qū)別在于614NHH為滾珠軸承，614NGHH為含油軸承，綜合考慮成本及風(fēng)扇壽命需求，擬選擇ebm614NGHH型號風(fēng)扇進(jìn)行散熱仿真。

ebm614NGHH型號風(fēng)扇的風(fēng)量風(fēng)壓曲線如圖5中紅色標(biāo)識(shí)曲線所示，風(fēng)量為33 CFM。

圖5 ebm614NGHH型號風(fēng)扇的風(fēng)量風(fēng)壓曲線

4.1.3 風(fēng)扇工作方式選擇

軸流式風(fēng)扇的工作方式分為抽風(fēng)和吸風(fēng)2種。對風(fēng)扇分別針對抽風(fēng)和吸風(fēng)2種工作方式進(jìn)行散熱仿真，其仿真結(jié)果如圖6～7所示。由仿真結(jié)果可見，在其他約束條件相同的情況下，風(fēng)扇抽風(fēng)時(shí)，電感表面最高溫度為60.7℃；風(fēng)扇為吸風(fēng)狀態(tài)下，電感表面的最高溫度為86℃。

圖6 風(fēng)扇抽風(fēng)散熱仿真結(jié)果

圖7 風(fēng)扇吸風(fēng)散熱仿真結(jié)果

根據(jù)以上散熱仿真結(jié)果，選擇風(fēng)扇工作方式為抽風(fēng)方式，這種工作方式可以使功率器件電感的溫度更低。

4.1.4 風(fēng)扇位置設(shè)計(jì)

根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器已有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)約束，風(fēng)扇的位置在深度 （X方向）和高度 （Y方向）的位置已定，分別為X：366 mm，Y：95 mm。Z方向的初始位置定為75 mm，可往正方向調(diào)整，可變動(dòng)范圍為75～145 mm。利用散熱仿真軟件，將Z方向位置作為變量，進(jìn)行參數(shù)化最優(yōu)設(shè)計(jì)。其散熱仿真結(jié)果如圖8所示。由散熱仿真結(jié)果對比可見，風(fēng)扇放置在離電感最近、風(fēng)道最簡潔處，即Z方向75 mm處散熱效果最優(yōu)。

圖8 風(fēng)扇在Z方向位置為75～145 mm處變動(dòng)時(shí)散熱仿真結(jié)果

綜上所述，風(fēng)扇選型為ebm614NGHH型號軸流式風(fēng)扇，其布置位置為X：366 mm，Y：95 mm，Z：75 mm。

4.2 風(fēng)道設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)扇選型，風(fēng)道設(shè)計(jì)為進(jìn)風(fēng)口位于風(fēng)扇對側(cè)，出風(fēng)口位于風(fēng)扇同側(cè)。通風(fēng)孔開孔率初步設(shè)計(jì)為40%，以此對伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行散熱仿真分析。

5 伺服驅(qū)動(dòng)器散熱仿真分析

根據(jù)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，利用專業(yè)的散熱仿真軟件，對伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行散熱仿真。

5.1 強(qiáng)迫對流散熱仿真分析

強(qiáng)迫對流散熱仿真結(jié)果詳見圖9～11。由仿真結(jié)果可見，最大風(fēng)速為7.69 m/s，電感表面最高溫度為60.73℃，滿足散熱設(shè)計(jì)需求。40%的通風(fēng)孔開孔率滿足散熱器需求。

圖9 強(qiáng)迫對流風(fēng)速云圖 （中面）

圖10 強(qiáng)迫對流風(fēng)壓云圖 （中面）

圖11 強(qiáng)迫對流溫度云圖

5.2 自然對流散熱仿真分析

根據(jù)車間實(shí)際溫度，設(shè)置仿真環(huán)境溫度為15℃，自然散熱，電感最高溫度為73.74℃，40%通風(fēng)孔開孔率，風(fēng)速為2.11 m/s。自然對流仿真分析可作為打樣電感場內(nèi)實(shí)測的參照。

自然對流散熱仿真結(jié)果參見圖12～13。

圖12 自然對流溫度云圖

圖13 自然對流風(fēng)速云圖

6 結(jié)論

利用專業(yè)散熱仿真軟件，對伺服驅(qū)動(dòng)器的虛擬樣機(jī)進(jìn)行散熱仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果、分風(fēng)扇，采用抽風(fēng)的工作方確定了最優(yōu)的伺服驅(qū)動(dòng)器熱設(shè)計(jì)方案：選用ebm614NGHH型號，風(fēng)扇安裝在Z75 mm處。氣流在風(fēng)機(jī)的抽吸作用下由對側(cè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，帶走功率器件所產(chǎn)生的熱量，最后經(jīng)風(fēng)機(jī)同側(cè)的出風(fēng)口耗散至外部環(huán)境形成循環(huán)。通風(fēng)孔的開孔率為40%。在這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式下，當(dāng)伺服驅(qū)動(dòng)器環(huán)境溫度在45℃時(shí)，功率器件電感的最高溫度為60.73℃，滿足熱設(shè)計(jì)需求。

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Study on Thermal Design of Servo Driver

Zhang Xiaopei1，Yu Shuhui2，Wang Yao2

（1.Central Research Academy of DEC,Chengdu Sichuan,611731;
2.Dongfang Electric Auto Control Engineering Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In order to validate whether the air duct design and vent opening rate of the servo driver is reasonable,determine the fan's model and arrangement,this article introduces detailed steps of servo driver's thermal system design.The physical model of servo driver is established and the thermal simulation technology is adopted to do the numerical simulation of servo driver.

servo driver,thermal simulation,thermal design

TN602

A

1674-9987（2015）03-0069-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.016

章曉沛 （1990-），女，碩士，2012年畢業(yè)于香港理工大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，現(xiàn)在中國東方電氣集團(tuán)有限公司中央研究院智能裝備與控制技術(shù)研究所從事機(jī)械系統(tǒng)研究工作。